基于單片機的霓虹燈控制器設(shè)計-設(shè)計報告

題目：基于單片機的霓虹燈控制器設(shè)計摘要霓虹燈在現(xiàn)代社會中有廣泛的應(yīng)用，但傳統(tǒng)的霓虹燈控制器利用移位存放器的移位方式，只能實現(xiàn)幾種有限的花式，因此市場迫切需要一種低本錢高性能的霓虹燈控制器。本設(shè)計基于單片機實現(xiàn)多種花式的霓虹燈控制器。以AT89C52單片機為控制核心，使用獨立式按鍵實現(xiàn)對霓虹燈的控制。該系統(tǒng)主要由單片機的主控局部、鍵盤輸入局部和LED顯示局部組成，運用I/O口輸出的信號驅(qū)動發(fā)光二極管和數(shù)碼管，使其產(chǎn)生有規(guī)律的閃爍和移動。該控制器電路實現(xiàn)簡單，本錢低，具有較高的性價比。關(guān)鍵字：霓虹燈；AT89C52；發(fā)光二極管；數(shù)碼管目錄1.設(shè)計任務(wù)11.1設(shè)計目的和意義11.2設(shè)計任務(wù)與要求12.硬件系統(tǒng)設(shè)計22.1總體設(shè)計方案2設(shè)計思路2方案論證與比擬22.2具體電路設(shè)計3單片機AT89C52簡介3外部時鐘方式電路4手動復(fù)位電路42.2.4發(fā)光二極管電路4數(shù)碼管電路62.2.6鍵盤控制電路72.3整體硬件電路82.4系統(tǒng)所用元器件83.軟件系統(tǒng)設(shè)計103.1軟件系統(tǒng)總體設(shè)計方案103.2程序流程圖10模式一子程序11模式二子程序114.調(diào)試及仿真125.總結(jié)135.1本系統(tǒng)存在的問題及改良措施135.2心得體會13參考文獻13附錄1霓虹燈實物圖14附錄2霓虹燈PCB板圖15附錄3程序清單161.設(shè)計任務(wù)1.1設(shè)計目的和意義隨著時代的進步，霓虹燈漸漸進入了人們的生活，如大型電子廣告牌、汽車車燈、指示牌和工業(yè)控制的控制面板等都有霓虹燈的應(yīng)用。但目前市場上的霓虹燈控制器能夠?qū)崿F(xiàn)的花式有限，且價格較貴。因此，設(shè)計一種性價比高，易于操作的霓虹燈控制器尤為重要。通過對霓虹燈控制器的設(shè)計，訓(xùn)練對單片機、電子技術(shù)等內(nèi)容的綜合應(yīng)用能力。主要培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)的知識來分析與解決問題的能力，并穩(wěn)固和深化課堂知識。了解霓虹燈的硬件電路，掌握單片機編程的根本設(shè)計和分析方法。1.2設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計任務(wù)：基于單片機設(shè)計一種霓虹燈控制器。根本要求：利用單片機控制霓虹燈的點亮；通過鍵盤的控制，實現(xiàn)霓虹燈的全亮、不同顏色燈的點亮、霓虹燈的輪流點亮閃爍、全亮閃爍等；其中閃爍的頻率可調(diào)。擴展要求：實現(xiàn)霓虹燈其他花式的點亮，使用數(shù)碼管顯示閃爍的時間、顯示哪個發(fā)光二極管點亮。2.硬件系統(tǒng)設(shè)計2.1總體設(shè)計方案設(shè)計思路題目要求設(shè)計一個霓虹燈控制器，使發(fā)光二極管以不同的樣式點亮?？刂凭植坑蓡纹瑱C完成，通過獨立式按鍵，選擇不同的點亮方式，然后單片機將控制信號傳輸給發(fā)光二極管和數(shù)碼管，從而完成不同的顯示要求。在本次設(shè)計中，硬件局部由單片機系統(tǒng)、LED發(fā)光二極管、獨立式按鍵和數(shù)碼管組成[3]。原理圖如圖1所示。P0AT89C52P0AT89C52P2P1P3模式開關(guān)時鐘電路復(fù)位電路復(fù)位電路鍵盤控制復(fù)位電路鍵盤控制發(fā)光二極管電路數(shù)碼管電路發(fā)光二極管電路數(shù)碼管電路電源電路電源電路圖1霓虹燈控制器原理圖方案論證與比擬(1)主控芯片方案選擇選擇AT89C52單片機，這種型號比擬常用，使用通用的51單片機語言，且價格廉價。該單片機有四組I/O口P0、P1、P2和P3，用來連接LED、數(shù)碼管和鍵盤等，I/O口的數(shù)量符合本設(shè)計的要求。內(nèi)部還有8K的RAM足以滿足本設(shè)計的程序容量，無需擴展外部存儲器。(2)發(fā)光二極管電路設(shè)計方案論證與選擇方案一、采用矩陣式分布。利用單片機的P1口做行選信號，P2和P0口做列選信號，128個LED發(fā)光二極管構(gòu)成8行，16列的矩陣。此方案能單獨控制每一個發(fā)光二極管，也可單獨控制每行或每列的發(fā)光二極管，從而形成豐富的圖案或把戲。但所需要的發(fā)光二極管數(shù)量很多，硬件本錢提高。方案二、利用單片機的P1口來接8個發(fā)光二極管，用幾個發(fā)光二極管也可實現(xiàn)多種花式?？紤]單片機I/O口的驅(qū)動能力，故發(fā)光二極管采用共陽極方式連接，只要輸出低電平，即可點亮發(fā)光二極管，易于實現(xiàn)。綜上所述，選擇方案二。(3)鍵盤控制電路設(shè)計方案論證與選擇方案一、采用按鍵式開關(guān)，設(shè)計一個4×4的矩陣鍵盤，節(jié)省了單片機的I/O口，但需要的按鍵過多，會造成硬件上的浪費。本設(shè)計中單片機的I/O口足以實現(xiàn)所有功能，使用鍵盤數(shù)量較少的獨立式按鍵即可。方案二、采用8個獨立式按鍵，檢測按下后的低電平，即可實現(xiàn)控制信號的檢測，需要的按鍵少，且程序?qū)崿F(xiàn)簡單，故采用方案二。(4)數(shù)碼管電路設(shè)計方案論證與選擇方案一：采用LCD來顯示發(fā)光二極管的閃爍時間和相應(yīng)二極管點亮的數(shù)字，清晰明了，但LCD價格較貴，不宜采用。方案二：采用共陽極數(shù)碼管，只要I/O口輸出共陽極字型碼，即可點亮數(shù)碼管，不需要驅(qū)動電路，設(shè)計簡單，降低本錢。初步采用四段的共陽極數(shù)碼管，顯示出閃爍時間與數(shù)字，經(jīng)實驗最終使用一段數(shù)碼管。綜上所述，采用方案二。2.2具體電路設(shè)計單片機AT89C52簡介AT89C52單片機內(nèi)部含有8KB可重復(fù)編程的Flash存儲器，可進行1000次擦寫操作。全靜態(tài)工作為0~33MHz，有3級程序存儲器加密鎖定，內(nèi)含有128~256字節(jié)的RAM、32條可編程的I/O端口、2~3個16位定時器/計數(shù)器，6~8級中斷，此外有通用串行接口、低電壓空閑模式及掉電模式[1]。AT89C52在內(nèi)部采用40條引腳的雙列直插式封裝，引腳排列如圖2所示。圖2AT89C52芯片引腳外部時鐘方式電路本設(shè)計中AT89C52使用11.0592MHz晶振，一個機器周期為1us。XTAL1〔19腳〕和XTAL2〔18腳〕：外接晶體引腳，XTAL1和XTAL2分別接外部晶振一端。在晶振的兩側(cè)再分別連接兩個為30PF的微調(diào)電容，構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器[2]。具體電路如圖3。.圖3外部時鐘電路圖手動復(fù)位電路復(fù)位電路分為上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位，RST引腳是復(fù)位信號的輸入端，復(fù)位信號是高電平有效。上電自動復(fù)位通過電容C4和電阻R1來實現(xiàn)，按鍵手動復(fù)位的實際電路如圖4所示(使用Protues仿真在數(shù)值選擇上有一些區(qū)別)。圖4手動復(fù)位電路發(fā)光二極管電路LED發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。其實際的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。LED是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由三局部組成，一局部是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子，中間通常是1至5個周期的量子阱。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子和空穴就會被推向量子阱，在量子阱內(nèi)電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。它是一種通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。由于具有容易控制、低壓直流驅(qū)動、組合后色彩表現(xiàn)豐富、使用壽命長等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于城市各工程中、大屏幕顯示系統(tǒng)。LED可以作為顯示屏，在計算機控制下，顯示色彩變化萬千的視頻和圖片。圖5發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)圖在設(shè)計中，P0、P1、P2、P3是單片機的I/O口，用來連接LED、數(shù)碼管和鍵盤等?？紤]到單片機I/O端口的帶負載能力，LED發(fā)光二極管采用共陽極的接法連接在P1口，并用820Ω的電阻分壓。只要單片機P1口輸出為低電平，對應(yīng)的發(fā)光二極管被點亮。電路圖如圖6所示。圖6發(fā)光二極管電路圖數(shù)碼管電路LED數(shù)碼管是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。LED數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段，有的另加一個小數(shù)點。LED數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽兩類，發(fā)光原理相同，了解LED的這些特性，對編程是很重要的，因為不同類型的數(shù)碼管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的。圖7是共陰和共陽極數(shù)碼管的引腳圖。圖7引腳定義圖在仿真設(shè)計時，采用四段共陽極數(shù)碼管〔用萬能板搭建實際電路時，只有四段數(shù)碼管，為了保持仿真與實際電路的一致，故采用四段數(shù)碼管。實際上，只用到一位顯示，所以在畫PCB板時，為節(jié)省硬件費用，采用一段的共陽極數(shù)碼管〕。數(shù)碼管連接在P3口，并給數(shù)碼管的第四段接上Vcc，當(dāng)P3口輸出共陽極字型碼，即可顯示出相應(yīng)的數(shù)字。具體的電路如圖8所示圖8數(shù)碼管電路圖鍵盤控制電路控制局部主要是由獨立式按鍵完成。采用1個選擇模式的自鎖開關(guān)接在P0.0上，8個按鍵開關(guān)分別接至P2口，用來選擇不同的花式。當(dāng)自鎖開關(guān)翻開時，為模式一：按下按鍵開關(guān)1，使發(fā)光二極管全亮；按下按鍵開關(guān)2，使發(fā)光二極管以800ms的速度輪流點亮，再按一下閃爍頻率增加，閃爍時間為500ms，再按一下，閃爍頻率最快，閃爍時間為200ms，并保持該最大頻率，不再增加；按下按鍵開關(guān)3，頻率減少，閃爍時間變?yōu)?00ms，最終變?yōu)?00ms；按下按鍵開關(guān)4，使發(fā)光二極管全閃爍，開始閃爍時間為800ms，再按一下頻率增加，與按鍵2相同。按下按鍵開關(guān)5，發(fā)光二極管全閃爍的時間減少，功能與按鍵3類似。按下按鍵開關(guān)6，發(fā)光二極管以奇偶兩組的形式閃爍。按下按鍵開關(guān)7，發(fā)光二極管從中間向兩邊依次點亮。按下按鍵開關(guān)8，發(fā)光二極管依次點亮相同顏色的管子，形成閃爍。按鍵6、7、8控制下的閃爍時間都為500ms。當(dāng)自鎖開關(guān)閉合時，為模式二：依次按下開關(guān)1—8，分別點亮發(fā)光二極管1—8，且同時數(shù)碼管顯示對應(yīng)的數(shù)字。具體電路如圖9示。圖9開關(guān)控制電路圖2.3整體硬件電路將各模塊電路連接起來，形成完整的硬件電路圖。霓虹燈控制器包括2個局部，即AT89C52主控模塊和LED發(fā)光二極管。前者是主控模塊，具有按鍵、復(fù)位功能。后者是受控模塊，上面接有8個LED發(fā)光二極管[4]。P0口接阻值為1KΩ的排阻，提高其驅(qū)動能力，然后在P0.0上接一自鎖開關(guān)，通過自鎖開關(guān)的閉合使P0.0口出現(xiàn)上下電平，從而實現(xiàn)兩種模式的切換。P1口接8個共陽極發(fā)光二極管，且串聯(lián)820Ω的限流電阻。P2口接8個獨立式按鍵，通過不同鍵的按下使P2口出現(xiàn)低電平，依次來實現(xiàn)不同花式的選擇。P3口接共陽極數(shù)碼管，只要輸出共陽極字型碼，數(shù)碼管便可靜態(tài)顯示相應(yīng)的數(shù)字。具體的整體電路如圖10所示。圖10整體硬件電路2.4系統(tǒng)所用元器件本系統(tǒng)硬件設(shè)計較為簡單，主要由AT89C52單片機、按鍵式開關(guān)9個，自鎖開關(guān)1個，發(fā)光二極管8個，共陽極數(shù)碼管1個。所用的元器件較少，具體的元器件清單如表1所示。表1元器件清單CommentDescriptionDesignatorFootprintLibRefQuantity瓷片電容CapacitorC1,C2HDR1X230pF2電解電容C3電解電容0.5mm47uF1LED發(fā)光二極管TypicalREDGaAsLEDD1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8,D9LED-1LED19共陽極數(shù)碼管14.2mmGeneralPurposeBlue7-SegmentDisplay:CA,RHDP,GraySurfaceDS1HDpyBlue-CA1自鎖開關(guān)K0,K-O開關(guān)開關(guān)2點觸式開關(guān)K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7,K8,K10點觸式開關(guān)點觸式開關(guān)9排阻Header,9-PinP1HDR1X9Header91排針Header,2-PinP2HDR1X2Header21電阻ResistorR0,R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8,R10,R11,R12,R13,R14,R15,R16,R17,R18AXIAL-0.4Res218P89C52X2BN80C518-BitFlashMicrocontrollerFamily,8kBFlashU1SOT129-1AT89C521XTALCrystalOscillatorY1R3811.0592MHz13.軟件系統(tǒng)設(shè)計3.1軟件系統(tǒng)總體設(shè)計方案霓虹燈控制器最大特點在于所有亮燈模式均由軟件控制完成。系統(tǒng)中軟件可以分為主程序和子程序。主程序的大部份時間是在處理按鍵的查詢，1個自鎖式開關(guān)實現(xiàn)模式切換和8個按鍵式開關(guān)實現(xiàn)樣式的選擇。1個功能復(fù)位按鍵。主程序除了調(diào)用各種子模式子程序，調(diào)用延時子程序之外，還一直保持查詢是否有功能切鍵按下以及是否有模式改變按鍵按下，一旦有功能切換鍵和模式改變鍵按下，就會進入相應(yīng)的按鍵處理。3.2程序流程圖開始開始Key1燈1亮數(shù)碼管顯示1Key0是否按下YKey2燈2亮數(shù)碼管顯示2Key3燈3亮數(shù)碼管顯示3Key4燈4亮數(shù)碼管顯示4Key5燈5亮數(shù)碼管顯示5Key6燈6亮數(shù)碼管顯示6Key8燈8亮數(shù)碼管顯示8Key7燈7亮數(shù)碼管顯示7Key1燈全亮Key2輪流亮頻率增加NKey3輪流亮頻率減少Key4全閃爍頻率增加Key5全閃爍頻率減少Key6奇偶兩組交替點亮Key7中間向兩邊依次點亮Key8相同顏色依次點亮圖11軟件流程圖模式一子程序(1)原理與分析軟件局部，由自鎖開關(guān)實現(xiàn)兩種模式的切換。模式一，自鎖開關(guān)翻開，通過if語句判斷P0.0是否為低電平。當(dāng)P0.0為低電平時，通過讀取獨立式鍵盤1—8的信號進行判斷，檢測到哪個鍵按下，便實現(xiàn)不同樣式的選擇，且由軟件設(shè)置延遲時間，從而實現(xiàn)閃爍時間的不同。開始(2)模式一流程圖，如圖12所示。開始開始開始按鍵檢測按鍵檢測按鍵檢測按鍵檢測Key0是否按下Key0是否按下YNKYNKey0是否按下YNYN模式二模式一模式二模式一結(jié)束結(jié)束結(jié)束結(jié)束圖12模式一流程圖圖13模式二流程圖3.2.2模式二子程序(1)原理與分析模式二，通過讀取獨立鍵盤1—8的信號，實現(xiàn)對應(yīng)發(fā)光二極管的點亮，同時，數(shù)碼管也顯示對應(yīng)的數(shù)字。(2)模式二流程圖，如圖13所示。4.調(diào)試及仿真在Protues上進行仿真實驗。首先使用KeiluVsion4將編寫完成的程序編譯生成HEX文件，將HEX文件燒錄到單片機中，進行仿真實驗，結(jié)果如圖14所示，可以看到，LED已經(jīng)選擇性的閃爍。測試結(jié)果：當(dāng)P00口為高電平時，選擇模式的開關(guān)翻開，選擇模式一：P2.0為低電平，發(fā)光二極管全亮；P2.1為低電平，發(fā)光二極管以800ms的速度輪流點亮，再按一下閃爍頻率增加，閃爍時間為500ms，再按一下，閃爍頻率最快，閃爍時間為200ms，并保持該最大頻率，不再增加；P2.2為低電平，發(fā)光二極管輪流點亮，頻率減少，閃爍時間變?yōu)?00ms，最終變?yōu)?00ms；P2.3為低電平，發(fā)光二極管全閃爍，開始閃爍時間為800ms，再按一下頻率增加，與P2.1口相同；P2.4為低電平，二極管全閃爍的時間減少，功能與P2.2口類似；P2.5為低電平，發(fā)光二極管以奇偶兩組的形式閃爍；P2.6為低電平，發(fā)光二極管從中間向兩邊依次點亮；P2.7為低電平，發(fā)光二極管依次點亮相同顏色的管子，形成閃爍。當(dāng)P00口為低電平時，選擇模式的開關(guān)關(guān)閉，選擇模式二：P2.0-P2.7為低電平，那么分別點亮相應(yīng)的發(fā)光二極管，且同時數(shù)碼管顯示對應(yīng)的數(shù)字?？偟膩碚f，本文所設(shè)計的霓虹燈控制器到達了所有設(shè)計要求，且擴展了數(shù)碼管功能，用來顯示閃爍時間和哪個發(fā)光二極管亮。仿真結(jié)果如圖14所示。圖14仿真結(jié)果5.總結(jié)5.1本系統(tǒng)存在的問題及改良措施本設(shè)計的設(shè)計思想，原理和軟件設(shè)計較簡單。遇到的問題：比方當(dāng)閃爍時間為800ms時，只能顯示8來替代。在設(shè)計時，考慮使用數(shù)碼管的動態(tài)掃描，來顯示3位的閃爍時間800，但發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管會與發(fā)光二極管保持相同的頻率，一起閃爍，不能到達預(yù)想的結(jié)果。經(jīng)分析，數(shù)碼管在本質(zhì)上與發(fā)光二極管是相同的，在一個單片機系統(tǒng)中，不能實現(xiàn)預(yù)想的效果?？梢酝ㄟ^雙核解決這一問題，但花費的代價過大，故舍棄。設(shè)計的缺乏：受單片機I/O口的限制，能控制的發(fā)光二極管數(shù)量有限，在大型的設(shè)計中可以采用擴展I/O口和矩陣式相結(jié)合的方式，來解決這一問題。5.2心得體會設(shè)計主要是結(jié)合單片機技術(shù)，把理論知識運用到實際的設(shè)計中，霓虹燈控制器通過簡單的I/O接口，在軟件編程的根底下，實現(xiàn)由開關(guān)控制8個LED燈的亮滅變化以及閃爍頻率變化。因為知識存在欠缺和缺乏，在剛開始設(shè)計時遇到了一些困難。最后通過查閱資料解決了各種困難，完成了設(shè)計的要求。在軟件設(shè)計中，相比匯編語言的可讀性和可移植性很差，因此我選擇了C語言。由于C語言長久沒使用，在編寫程序時也有一些難度。但都在我的努力之下，逐一解決。編程時，首先是在編寫主函數(shù)，首先設(shè)想了大致的框架，使用P0.0口的0和1兩個狀態(tài)來進入兩種模式。但是出現(xiàn)了當(dāng)程序進入模式一時，選擇其中一種花式后，程序跳不出來。經(jīng)檢查，我使用了while(1)來實現(xiàn)輪流點亮，進入死循環(huán)，程序不再往下執(zhí)行。后來通過修改，設(shè)置一個狀態(tài)變量解決了這一問題。在搭電路時，要查閱芯片的管腳圖，確認連線，否那么很容易出錯。最后，在自己的認真對待下，不僅完成了設(shè)計的仿真，也做出了實物。從中有了很大的收獲，我進一步熟悉并運用C語言來編程，且對單片機系統(tǒng)有了更深的掌握。參考文獻[1]郭文川主編.單片機原理與接口技術(shù).北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2007.[2]張婧武,周靈彬.單片機系統(tǒng)的PROTEUS設(shè)計與仿真.北京:電工出版社,2007.4[3]周佩玲,彭虎.微機原理與接口技術(shù).北京:電子工業(yè)出版社,2005.4[4]郭天祥.51單片機C語言教程.北京:電子工業(yè)出版社,2023.1附錄1霓虹燈實物圖附錄2霓虹燈PCB板圖附錄3程序清單#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintuintm=0,n=0,num=0,shuzi=0,delay_time=0;uintkey2_flag=0,key3_flag=0;uchara=0xfe;sbitkey0=P0^0; //模式選擇開關(guān)sbitkey1=P2^0;sbitkey2=P2^1;sbitkey3=P2^2;sbitkey4=P2^3;sbitkey5=P2^4;sbitkey6=P2^5;sbitkey7=P2^6;sbitkey8=P2^7;//延遲子函數(shù)//voiddelayms(uintxms) {uinti,j;for(i=xms;i>0;i--)for(j=110;j>0;j--);}//模式一,開關(guān)0翻開// voidmo_shi_yi_scan() { if(key0==1) { if(key1==0) //按鍵1，全部點亮 { delayms(10); if(key1==0) P1=0x00; while(!key1); } if(key2==0) //按鍵2，輪流點亮,頻率增加 { delayms(10); if(key2==0) { num++; if(num==4) num=3; key2_flag=1; switch(num) { case1: delay_time=800;P3=0x80; break; case2: delay_time=500; P3=0x92; break; case3: delay_time=200; P3=0xa4; break; default: break; } } while(!key2); } if(key3==0) //按鍵3，輪流點亮，頻率減少{ delayms(10); if(key3==0) { if(num>1) num--; else num=1; key2_flag=1; switch(num) { case1: delay_time=800; P3=0x80; break; case2: delay_time=500; P3=0x92; break; default: break; } } while(!key3); } if(key4==0) //按鍵4，全部閃爍，頻率增加{ delayms(10); if(key4==0) { shuzi++; if(shuzi==4) shuzi=3; key3_flag=1; switch(shuzi) { case1: delay_time=800; P3=0x80; break; case2: 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