基于51系列單片機的音樂智能尋跡避障小車的設計與控制

1、科學技術學院SCIENCE & TECHNOLOGY COLLEGE OF NANCHANG UNIVERSITY 工 程 訓 練報 告REPORT ON ENGINEERING TRAINING題 目 基于51系列單片機的音樂智能尋跡避障小車的設計與控制 學科部、系： 信息學科部 專業(yè)班級： 電子信息工程07級2班 學 號： 學生姓名：章良（若要PCB圖聯(lián)系方式為QQ 指導教師： 羅小青、彭嵐峰 起訖日期： 2010-4-19 基于51系列單片機的音樂智能尋跡避障小車的設計與控制專業(yè)：電子信息工程 學號：學生姓名：章良 指導教師：羅小青、彭嵐峰摘 要 在日常生活中人們，電子產品和人的生活密不

2、可分，我們接觸的電子產品有像平常用的手機、電腦、相機等高端的電子產品；也有像平常用的通電器，收音機等低端的電子產品；有智能的電子產品，也有非智能的電子產品。電子產品的總類是很多的，而在眾多電子產品中有些帶簡單的智能控制的往往用到一些小芯片如單片機和一些傳感類的器件如光耦元件、紅外避障器等。本次工程訓練我們就將采用51系列的AT89C51單片機和光耦器件RPR220和紅外避障器E18-D80NK為主要的器件來制作音樂智能尋跡避障小車的控制電路，通過訓練來達到對課本知識的更深認識和運用。目 錄第一章 音樂智能尋跡避障小車的概述1.1音樂智能尋跡避障小車工作原理3 1.2音樂智能尋跡避障小車的目的要

3、求、技術指標及訓練任務4第二章 設計方案的選擇和確定2.1方案的主要組成部分及整體原理圖5第三章 系統(tǒng)硬件設計3.1傳感部分的設計103.2控制部分的設計12第四章 系統(tǒng)的 軟件設計4.1流程圖144.2程序清單15第五章 性能測試與分析5.1傳感PCB板傳感信號的測量205.2控制PCB板測量205.3小車跑道測試20第一章 音樂智能尋跡避障小車的概述1.1音樂智能尋跡避障小車工作原理所謂尋跡是在一個白色的塑料泡沫板上的寬25cm左右的有黑色電工膠布做成的橢圓軌道上尋黑線。避障是在小車在軌道上尋跡是當發(fā)現前方有障礙物時采取一定的操作，避免碰撞，在這里是停車。音樂是只在啟動、左轉、右轉、停車、

4、前方有障礙、倒退時可以放出小車本身有的語音信號，在這里是從過但單片機發(fā)送解碼來控制。智能控制也是由單片機來實現的。尋跡：尋跡是通過紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應超過3cm。避障：避障是通過光電傳感器來實現的，它可以通傳感器上面的旋鈕來控制障礙物感應距離，但范圍是有限制的，但這里用到的

5、E18-D80NK的感應距離在3cm到80cm之間。音樂：音樂采用小車自帶的音樂。智能控制：智能控制是采用單片機來處理所收集的信號，在由設定的來控制電路，從而達到智能控制。1.2音樂智能尋跡避障小車的目的要求、技術指標及訓練任務目的要求：學生通過基于51系列單片機的音樂智能尋跡避障小車的設計與控制實訓，除了加深和鞏固學生課程理論學習之外，更重要的是加強實踐、拓展應用，讓學生了解基于51系列單片機的開發(fā)和運用的一個整體開發(fā)流程，包括在訓練中要求學生能夠自己根據性能指標和功能要求掌握硬件電路的設計和制作、元器件的選用和安裝、軟件的編寫和調試，同時學會硬件仿真、軟件仿真和整機聯(lián)調，其中最關鍵的兩部分

6、：硬件電路設計與制作和控制軟件的編寫以及調試，使得準產品最后達到技術指標的要求。技術指標：1、音樂智能尋跡小車需基于51系列單片機進行開發(fā)和設計。2、能實現在橢圓軌道、S形軌道，太極圖形軌道等多種規(guī)則黑線軌道上尋跡運行，并還可以實現在任意黑線軌道上運行。3、至少兩種方式啟動：一是通過掌聲、口聲等其它聲音啟動；二是能通過檢測到黑線后自行啟動等其它。4、實現仿真實小車的聲音和車燈效果：小車前進時有真車前進聲音和車燈效果，小車左拐彎時有真車左拐彎聲音和車燈效果，小車右拐彎時時有真車右拐彎聲音和車燈效果，小車后退時有真車后退聲音和車燈效果，小車遇到障礙物時有真車鳴喇叭聲音和車燈效果、并自動繞開障礙物前

7、行。5、小車尋跡避障運行完之后能伴隨音樂翩翩起舞演示。6、小車外觀包裝優(yōu)美、電路設計制作焊接等工藝精良、軟件程序可讀性強。7、可擴展其它功能。實訓任務：1、根據技術指標,提出可行性方案,經分析比較選出符合功能和性能要求的實際方案。2、利用電路繪圖軟件（例如：PTOTEL DXP）畫出電路原理圖。3、寫出軟件流程圖，利用編程軟件（例如KEIL）編寫、編繹程序。4、利用電路仿真軟件（例如：PROTEUS、MULTISIM）結合編程軟件進行硬件電路聯(lián)合仿真。5、根據電路原理圖和元器件的尺寸大小利用電路繪圖軟件（例如：PTOTEL DXP）設計制PCB板。6、安裝元器件、焊接功能電路并結合軟件程序實現

8、整機聯(lián)調。第二章 設計方案的選擇和確定2.1方案的主要組成部分及整體原理圖要做音樂智能尋跡避障小車可以有很多的方案，但各種方案都是模型相似的，無非就是在一些傳感器上或局部小電路上不同而已，由于實訓的材料是固定的，所以就由所有器件設定一個方案。避障傳感部分聲音傳感部分傳感信號處理部分控制信號輸出部分尋跡傳感部分尋跡傳感部分： 該部分包括信號來源部分及信號簡易處理部分，信號來源是紅外發(fā)射與接收，在這里我們用到的是RPR220。信號簡易處理部分用到一個LM358和一個LM324來處理 RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收是一個高靈敏度，硅平面光電三極管，

9、主要應用在游戲機，復印機和辦公自動化等設備中。特點：LM358 內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。LM358 的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。特性(Features): 內部頻率補償 直流電壓增益高(約100dB) 單位增益頻帶寬(約1MHz) 電源電壓范圍寬：單電源(330V)；雙電源(1.5 一15V) 低功耗電流，適合于電池供電 低輸入偏流 低輸入失調電壓和失調電流

10、 共模輸入電壓范圍寬，包括接地 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍 輸出電壓擺幅大(0 至Vcc-1.5V)LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運

11、放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖2。LM324的特點：1.短跑保護輸出2.真差動輸入級3.可單電源工作：3V-32V4.低偏置電流：最大100nA5.每封裝含四個運算放大器。6.具有內部補償的功能。7.共模范圍擴展到負電源8.行業(yè)標準的引腳排列9.輸入端具有靜電保護功能避障傳感部分： 這部分較為簡單就是用到一個光電傳感器E18-D80NK，這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。主要用于障礙物的檢測。對障礙物的感應距離可以根據要求通過后部旋鈕進行調節(jié)。該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價

12、格便宜、易于裝配、使用方便等特點、可以廣泛應用于機器人避障、流水線計件等眾多場合。聲音傳感部分： 聲音傳感部分采用了一個駐極體和三極管的兩級放大組成，駐極體外觀如右圖所示焊錫一邊分2小塊的接“+,”另一接地。三極管用到了8050，也可用9013，9014的，不管哪種，其封裝都是TO-92 如圖有所示。傳感信號處理部分：信號處理部分是采用了單片機，如AT89C51，AT89S52都可以，我們處理的數據很少，所以2種任意的都可以，其封裝管腳也相同，我們以AT89C51為例說明AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Eras

13、able Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C51是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖所示 主要特性：與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽

14、命：1000寫/擦循環(huán)數據保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz三級程序存儲器鎖定1288位內部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數器5個中斷源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內振蕩器和時鐘電路注：控制輸出部分做驅動最好都接一上拉電阻控制輸出部分主要就是電機的控制，在這里我們采用了一個電機驅動芯片LG9110下面是LG9110資料：整體原理圖：由于是分2塊PCB板制作的，所以分成傳感（檢測）部分，和控制部分。傳感部分：控制部分：第三章 系統(tǒng)硬件設計3.1傳感部分的設計傳感部分包括3大部分：尋跡部分，聲音部分，避障部分。尋跡部分： 它是通過RPR組成的電路來實現的，其電

15、路圖如右圖尋跡信號處理采用的：電壓比較器處理的。電壓比較器的功能是比較兩個電壓的大小，例如將一個信號電壓Ui和一個參考電壓Ur進行比較，在UiUr和UiUr兩種不同情況下，電壓比較器輸出兩個不同的電平，即高電平和低電平。而Ui變化經過Ur時，比較器的輸出將從一個電壓跳變到另一個電平。比較器有各種不同的類型。對它的要求是：鑒別要準確，反應要靈敏，動作要迅速，抗干擾能力要強，還應有一定的保護措施，以防止因過電壓或過電流而造成器件損壞。比較器的特點： 工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。放大、運算電路為了實現性能穩(wěn)定并滿足一定的精度要求，這些電路中的運放均引入了深度負反饋；而為了提高比較器的反應速度和靈敏度，它

16、所采用的運放不但沒有引入負反饋，有時甚至還加正反饋。因此比較器的性能分析方法與放大、運算電路是不同的。 非線性。由于比較器中運放處于開環(huán)或正反饋狀態(tài)，它的兩個輸入端之間的電位差與開環(huán)電壓放大倍數的乘積通常超過最大輸出電壓，使其內部某些管子進入飽和區(qū)或截止區(qū)，因此在絕大多數情況下輸出與輸入不成線性關系，即在放大、運算等電路中常用的計算方法對于比較器不再適用。 開關特性。比較器的輸出通常只有高電平和低電平兩種穩(wěn)定狀態(tài)，因此它相當與一個受輸入信號控制的開關，當輸入電壓經過閾值時開關動作，使輸出從一個電平跳變到另一個電平。由于比較器的輸入信號是模擬量，而它的輸出電平是離散的，因此電壓比較器可作為模擬電

17、路與數字電路之間的過渡電路。由于比較器的上述特點，在分析時既不能象對待放大電路那樣去計算放大倍數，也不能象分析運算電路那樣去求解輸出與輸入的函數關系，而應當著重抓住比較器的輸出從一個電平跳變到另一個電平的臨界條件所對應的輸入電壓值（閾值）來分析輸入量與輸出量之間的關系。如果在比較器的輸入端加理想階躍信號，那么在理想情況下比較器的輸出也應當是理想的階躍電壓，而且沒有延遲。但實際集成運放的最大轉換速率總是有限的，因此比較器輸出電壓的跳變不可能是理想的階躍信號。電壓比較器的輸出從低電平變?yōu)楦唠娖剿毜臅r間稱為響應時間。響應時間越短，響應速度越快。聲音部分：聲音部分是采用駐極體和三極管兩級放大實現的，

18、具體如右圖所示，由于采用的兩級放大，所以在正常情況下，第二級輸出的是為高電平，當有聲音是才為低電平。避障部分： 避障部分電路比較簡單，使用方法前面已有，只是要注意不不要接反，否則會燒壞傳感器。傳感部分的PCB圖： 3.2控制部分的設計控制部分：控制部分包括信號處理部分，及控制輸出部分。信號處理時采用的單片機，而使用單片機就存在單片機最小系統(tǒng)的設計AT89C51是片內有ROM/EPROM的單片機，因此，這種芯片構成的最小系統(tǒng)簡單可靠。用AT89C51單片機構成最小應用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，如圖單片機最小系統(tǒng)所示。由于集成度的限制，最小應用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。

19、其應用特點：(1) 有可供用戶使用的大量I/O口線。(2) 內部存儲器容量有限。(3) 應用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。單片機最小系統(tǒng)1、時鐘電路AT89C51雖然有內部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。51單片機的時鐘產生方法有兩種。內部時鐘方式和外部時鐘方式。本設計采用內部時鐘方式，利用芯片內部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件，內部的振蕩電路便產生自激振蕩。本設計采用最常用的內部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2MHZ到12MHZ之間選擇。電容值無嚴格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響，CX1、CX

20、2可在20pF到100pF之間取值，由于材料的限定，所以本設計中，振蕩晶體選擇12MHZ,電容選擇30pF.在設計印刷電路板時，晶體和電容應盡可能靠近單片機芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應采用瓷片電容。2、復位電路AT89C51的復位是由外部的復位電路來實現的。復位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2,斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內部復位操作所需要的信號。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。最簡單的上電自動復位電路如圖上復位電路所示。上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來

21、實現的。只要Vcc的上升時間不超過1ms,就可以實現自動上電復位。時鐘頻率用6MHZ時C取22uF,R取1K。除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。本設計就是用的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過RST端經電阻與電源Vcc接通而實現的。按鍵手動復位電路見下圖。時鐘頻率選用12MHZ時，C取10uF,R取100，RK取10K?？刂戚敵霾糠郑嚎刂戚敵鲈谶@里用到的是一個電機驅動芯片LG9110,使用和連接電路非常簡單，如下圖為應用電路控制部分PCB圖：第四章 系統(tǒng)的 軟件設計4.1流程圖 在設計一個完整的程序時，我們往往將程序拆分成多個單獨的程序即為我們設計程序

22、的子程序。程序設計流程圖：否傳感4,5是否為黑線或有無聲音等待啟動信號初始化開始尋跡行駛是否偏離是否有障礙是否檢測到終點停車，并做停車演示否轉向修正，并做相應演示繼續(xù)檢測是否否是是停車，并按喇叭否繼續(xù)檢測繼續(xù)檢測否4.2程序清單/*07電子工程訓練項目：自動尋跡音樂小車程序，為使小車啟動簡便啟動和報告中有點差異*/*creat by:HE SHANGPING */*creat data:2010-3-20*/*vision:v2.40*/*頭文件調用和宏定義*/#include #include #include #include #define uchar unsigned char /無符

23、號字符類型定義#define uint unsigned int /無符號整數類型定義/*變量初始化*/sbit BZ=P17;sbit MIC=P16;sbit musicdecode=P20;sbit QDdcmotor_IA=P21;sbit QDdcmotor_IB=P22;sbit FXdcmotor_IA=P23;sbit FXdcmotor_IB=P24;uchar xunjidecode=0x00;uchar kjflag=0;/*函數聲明*/void musicdelay(uint z);void stopcar();void kjstopdecode();void ZUOZ

24、HUANcar();void ZUOZHUANdecode();void QJcar();void QJdecode();void backcar();void backdecode();void YOUZHUANcar();void YOUZHUANdecode();void bzdecode();void showmusiccar();void musicdelay(uint z)uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=60;y0;y-);void stopcar()QDdcmotor_IA=0; QDdcmotor_IB=0; FXdcmotor_IA=0; FXdcm

25、otor_IB=0; void kjstopdecode() uint i; for(i=4;i0;i-) musicdecode=1;/1musicdelay(1); /*每個脈沖信號0.5ms,一組共32.2ms*/musicdecode=0; /2musicdelay(1);musicdecode=1;/3musicdelay(3);musicdecode=0;/4musicdelay(1);musicdecode=1;/5musicdelay(3);musicdecode=0;/6musicdelay(1);musicdecode=1;/7musicdelay(3);musicdeco

26、de=0;/8musicdelay(1); musicdecode=1;/9musicdelay(3);musicdecode=0;/10musicdelay(1); musicdecode=1;/11musicdelay(3);musicdecode=0;/12musicdelay(1); musicdecode=1;/13musicdelay(3);musicdecode=0;/14musicdelay(3); musicdecode=1;/15musicdelay(1);musicdecode=0;/16musicdelay(1); musicdecode=1;/17musicdelay

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28、1;/27musicdelay(1);musicdecode=0;/28musicdelay(3); musicdecode=1;/29musicdelay(1);musicdecode=0;/30musicdelay(3); musicdecode=1;/31musicdelay(1);musicdecode=0;/32musicdelay(3);void ZUOZHUANcar() FXdcmotor_IA=1; FXdcmotor_IB=0;/ musicdelay(20); QDdcmotor_IA=1; QDdcmotor_IB=0; musicdelay(125); QDdcmot

29、or_IA=0; QDdcmotor_IB=0;/ musicdelay(15); void ZUOZHUANdecode() uint i; for(i=4;i0;i-) musicdecode=1;/1musicdelay(1);musicdecode=0; /2musicdelay(1);musicdecode=1;/3musicdelay(3);musicdecode=0;/4musicdelay(1);musicdecode=1;/5musicdelay(3);musicdecode=0;/6musicdelay(1);musicdecode=1;/7musicdelay(3);mu

30、sicdecode=0;/8musicdelay(1); musicdecode=1;/9musicdelay(3);musicdecode=0;/10musicdelay(1); musicdecode=1;/11musicdelay(3);musicdecode=0;/12musicdelay(3); musicdecode=1;/13musicdelay(1);musicdecode=0;/14musicdelay(1); musicdecode=1;/15musicdelay(3);musicdecode=0;/16musicdelay(1); musicdecode=1;/17mus

31、icdelay(3);musicdecode=0;/18musicdelay(1); musicdecode=1;/19musicdelay(3);musicdecode=0;/20musicdelay(1); musicdecode=1;/21musicdelay(3);musicdecode=0;/22musicdelay(3); musicdecode=1;/23musicdelay(1);musicdecode=0;/24musicdelay(1); musicdecode=1;/25musicdelay(3);musicdecode=0;/26musicdelay(3); music

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33、or_IA=0; FXdcmotor_IB=0; void QJdecode() uint i; for(i=4;i0;i-) musicdecode=1;/1musicdelay(1);musicdecode=0; /2musicdelay(1);musicdecode=1;/3musicdelay(3);musicdecode=0;/4musicdelay(1);musicdecode=1;/5musicdelay(3);musicdecode=0;/6musicdelay(1);musicdecode=1;/7musicdelay(3);musicdecode=0;/8musicdela

34、y(3); musicdecode=1;/9musicdelay(1);musicdecode=0;/10musicdelay(1); musicdecode=1;/11musicdelay(3);musicdecode=0;/12musicdelay(1); musicdecode=1;/13musicdelay(3);musicdecode=0;/14musicdelay(1); musicdecode=1;/15musicdelay(3);musicdecode=0;/16musicdelay(1); musicdecode=1;/17musicdelay(3);musicdecode=

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37、=0; void backdecode() uint i; for(i=4;i0;i-) musicdecode=1;/1musicdelay(1);musicdecode=0; /2musicdelay(1);musicdecode=1;/3musicdelay(3);musicdecode=0;/4musicdelay(1);musicdecode=1;/5musicdelay(3);musicdecode=0;/6musicdelay(3);musicdecode=1;/7musicdelay(1);musicdecode=0;/8musicdelay(1); musicdecode=1

38、;/9musicdelay(3);musicdecode=0;/10musicdelay(1); musicdecode=1;/11musicdelay(3);musicdecode=0;/12musicdelay(1); musicdecode=1;/13musicdelay(3);musicdecode=0;/14musicdelay(1); musicdecode=1;/15musicdelay(3);musicdecode=0;/16musicdelay(1); musicdecode=1;/17musicdelay(3);musicdecode=0;/18musicdelay(1);

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40、8musicdelay(3); musicdecode=1;/29musicdelay(1);musicdecode=0;/30musicdelay(3); musicdecode=1;/31musicdelay(1);musicdecode=0;/32musicdelay(3);void YOUZHUANcar() FXdcmotor_IA=0; FXdcmotor_IB=1;/ musicdelay(20); QDdcmotor_IA=1; QDdcmotor_IB=0; musicdelay(125); QDdcmotor_IA=0; QDdcmotor_IB=0; void YOUZH

41、UANdecode() uint i; for(i=4;i0;i-) musicdecode=1;/1musicdelay(1);musicdecode=0; /2musicdelay(1);musicdecode=1;/3musicdelay(3);musicdecode=0;/4musicdelay(1);musicdecode=1;/5musicdelay(3);musicdecode=0;/6musicdelay(1);musicdecode=1;/7musicdelay(3);musicdecode=0;/8musicdelay(1); musicdecode=1;/9musicde

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