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基于51單片機的實驗室水浴鍋自動加水系統設計與實現

添加時間:2020/05/15 來源:吉林大學 作者:李亞男
水浴鍋的最廣泛的用途是用來進行一些需要水浴的實驗,例如蒸餾,濃縮,干燥,溶膠凝膠或者液相合成等,也常常用于其他需要在特定溫度下進行的實驗。
以下為本篇論文正文:

  摘要

  在化學學科及其他學科的實驗中,水浴鍋是一-種常用的制作材料的設備。水浴鍋主要用于實驗室中蒸餾,干燥,濃縮,及溫漬化學藥品或生物制品,也可用于恒溫加熱和其它溫度試驗,是生物、遺傳、病毒、水產、環保、醫藥、衛生、化驗室、分析室、教育科研的必備工具?梢哉f,在全世界范圍內的所有高校以及研究所的每一個實驗室,都存在水浴鍋,并且使用頻率較高。

  然而,水浴鍋的安全問題是一個比較重要的問題。使用水浴鍋時必須加入去離子水,以防止水浴鍋內產生水垢。加水不可以加太多以防止水量溢出。工作完畢之后要將溫控旋鈕旋轉到最小值處。其中,最為關鍵的一條就是要防止水浴鍋干燒。由于水浴鍋的溫度通常比較高(60°C-80°C), 水蒸發的非?,當水浴的時間較長時,水浴鍋的水很容易就下降到加熱絲以下,此時會導致加熱絲裸露在空氣中,造成干燒,容易使水浴鍋損壞,情況嚴重的甚至會引起火災。

  本文基于對水浴鍋壽命的延長以及實驗室安全考慮,制作了一個水浴鍋自動加水系統以及基于Android系統的手機APP。本文基于51單片機為GPU,通過藍牙串口模塊與手機通信,將實時水位信息傳到手機APP中。通過測距系統測量水浴鍋中的水位信息,當水位較低時,通過51單片機控制水泵的開關,將水箱中的水加入到水浴鍋中,保證水浴鍋的壽命以及實驗室的安全。

  關鍵詞:51單片機,藍牙通信,APP, Android, 實驗室安全,水浴鍋

  Abstract

  Water bath is a common device for making materials in experiments of chemistry and other subjects. Water bath is mainly used in laboratory distillation for drying, concentration, and temperature-sensitive chemicals or biological products. It can also be used for constant temperature heating and other temperature tests. It is a necessarytool in biological, genetic, viral, aquatic, environmental, medical, health, andlaboratory, analysis room for education and research. It is said that water bath has ahigh using frequency in all the universities and laboratories in the world.

  However, the safety of water bath is an important problem. Deionized watermust be added when using the water bath to prevent scale formation. Adding toomuch water is not suitable because of overflowing. When an experiment is finished,we must turn the temperature knob to the minimum value. Moreover, the mostimportant one is to prevent the water bath from drying without water. Since thetemperature of the water bath is usually high (60°C - 80°C), water in the bathwill evaporate quickly. When the water bath is working for a long time, the water inthe water bath will easily drop to the heating wire, which will cause the heating wireto be exposed in the air. Dry burning for a long time will cause the water bath broken.The most danger situation may be fire even.

  This paper based on the extension of the life of the water bath and the safety ofthe laboratory, produced a water bath automatic adding water system and a mobilephone APP. This system drops MCS-51 as the GPU, communicates with the mobilephone through the Bluetooth module, and transmits the real-time water levelinformation to the mobile phone APP. The water level information in the water bath ismeasured by the distance measuring system. When the water level is lower thanheating wire, the water pump will begin to work in the controll of the MCS-51. Thewater in the water tank will be added to the water bath to ensure the life of the waterbath and the safety of the laboratory.

  目錄

  第1章 緒論

  1.1引言

  水浴鍋的最廣泛的用途是用來進行一些需要水浴的實驗,例如蒸餾,濃縮,干燥,溶膠凝膠或者液相合成等,也常常用于其他需要在特定溫度下進行的實驗。水浴鍋是生物領域、化學領域、材料領域、環境領域、醫藥領域、衛生領域中化驗室、分析室或實驗室中教育、工作、科研的必備工具。同時,在一些工業領域例如食品化工、航空航天等方面也有廣泛應用[1]。

  水浴鍋主要用于恒溫水浴,恒溫水浴是許多材料制備過程中必不可少的一個步驟,其具有穩定性好,均勻等一系列優點。隨著近些年來科技水平的發展,水浴鍋與芯片結合的例子越來越多,而本文將從安全角度出發進行自動加水水浴鍋研究。

  1.2相關技術的國內外發展現狀和前景

  隨著近年來的科技發展,人們對水浴鍋的要求也越來越高。普通的恒溫水浴鍋的原理是利用機械觸點來控制溫度的變化。但是這種水浴鍋的缺點也很明顯:溫度精度欠佳、溫度穩定性不好、溫度的控制系統存在著很大的延遲時間等等。近年來,人們對水浴鍋的研究主要有兩個方面:提高溫度傳感器的精度和采用新的數學模型和算法改良溫度控制器。例如基于模糊PID控制的恒溫水浴鍋[2]、基于STM32的高精度水浴鍋[3]、基于MSP430的模糊水浴鍋控制系統[4]等等。

  本文對水浴鍋的研究出于一個新的方面:實驗室安全。眾所周知,實驗安全是所有研究人員的起點,是貫穿整個研究過程中最重要的一環。實驗室安全事故主要有七個方面:由于忘記關電源或者溫度過高操作不當而引起的火災事故、由于違反操作規范和設備老化而引起的爆炸事故、由于不當處理而引起的生物安全事故、未經廢棄處理而引起的毒害事故、設備損壞事故、機電傷人事故以及設備或技術被盜事故。而水浴鍋作為實驗室最常見并且常用的設備,主要會引起火災事故和爆炸事故。為確?蒲泄ぷ髡叩纳踩、為保證實驗室的財產安全、為了提供一個更加美好的科研環境,水浴鍋的安全就必須引起所有科研工作者的重視。

  1.3研究目的及意義

  大部分的水浴鍋由一個環形的加熱絲作為加熱源,在使用過程中水位必須要沒過加熱絲以確保安全。如果水位低于加熱絲仍然在工作的話,可能會導致加熱絲開裂,容易造成火災或者漏電造成危險。

  圖1.1水浴鍋加熱絲

  本文從實驗室安全為目的,來設計一種防止干燒的水浴鍋。在傳統水浴鍋的基礎上,加入一套自動加水系統,通過距離傳感器測量液面高度,當液面低于加熱絲時,通過距離傳感器將信息傳回上位機,控制水箱里的水泵像水浴鍋中加水。同時通過藍牙通信模塊將液面信息及溫度信息傳到開發的手機APP中,達到實時監控的效果。這樣既可以確保實驗安全,又能實時的掌握水浴鍋的液面高度及溫度信息,從而達到一舉兩得。

  1.4本文研究的主要內容

  本文將通過51單片機和Android平臺這兩個最常用的平臺,對自動加水系統進行開發。51單片機作為這一套系統的上位機,控制著藍牙通信模塊,浸入式水泵的電源開關,距離傳感器等模塊,從而實現系統的功能。在測距方面,系統同時采用超聲波距離傳感器以及紅外距離傳感器,從而得到精確的結果。與此同時,在系統中通過藍牙通信與 Android 平臺向連接,實時掌控水浴鍋的工作狀態。

  本文的行文結構如下:

  第一章:緒論。

  主要介紹了水浴鍋自動加水系統的背景以及發展前景,簡要說明了搭建本套系統的意義,并對本套系統的結構進行了簡要的介紹。

  第二章:開發平臺簡介。

  介紹了本系統需要使用到的51單片機平臺以及Android平臺。并且簡要地說明了基于Android平臺的藍牙通信的原理。

  第三章:水浴鍋自動加水部分的研究。

  本章介紹了距離傳感器的工作原理,以及兩種傳感器的優缺點,并且如何將水位信息傳回上位機并且控制水泵的開關。

  第四章:

  Android藍牙串口通信的實現。

  本章主要說明了Android平臺藍牙串口通信的基本原理,通信的連接方法,通過PC端對藍牙串口通信進行調試。

  第五章:基于Android系統的APP的開發。

  具體說明如何在Android開發環境下對APP進行開發,通過藍牙串口通信將上位機的信息傳輸到手機APP中,從而實現對水浴鍋的實時監控。

  第六章:總結與展望。

  對本文的全部工作進行了總結,并且說明本套系統的優缺點,結合實際實驗中的使用,提出對本套系統完善的方向。

  第2章 開發平臺簡介

  在本系統中所用到的開發平臺一共有兩個:一個是作為感應系統和執行系統的MCU上位機平臺,一個是用于監控系統的Android平臺,接下來我們分別介紹這兩個平臺。

  2.1單片機簡介

  單片機,全稱單片微型計算機(single-chip microcomputer),又稱微控制器,是把中央處理器、存儲器、定時器、計數器、輸入和輸出接口(IO口)全部集成制作在一塊比較小的集成電路上的微型計算機系統。相比于在個人電腦中廣泛應用的處理器(CPU)相比,單片機的優勢和特點是自供應和節約成本。他與傳統的處理器相比的最大優點和不可替代性是體積比較小,可以嵌入在系統內部構成體積比較小的嵌入式系統。但單片機由于體積比較小就導致了它的儲存容量也比較小,輸入輸出接口(IO口)相比于CPU較少且功能簡單。但是由于近幾年來電子產業的高速發展,單片機在物聯網、人工智能、大數據、智能家居和嵌入式等領域的應用越來愈多,對單片機的傳統的定義已經不適合于當今的環境,所以單片機或其他類似芯片在一些場合被稱為微控制器。由于單片機芯片常常被作為系統中的控制器,所以講其稱之為single chip microcontroller。英文常?s寫為MCU。

  目前大多數使用的單片機都是基于馮·諾依曼結構而設計的,馮·諾依曼結構詳細地表明了一個嵌入式系統一定要包含的四個組成部分:核心中央處理器,程序儲存器(ROM和RAM,有一些有flash)、數據存儲器(隨機存儲器)、一個或多個的計數器和定時器(看門狗,滴答定時器等),還有一些沒有被利用的輸入輸出口(IO口),他們的作用是用來連接一些擴展的設備以及外部資源并且與其進行通信,以上所提到的所有的這些組成部分都被集成制造在以個曉得集成電路芯片上。單片機之所以和我們通常情況下使用的中央處理器(CPU)不同,是因為單片機系統可以非常輕松地配合體積很小的外部設備或者擴展支持芯片,而完成正常情況下需要計算機才能完成的工作。在這種條件下,單片機能夠非常輕松地嵌入到控制系統的內部中來。近年來為了實現在數據和指令上不同字寬的使用和處理器流水線速度的提高,哈佛結構在微控制器和數字信號處理等領域的應用也越來越多[5]。

  然而傳統意義上我們使用的微處理器是無法實現這樣的功能的。一片單片機要完成工作,就必須要和一些外部資源和擴展芯片相連。例如說,單片機的芯片上不存在數據存儲器,就一定要額外加入一定的隨機存取存儲器(RAM),雖然說我們額外加入的存儲芯片的大小有很多種可以隨意選擇,但添加一些額外的芯片或者模塊對于系統的小型化和提高系統速度都是一個較大的障礙。除此之外,我們要實現一個嵌入式系統的全部功能,就必須還要用一些線將芯片和外接設備或者模塊之間相互連接起來從而完成相互之間的信息或者數據的傳遞。與傳統的微處理器的工作方式相比而言,單片機完成系統任務的工作狀態則顯得相對獨立,一個經典的單片機構成的系統僅僅需要一個定時器和很少的隨機儲存器(RAM)和只讀內存(ROM),亦或是EPROM和E2PROM即能夠在軟件配置和晶振下完成工作。如此同時,單片機還擁有更多的輸入輸出設備,例如模擬數字轉換器(DSP)、定時器(TIM)、串口,以及其他串行通訊接口,比如I2C通訊協議,串行通信(SPI),局域網控制(CAN)等。通常來說,我們可以經由軟件代碼來控制這些集成在單片機芯片內部的輸入輸出設備。

  單片機系統無法完成與外部地址或數據總線之間的通信,因為它們將隨機儲存器、EPROM和E2PROM全都集成在一塊中央處理器所處的芯片上。如果一塊單片機擁有很少的引腳,那么就可以使用體積比較小,價格比較便宜的封裝。如果我們將單片機的ROM、RAM和其他外接設備全部都集成在同一塊芯片上并將他們看成是一個整體來完成一個系統的工作時,由于這要求著更高的制造工藝,從而使這塊芯片的成本變得很高,進而會導致由這一塊單片機組成的嵌入式系統的成本變得很高。但是由于在這個過程中提高了整個嵌入式系統的工作效率,將一些外設集成在一塊芯片中向著系統小型化發展,這即降低了整套系統的成本,又符合未來嵌入式系統發展趨勢。整個系統都集成在一塊芯片中,也允許更小和更便宜的電路板在系統中的使用,并且減少了組裝和測試電路板所需的勞動力成本,此外還傾向于降低成品組件的缺陷率。

  微控制器是單個集成電路,通常具有以下特征[6]:

  · 中央處理單元-從小型和簡單的4位處理器到復雜的32位或64位處理器

  · 用于數據存儲的易失性存儲器(RAM)

  · ROM,EPROM,EEPROM或閃存,用于存儲程序和操作參數

  · 離散輸入和輸出位,允許控制或檢測單個封裝引腳的邏輯狀態

  · 串行輸入/輸出,如串行端口(UART)

  · 其他串行通信 接口,如I2C,串行外設接口和控制器區域網絡,用于系統互連

  · 定時器,事件計數器,PWM發生器和看門狗等外設

  · 時鐘發生器-通常是石英定時晶體,諧振器或RC電路的振蕩器

  · 許多包括模數轉換器,其中一些包括數模轉換器

  · 在線編程和在線調試支持

  這種將單片機和一些外設全部集成在一塊芯片上的做法減少了使用單獨芯片生產等效系統所需的芯片數量和布線數量以及電路板空間。此外,特別是在低引腳數器件上,每個引腳可以連接到多個內部外設,其中引腳功能由軟件選擇。這使得器件可以用于更廣泛的應用,而不是引腳具有專用功能。

  自從上世紀世紀70年代推出以來,微控制器在嵌入式系統中的應用越來越廣泛。隨著微控制器的不斷發展,有一些微控制器不再使用馮諾依曼結構而開始使用哈佛架構:用于指令和數據的獨立存儲器總線,可以同時對其進行讀取或者寫入。在使用哈佛架構的情況下,處理器的指令的字節可能會與內部存儲器和寄存器的字節長度不同。微控制器的制造商經常會根據客戶的上市時間要求和整體較低的系統成本來交換工作頻率和系統設計靈活性。芯片供應商們必須在芯片尺寸小型化與功能復雜化的需求中找到一個平衡點使二者都能滿足現階段用戶的需求。

  不同微控制器之間結構構區別很大。一般來講,微處理器全都包括通用微處理器內核,在封裝上集成了一個或多個ROM,RAM或I/O功能。一些微控制器會為了一些特定的功能而設計一些特定的結構。微控制器指令集通常具有許多用于位操作(逐位操作)的指令,從而使一些指令的精度得以提高。例如,通用處理器通過執行一些指令,以測試在寄存器和分支比特。如果該位被設置,其中,微控制器可以具有一個單一的指令,以提供通常所需的功能。

  目前市面上有數十種微控制器架構和供應商,包括[7]:

  ·ARM核心處理器(許多供應商)

  ·ARM Cortex-M內核專門針對微控制器應用

  ·Microchip Technology Atmel AVR(8位),AVR32(32位)和AT91SAM(32位)

  ·賽普拉斯半導體的PS8內核用于PSo C(可編程片上系統)

  ·飛思卡爾Cold Fire(32位)和S08(8位)

  ·飛思卡爾68HC11(8位)和其他基于Motorola 6800系列的產品

  ·英特爾8051,也是由恩智浦半導體,英飛凌和其他許多公司制造的

  ·英飛凌:8位XC800,16位XE166,32位XMC4000(基于皮質M4F ARM),32位的Tri Core和,32位Aurix的Tri Core位微控制器[

  ·Maxim Integrated MAX32600,MAX32620,MAX32625,MAX32630,MAX32650,MAX32640

  ·MIPS

  ·Microchip Technology PIC,(8位PIC16,PIC18,16位ds PIC33 / PIC24),(32位PIC32)

  ·恩智浦半導體LPC1000,LPC2000,LPC3000,LPC4000(32位),LPC900,LPC700(8位)·Power PC ISE

  ·瑞薩電子:RL78 16位MCU ; RX 32位MCU ; Super H ; V850 32位MCU ; H8 ; R8C 16位MCU

  ·STMicroelectronics STM8(8位),ST10(16位),STM32(32位),SPC5(汽車32位)

  ·Texas Instruments TI MSP430(16位),MSP432(32位),C2000(32位)

  ·東芝TLCS-870(8位/ 16位)

  目前比較常用芯片的是51單片機、STM32、ARM、FPGA和arduino。幾種芯片各有優缺點[8]。

  首先51是歷史最悠久的芯片(指8051),也是最為經典的一種芯片。在列出的這幾種里面速度慢,內存小(排除有些廠家出的特殊的型號)。常見的廠家有STC的,Atmel的正統89C51系列。國產的st89,10,11,12,以及最新15。還有c8051系列,以及高速usb接口的芯片,以及有很多無線收發芯片的核心采用的是8051。但不同的是二者的指令集兼容和寄存器的復雜度。

  Arduino嚴格意義上并不是一個芯片,而是一個開發平臺,Arduino早期的核心是基于AVR單片機的。Arduino的特點是簡單易懂,硬件搭設方便,基本不需要人為繪制電路板,只需要將模型中的各個模塊通過導線連接。代碼方面大部分都是通俗易懂的,基本不涉及到寄存器級?偟脕碚f就是開發快。小量定制化還是劃算。但是當需要批量生產的時候弊端就顯示出來了:成本高,簡單高度抽象化帶來就是效率底下以及資源開銷大,模塊數量上去后系統不足以支撐正常工作。

  說stm32之前要必須要說arm。arm分多個版本,一種是具有mmu內存管理的,一般需要外接RAM,flash才能工作,即平時所說的手機處理器arm信息,以及路由器的處理器,以及服務器的處理器,都是帶mmu內存管理的。特點是可以在芯片中刷入系統并且成功運行。另一種是不帶mmu的嵌入式,和8051一樣帶RAM,flash,F在劃分了m0 m3 m4 m7等用在嵌入式,以及m0+升級版和其他特殊版本?偠灾產rm可以看做是8051的升級版,但是在功耗上要遠遠高于8051。stm32是st意法半導體公司向arm公司購買了核心(嵌入式)版權,加上自己的外設生產的一個系列的芯片。功能強大速度快外設多。但是寄存器復雜度等和8051就不能比了。所以官方也出了庫,現在還出了專門的代碼生成軟件cube來簡化操作。

  FPGA是近幾年特別熱門的一種芯片。前面說的幾種都是單片機,做運算都是一步步來的,邏輯上是串聯的。FPGA是并行的,單片機一次同一時間只能做一次運算,FPGA在資源足夠的情況下,可以同時進行很多組運算。所以一般用在速度要求高的地方,比如視頻壓縮,高速網絡設備等。

  綜合考慮功耗和實用性等方面,本文決定使用51單片機作為本系統的控制芯片。


圖 3.4 開關驅動模塊POBICO


圖 3.5 系統加水部分工作流程圖

表 4.1 HC-05 各個引腳的接線方法
表 4.1 HC-05 各個引腳的接線方法


圖 3.2 HC-SR04 型超聲波距離傳感器


圖 3.3



圖 3.1


圖 4.3


圖5.1


圖5.2



圖 2.2 51 單片機最小系統晶振電路




圖 2.1 51 單片機引腳示意圖


圖 4.1

 

  2.2 51單片機的開發環境

  2.3 ANDROID平臺簡介

  2.4 本章小結

  第3章 水浴鍋自動加水部分的研究

  3.1 距離傳感器的原理

  3.2 距離傳感器的結構

  3.3 51單片機控制水泵開關原理及結構

  3.4 本章小結

  第4章 ANDROID藍牙串口通信的實現

  4.1 ANDROID藍牙通信

  4.2 藍牙串口通信的基本原理

  4.3 藍牙通信連接的實現過程

  4.4 本章小結

  第5章 基于ANDROID系統的APP開發

  5.1 基于ANDROID系統APP開發的基本原理

  5.2 ANDROID系統APP開發工具

  5.2.1 Ecipse

  5.2.2 Android Studio

  5.3 基于ANDROID平臺APP的開發的實現

  5.3.1 APP手機顯示部分

  5.3.2 APP藍牙串口通信部分

  5.4 本章小結

  第6章 總結與展望

  6.1總結

  在現今的實驗環境中,實驗室安全是每一個科研工作者必須注意的事情。每年由于實驗室的危險事故的發生而帶來的經濟損失都不得忽視。因此,本文設計了一套檢測水位病具有自動加水功能并且可以將水位數據實時傳到手機中的系統。系統選擇 51 單片機作為上位機,檢測距離傳感器傳輸過來的信號并且控制水泵的開關,接入的藍牙模塊選擇基于 Android 平臺的手機 APP 進行開發。本文完成的主要工作如下:

  1.分析了實驗室安全的重要性以及近些年來水浴鍋的基本研究方向,提出了從實驗室安全角度出發來設計的一套水浴鍋系統。

  2.分析了 51 單片機和 Android 系統的特點,并且比較了 51 單片機與其他MCU 例如 STM32,FPGA 等芯片的區別。

  3.介紹了超聲波距離傳感器的工作原理、特點以及性能,制定了使用超聲波距離傳感器的具體方案。

  4.在對基于 Android 平臺的藍牙串口通信模塊的介紹之上,設計了通過藍牙串口連接的 MCU 與手機之間的通信橋梁。

  5.基于 Android 平臺開發一款手機軟件,可以實時收到水浴鍋中水位的信息,進一步保障實驗安全。

  6.2展望

  本文設計的系統可以實現檢測水浴鍋中水位,控制水泵進行加水,將水位信息實時地傳輸到手機軟件中。但是,本系統中仍然存在著一些不足:

  1.藍牙通信只支持點對點的數據傳輸,如果建立一個大型的水浴鍋水位控制系統,可以考慮使用 WIFI 通信或者 Zig Bee 通信。

  2.超聲波距離傳感器存在著一定的誤差,特別是容易受溫度影響較大?紤]的改進方案主要有兩個:一種是改進傳感測距的方案,另一種是建立一個可以根據溫度修正距離的算法。

  3.本系統為外置系統,可以考慮將本套系統集成到水浴鍋中,這樣既節省了水浴鍋的占地面積又提高了系統的穩定性和美觀性。

  參考文獻
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  [3]金龍,孫紹晟,李瑞.基于STM32的高精度水浴鍋、恒溫箱的恒溫控制器設計 民營科技,2011年第10期。
  [4]陳國童.基于MSP430的恒溫水浴鍋模糊控制系統[J]寧德師專學報(自然科學版)Vol.21 No.2 May 2009[5]李斌,閆新慶,胡家香.基于哈佛結構和群集智能的集裝箱碼頭物流系統建模優化[J]江蘇科技大學學報(自然科學版),2011年03期。
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  [8] https://www.zhihu.com/question/38037776
  [9] https://blog.csdn.net/songze_lee/article/details/42116029
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  [20]王家林.Android商業軟件開發全程實踐[J]電子工業出版社,2012年
  [21]高云桐.基于Android平臺的高校師生交互系統的設計與實現[D]安徽理工大學碩士論文2017年6月。
  [22] https://www.zhihu.com/question/266582803
 

  致 謝

  本人的畢業設計能夠比較順利地完成,首先要對我的老師表示崇高的感謝。老師從開始選擇擬題的問題上,就針對我的專業方向以及興趣特長給予我一個明確的方向和特殊的指導。在我完成畢業設計的每一個環節,我的老師都始終對我孜孜不倦的教導。不僅教會了我許多理論知識,還在我遇到困難的時候鼓勵我不要輕易放棄。同樣的,我還要感謝一起在實驗室工作學習生活的小伙伴們。謝謝你們,讓我在學習之余的生活過的十分的快樂和充實。碩士研究生的學習過程馬上就要結束了,老師們給了我許許多多的指導和幫助,不僅在學術上值得我們學習,在做人方面也是我的楷模和榜樣。

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