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    直流电机微型计算机速度控制系统的设计.pdf

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    直流电机微型计算机速度控制系统的设计.pdf

    百度文库-好好学习,天天向上摘要工业控制是计算机的一个重要应用领域,计算机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术,它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程,并设计出所需要的计算机控制系统。本次设计所采用的主体芯片有 8086CPU 和可编程并行接口芯片 8255A,其中,8086CPU 曾是使用广泛的 16 位微处理器,具有 40 个管脚的双列直插式封装芯片,内外数据线都为 16 位,地址线为 20 位,直接寻址为 1MB。而 8255A是一种通用的可编程并行 I/O接口芯片,广泛用于几乎所有系列的微机系统中,它的各端口内具有中断控制逻辑,在外设于 CPU 之间可以用中断方式进行信息交换,使用条件传输方式时可用“联络”线进行控制。数字 P ID 控制系统是时间的离散系统,计算机对生产过程的控制是断续的过程.即在每一个采样周期内,传感器将所测数据转换成统一的标准信号后输入给调节器,在调节器中与设定值进行比较得出偏差值,经 PID 运算得出本次的控制量,输出到执行器后才完成了本次的调节任务。关键字:计算机控制8086CPU8255A数字 PID目录-1百度文库-好好学习,天天向上摘要.11 直流电机及主要芯片介绍.31.1 直流电机的工作原理.31.2 直流电机的调速方法.31.3 8086CPU 介绍.41.4 8255A 芯片.61.5 74LS48 芯片.81.6 74LS373 芯片.91.7 L298 芯片介绍.92系统硬件设计.102.1 各部分电路详细原理图.112.1.1 显示驱动电路.11.112.1.2 电机驱动电路.122.1.3 8086 控制电路.122.1.4 8255 控制电路.133 系统的软件设计.143.1 总体设计思路.153.2 按键检测子程序流程图.164 运行结果与分析.18课程设计感想及体会.22参考文献.23附录:源程序.23-2百度文库-好好学习,天天向上直流电机微型计算机速度控制系统的设计1 直流电机及主要芯片介绍1.1 直流电机的工作原理直流励磁的磁路在电工设备中的应用,除了直流电磁铁(直流继电器、直流接触器等)外,最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里,同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等,都是直流发电机;锅炉给粉机的原动机是直流电动机。此外,在许多工业部门,例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等,通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。直流电动机的工作原理很直观,给两个电刷加上直流电源,有直流电流从电刷 A 流入,经过线圈 abcd,从电刷 B 流出,根据电磁力定律,载流导体 ab和 cd 收到电磁力的作用,其方向可由左手定则判定,两段导体受到的力形成了一个转矩,使得转子逆时针转动;如果转子转到一定位置,电刷 A 和换向片 2接触,电刷 B 和换向片 1 接触,直流电流从电刷 A 流入,在线圈中的流动方向是 dcba,从电刷 B 流出。此时载流导体 ab 和 cd 受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定,它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。电枢一经转动,由于换向器配合电刷对电流的换向作用,直流电流交替地由线圈边ab和cd流入,使线圈边只要处于 N 极下,其中通过电流的方向总是由电刷 A 流入的方向,而在 S 极下时,总是从电刷 B 流出的方向,这就保证了每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方向,这样的结构,就可使电动机连续旋转。1.2 直流电机的调速方法根据直流电机的基本原理,由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知,直流电动机的调速方法有三种:-3百度文库-好好学习,天天向上(1)调节电枢供电电压 U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压,从电动机额定转速向下变速,属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,这种方法最好。速响应,但是需要大容量可调直流电源。(2)改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速,但只能减弱变化遇到的时间常数较小,能快磁通进行调速(简称弱磁调速),从电机额定转速向上调速,属恒功率调速方法。变化时间遇到的时间常数同所需电源容量小。(3)改变电枢回路电阻。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法,变化遇到的相比要大得多,响应速度较慢,但设备简单,操作方便。但是只能进行有级调速,调速平滑性差,机械特性较软;空载时几乎没什么调速作用;还会在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多,目前很少采用,仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大,往往是和调压调速配合使用,在额定转速以上作小范围的升速。因此,自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主,必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。1.3 8086CPU 介绍Intel 8086 是一个由 Intel 于 1978 年所设计的 16 位微处理器芯片,是 x86架构的鼻祖。不久,Intel 8088 就推出了,拥有一个外部的 8 位数据总线,允许便宜的芯片用途。它是以 8080 和 8085(它与 8080 有组合语言上的原始码兼容性)的设计为基础,拥有类似的寄存器组,但是数据总线扩充为 16 位。总线界面单元(Bus Interface Unit)透过6字节预存(prefecth)的队列(queue)喂指令给执行单元(Execution Unit),所以取指令和执行是同步的,8086 CPU 有 20 条地址线,可直接寻址 1MB 的存储空间,每一个存储单元可以存放一个字节(8 位)二进制信息。为了便于对存储器进行存取操作,每一个存储单元都有一个惟一的地址与之对应,其地址范围用十进制表示为 01048575,用十六进制表示为 00000HFFFFFH。Intel 8086 拥有四个 16 位的通用寄存器,也能够当作八个 8 位寄存器来存取,以及四个 16 位索引寄存器(包含了堆栈指标)。资料寄存器通常由指令-4百度文库-好好学习,天天向上隐含地使用,针对暂存值需要复杂的寄存器配置。它提供 64K 8 位元的输出输入(或 32K 16 位元),以及固定的向量中断。大部分的指令只能够存取一个内存位址,所以其中一个操作数必须是一个寄存器。运算结果会储存在操作数中的一个。Intel 8086 有四个 内存区段(segment)寄存器,可以从索引寄存器来设定。区段寄存器可以让 CPU 利用特殊的方式存取 1 MB 内存。8086 把段地址左移 4位然后把它加上偏移地址。大部分的人都认为这是一个很不好的设计,因为这样的结果是会让各分段有重叠。尽管这样对组合语言而言大部分被接受(也甚至有用),可以完全地控制分段,使在编程中使用指针(如 C 编程语言)变得困难。它导致指针的高效率表示变得困难,且有可能产生两个指向同一个地方的指针拥有不同的地址。更坏的是,这种方式产生要让内存扩充到大于 1 MB 的困难。而 8086 的寻址方式改变让内存扩充较有效率。在这个系统中,8086 作为整个系统的主控芯片,用来控制协调整个系统的工作如图所示就是仿真中的 8086 芯片的模型,这里隐藏了 8086 的 VCC 和 GND两个引脚。如图 1-1-5百度文库-好好学习,天天向上图 1-18086 引脚图1.4 8255A 芯片-6百度文库-好好学习,天天向上图 1-28255A 引脚图8255A 在使用前要写入一个方式控制字,选择 A、B、C 三个端口各自的工作方式,共有三种;方式 0:基本的输入输出方式,即无须联络就可以直接进行的 I/O 方式。其中 A、B、C 口的高四位或低四位可分别设置成输入或输出。方式 1:选通 I/O,此时接口和外围设备需联络信号进行协调,只有 A 口和B 口可以工作在方式 1,此时 C 口的某些线被规定为 A 口或 B 口与外围设备的联络信号,余下的线只有基本的 I/O 功能,即只工作在方式 0.方式 2:双向 I/O 方式,只有 A 口可以工作在这种方式,该 I/O 线即可输入又可输出,此时 C 口有 5 条线被规定为 A 口和外围设备的双向联络线,C 口-7百度文库-好好学习,天天向上剩下的三条线可作为 B 口方式 1 的联络线,也可以和 B 口一起方式 0 的 I/O 线。8255A 是一个并行输入、输出器件,具有 24 个可编程设置的 I/O 口,包括3 组 8 位的 I/O 为 PA 口、PB 口、PC 口,又可分为 2 组 12 位的 I/O 口:A 组包括 A 口及 C 口高 4 位,B 组包括 B 口及 C 组的低 4 位。A 口可以设置为方式 0、方式 1、方式 2,B 口与 C 口只能设置为方式 0 或方式 1.RESET:复位输入线,当该输入端处于高电平时,所有内部寄存器(包括控制寄存器)均被清除,所有 I/O 口均被置成输入方式。CS:芯片选择信号线,当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0 时,表示芯片被选中,允许 8255 与 CPU 进行通讯;/CS=1 时,8255 无法与 CPU 做数据传输.RD:读信号线,当这个输入引脚为低跳变沿时,即/RD 产生一个低脉冲且/CS=0 时,允许 8255 通过数据总线向 CPU 发送数据或状态信息,即 CPU 从 8255读取信息或数据。WR:写入信号,当这个输入引脚为低跳变沿时,即/WR 产生一个低脉冲且/CS=0 时,允许 CPU 将数据或控制字写入 8255。D0D7:三态双向数据总线,8255 与 CPU 数据传送的通道,当 CPU 执行输入输出指令时,通过它实现 8 位数据的读/写操作,控制字和状态信息也通过数据总线传送。当 A1=0,A0=0 时,PA 口被选择;当 A1=0,A0=1 时,PB 口被选择;当 A1=1,A0=0 时,PC 口被选择;当 A1=1.A0=1 时,控制寄存器被选择。1.5 74LS48 芯片74LS48 是一个译码芯片,可以将 BCD 码转换成 7 段数码管的地址码,因此经常用来驱动 4 位或单独一位的 7 段数码管显示电路。输出高电平有效。举一个例子:假设需要输出数字“1”,2 进制的编码为 0001B,那么就将 0001,4个电平分别送入 74LS48 的 DCBA 口,那么就输出了一个“0110000”的编码,如果不加入反相器就需要用共阴极的 7 段数码管,这样 bc 两段就点亮了,在数码管显示器上就显示一个“1”,如果用共阳极的7 段数码管,还需要在74LS48-8百度文库-好好学习,天天向上的输出段加入反相器。74LS48 可以译码 015 编码。这里的系统只需要输出数字,因此,完全可以满足要求,这里要注意的就是,74LS48 只能完成一位 7 段数码管的驱动,因此,还需要产生位选信号,选择相应的位,然后再显示相应的数,位选信号这里用 8255 来产生,因为这里只需要 4 位就可以显示数字,那么 8255剩下的 4 位就可以产生位选信号,这样可以控制 4 位 7 段数码管的循环滚动显示。1.6 74LS373 芯片74LS373为三态输出的八 D 透明锁存器,共有 54S373 和 74LS373 两种线路。74LS373 的输出端 Q0Q7 可直接与总线相连。当三态允许控制端 OE 为低电平时,Q0Q7 为正常逻辑状态,可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时,Q0Q7 呈高阻态,即不驱动总线,也不为总线的负载,但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端 LE 为高电平时,O 随数据 D 而变。当 LE 为低电平时,Q 被锁存在已建立的数据电平。当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用,使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV。在本次的系统中,OE 端接地,LE 端与 8086CPU 的 ALE 管脚相连,来达到地址锁存的目的。1.7 L298 芯片介绍L298 芯片是用来驱动直流电动机的。L298 是 SGS 公司的产品,内部包含 4通道逻辑驱动电路。L298 可以直接对电机进行控制,无需隔离电路通过改变控制端的电平即可对电机执行正反转,停止的操作,非常方便,异能满足直流减速电机的大电流要求。这里我用到了 L298 的一个输入输出端,来驱动一台电机。图 1-3L298 管脚图-9百度文库-好好学习,天天向上上面是在系统仿真中 L298 的管脚图,如图 1-3。2系统硬件设计设计要求:设计一个直流电机微型计算机速度控制系统,学习直流电机的速度控制和测试方法。定义8 个键盘按键:5 个为数字键 15;3 个功能键:设置SET、清零 CLR、开始 START;显示器上的四位可显示每分钟的速度;通过键盘的按键,设置直流电机每分钟的速度值;按START 键启动电机开始转动,按SET键停止;按 CLR 键清零。电路原理图如下图所示,图 2-1 系统总原理图-10百度文库-好好学习,天天向上2.1 各部分电路详细原理图2.1.1 显示驱动电路图 2-2数码管驱动部分74LS48 芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器,常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中,晶体管右边的 1234 号引脚端则是首先扫描,确定是先显示哪个数字,然后通过 ABCD 四个输入,转换为八种状态,控制晶体管的数字具体显示是多少。按键按下的时候,首先扫描D0D7,然后8086 调用内部相应的程序,8255A 的 B 口和 C 口输出,B 口输出信号到 74LS48,以此来控制数码管的显示。-11百度文库-好好学习,天天向上2.1.2 电机驱动电路图 2-3电机驱动部分L298 芯片是一种高压、大电流双 H 桥式驱动器。L298 为 SGS-THOMSONMicroelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片(Dual Full-BridgeDriver),内部包含4 信道逻辑驱动电路,是一种二相和四相步进电机的专用驱动器,可同时驱动 2 个二相或 1 个四相步进电机,内含二个 H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL 逻辑准位信号,可驱动46V、2A 以下的步进电机,且可以直接透过电源来调节输出电压;此芯片可直接由单片机的 IO端口来提供模拟时序信号。从 8255 的 C 口输出信号来控制电机的运动。2.1.3 8086 控制电路-12百度文库-好好学习,天天向上图 2-48086 控制部分在这个系统中,8086 作为整个系统的主控芯片,用来控制协调整个系统的工作,按键按下从 8255 的 A 口输入,接着反应到 8086 中,让 8086 做出反应。要编写 8 段子程序。这里对于没有开关按下的情况,就循环扫描键盘开关即可。8 个子程序对应 8 个按键按下的状态。其中有三个控制键:START 键、SET键和 CLEAR 键,它们分别完成的任务是开始开启,停止,和重置清零。2.1.4 8255 控制电路-13百度文库-好好学习,天天向上图 2-5 8255A 控制部分8255 具有 3 个相互独立的输入/输出通道端口,用+5V 单电源供电,能在以下三种方式下工作。方式 0基本输入输出方式;方式 1选通输入/出方式;方式2双向选通输入/输出方式;键盘从 A 口输入,8086 检验 D0D7 口,再做出反应,调用其内部相应程序,最后再把信息传到 8255,C 口和 B 口做出反应。3 系统的软件设计-14百度文库-好好学习,天天向上开始8255 送控制字,确定各口地址并锁存否扫描键盘,看是否有键按下是按按键 X,输出并使电机转动,显示数码否键值是否改变是返回调用图 3-1 系统总流程图3.1 总体设计思路这次编程按照任务书上的要求,以直流电动机调速为基本目的。整体思路是先给定了 8255 的控制字,然后设置好 8255 的各个端口的地址值,程序首先进行的任务就是扫描按键开关是否有动作,是否被按下,然后通过按下不同的按键开关,从 PA 口输入不同的高低电平的组合,然后程序对 PA 口输入的数据进行判断,若和对应的键值相等则跳转到对应的子程序。对于这三个程序的编写需要和其他子程序分开,这里的 START,就是让电动机全速的运转,并在显示上显示一个键值 1,这里控制电机的 PC 口就输出一个全为 1 的 PWM 波,即让电机全速旋转。而对于 SET,编写程序让 PC 口输出一个-15百度文库-好好学习,天天向上全 0 的排列,这样电动机就不再运转,并且在数码管显示器上显示一个键值 2。而对于其他 5 个按键的编程则大同小异。图 3-2 按 5 号键时的显示以一个键值为 5 的键为例。要求再按下后,程序将 PA 口数据扫描进入寄存器,然后再执行相应子程序,在数码管上第一位显示数字,后三位显示转速。这里因为转速都是 3 位数,因此就空出一位来显示键值了,如例子中的键值为 5,速度为 300。因此就显示“5300”然后再在 PC 口输出相应的高低电平组合,这里 300 为额定转速,因此输出的是全 1 的组合。子程序执行一次以后,要重新检查键值是否改变,因此这里需要重新扫描键盘,输入 PA 口的数据,然后在输出 PC 口和 PB 口的数据,这里要注意了,由于 PC 口要产生一个高低电平的 PWM 波,因此,需要端口高低电平的不断循环,因此当前的输出值需要送入另一个寄存器,然后用 AL 来存放其他端口的信息,其他端口内容输出结束以后,再将寄存器的内容返回给 AL。如果不这样做,那么 PC 口会一直输出同一个值,这样不能达到调速的目的。同时还要注意一点,在 IN 和 OUT 指令中只能用 DX 和 AL 寄存器,因此在读取不同端口的值的时候,这几个寄存器内的内容是随时变化的。因此,每当要给 PC 口输出波形的时候,都要重新赋值给 AL,这也是使用其他寄存器的目的。3.2 按键检测子程序流程图-16百度文库-好好学习,天天向上-17初始化PA口地址送DXPA口数据送AL是AL=0FFH?否子程序结束图 3-3 按键检测子程序百度文库-好好学习,天天向上按键处理子程序显示与电机控制字-18初始化控制电机转动控制显示否按键是否变化是跳转到KEY子程序图 3-4 按键按下时处理子程序4 运行结果与分析百度文库-好好学习,天天向上启动后,初始状态图 4-1 上电状态按下启动按钮。电机顺时针方向转动,如图 4-2,倘若此时按停止按钮,电机停止转动,回到图 4-3 状态。(显示管中的数字是按键的编号)图 4-2 启动状态-19百度文库-好好学习,天天向上图 4-3 停止状态此时再按清零按钮,就可以直接清零,电机停止转动,回到初始状态,如图4-4图 4-4 清零状态3 到 7 号按钮是控制电机的转速,并且依次递增,对应着按钮分别是 100 到 500(显示屏中最左边的数字对应着该按钮,右边三个则是速度),如图4-5,是按5号键时,对应着 300 的转速。-20百度文库-好好学习,天天向上图 4-5 速度为 300 时的状态-21百度文库-好好学习,天天向上课程设计感想及体会经过这次的课程设计,让我再次发现了自己的很多不足之处,首先,第一就是态度问题,在接到课设任务之后的很多天,我都没有要开始的计划,导致荒废了很多天的时间,这样直接使得后来开始动手的时候已经没有多少时间了。这一点我觉得无论在以后的学习还是工作中都很值得注意,凡事都不能拖延,该完成的事情就应该果断快速完成。在做课程设计的过程中,我逐渐发现了计算机类课程的关联性相当大,从 C语言,汇编语言到微机原理的课程内容,再到我们这学期学的计算机控制技术和单片机原理,这些课程有很多的关联部分。正如这次所做的直流电机调速,首先要对直流电机有一定的了解,要知道通过控制什么量来调整速度,知道了这些以后再联想自己所学的微机原理,计算机控制等课程的知识,就大概想到应该用什么样的芯片组合来达到这效果。当然,其中的资料搜集过程是相当枯燥的。在搜集资料的时候,我发现8086CPU 和 8255A 芯片很适合实现这样一个功能,当然,还要配合其他芯片,比如74LS373、74LS138 还有与门辅助来实现控制信号;用 L298 来控制电机。我发现,我在计算机控制这门课程上还有很多没搞懂的地方,直到做课设的时候要用到相关知识了,我才发现以前自己学习到的东西还很肤浅,这样使得我要不停的翻书,才能确定到底应该怎么做。总的来说,这次课程设计收获是巨大的,无论是心态还是知识,我都得到了很大启发,虽然经历了很多失败,也曾经沮丧甚至绝望过,但还是做出了这个方案。我开始觉得,我们所学的东西越来越接近实际生活了,与此同时,压力也更大了,因为现实的东西更加复杂,会出现很多书本上不会有的变故,很多东西也不是书本的知识能够解决的,我们应该试着更多的去用自己的脑子去想想,看看能不能有更加好的解决办法。同时,我也在课设中得到了一些自信,毕竟自己还是学有那么一点东西的,或许其他的知识在以后会慢慢忘记,但是这次课设我所用到的一些知识,绝对会让我印象深刻的。-22百度文库-好好学习,天天向上参考文献1于海生.计算机控制技术.北京:机械工业出版社,20072彭虎,周佩玲,傅忠谦.微机原理与接口技术.北京:电子工业出版社,20083李发海,王岩.电机与拖动基础(第 3 版).北京:清华大学出版社,20054谢维成.单片机原理与应用及 C51 程序设计M.北京:清华大学出版社,20065杨恢先.单片机原理及应用M.北京:人民邮电出版社,20066张靖武.单片机系统的 PROTEUS 设计与仿真M.北京:电子工业出版社,2007附录:源程序-23百度文库-好好学习,天天向上org 100hCODE SEGMENTASSUME CS:CODESA_PORT EQU 8020HB_PORT EQU 8022HC_PORT EQU 8024HCTRL_PORT EQU 8026H;各控制口的地址START:MOV AL,90HMOV DX,CTRL_PORTOUT DX,ALKEY:MOV DX,A_PORTIN AL,DXMOV BH,ALCMP BH,0FFHJE KEYCMP BH,0FEHJE ONECMP BH,0FDHJE TWOCMP BH,0FBHJE THREECMP BH,0F7HJE FOURCMP BH,0EFHJE FIVECMP BH,0DFHJE SETCMP BH,0BFHJE BEGINCMP BH,7FHJE CLEARONE:MOV CX,0FFFFHMOV AX,0FFFFHD1:MOV DX,C_PORTOUT DX,AXROL AX,1MOV CX,AXMOV DX,A_PORTIN AL,DX-24;初始化;检测是否有按键按下,没有则重新检测7 号键按下,则跳到 ONE;7 号键按下后的处理子程序;若百度文库-好好学习,天天向上MOV BH,ALCMP BH,0FEHJNZ KEY;继续检测按键,按键有变化则跳到 KEYMOV DX,B_PORTMOV AL,0E7HOUT DX,ALMOV AL,0D5HOUT DX,ALMOV AL,0B0HOUT DX,ALMOV AL,70HOUT DX,ALMOV AX,CXJMP D1TWO:MOV CX,0FFFFHMOV AX,0FCFCHD2:MOV DX,C_PORTOUT DX,AXROL AX,1MOV CX,AXMOV DX,A_PORTIN AL,DXMOV BH,ALCMP BH,0FDHJNZ KEYMOV DX,B_PORTMOV AL,0E6HOUT DX,ALMOV AL,0D4HOUT DX,ALMOV AL,0B0HOUT DX,ALMOV AL,70HOUT DX,ALMOV AX,CXJMP D2THREE:MOV CX,0FFFFHMOV AX,0F8F8HD3:MOV DX,C_PORTOUT DX,AX-25;显示相应数据百度文库-好好学习,天天向上ROL AX,1MOV CX,AXMOV DX,A_PORTIN AL,DXMOV BH,ALCMP BH,0FBHJNZ KEYMOV DX,B_PORTMOV AL,0E5HOUT DX,ALMOV AL,0D3HOUT DX,ALMOV AL,0B0HOUT DX,ALMOV AL,70HOUT DX,ALMOV AX,CXJMP D3FOUR:MOV CX,0FFFFHMOV AX,0F0F0HD4:MOV DX,C_PORTOUT DX,AXROL AX,1MOV CX,AXMOV DX,A_PORTIN AL,DXMOV BH,ALCMP BH,0F7HJNZ KEYMOV DX,B_PORTMOV AL,0E4HOUT DX,ALMOV AL,0D2HOUT DX,ALMOV AL,0B0HOUT DX,ALMOV AL,70HOUT DX,ALMOV AX,CXJMP 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