《電工電子綜合》課程設(shè)計(jì)音樂數(shù)字彩燈彩燈控制器
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1、武漢理工大學(xué)《電工電子綜合》課程設(shè)計(jì)說明書 引言 這次的課程設(shè)計(jì)主要是通過計(jì)數(shù)器,譯碼器來實(shí)現(xiàn)的,這個(gè)音樂數(shù)字彩燈控制電路實(shí)質(zhì)上就是循環(huán)發(fā)出一系列的有規(guī)律的數(shù)列,并通過數(shù)碼管顯示出來。這里主要使用的就是計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)器在時(shí)序電路中應(yīng)用很廣泛,它不僅可以用于對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),還可以用于定時(shí)等其他功能。運(yùn)用計(jì)數(shù)器的不同功能和不同接法就可以實(shí)現(xiàn)不同的序列輸出。 這次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要是數(shù)碼管能夠按照要求依次輸出自然數(shù)序列,計(jì)數(shù)序列,偶數(shù)序列還有音樂序列。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)循環(huán)輸出的功能,經(jīng)過分析可以用2線—4線譯碼器和四進(jìn)制加計(jì)數(shù)器來控制四個(gè)計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)列循環(huán)輸出。 脈沖信號(hào)可根
2、據(jù)555定時(shí)器來設(shè)計(jì)一個(gè)多諧振蕩器來產(chǎn)生方波,通過方波來驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器工作。 由于自然數(shù)序列和音樂序列與計(jì)數(shù)序列和偶數(shù)序列的頻率有2倍的關(guān)系,為了使數(shù)字顯示時(shí)間基本相等所以需要用JK觸發(fā)器來設(shè)計(jì)一個(gè)分頻電路。 通過以上的準(zhǔn)備分析,這次的實(shí)際的原理電路則可以根據(jù)以上繪出。 音樂數(shù)字彩燈彩燈控制器 1 設(shè)計(jì)意義及要求 1.1設(shè)計(jì)意義 音樂數(shù)字彩燈控制器在現(xiàn)實(shí)生活中有很廣泛的商業(yè)用途,常用于商業(yè)廣告等各個(gè)領(lǐng)域,隨著時(shí)代的進(jìn)步也對(duì)音樂數(shù)字彩燈控制器有了更高的要求。 通過本次音樂數(shù)字彩燈控制器的設(shè)計(jì)與制作是自己有機(jī)
3、會(huì)將自己所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到生活實(shí)踐中,增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。進(jìn)一步學(xué)習(xí)掌握組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)、組裝與調(diào)試的方法。熟悉各種重用芯片的功能與使用的技巧。通過本次小組合作,學(xué)會(huì)與團(tuán)隊(duì)成員相互學(xué)習(xí),相互幫助的方法。同時(shí)鍛煉了自己分析電路以幾查找問題的能力。 1.2 設(shè)計(jì)要求 1.2.1 設(shè)計(jì)要求 1. 運(yùn)用所學(xué)的模電知識(shí)和數(shù)字電路知識(shí); 2. 用到的原件:實(shí)驗(yàn)板、電源、連接導(dǎo)線、74系列芯片、555芯片或微處理器等。 1.2.2 初始條件 1. 數(shù)碼管自動(dòng)一次顯示數(shù)字列隊(duì)0,1,2,3,4,5,6,7,8,9(自然數(shù)列);1,3,5,7,9(奇數(shù)列);0,2,4,
4、6,8(偶數(shù)列);0,1,2,3,4,5,6,7,0,1(音樂數(shù)列)。然后有一次顯示同上數(shù)列,不斷循環(huán)。 2. 打開電源開關(guān),自動(dòng)清零,即通電后最先顯示自然數(shù)列的0再顯示出1然后按上述規(guī)律變化。 3. 每個(gè)數(shù)字顯示時(shí)間(從數(shù)碼管顯示之時(shí)起到消失之時(shí)止)基本相等。 2 方案設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)思路 此彩燈控制器由555及相關(guān)電阻和電容構(gòu)成振蕩信號(hào)發(fā)生電路;由三片74LS191計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列和音樂數(shù)字序列的控制;由一片74HC139和一片74HC390實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)數(shù)列控制器清零的控制以實(shí)現(xiàn)四個(gè)數(shù)列的循環(huán)。本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列、音樂數(shù)列的
5、循環(huán)顯示,打開電源開關(guān)后自動(dòng)清零,每個(gè)數(shù)字的一次顯示時(shí)間基本相等。本設(shè)計(jì)所用到的芯片都是常規(guī)芯片,在市場(chǎng)上容易購到。 2.2 方案設(shè)計(jì) 總原理框圖 工作開關(guān) 循環(huán)控制 脈沖電路 計(jì)數(shù)電路 顯示電路 圖1 總原理圖 1) 工作開關(guān)即是電源開關(guān)。 2) 脈沖電路可有555以及所需的電阻和電容構(gòu)成頻率發(fā)生電路。 3) 計(jì)數(shù)電路由4片74LS161芯片分別完成自然數(shù)序列、奇數(shù)序列、偶數(shù)序列、音樂序列的計(jì)數(shù)。 4) 循環(huán)控制由四進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC390和二線—四線譯碼器74HC139來控制計(jì)數(shù)器74LS161的清零端來實(shí)現(xiàn)的循環(huán)計(jì)數(shù)。 5) 顯示電路通過數(shù)碼管來顯示數(shù)據(jù)
6、。 2.3 實(shí)驗(yàn)方案一(自己的方案) 2.3.1 實(shí)驗(yàn)電路原理圖如下 圖2 實(shí)驗(yàn)電路原理圖 2.3.2 工作原理 本電路由1片74HC113、1片555、1片74HC390、1片74HC139、4片74161、5片4072、4片7408、6片74LS04、1個(gè)1.15K歐姆和1個(gè)3K歐姆的電阻、1個(gè)0.01uF和1個(gè)100uF的電容以及一個(gè)數(shù)碼管組成。 1) 當(dāng)電源接通時(shí),555開始發(fā)出矩形脈沖送到U4和U5以及74HC113組成的分頻電路,矩形脈沖經(jīng)過分頻后送到U3和U6。由于74HC139和74HC390組成循環(huán)控制電路控制計(jì)數(shù)器的清零端,使一個(gè)計(jì)數(shù)器工作時(shí)其余三個(gè)計(jì)
7、數(shù)器保持清零狀態(tài)。 2) 首先U3開始計(jì)數(shù),其余三個(gè)計(jì)數(shù)器保持清零狀態(tài),故數(shù)碼管輸出0-1-2-3-4-5-6-7-8-9(自然數(shù)),當(dāng)U3計(jì)到10時(shí)通過瞬間的電平變化給74HC390一個(gè)瞬間脈沖是循環(huán)電路給U4一個(gè)高電平,同時(shí)對(duì)其余三個(gè)計(jì)數(shù)器給一個(gè)低電平使它們保持清零狀態(tài)。 3) U4開始計(jì)數(shù),循環(huán)電路保持其余三個(gè)計(jì)數(shù)器的清零狀態(tài),這是數(shù)碼管輸出1-3-5-7-9(奇數(shù)),同樣當(dāng)U4計(jì)到10時(shí)通過瞬間的電平變化給循環(huán)電路一個(gè)瞬間脈沖,循環(huán)電路接收到脈沖后給U5一個(gè)高電平,同時(shí)給其余三個(gè)計(jì)數(shù)器一個(gè)低電平使它們保持清零狀態(tài)。 4) U5開始計(jì)數(shù),循環(huán)電路保持其余三個(gè)計(jì)數(shù)器的清零狀態(tài),這時(shí)數(shù)
8、碼管輸出0-2-4-6-8(偶數(shù)),同樣循環(huán)電路給U6一個(gè)高電平,同時(shí)給其余三個(gè)計(jì)數(shù)器一個(gè)低電平是它們保持清零狀態(tài)。 5) U6開始計(jì)數(shù),循環(huán)電路保持其余三個(gè)計(jì)數(shù)器的清零狀態(tài),這時(shí)數(shù)碼管輸出0-1-2-3-4-5-6-7-0-1(音樂數(shù)列),同樣循環(huán)電路給U3一個(gè)高電平,同時(shí)給其他三個(gè)一個(gè)低電平使它們保持清零狀態(tài)。 6) 通過循環(huán)電路控制計(jì)數(shù)器的清零端實(shí)現(xiàn)0-1-2-3-4-5-6-7-8-9-1-3-5-7-9-0-2-4-6-8-0-1-2-3-4-5-6-7-0-1的數(shù)列循環(huán)。 2.4 實(shí)驗(yàn)方案二(小組方案) 2.4.1 實(shí)驗(yàn)電路原理圖如下 圖3 實(shí)驗(yàn)電路原理圖
9、2.4.2 電路工作原理 這個(gè)方案由晶體振蕩器產(chǎn)生特定頻率的脈沖信號(hào),并將信號(hào)送給AT89C52單片機(jī),由于數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電壓比較高,故需將單片機(jī)的P0與上拉電阻相連,以提高輸出電壓,這樣才能給數(shù)碼管提供足夠高的電壓使數(shù)碼管顯示出數(shù)字。由于在給單片機(jī)上電的瞬間,單片機(jī)的所有端口均為高電平,若采用七段共陰數(shù)碼管,則會(huì)在通電的瞬間顯示F,故應(yīng)選用七段共陽數(shù)碼管。彩燈由單片機(jī)的P1口和P2.0口控制,為使彩燈點(diǎn)亮?xí)r按對(duì)稱分布,我們用P2.0口單獨(dú)控制中間的一盞彩燈。為了達(dá)到每個(gè)數(shù)字顯示的時(shí)間大致一致,我們通過0中斷來實(shí)現(xiàn)功能。 2.4.3 流程圖 Y Y N N Y 數(shù)碼管→P0 彩
10、燈→P1,P2.0 設(shè)T0為定時(shí)方式1 裝入T0計(jì)數(shù)初值 開啟中斷 啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器 50MS時(shí)間到? num加1 num等于20? 數(shù)碼管顯示 彩燈亮 num清零 重裝初值 圖3 流程圖 2.5 方案比較 經(jīng)過仿真,兩個(gè)方案均能夠?qū)崿F(xiàn)功能要求。方案一為自己設(shè)計(jì)的方案,原理比較簡(jiǎn)單,易于理解,但是電路比較復(fù)雜,連接電路比較麻煩,同時(shí)也增加了實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用,同時(shí)也降低了電路的穩(wěn)定性;方案二為小組共同設(shè)計(jì)的方案,是通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)功能,電路簡(jiǎn)單,減少了連接電路的工作量,同時(shí)也提高了電路的穩(wěn)定性。 3 單元電路設(shè)計(jì) 3.1脈沖信號(hào)發(fā)生電路 通過555以
11、及相應(yīng)的電阻和電容來形成脈沖發(fā)生電路,對(duì)整個(gè)電路輸出脈沖信號(hào)。 555的功能表如下: 表1 555功能表 輸入 輸出 閾值輸入(V11) 觸發(fā)值(V12) 復(fù)位(RD) 輸出(VO) 放電管T 0 0 導(dǎo)通 <(2/3)VCC <(1/3)VCC 1 1 截止 >(2/3)VCC >(1/3)VCC 1 0 導(dǎo)通 <(2/3)VCC >(1/3)VCC 1 不變 不變 圖4 脈沖信號(hào)發(fā)生電路原理圖 3.2 分頻電路 表2 JK觸發(fā)器功能表 J K 功能 0 0 保持 0
12、 1 清零 1 0 置1 1 1 翻轉(zhuǎn) 通過JK觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)分頻功能,當(dāng)J、K都接高電平時(shí),這時(shí)觸發(fā)器的功能是翻轉(zhuǎn),所以當(dāng)脈沖為下跳沿時(shí)發(fā)生翻轉(zhuǎn)1變?yōu)?、0變?yōu)?使故將脈沖信號(hào)的頻率變?yōu)樵济}沖的1/2實(shí)現(xiàn)分頻。 電路圖如下: 圖5 分頻電路原理圖 3.3 循環(huán)控制電路 在這個(gè)部分是為了自然序列,奇數(shù)序列,偶數(shù)序列,音樂序列的循環(huán)顯示。其中四個(gè)74LS160計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端與74HC390的CPA相連,這樣可以通過進(jìn)位端狀態(tài)由0變?yōu)?的瞬間給它一個(gè)脈沖觸發(fā),而另一個(gè)脈沖端則是與其輸出端Q0相連,這樣使74HC390實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)功
13、能。再用輸出端分Q0,Q1分別與譯碼器74HC139相連,用譯碼器控制計(jì)數(shù)器的清零。 實(shí)現(xiàn)的功能用表格表示如下: 表3 循環(huán)電路功能比表 Q0 Q1 Y0 Y1 Y2 Y3 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 Y0,Y1,Y2,Y3分別連接7404后與計(jì)數(shù)器的清零端相連來控制清零實(shí)現(xiàn)循環(huán)。 74HCT139的功能表如下: 表4 74HC139功能表 74HCT139的管腳圖如下: 圖6 74HC139管腳圖 74HC3
14、90的功能表如下: 表5 74390功能表 COUNT OUTPUT QA QD QC QB 0 L L L L 1 L L L H 2 L L H L 3 L L H H 4 L H L L 5 H L L L 6 H L L H 7 H L H L 8 H L H H 9 H H L L 74HC390的管腳圖如下: 圖7 74HC390管腳圖 電路圖如下: 圖8 循環(huán)電路原理圖 3.4 自然數(shù)計(jì)數(shù)電路 74LS161為4位二進(jìn)制加計(jì)數(shù)器,清零方式為異步清零
15、。將Q3與Q1通過7400與清零端相連實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)。 74161的功能表如下: 表6 74161功能表 清零 預(yù)置 使能 時(shí)鐘 預(yù)置數(shù)據(jù)輸入 數(shù)據(jù)輸出 RD LD EP ET CP D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 H L L L L L H D C B A D C B A L L L 保持 L L L 保持 L L H H 計(jì)數(shù) 74161的管腳圖如下:
16、 圖9 74161管腳圖 電路圖如下: 圖10 自然數(shù)計(jì)數(shù)顯示電路 3.5 奇數(shù)計(jì)數(shù)電路 為了實(shí)現(xiàn)奇數(shù)計(jì)數(shù),可以將數(shù)碼管低位直接置高電平,這樣無論高位怎么變化數(shù)碼管都顯示奇數(shù)循環(huán),同樣將Q3和Q1通過7400與清零端相連實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)。 電路圖如下: 圖11 奇數(shù)計(jì)數(shù)顯示電路 3.6 偶數(shù)計(jì)數(shù)電路 為了實(shí)現(xiàn)偶數(shù)計(jì)數(shù),可以將數(shù)碼管低位直接置低電平,這樣無論高位怎么變化數(shù)碼管都顯示偶數(shù)循環(huán),同樣將Q3和Q1通過7400與清零端相連實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)。 電路圖如下: 圖12 偶數(shù)計(jì)數(shù)顯示電路 3.7 音樂序列計(jì)數(shù)電路 由于音樂序列為0-1-2-3-4-5-6-7-0-
17、1,觀察發(fā)現(xiàn)只要將數(shù)碼管高位置為低電平,再將Q3和Q1通過7400與清零端相連實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制,這樣就會(huì)循環(huán)顯示音樂序列。 電路圖如下: 圖13 音樂序列技術(shù)顯示電路 4 調(diào)試與檢測(cè) 4.1 調(diào)試 由于電路連接過程中會(huì)受到很多因素的影響,加上電路比較復(fù)雜難免會(huì)出現(xiàn)一些問題,所以調(diào)試是必須的,電路經(jīng)過調(diào)試以后才能達(dá)到理想的效果。 4.2 調(diào)試中出現(xiàn)的故障及解決的辦法 1) 沒能實(shí)現(xiàn)循環(huán)清零功能。 調(diào)試方法:循環(huán)電路的原理是通過移動(dòng)高電平來實(shí)現(xiàn)循環(huán),但是74161的清零端是地電平有效,故應(yīng)該在循環(huán)電路與清零端加上非門才能實(shí)現(xiàn)清零
18、循環(huán)。 2) 奇數(shù)和偶數(shù)顯示時(shí)數(shù)碼管顯示較快。 調(diào)試方法:在分別在奇數(shù)計(jì)數(shù)器和偶數(shù)計(jì)數(shù)器的信號(hào)輸入端接一個(gè)非門,將信號(hào)翻轉(zhuǎn)一下,實(shí)現(xiàn)延遲。 3) 脈沖頻率較低不易于觀察。 調(diào)試方法:將脈沖電路的電阻和電容的值分別定為3.1K歐、2K歐以及100uF、0.01Uf. 5 仿真操作步驟及使用方法 由于電路連接完成后,電路的工作有電源控制,故電路只需要一個(gè)電源開關(guān),用電源開關(guān)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路是否工作。 打開電源開關(guān),電路開始工作,脈沖電路產(chǎn)生脈沖信號(hào)送入計(jì)數(shù)器74161,從而是計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),數(shù)碼管顯示
19、數(shù)字,循環(huán)電路同時(shí)控制清零循環(huán),從而實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的循環(huán)顯示要求。 關(guān)閉電源開關(guān),電路停止工作,數(shù)碼管不工作。 總結(jié)與體會(huì) 經(jīng)過這些天的課程設(shè)計(jì),總算是完成了基本的課程設(shè)計(jì)要求,但是自己設(shè)計(jì)的電路過于復(fù)雜,然而小組的單片機(jī)方案更加簡(jiǎn)單。從性能上說,自己設(shè)計(jì)的電路達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求,但是由于電路過于復(fù)雜,從而實(shí)用價(jià)值并不高,同時(shí)增加了電路出現(xiàn)故障的幾率,然而小組的單片機(jī)方案相比更加簡(jiǎn)單,實(shí)用價(jià)值更高,性能也會(huì)更加可靠。自己設(shè)計(jì)的電路原理簡(jiǎn)單,只是用到了基本的數(shù)字
20、電路和模擬電路的基礎(chǔ)知識(shí),從而導(dǎo)致了用到的芯片很多,電路比較復(fù)雜,同時(shí)降低了電路的可靠性,增加了電路的設(shè)計(jì)費(fèi)用。 在設(shè)計(jì)的過程中,要理順?biāo)悸?,明確實(shí)驗(yàn)的目的是什么,要實(shí)現(xiàn)一個(gè)什么樣的功能,將所學(xué)芯片的知識(shí)與功能相搭配。設(shè)計(jì)電路的時(shí)候要一步一步的從基礎(chǔ)的電路開始設(shè)計(jì),將幾個(gè)基礎(chǔ)的電路一步一步的組在一起并調(diào)試,最終完成一個(gè)復(fù)雜的電路。在完成自己的電路后不能自我感覺良好,要換另外一種思維方式試一試,重新設(shè)計(jì)一個(gè)全新的電路或更多,然后找出不同的電路的優(yōu)點(diǎn),看能不能將各個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)集中在一個(gè)電路上,就像本次小組設(shè)計(jì)的電路,是通過單片機(jī)這個(gè)全新的角度去實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的要求,大大降低了實(shí)驗(yàn)電路的復(fù)雜性。 通過
21、這次課程設(shè)計(jì)使我明白了學(xué)會(huì)課堂上的東西每個(gè)人都會(huì),但要將所學(xué)的東西運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)生活和生產(chǎn)中就不是那么簡(jiǎn)單的事情。如何將理論與實(shí)踐相結(jié)合,如何把自己學(xué)到的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中,這是我們必須解決的問題。并不是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單就能把一個(gè)電路設(shè)計(jì)出來的,我們必須要學(xué)會(huì)理論與實(shí)踐相結(jié)合,不能空讀書,不能渡死書,要學(xué)會(huì)運(yùn)用自己所學(xué)的知識(shí),這樣才算是真正的學(xué)到了知識(shí),同時(shí)要學(xué)會(huì)檢查實(shí)驗(yàn)電路,也要學(xué)會(huì)相互學(xué)習(xí)和相互合作,要知道團(tuán)結(jié)就是力量。 在以后的生活中,我們要記住在課程設(shè)計(jì)中體會(huì)到的。要多觀察,多動(dòng)腦,和自己的合作伙伴相互分享自己的經(jīng)驗(yàn),團(tuán)結(jié)就是力量,自己孤軍奮戰(zhàn)很難會(huì)有很優(yōu)秀的方案。
22、
參考文獻(xiàn)
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附錄
1 方案一電路圖
圖14 電路原理圖
2 方案二電路圖
圖15 方案二電路圖
3 單片機(jī)程序
#include 23、h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit P2_0=P2^0;
uint num,i,j,k;
uchar code tab[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};
void timer() interrupt 1
{
TH0=(65536-50000)/256;
TL0=(65536-50000)%256;
num++;
}
void main()
{
uchar code LED[10]={ 24、0X00,0X00,0X18,0X18,0X3C,0X3C,0X7E,0X7E,0XFF,0XFF};
TMOD=0x01;
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P1=LED[0];
for(j=8;j>0;j--)
{
while(num!=20);
num=0;
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if((i%2)!=0) P2_0=1;
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while(num!=20);
num=0;
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else P2_0=0;
i++;
}
while(num!=20);num=0; }
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本科生課程設(shè)計(jì)成績?cè)u(píng)定表
姓 名
肖 29、均洋
性 別
男
專業(yè)、班級(jí)
自動(dòng)化0801
課程設(shè)計(jì)題目:音樂數(shù)字彩燈控制器設(shè)計(jì)
課程設(shè)計(jì)答辯或質(zhì)疑記錄:
成績?cè)u(píng)定依據(jù):
設(shè)計(jì)方案
與內(nèi)容
(30分)
制作與調(diào)試
(20分)
說明書內(nèi)容與規(guī)范程度
(30分)
答 辯
(10分)
學(xué)習(xí)態(tài)度
與考勤
(10分)
總 分
(100分)
最終評(píng)定成績(以優(yōu)、良、中、及格、不及格評(píng)定)
指導(dǎo)教師簽字:
2010年 7月 12日
26
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