基于单片机的温度智能风扇设计毕业设计.doc

基于单片机的温度智能风扇摘 要在电气高度集成化的今天，电扇被广泛应用于家庭、办公室、公共场所等地方。主要原因有：风扇跟其他电器相比如空调，它具有成本低廉、体积小巧、易操作等特点。然而人们的要求越来越苛刻，普通的风扇很难再满足大众的需求。本论文设计的是一种温度智能风扇，此风扇由四大部分组成：温度采集模块、处理器、LCD显示模块、电机驱动模块。温度采集采用DS18B20，该温测器件是数字化的传输方式把信号以高低电平方式采样给处理器AT89S52,这样给处理器提供的相当稳定的信号输送。而设计的处理中心是单片机AT89S52,AT89S52是市场上应用较多的单片机，它是高度集成的处理器。电机驱动模块用的是L298，该芯片是全四驱驱动，内部有2组电路可同时控制两个电机，体积小，价格低廉，性价比极高。当单片机接收到DS18B20的信号后，就做出响应给电机，电机驱动后把PWM脉宽值和温度值都输送到液晶屏上。最后的显示模块则是LCD1602，这款液晶屏的优点在于几乎没有闪烁，拥有高刷新率使得使用者观察时不会出现视觉模糊。拥有这样四个模块的温度风扇从而体现出了实时检测、功能齐全、物美价廉的特点。关键词:温度智能风扇；DS18B20；L298The intelligent temperature fan based onMicrocomputerAbstractIn the electrical integration today, fans are widely used in home, office, public places. The main reasons are: compared with other appliances such as air-conditioning fan, it has the characteristics of low cost, small volume, easy operation etc. However, people are becoming more demanding, ordinary fans are very difficult to satisfy the needs of the masses. So this design decision to design a kind of intelligent temperature fan, the fan is composed of four parts: the temperature acquisition module, processor, LCD display driver module, motor. Temperature acquisition using DS18B20, the temperature measuring device is the transmission mode of digital signal with high level sampling to the processor AT89S52, which is provided to the processor signal is quite stable conveying. The processing center is designed to AT89S52 microcontroller, AT89S52 is widely used on the market, it is a highly integrated processor. The motor drive module is used in L298, the chip is full of four-wheel drive, there are 2 internal circuit with controlled group of two motor, small size, low price, high cost performance. When the MCU receives the DS18B20 signal, could respond to the motor, motor drive after the PWM pulse width and temperature values are transported to the LCD screen. The last is the LCD1602 display module, the LCD screen is that almost no flicker, has high refresh rate allows the user to observe when wont appear blurred vision. Temperature fan has four modules which reflect the characteristics of real-time detection, complete function, high quality and inexpensive.Keywords:LED; Intelligent temperature fan; DS18B20;L29目 录第一章 引 言11.1 温度智能风扇的简介11.2 温度智能风扇发展现状及趋势11.3 温度智能风扇的研究意义1第二章 系统方案的设计22.1 系统结构22.2单片机选择32.3温度传感器选择32.4显示电路选择32.5电机驱动芯片选择4第三章 系统硬件电路的设计53.1系统整体硬件框图53.2 处理中心（AT89S52）63.3数据采集中心（DS18B20）73.3.1 DS18B20简介73.3.2 DS18B20内部结构73.3.3 DS18B20信号方式73.4系统终端驱动中心83.5数据显示中心8第四章 软件系统设计94.1 设计总流程图与程序94.2 DS18B20温测控制流程图与程序114.3 LCD1602显示控制流程图与程序124.3驱动模块与电机的连接流程图与程序13第五章 运行实物图14结束语18参考文献19附 录20第一章 引 言随着科学技术的发展，风扇早已普及到人们的生活中如：宿舍、家庭、办公室等场合。拥有手动操控，定时时间短的基本功能，已经渐渐满足不了大众的需求了。然而，物联网技术的日益成熟，智能化的家用电器越来越符合人们的观念。本设计应用了智能化的理念设计了温度智能风扇，其比较普通风扇有几个优点。一、温度智能风扇可以实时采集温度；二、实时显示现场温度；三、手动自动相结合。具有这些优点的智能风扇市场潜力巨大，也是日后的研究方向。1.1 温度智能风扇的简介温度智能风扇是以单片机为微处理器，集温度采集模块，电机驱动模块和LCD显示模块于一身的高性价比风扇。其优越性主要体现在两方面：一方面自动根据室温来调节风速并显示实时温度，来保证熟睡的儿童或老人的身体状况；另一方面操作简单，显示清晰，采用低成本的高清显示屏且设计构架简易。1.2 温度智能风扇发展现状及趋势当今社会已经完全进入了信息化时代，温度智能风扇也慢慢进入家庭生活中。随着温度控制器在各行各业中的广泛的应用，具有对温度进行实时监控，并能同时控制电机运作来改变温度，为人们的日常生活带来了方便。简易温度监测控制器是利用单片机系统来完成的一个小型的控制系统。现大多用于大部分家庭，系统效率越来越高，成本也越来越低。其发展趋势可以根据其性质进行相应的改进来运用与不同场合的监测控制，并带来大量的经济效益。随着智能化程度的不断提高，开发一种多功能智能温控风扇已是大势所趋。1.3 温度智能风扇的研究意义科技发达的当代，信息化程度极高，人们生活发生翻天覆地的变化，对于电器产品的要求也是随之攀升。传统的风扇已远远不能满足生活的需求。一般来说，传统手动控制风扇通过个人手动单一的切换，旋转按钮实现风扇风速的调整。温度智能风扇的出现开始取代原有传统风扇的地位，其不仅自动智能划程度高，且绿色环保低能耗。目前，绝大多数家庭风扇使用时都是由人员手动操作，往往会因为人员的离开或者熟睡忘记关掉风扇导致浪费，在本设计中，采用单片机为控制器，以温度传感系统来检测室内有无人员及室内温度，从而达到智能控制的目的。第二章 系统方案的设计2.1 系统结构该方案的设计体系：采用温度传感器DS18B20对室内温度进行检测，检测的温度信号以数字化方式出给处理器。在LCD屏幕上显示当前温度，其中当前室温温度可精确到小数。并采用L298芯片对电机驱动，实现直流风扇风速的改变的是运动PWM脉宽调制。系统结构图如图1所示:系统有四大模块组成：LCD显示模块、温度采集模块、电机驱动模块以及处理器模块。模块简单功能介绍：DS18B20负责的是温度的实时采集，采集到数据后反馈给单片机。处理器AT89S52是核心处理器接收到来自DS18B20的信号后相应并驱动L298模块，L298驱动后带动直接电机运转，直流电机是PWM脉宽调制的方法来控制转速的，最后把PWM占空比及当前的温度输送给LCD1602显示。图1 整体结构框图2.2单片机选择单片机是一块内部包含处理器、内部程序器、总线等多系统的器件，高集成度的单片机分处理小范围来看相当于微型处理器。市场上目前最常见的单片机有如下几个系列：51系列单片机，AVR系列单片机，PIC系列单片机。而生产应用最为广泛的还是51系列的单片机。为何人们对51系列单片机情有独钟，因为51系列单片机的特点：突出点在于生产工作最多，实用，指令集精简规范化，内外部结构相当简单，性能多且可扩展。所以使用的场合比其他系列的单片机要多的多。对于如此的生产高要求，商家要求其功能越来越多，厂家就在此基础上扩展其性能，使得51系列的单片机运行更快，接口更多且简易，实用操作更为便捷。对于AVR单片机，它是较新的单片机，是由atmel公司推出上市，它的特点在于：指令集以周期性为主，便于查检；性能更高；运行效率比起51有很大程度的提高，但在价格与稳定性方面51系列单片机更胜一筹。最后是美系单片机PIC，它是微芯公司的产品，上市不久，虽然不常用但其优点不容小视。例如：程序指令模块精简，性能高、人性化， I/O串口符合多种产品的接口，但价格比51单片机要高，实际操作使用不变。综合以上各种系列单片机的各项指标及要求性能，我选择了51系列单片机。因为对它我认识透彻，实际操作过许多次，容易排查。2.3温度传感器选择温度传感器的选择：方案一：使用铂电阻测温法。查资料发现因为铂电阻阻值与温度有明显的线性关系，通过单片机将该关系的表达式组成数组后导致信号采集过程中出现失真及误差，处理器单片机输出的电压有着微小的变化，最后经过模数转化后的数字信号发生巨大变化，单片机处理不准。方案二：温测元件采用DS18B20，DS18B20是数字化的传递方式，传送过程中更稳定。针对方案一，铂电阻有价格便宜、成本低、效果好的优点。但铂电阻对温度的细微变化不太敏感，对于微小的温度变化难以直接测取。所以不太适用于本设计的智能风扇。而对于方案二， 采用DS18B20作为设计的温度传感器，因为其优点是数字化的接口，方便与单片机的串口相接，而且对于温度的检测相当敏感，温度分辩率极高、稳定性也很优越，价格适中，所以决定采用方案二。2.4显示电路选择方案一：利用4位共阴数码管的动态扫描来显示。方案二：利用LCD1602液晶屏显示。对于4位数码管的动态扫描方式即方案一来说，该方案虽然十分实用，成本底，显示时不管白天黑夜都可以看的清楚，程序也简易。唯一不足的地方是以动态扫描显示方式使四个LED逐个点亮，在此过程中会有闪烁而导致显示少量信息。即使闪烁时间再短，人们一般也不愿意经常盯着数码管去观察，会出现视觉疲劳。 对于方案二，液晶体显示屏的有点在于其显示的不仅仅是数字，可以是数字，可以是符号，甚至可以是图形。这是LED数码管无法比拟的。但是许多液晶显示屛价格比LED数码管要高的多，驱动程序也复杂。采用LCD1602液晶屏因为是小屏且这款屏在LCD中价格本来就属于低的，设计中还需显示符号，所以本系统采用方案二。2.5电机驱动芯片选择在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑到其性能、功能、效率、可靠性、输出电流和电压范围等等。综合以上参数决定使用L298来驱动。L298是15个管角的单块集成电路，是SGS公司的产品。它的优点是：输出电流比较大，输出电压也很大以及全驱动的特点，设计用L298来接收逻辑电平，驱动直流电机。对于4个通道全驱动的特点，L298可以通过这个来驱动电路。其额定工作电流为 1 A，最大可达 1.5 A，Vss 电压最小 4.5 V，最大可达 36 V；Vs 电压最大值也是 36 V。L298可直接对电机进行控制，无须隔离电路，可以驱动双电机。本设计采用的是直流电机，所以L298芯片很合适。第三章 系统硬件电路的设计系统分为处理中心、数据采集、终端驱动和数据显示四大部分。这四个模块组合在一起就可以实现温度实时控制的智能化风扇。其中处理中心是AT89S52、数据采集中心是温测器件DS18B20、终端驱动中心是L298以及数据显示中心则是LCD1602。LS1是报警喇叭，在该设计硬件框图中没有用到，属于外加功能。晶振电路跟复位电路也是独立的。3.1系统整体硬件框图图2系统整体硬件框图如图2所示：系统整体框图有LCD1602液晶屏、电机驱动L298、DS18B20温度传感模块、单片机AT89S52以及晶振、和复位电路组成。为了美观一目了然，晶振与复位电路没有连接上单片机而是单独列出的小模块。3.2 处理中心（AT89S52）AT89S52是一个高集成化的处理器，它是由ATMEL公司所生产的具有普遍推广的最基础的芯片，具有高性能和高性价比。（一）、AT89S52主要功能列举如下： 1、拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash 2、内部程序存储器（ROM）为 8KB 3、内部数据存储器（RAM）为 256B4、32个可编程I/O 口5、8个中断源 6、三个16位定时器/计数器7、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12MHz）8、全双工UART串行通道 （二）、AT89S52各引脚功能介绍： VCC：电源正端一般接+5V。GND：电源接地端。 /EA/VPP：EA：程序存储器 ，当选择EA=1时，CPU执行内部程序存储器的程序，当超出或者溢出的部分再转移到外部程序存储器中。当EA=0时，直接执行外部程序存储器的程序。VPP：简单的说就是控制内部程序存储器的擦除和写入时提供编程的脉冲。PSEN：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。即外部存储器的片选信号，低电平有效，以实现对ROM的操作。XTAL1：接外部晶体和微调电容的一端，在片内它是振荡器反相放大器的输入；若使用外部时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。 XTAL2：接外部晶振和微电容体的另一端，在片内它是振荡器反相放大器的输出；若使用外部时钟时，该引脚必须接地。端口引脚复用功能 P1口复用：P1口的复用如：1.0、2.0是两个定时器/计算器，1.6、1.5、1.7用于在线程序的编程。P3口复用：P3的复用如：3.0、3.1是输出输入口，3.2、3.3运用于外部中断；3.5是定时器的外部输入口;3.6是属于外部存储器的写写选通口；3.7是属于外部数据寄存器的读选通口。3.3数据采集中心（DS18B20）3.3.1 DS18B20简介DS18B20温度传感器，它是拥有成本低、体积小、单一总线的突出特点，DALLAS公司所生产的器件，即单总线器件。所以用它来充当温测系统，实现简单便捷的数字化检测。DS18B20有以下多个特点： 1、DS18B20的唯一性：即有且只有一个序列号。2、单总线模式：只需要一个端口就可以实现通信。 3、独立性高：在运行测量中只需要依靠自己独立完成不需要接外部其他任何设备。 4、测温范围广：一般范围在-55度到125度左右。 5、高分辨率：由于传输的数字信号，所以很稳定，分辨率极高。3.3.2 DS18B20内部结构DS18B20是64位的内部存储器。存储器有“0”和“1”两个字节，该芯片的输出也是如此：高电平和低电平。DS18B20中有个暂存器，该暂存器可以设置温度上下限，就是一字节的上线和下和一字节的下线，上线负责警报触发、下线负责配置寄存器。那么当需要温度转换时可以通过下线来配置寄存器。暂存器其他字节内部保留用于其他需求。而最后个字节是放程序的冗余。值得一提的是，DS18B20独立性极高，运行时不需额外电源给其供电，单总线的传输就能满足；当总线当DQ管脚提供上拉电阻时，表示该总线此时为高电平。当总线为低电平时，管脚CPP为DS18B20提供所需电源3.3.3 DS18B20信号方式DS18B20是“一线器件”，所以采用严格的单总线通信协议，体积小，适用电压更宽，更经济提高了抗干扰性来确保数据的完整性。通信协议规定了总线上的多种信号的时序。如复位脉冲，响应脉冲信号、写0、写1、读0和读1等信号的时序。因此要正确使用DS18B20，就必须要掌握其初始化序列、写时序、读时序。（1）初始化序列：初始化序列中包含两个脉冲，一个是复位脉冲，一个是应答脉冲。复位脉冲的产生是当处理器拉低总线时，可以产生复位脉冲，该时间需要至少480s。复位脉冲得到后，处理器需要总线被释放就要发出脉冲信号。对于应答脉冲，它的产生比较复杂，不但要把总线拉低还需外接上拉电阻，一般在5k左右。应答脉冲的产生需要上升沿，而拉低总线再外接上拉电阻就形成了上升沿。（2）写时序：写时序有两种状态，一个是写“1”，另一个是写“0”。不管是写“1”或者是写“0”时序都是主机向DS18B20写入。当处理器向DS18B20写“1”时，需要产生一个上升沿，则必须拉低总线后再外接上拉电阻。而在写“0”时，处理器只需要拉低单总线，并保持在60s即可。要注意的是不管是写哪种状态都有一个恢复时间，大概在1s左右。写时序开始后，DS18B20必须对其进行采样，而采样的来源就是逻辑“1”或者逻辑“0”.（3）读时序：同样的读时序也有两种状态，一个是读“1”，另一个是读“0”。不管是读“1”或者是读“0”，都是DS18B20写入数据给处理器。读时序比较简单，当你需要的是读“1”时序时，只需要保持总线是高电平，如果是要读“0”则要先拉低总线，然后释放，再接外部上拉电阻拉高总线，读时序的特点是下降沿有效与写时序相反，时间大概在15s。所以主机在总线释放后的这段时间内需要对总线进行采样。3.4系统终端驱动中心L298是15个管角的单块集成电路，是SGS公司的产品。它的优点是：输出电流比较大，输出电压也很大以及全驱动的特点，用L298来接收逻辑电平，驱动直流电机，晶体管等一些感性负载。内部是4通道逻辑驱动电路，其工作额定电流为 1 A，最大可达 1.5 A，Vss 电压最小 4.5 V，最大可达 36 V；Vs 电压最大值也是 36 V。L298可直接对电机进行控制，不需要外接电路或者隔离电路，电路连接驱动相当简易。L298是高电压模块，采用标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.57 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2.536 V。输出电流可达2.5 A，可驱动要求苛刻的感性负载。L298其1管脚和15管脚的发射极以单独方式引出，便于电流采样电阻的接入，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2一对可以入一个电机和OUT3，OUT4另一对接入一个电机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。3.5数据显示中心液晶屏的选取要注意如下几点： （1）显示质量高：液晶显示器在收到每一段点信号后，不需要重新刷新亮点而是一直保持远些的色彩和光亮度，恒定发光。并不同与阴极射线管显示器（CRT），需要不断刷新新的亮点，会出现闪烁及人体视觉疲劳。因此，液晶显示器不会闪烁画质就自然高。 （2）体积小、重量轻：液晶屏显示是通过控制液晶分子的面积在屏幕上达到显示的目的，所以在重量上比相同面积的传统显示器要轻得多。 （3）数字式接口：液晶屏接口是数字式的，不管与上位机或是下位机接都很方便。 （4）功耗低：液晶屏采用高集成技术，把器件优质化达到省能源省电的功效。而1602是字符型液晶，显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低所以本设计采用该液晶。第四章 软件系统设计本设计以单片机AT89S52为核心外接LCD屏显示，温度检测传感器DS18B20负责采集室内温度后反馈给单片机，处理器响应驱动模块，电机驱动随室温及预设温度的改变发生快慢的转变以达到智能温控的效果。系统软件设计的思路是分为主程序与主流程图、DS18B20温测控制流程图与程序、驱动模块与电机的连接流程图与程序、LCD1602显示控制流程图与程序这四大部分。4.1 设计总流程图与程序图3总体设计流程图如上框图所示：该框图是程序的主流程图，程序开始时需要初始化。然后DS18B20采样室温给单片机AT89S52，等待单片机处理。单片机响应后驱动电机模块L298，全四驱的通道促使电机开始启动，（当然购买的电机启动时由于动力不足需要助跑），当室温与当前预设值发生变化时，电机会根据自动控制，如预设值比检测到的室温高时，电机转速变慢；预设值比检测到的室温底时，电机转速变快。当室温达到程序设置的最大值时，电机全速运转。单片机收到电机运转信号后响应LCD1602，LCD1602开始读取温度并把温度显示在显示屏幕上。程序：#include "AT89X52.H"#include "DS18B20.H"#include "1602.H"sbit MOTOR = P12;void display_1602 ()XY (0,0);print ("DC-MOTOR Auto");XY (0,1);print ("PWM : %");XY(5,1);write(DATA,digitspeed/100);XY(6,1);write(DATA,digit(speed%100)/10);XY(7,1);write(DATA,digitspeed%10);XY(0,0); print ("WenDu : "); void auto_control()read_temperature ()；4.2 DS18B20温测控制流程图与程序图4 DS18B20温测控制流程图如上框图所示：程序开始时先要进行初始化，数据需要清零，之后DS18B20进行采样室内温度也就是所谓的读温度，读取室内温度后内部进行处理即计算温度，计算温度时，DS18B2的精度可调根据程序可以精确到小数点后一位，当然只需要适当改写程序。最后把采集到的温度经过计算输入到单片机中，等待单片机的处理。程序：void temp_display(void) uint8 TL; uint8 TH; uint8 TN; uint8 TD; rest_1602(); ReadyReadTemp(); TL=ReadOneChar(); TH=ReadOneChar(); TN=TH*16+TL/16; TD=(TL%16)*10/16; j=TN/100; k=(TN%100)/10; l=TN%10; 4.3 LCD1602显示控制流程图与程序图4 LCD1602显示控制流程图如上框图所示：LCD先初始化后，延时一段时间，扫描屏幕上的坐标。坐标确定后就可以知道在第几行第列。首先扫描第一行，第一行上最大横坐标为24，最大纵坐标为8再根据程序应该显示的是WenDu： 然后扫描第二行，最大横纵坐标与第一行相同，内容是显示PWM的百分比。至于在第一行或者第二的哪个位置只要确定X坐标就可以。程序：#define _1602_H_#define CMD0void rest_1602 ()write (CMD,0x38);write (CMD,0x0c);write (CMD,0x06);write (CMD,CLEAR);void print(unsigned char *p)while(*p!=0)write(DATA,*p);p+;4.3驱动模块与电机的连接流程图与程序图5驱动模块与电机连接流程图如上框图所示：程序开始时需要初始化。初始化后程序先clear清零，则电机停止。然后延时设定的时间即100-speedMS时间后，电机开始启动。（可能实物的功率较大，所以电机启动时需要助跑。）电机启动后会随着时间的延长而慢慢加速，等到了某个设定值时，电机就全速运行。程序：void motor (uint8 speedMS)MOTOR = 0;delay (100- speedMS);MOTOR = 1;delay (speedMS);MOTOR = 0;第五章 系统实物调试图6 LCD显示LCD1602显示：当前如图6所示：温度为27.1度；PWM脉宽为30%。LCD1602是标准的16引脚。VO脚是液晶对比度的调整管脚，VDD是电源脚，VSS是接地端，第四脚是RS负责寄存器的选择控制，低电平有效。当然使能端还是E脚，最后是传输管脚D0到D7。图7 处理器单片机模块：当前如图7：AT89S52，作为处理器。AT89S52是40管脚的器件，P0到P7口作为串口输出接外部上拉电阻5K左右。P2.0到P2.2分别连接LCD1602的RS、RW、E口。P2.7口接DS18B20的单总线口DQ。P1口接L298。XTAL1、XTAL2口接晶振电路，RS口接复位电路。图8 电机驱动模块电机驱动模块：当前如图8所示：作为电机驱动。L298的enable A和enable B用于控制正反转，四个管脚IN1、IN2和IN3、IN4为两组PWM输入口。两组驱动可以控制直流电机的正反转、运行快慢。如上图有一根红线跟一根蓝线，是接了IN1跟IN2因为只需要一个电机。图9 风扇外接风扇：当前如图9所示：本设计用风扇代替。该风扇的电压范围为0V到12V，电机达到全速运转的电压只需5V就可以了。图中有一条黑线和一条红线，红线是电源线、黑线是接地线。外接的风扇接口非常的简单。为了设计的美观就采用了此类型的风扇。结束语本毕业设计从3月份开始着手准备，包括去打板子，选器材，编写论文，查阅资料，让我从中得到了很多乐趣与知识。温度智能风扇这一课题是基于我平时生活中的观察得到的灵感，因为普通的风扇不能根据室温来调节风速，定时也不方便对于一些老人视力不好的更难操作。由此设计了次智能风扇。通过学习，认真学习了DS18B20、L298、LCD1602这几个模块，掌握了其原理以及硬件接口等等。在此也要感谢我的指导老师给我的细心的帮助。在此期间，有许多好朋友同学一起陪着我，想好毕设做得方案，然后决定要用哪些器件，最后去批发市场选材。经历了不少困难，都一步一步陪着我过来了。还要感谢我的毕设指导老师，颜老师，他年纪本来就很大了学校事务又比较多。仍旧在百忙中抽出时间，几乎是每周一个电话，定期的督促我论文的进度，解答我的难题。让我在写论文的途中少出错少走弯路，真的由衷的感谢你们为我付出了的关心以及陪伴。在此，对你们表达最崇敬的感激之情，谢谢！参考文献1 方佩敏，新编传感器原理与应用M.北京:电子工业出版社,1994.154 2 陈棣湘,潘孟春,孟祥贵. 一种高精度温度采集系统J电子测量技术, 2008,(07)3 羌海益. 基于单片机的温度控制器设计J. 科技信息(学术研究), 2007,(03) .4 张菁. 单片机温度控制系统方案的研究J. 上海交通大学学报, 2007,(01) . 5 李晓伟,郑小兵,周磊,李建军. 基于单片机的精密温控系统设计J. 微计算机信息, 2007,(32) . 6 夏大勇,周晓辉,赵增,陈博峰,虎恩典. 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