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温度传感器的课程设计


河南科技大学

课程设计说明书
(机电一体化工程)



市:

三门峡市 120110100365 张金河

准考证号 姓 名:

河南省高等教育自学考试

高等教育自学考试 课程设计任务书

一、 课程设

计题目 温度传感器的课程设计

二、 课程设计工作自 2011 年 3 月 10 日起至 2011 年 5 月 20 日止 三、 课程设计进行地点 三门峡职业技术学院 四、 课程设计内容要求 (1) 制图符合标准 (2) 方案设

计合理有可行性(3)理论分析完整清楚(4) 设计简明要

指导教师:王莉静 批准日期: 2011 年 5 月 17 日

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目录
1 引言...............................................................................................3 2 设计要求.......................................................................................3 3 工作原理.......................................................................................4 4 方案设计.......................................................................................4 5 单元电路的设计和元器件的选择.....................................................5 5.1 为控制模块......................................................................................5 5.2 温度采集模块..................................................................................7 5.3 报警模块..........................................................................................9 5.4 温度显示模块..................................................................................9 5.5 其他外围电路.................................................................................10 6 电源模块............................................................................................12 7 程序设计............................................................................................13 7.1 流程图.............................................................................................13 7.2 程序分析.........................................................................................13 8 实力测试............................................................................................18 总结 ......................................................................................................19 参考文献...............................................................................................20

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1 引言
传感器是一种有趣的且值得研究的装置,它能通过测量外界的物理量,化学 量或生物量来捕捉知识和信息, 并能将被测量的非电学量转换成电学量。在生活 中它为我们提供了很多方便, 在传感器产品中, 温度传感器是最主要的需求产品, 它被应用在多个方面。总而言之,传感器的出现改变了我们的生活,生活因使用 传感器也变得多姿多彩。 温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力 电子等, 常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同,在工业企 业中, 如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员 努力解决的问题。 这类控制对象惯性大, 滞后现象严重, 存在很多不确定的因素, 难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、 失控现象。传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因 触点不良而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的 PID 控制方式,但 PID 控制对象的模型难以建立, 并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存 在的问题。而采用数字温度传感器 DS18B20,因其内部集成了 A/D 转换器,使得 电路结构更加简单, 而且减少了温度测量转换时的精度损失,使得测量温度更加 精确。 数字温度传感器 DS18B20 只用一个引脚即可与单片机进行通信,大大减少 了接线的麻烦,使得单片机更加具有扩展性。由于 DS18B20 芯片的小型化,更加 可以通过单跳数据线就可以和主电路连接,故可以把数字温度传感器 DS18B20 做成探头,探入到狭小的地方,增加了实用性。更能串接多个数字温度传感器 DS18B20 进行范围的温度检测

2 设计要求
本设计主要是介绍了单片机控制下的温度检测系统, 详细介绍了其硬件和软 件设计,并对其各功能模块做了详细介绍,其主要功能和指标如下: .利用温度传感器(DS18B20)测量某一点环境温度 .测量范围为一 55℃一+99'C 1 精度为士 0.5C .用液晶进行实际温度值显示 .能够根据需要方便设定上下限报警温度
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3 工作原理
温度传感器 DS18B20 从设备环境的不同位置采集温度, 单片机 AT89S51 获取 采集的温度值, 经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值,再根据当前设 定的温度上下限值, 通过加热和降温对当前温度进行调整。当采集的温度经处理 后超过设定温度的上限时,单片机通过三极管驱动继电器开启降温设各(压缩制 冷器),当采集的温度经处理后低于设定温度的下时,单片机通过三极管驱动继 电器开启升温设备(加热器)。

当山于环境温度变化太剧烈或山于加热或降温设备出现故障, 或者温度传感 头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候, 单 片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。

系统中将通过串口通讯连接 PC 机存储温度变化时的历史数据, 以便观察整个 温度的控制过程及监控温度的变化全过程。

4 方案设计
采用数字温度芯片 DS 18B20 测量温度,输出信号全数字化。便于单片机处 理及控制, 省去传统的测温方法的很多外围电路。 且该芯片的物理化学性很稳定, 它能用做工业测温元件,此元件线形较好。在 0-100 摄氏度时,最大线形偏差小 于 1 摄氏度.DS 18B20 的最大特点之一采用了单总线的数据传输,山数字温度计 DS 18B20 和微控制器 AT89S51 构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信 号,可直接与计算机连接。这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大。采 用 51 单片机控制,软件编程的自由度大,可通过编程实现各种各样的算术算法 和逻辑控制,而且体积小,硬件实现简单,安装方便。既可以单独对多 DS 18B20 控制工作,还可以与 PC 机通信上传数据,另外 AT89S51 在工业控制上也有着广 泛的应用,编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。

该系统利用 AT89S51 芯片控制温度传感器 DS18B20 进行实时温度检测并显示, 能够实现快速测量环境温度, 并可以根据需要设定上下限报警温度。该系统扩展
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性非常强,它可以在设计中加入时钟芯片 DS 1302 以获取时间数据,在数据处理 同时显示时间, 并可以利用 AT24C16 芯片作为存储器件,以此来对某些时间点的 温度数据进行存储,利用键盘来进行调时和温度查询,获得的数据可以通过 MAX232 芯片与计算机的 RS232 接口进行串口通信,方便的采集和整理时间温度 数据。
系统框图如图所示:

5 单元电路的设计和元器件的选择
5.1 微控制器模块 AT89S51 是一个低功耗,高性能 CMOS 8 位单片机,片内含 8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器, 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准 MCS-51 指令 系统及 80C51 引脚结构,芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单 元, 功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价 比的解决方案。AT89S51 具有如下特点:40 个引脚,4k Bytes Flash 片内程序 存储器,128 bytes 的随机存取数据存储器(RAN), 32 个外部双向输入/输出(工 5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断,2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双 工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。

此外,AT89S51 设计和配置了振荡频率可为 OHz 并可通过软件设置省电模式。 空闲模式下,CPU 暂停工作,而 RAM 定时计数器,串行口,外中断系统可继续工

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作,掉电模式冻结振荡器而保存 RA”的数据,停止芯片其它功能直至外中断激 活或硬件复位。同时该芯片还具有 PDIP, TQFP 和 PLCC 等三种封装形式,以适应 不同产品的需求。 山于系统控制方案简单,数据量也不大,考虑到电路的简单和成本等因 素,因此在本设计中选用 A TMEL 公司的 A T89S51 单片机作为主控芯片。主 控模块采用单片机最小系统是山于 A T89S51 芯片内含有 4 kB 的 E2PROM,无 需外扩存储器,电路简单可靠,其时钟频率为 0^24 MHz,并且价格低廉, 批量价在 10 元以内。 主要特性如下 : .与 MCS-51 兼容 .4K 字节可编程闪烁存储器 .寿命:1000 写 l 擦循环 .数据保留时间:10 年 .全静态工作:OHz-24Hz .三级程序存储器锁定 .0128-8 位内部 RAM .032 可编程】/O 线 .两个工 6 位定时器 l 计数器 .5 个中断源 .可编程串行通道 .低功耗的闲置和掉电模式 .片内振荡器和时钟电路

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5.2 温度采集模块 AT89551 单升机引脚图 DS18B2。是 DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器,它具有微型化、低 功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点,特别适合用于构成多点温度测 控系统,可直接将温度转化成串行数字信号(按 9 位二进制数字)给单片机处理, 且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片,它具有三引脚 TO-92 小体积封装形 式,温度测量范围-55--+125'C,可编程为 9--12 位 A/D 转换精度,测温分辨 率可达 0. 06250C,被测温度用符号扩展的 16 位数字量方式串行输出,其工作 电 源既可在远端引入,业可采用寄生电源方式产生,多个 DS18B20 可以并联到 三根或者两根线上,CPU 只需一根端口线就能与多个 DS18B20 通信,占用微处理 器的端口较少, 可节省大量的引线和逻辑电路。从而可以看出 DS18B20 可以非常 方便的被用于远距离多点温度检测系统. 综上, 在本系统中我采用温度芯片 DS18B20 测量温度。该芯片的物理化学性 很稳定,它能用做工业测温元件,且此元件线形较好.在 0-100 摄氏度时,最 大线形偏差小于 1 摄氏度。 该芯片直接向单片机传输数字信号,便于单片机处理 及控制。

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DS18B20 最大的特点是单总线数据传输方式,DS18B20 的数据 1/0 均由同 一条线来完成。DS18B20 的电源供电方式有 2 种:外部供电方式和寄生电源方 式.工作于寄生电源方式时,VDD 和 GN0)均接地,他在需要远程温度探测和空间 受限的场合特别有用,原理是当 1 W ire 总线的信号线 DQ 为高电平时,窃取信 号能量给 DS18B20 供电,同时一部分能量给内部电容充电,当 DQ 为低电平时释 放能量为 DS18B20 供电.但寄生电源方式需要强上拉电路, 软件控制变得复杂(特 别是在完成温度转换和拷贝数据到 E2PROM 时),同时芯片的性能也有所降低。外 部电源供电方式是 DS18B20 最佳的工作方式,工作稳定可靠,抗干扰能力强,而 且电路也比较简单, 可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。因此木设计采用 外部供电方式。如下图所示:

温度传感器 DS18B20 的测量范围为一 55℃一++1250C,在一 10℃一十 85℃时 精度为士 0. 5`C。因为本设计只用于测量环境温度,所以只显示 0℃一+85C。

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5.3 报警模块 本设计采软件处理报警,利用有源蜂鸣器进行报警输出,采用直流供电。 当所测温度超过获低于所预设的温度时,数据口相应拉高电平,报瞥输出。 (也可采用发光二级管报警电路,如过需要报警,则只需将相应位置 11 当 参数判断完毕后,再看报警模型单元 ALARM 的内容是否与预设一样,如不一 样,则发光报瞥)报瞥电路硬件连接见图 5 一 3

图 5 一 3 蜂鸣器电路连接图 5.4 温度显示模块 本设计显示电路采用两位共阳极 LED 数码管来显示测量得到的温度值。LED 数码管能在低电压下工作,而且体积小、重量轻、使用寿命长,因次本设计选用 此数码管作为显示器件。 一个 LED 数码管只能显示一位的字符,如果字符位数不止一位,可以用几个 数码管组成, 但要控制多位的显示电路需要有字段控制和字位控制,字段控制是 指控制所要显示的字符是什么,控制电路应将字符的七段码通过输出口连接到 LED 的 a-g 引脚,是某些段点亮,某些段处于熄灭状态。字位 控制是指控制在 多位显示器中, 哪几位发光或那几位不发光,字位控制则需要通过字位码作用于 LED 数码管的公共引脚,是某一位或某几位的数码管,以发光。 数码管显示电路分为动态显示和静态显示。 静态显示方式是指每一个数码管的字段控制是独立的,每一个数码管都 需要配置一个 8 位输出口来输出该字位的七段码。 因此需要显示多位时需要多个 输出口,通常片内并口不够用,需要在片外扩展。 动态显示又称为扫描显示方式, 也就是在某一时刻只能让一个字位处于选通状 态,其他字位一律断开,同时在字段线上发出该位要显示的字段码,这样在某一

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时刻某一位数码管就会被点亮, 并显示出相应的字符。下一时刻改变所显示的字 位和字段码,点亮另一个数码管,显示另一个字符。绕后一次扫描轮流点亮其他 数码管,只要扫描速度快,利用人眼的视觉残留效应,会使人感觉到几位数码管 都在稳定的显示。 本设计采用数码管动态显示,电路如卜图所示:

显示部分电路 图中由单片机 P1 口串接 74HC245 驱动两位共阳极数码管,上拉电阻排为 lOK。由 P2.。和 P2. 1 通过 P\P 型三极管 Ql, Q2 驱动其字位。三极管发射极接 高电平,当 P2. 0 或 P2. 1 为低电平时使三极管导通选通数码管的某一位。

5.5 其它外围电路

复位电路:在单片机的 RST 引脚引入高电平并保持 2 个机器周期时,单片机 内部就执行复位操作。实际应用中,复位操作有两种形式:一种是上电复位,另 一种是上电与按键均有效的复位。如下图所示

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上电复位电路 复位电路如图 7 所示

上电与按键复位

上电复位要求接通电源后,单片机自动实现复位操作。上电瞬间 RST 引脚获 得高电平,随着电容的充电,RST 引脚的高电平逐渐下降。只要 RST 引脚保持两 个机器周期的高电平单片机就可以进行复位操作。该电路参数为:晶振为 12MHz 时,电容为 l0uF,电阻为 8. 2K f2;晶振为 6hFIz 时,电容为 22 a F,电阻为 1 KQ。 本设计采用上电复位电路,电路参数为电容 l0pF,电阻 8. 2K. , 晶振电路:单片机的时钟信号通常有两种方式产生:一是内部时钟方式, 二是 外部时钟方式。 本设计采用内部时钟方式,在单片机内部有一震荡电路,只要在单片机的 XTALl 和 XTAL2 脚外接石英晶体(简称晶振),就构成了自己震荡器并在单片机 内部产生时钟脉冲信号。

晶振电路如图一 X 所示 图中电容器的作用是稳定频率和快速起振,电容值在 5--30pF,典型值为 30pF.晶振 CYS 的震荡频率范围在 1.2-12MHz 间选择,.典型值为 12Mhz 和 6MHz 本设计采用 12MHz 晶振,电容值为 20 pF。
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在电路总体设计中,EA\Vpp 脚用于是从外部程序存储器取指还是从内部程 序存储器取指的选择信号。当 EA\Vpp 接高电平时,先从片内程序存储器读取指 令,读完 4KB 后,自动改为片外取指。若 EA\Vpp 接低电平,则所有指令均从片 外程序存储器读取 o ALE 脚用于输出允许地址所存信号。PSEN 脚用于外部程序 存储器选通信号, 在对外部程序存储器取指操作时此引脚置低电平有效。在执行 片内程序存储器取指时 PESN 脚无效。 本设计无片外程序存储器扩展, 所以将 EAW po 脚接高电平,ALE 及 PSEN 脚悬空。

6 电源模块
控制系统主控制部分电源需要用 5V 直流电源供电,其电路如图 6 所示,把 频率为 5011z、有效值为 220V 的单相交流电压转换为幅值稳定的 5V 直流电压。 其主要原理是把单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转 换成稳定的直流电压。 由于输入电压为电网电压, 一般情况下所需直流电压的数值和电网电压的有 效值相差较大, 因而电源变压器的作用显现出来起到降压作用。降压后还是交流 电压, 所以需要整流电路把交流电压转换成直流电压。由于经整流电路整流后的 电压含有较大的交流分量, 会影响到负载电路的正常工作。需通过低通滤波电路 滤波, 使输出电压平滑。 稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波 动和负载电阻变化的影响, 从而获得稳定性足够高的直流电压。本电路使用集成 稳压芯片 7805 解决了电源稳压问题.

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图 6 电源部分连线图

7 程序设计
用汇编语言完成对设计的软件编程,程序开始首先对温度传感器 DS18B20 进行复位,检测是否正常工作;接着读取温度数据,主机发出 CCH 指令 与在线的 DS18B20 联系, 接着向 DS18820 发出温度 A/D 转换 44H 指令,再发出温 度寄存器的温度值 BEH 指令,并反复调用复位,写入及读取数据子程序,之后再 经过数据转换,山数码管显示出来,不断循环。

7.1 流程图

7.2 程序分析 ①对 DS18B20 进行复位,写入和读取温度数据(在温度传感器 DS18B20 内部 完成,并实现对温度信息的采集):读取温度流程如下:复位一发 CC11 命令(跳过 ROM)、 44H 命令~延时 is~复位~发 CCH 命令(跳过 ROM)~发 BEH 命令(读内部 RAM 发 中 9 字节内容)一连接从总线上读出 2 个字节的数据(温度数据的低 8 位和高 8 位)、结束 部分程序代码: (1) DS18B20 的复位子程序部分: RESET 1820:
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SETB DQ; NOT NOP CLR DQ :主机发出复位低脉冲 MOV R1, #3; ELY: MOV R0, #107; DJNZ R0,$; DJNZ R1, ELY; :拉高数据线 SETB DQ NOT NOT IMP :等待 DS18B20 的回应 MOV R0, #2511; T2: J\Ti DQ, T3; DJ\Z R0, T2; 孙护 T4; ;标志位 flag=1,表示 DS18B20 存在 T3:SETB FLAG JMP T5; ;标志位 flag=0,表示 DS18B20 不存在 T5:MOV R0, #117; T4:RET 注:根据 DS18B20 的通信协议,每一次读写数据之前都要对 DS18B20 进行复 位,复位要求主机先发出复位低脉冲(大于 48us);然后释放,DS18B20 收到信号 后等待 16--60us, 然后发出 60-240-的存在低脉冲,主机收到此信号表示复位成 功。

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(2) D518B20 的写入子程序部分: WRITE 1820: MOV R2, #8;一位共 8 位数据 CLRC WRL: CLR MOV DJNZ SETB NOP DJNZ SETB RET R2 DQ WP1 ;写入下一个位 DQ R3, #7; R3,$ DQ ;等待 ;重新释放总线 ;总线低位,开始写入 ;C=0

注:当主机把数据从逻辑高电平拉到逻辑低电平的时候,写时间隙开始。 有两种写时间隙,写 1 时间隙和写 0 时间隙。所有写时问隙必须最少持续 60 u:,包括两个写周期至少 1u:的恢复时间。工//0 线电平变低后,DS18B20 在 一个 15 us 到 60 us 的窗口内对工//0 线采样。如果线上事高电平,就是写 1, 如果是低电平,就是写 0。主机要生成一个写时间隙,必须把数据线拉到低 电平然后释放,在写时间隙开始后的 15 us 内允许数据线拉到高电平。主机 要生成一个写 0 时间隙,必须把数据线拉到低电平并保存 60us。 每个读时隙都由主机发起,至少拉低总线 lus,在主机发起读时序之后,单 总线器件才开始在总线上发送 0 或 to 所有读时序至少需要 60us。 (3)DS18B20 的读取子程序 READ 1820;

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注:当从 DS18B20 读数据时,主机生成读时间隙。当主机把数据从高电 平拉到低电平时,读时间隙开始,数据线必须保持至少 1us:从 DS18320 输 出的数据在读时间隙的下降沿出现后 15us 内有效。

因此,主机在读时问隙开始后必须把 I/0 脚驱动拉为的电平保持 15us,以读 取 I/0 脚状态。在读时问隙的结尾,I/0 引脚将被外部上拉电阻拉到高电平。所 有读时问隙必须最少 60us,包括两个读周期至少 1us 的恢复时间。②获得实际 测量温度(温度传感器 DS18B20 把数据信息传给单片机,完成数 据信息的传输); 数据转化子程序部分:

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注:温度传感器 DS18B20 所测得的温度数据低位存入 29H,高位存入 28H,将 28H 中的低 4 位移入 29H 中的高 4 位,获得一个新字节,这个字节就是实际 测量的温度。 ③将测量的温度数据在两位数码管上显示出来(单片机把数据信息传给 LED 数码管显示器,实现温度的数字化显示)。 温度显示子程序部分。

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8 实例测试
实例测试:将写入程序的单片机插入实验板插座内,检查温度传感器 DS18320 连接正常后接通电源,此时,在两位 7 段 LED 数码管上将会准确的显示 环境温度,无需作任何调整。 为了观察温度传感器 DS18320 对稳定变化的灵敏度,可以用手握住 DS18B20 管,会看到数码管上显示的稳定很快上升至人体温度值,再将手离开 DS18B20 管,温度又会很快降至环境温度值,温度传感器 DS18320 的测量范围为一 55℃ 一+125`C,在一 10℃一+85℃时精度为士 0. 5'C。

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设计总结
传感器是指一些能把光、力、温度、磁感应强度等非电学量转化为电学量或 转换为电路的通断的元器件,它在生活、生产和科技领域有着非常广泛的应用。 日本把传感器技术列为上世纪八十年代十大技术之首, 美国把传感器技术列为九 十年代的关键技术,而我国有关传感器的研究和应用正方兴未艾…… 温度传感器为温度测量电路中的关键部件。温度传感器有很多种类,根据测 温的方式可分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器两大类; 接触式温度传 感器是指被测物体与传感器直接进行接触的这类传感器, 非接触式传感器则是被 测物体与传感器不直接接触, 被测物体通过辐射热量到传感器而进行测温的传感 器。根据不同用途和制造材料,温度传感器还可以分成多种种类,如热敏电阻 (NTC、PTC、CTR) 、铂电阻、热电偶、半导体温度传感器、量子温度传感器、集 成温度传感器等。

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参考文献
1 玩智利,黄杭美编.自动检测与转换技术.北京:机械工业出版社,1990 2 王元庆,新型传感器原理及应用.北京机械工业出版社 2002 3 于瑞芳,传感器原理 北京 :航天工业出版社,1995 4 成大先编.《机械设计手册》 ,化学工业出版社。 5 张金明, 《机械设计基础》 ,无锡工艺职业技术学院校本教材。 6 陆玉主编, 《机械设计课程设计》 ,北京,机械工业出版社,1999 7 张刚檩,温度传感器的原理与性能 上海 机械工业出版社 1997

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课程设计评审意见书
指导老师初审意见及建议评分等级

指导老师签字: 年 工作单位 主考院校审核意见及评分 月 职称 日

审核人: 年 月 日

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