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计算机系的毕业设计
邯郸职业技术学院
毕业设计（论文）
题目：
基于51单片机的六路抢答器设计
系部：
电子信息工程系
专业：
控制专业
学号：
姓名：
指导教师：
二0一二年五月二十一日
摘要
随着科学技术的不断发展，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样。
抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。
但抢答器的使用频率较低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。
作为一个单位若专够一台抢答器虽然在经济上可以承受，单每年使用的次数极少，往往因长期存放使抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展，因此设计就本抢答器。
本设计是以六路抢答器为基本理念。
考虑到依需设定限时回答的功能，利用AT89C51单片机及外围接口实现的抢答系统利用单片机的定时器/计数器定时和计数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能正确地进行计时，同时使数码管能够正确显示时间。
用开关做键盘输出，扬声器发生提示。
同时系统能够实现在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效；抢答限定时间和回答问答的时间可在1-99S设定，可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示；抢答时间他回答问题时间倒计时显示，满时后系统计时自动复位及主控强制复位；按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。
单片机的概念
单片微型计算机简称单片机。
它是在一块芯片上集成了中央处理器、存储器、定时/计数器和各种输入输出接口等。
随着计算机技术和集成电路技术的技术，它还可包含A/D、D/A转换器、DMA通道、浮点运算等特殊功能部件。
单片机的应用领域
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：
1.在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
2.在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
3.在家用电器中的应用
可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
4.在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
5.单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途
关键词：
AT89C51LED数码管抢答器计时报警
本论文章节的结构和内容如下：
第一章：
绪论。
简要介绍了抢答器的发展现状；说明了本课题研究的内容。
第二章：
抢答器系统概述。
说明了抢答器的工作过程和主要功能，并定下了本课题要达到的设计目标。
第三章：
抢答器的硬件电路的设计。
详细描述了本课题各个组成电路单元的设计。
第四章：
抢答器的软件设计，并编程序。
第五章：
Proteus仿真，仿真出结果。
结论：
总结课题设计，指出设计中的一些问题，提出改善的意见，并展望抢答器的未来设计。
第一章绪论
1.1课题研究的相关背景
抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。
早期的抢答器制由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辨认出选手号码。
现在大多数抢答器均使用单片机（MCS—51型）数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选手得分显示等功能。
本课题利用AT89C51单片机及外围接口实现的抢答器系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间和选手号码。
用开关做键盘输出，扬声器发生提示。
系统达到要求：
在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答器前抢答为无效；抢答限定时间和回答问题的时间可以在1—99S设定；可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示；抢答时间和回答问题时间倒计时显示，时间完后系统自动复位；按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。
1.2选题的目的和意义
通过这次设计，掌握51单片机的原理，了解简单多功能抢答器组成原理，初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法，提高动手能力和排除故障的能力。
同时通过本题设计与装配、调试、提高自己的动手能力，巩固已学的理论知识，建立单片机理论和实践的结合，了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算定时计数的各个单元电路。
初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法。
提高动手能力和排除故障的能力。
1.3课题研究的内容
本系统采用模块化设计智能抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按钮。
主持人有开始和结束、复位键。
在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题的时间设置，原始状态下抢答时间为15S，回答问题时间为10S。
通过加键和减键修改上述时间，改完后结束键确定。
新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声器发生提示。
如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示犯规者的代号，扬声器持续发生。
主持人可按键结束，新一轮抢答开始。
通过研究并在设计验证后发现，采用单片机技术设计的抢答器与目前常用的抢答器相比，首先，电路连接简单，因为大多数功能单元都通过程序设计在单片机内部，第二，工作性能可靠，抗干扰能力优于目前抢答器。
所以本研究是一个使用的工程设计，具有创新性。
第三，后其号码只有数码或指示灯显示，没有语音提示。
本课题就是为了解决以上3个问题，设计了六路抢答器。
1.4国内外研究现状
抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器有的电路较复杂不便于制作，可靠性低，实现起来很困难；有的则用一些专用的集成块，而专用集成块的购买又很困难。
为适应高校等多代表队单位活动的需要而设计一个多功能抢答器，这种抢答器具有电路简单，原件普通，易于购买等优点，很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题。
在国内外已经开始了普通的应用。
1.5抢答器目前存在的主要问题
随着改革开放事业的不断深入，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样，抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。
但抢答器的使用频率较低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。
作为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，单每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。
但目前多数抢答器存在3个不足之处：
第一，现场线路连接复杂。
因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。
选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，甚至影响了现场人员的走动。
第二，电路复杂。
因为单片机只完成号码处理、计时、数据运算等功能，其他功能如选手号码的识别、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完成。
采用单片机扫描技术识别选手抢按号码时，电路的延时时间较大。
第三，选手抢按成功。
第二章抢答器的系统概述
2.1系统的主要功能
本系统是借用单片机采用模块化设计的智能抢答器，主控与参赛者设为终端分系统。
参赛者分系统设有：
抢答按钮、计时显示、提示功能等（根据需要可另设或多设相关功能）；主控分系统有：
开始与结束控制按钮、时限设定、各种相关显示调控功能等（根据需要也可另设或多设相关功能）。
参赛者系统，除享有抢答器按钮的权利功能外，还有人性化的提示功能和时间提示功能，也可设定由主控控制在参赛者终端表现的趣味性功能等；主控系统的控制按钮做开始于结束控制，根据活动参赛者的层次，对提前抢答者的行为设定为非法或阻隔，若设有非法抢答器控制功能时，在主控处带有公示性显示的非法抢答者的台位号，对抢答限时及回答问题限时设为倒计时，并有公示性显示。
如图2-1所示。
图2-1系统主要功能模块
本系统采用模块化设计智能抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按钮。
主持人又开始和结束复位键。
在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题的时间设置，原始状态下抢答时间为15S，回答问题时间为10S。
通过加键和减键修改上述时间，改完后结束键确定。
新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声器发生提示。
如果主持人没按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的代号，扬声器持续发生。
主持人可按键结束。
新一轮抢答开始。
系统的主要功能模块方框图如2-1所示。
抢答主板：
抢答主板是整个抢答器的核心，其关键是单片机AT89C51。
内部电路设计用汇编语言编写。
它完成了时间参数的设定，抢按号码的译码，保存；显示；输出，抢按及答题倒计时功能等。
显示及指示：
本设计中，有一个共阴的数码管组，四个数码管。
其中两个显示时间，一个空位，一个显示抢答号码。
主持人依次按下复位键，开始键后开始抢答。
可以抢按：
超时数码管显示“FFF”，当抢按超过规定时间或答题超过规定时间后数码管显“FFF”。
若有选手在规定时间内抢按成功，则可以答题，数码管显示抢答时间的同时也可显示选手号码。
若在按开始键前抢答表示违规，数码管显示“FF”并显示选手号码。
2.2系统需求分析
1、在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效。
2、抢答限定时间和回答问题的时间可是在1—99S设定。
3、可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示。
4、抢答时间和回答问题时间倒记时显示，时间完后系统自动复位。
5、按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。
2.3抢答器的工作流程
抢答器的基本工作原理：
在抢答器竞赛或呼叫时，有多个信号同时或不同时送入主电路中，抢答器内部的寄存器工作，并识别、记录第一个号码，同时内部的定时器开始工作，记录有关时间并产生超时信号。
在整个抢答器工作过程中，显示电路、语音电路等还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号。
抢答器的工作流程分为：
系统复位、正常流程、违例流程等几部分，如图2—2所示，下面分别予以介绍。
如图2—2所示
2.4抢答器的工作过程
1、如果想调节抢答时间或答题时间，按“加一”键或“减一”键进入调节状态，此时会显示现在设定的抢答时间或回答时间值，如想加一秒按一下“加1S”键，如果想减一秒按一下“减1S”键，时间LED上会显示改变后的时间，调整范围为0—99S，0S时再减1S会跳到99,99S时再加1S会变到0S。
2、主持人按“抢答开始”键，会有提示音，并立刻进入抢答倒计时（预设15S抢答时间），如有选手抢答，会有提示音，并会显示其号数并立刻进入回答倒计时（预设10S抢答时间）,不进行抢答查询，所以只有第一个按抢答的选手有效。
倒数时间到小于5S会每秒响一下提示音。
3、如倒计时期间，主持人像停止倒计时可以随时按“停止”按键，系统会自动进入准备状态，等待主持人按“抢答开始”进入下次抢答计时。
图2—2抢答器工作流程
4、如果主持人未按“抢答开始”键，而有人按了抢答按键，犯规抢答，LED上不断闪烁FF和犯规号数并响个不停，直到按下“停止”键为止。
总而言之，本课题利用AT89C51单片机及外围接口实现的抢答系统设计了抢答器，该抢答器增加了新功能，提高了系统的可靠性、简化了电路结构、节约了成本，是一个实用的工程设计。
2.5器件选型方案及详细清单
微控制器选用ATMAL公司生产的AT89C51，该芯片货源充足，并且价格也比较便宜。
如表2-1所示。
2.6AT89C51特殊功能寄存器
特殊功能寄存器也称专用寄存器，是具有特殊功能的所有寄存器的集合，简称SFR。
特殊功能寄存器共含有22个不同寄存器。
他们的地址分配在80H~FFH中，即在RAM地址中。
这些寄存器的名称和地址如表2—2所示。
表2—1器件选型方案的详细清单
器件名称规格型号数量
微处理器AT89C511
电阻3WTT10K8
电容30PF3
晶振12MHZ1
按钮--------11
反相器--------3
7段数码管7SEG-MPX4CC4
扬声器---------1
虽然特殊功能寄存器地址在80H~FFH之中，但在80H~FFH的地址单元中，不是所有的单元都被特殊功能寄存器占用，未被占用的单元，其内容是不确定的，如果对这些单元进行操作，得到的是一些随机数，而写入则无效。
所以，用户编程时不应该将数据写入这些确定的地址单元，它们是公司留待将来开发新产品时使用的。
2.7AT89C51的功能及简介
2.7.1AT89C51单片机的内部结构图
AT89C51单片机内部由CPU、4KB的FPEROM,128的RAM，两个16位的定时/计数器T0和T1，4个8位的I/O端P0，P1，P2,P3等组成。
单片机内部最核心的部分是CPU。
CPU主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等，CPU按其功能科分为运算器和控制器两部分。
控制器由程序计数器PC，指令存储器、指令译码器、实时控制于条件转移逻辑电路等组成。
它的功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。
运算器有算术逻辑器部件ALU、累加器ACC、暂存器、程序状态字寄存器PSW，BCD码运算调整电路等组成。
如图2—3所示。
图2—3AT89C51单片机的内部结构图
为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器B和一些专用寄存器，还增加了位处理逻辑电路的功能。
其内部结构如图2—3所示。
2.7.2AT89C51单片机
2.7.2AT89C51是一种低功耗、高性能的含有4KB闪速可编程电擦除只读存储器FPEROM的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与80C51指令系统和引脚完成兼容。
芯片上的FPEROM允许在线或采用通用的非易失存储编程器对存储器重复编程。
（1）AT89C51的主要性能包括：
AT89C51与MCS—51控制器系列产品兼容，片内有4K可在线重复编程闪速电擦除存储器（Flashmemory）,存储器可循环写入/擦除1000次；存储器数据保存时间可达10年；工作电压范围宽：
VCC可由2.7V到6V；全静态工作可由0HZ到16MHZ；程序存储器具有3级锁存保护；128*8位内部RAM；32条可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；中断结构具有5个中断源和2个中断优先级；可编程全双工串行通信；空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。
（2）FPEROM的编程：
AT89C51的I/O口P0、P1、P2和P3除具有与80C51相同的一些性能和用途外，在FPEROM编程时，P0口接收代码检验时输出代码字节，但在程序校验时需要外部上拉负载电阻，在FPEROM编程和程序校验期间，P1口接收低位地址字节，P2口接收高位地址字节和一些控制信号，P3口也接收一些FPEROM编程和校验用的信号，此时ALE/PROG引脚是编程脉冲输入（PROG）端，在FPEROM编程期间，如果选择12V编程电压，那么EA/VPP引脚也允许接受12V编程电压（VPP）。
2.8抢答器的优点及组成
在知识比赛中，特别是做抢答器题目的时候，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要设计一个系统来完成这个任务。
如果在抢答中，靠视觉是很难判断出哪组先答题。
利用单片机系统来设计抢答器，使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辩出哪组优先答题。
本文主要介绍了单片机抢答器设计及工作原理，以及它的实际用途。
系统工作原理本系统采用AT89C51单片机作为核心。
控
制系统的四个模块分别为:
存储模块、显示模块、语音模块、抢答开关模块。
该抢答器系统通过开关电路六个按键输入抢答信号；利用存储程序来完成软件的设计；利用应该数码管来完成显示功能。
工作时，用按键通过开关电路输入各路的抢答信号，经单片机的处理，输出控制信号，控制数码管和语音芯片工作。
在数码管上显示哪一组先答题，并通过语音系统读出第N组请答题，从而实现整个抢答过程。
第三章系统总体方案的设计
3．1硬件电路的设计
本设计分为硬件设计和软件设计，这两者相互结合，不可分离；从时间上看，硬件设计的绝大部分工作量是在最初阶段，到后期往往还要做一些修改。
只要技术准备充分，硬件设计的大返工时比较少的，软件设计的任务贯彻始终，到中后期基本上都是软件设计任务，随着集成电路技术的飞速发展，各种功能很强的芯片不断出现，是硬件电路的集成度越来越高，硬件设计的工作量在整个项目中的所占的比重逐渐下降。
为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几方面：
（1）尽可能采用功能强的芯片，以简化电路，功能强的芯片可以代替若干普通芯片，随着生产工艺的提高，新型芯片的价格不断下降，并不一定比若干普通芯片价格的总和高。
（2）留有设计余地。
在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。
因为很少有一锤定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能要为一点小小的修改或扩展而被迫进行全面返工。
（3）程序空间，选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用AT89C51单片机。
（4）RAM空间，AT89C51内部RAM不多，当要增强软件数据处理功能时，往往觉得不足。
如果系统配置了外部RAM，则建议多留一些空间。
如选用8155作I/O接口，就可以增强256字节RAM。
如果有大批数据需要处理，则应配置足够的RAM,如6264,62256等。
随着软件设计水平的提高，往往只要改变或增加软件中的数据处理算法，就可以使系统功能提高很多，而系统的硬件不必做任何更换就使系统升级换代。
只要在硬件电路设计初期考虑到这一点，就应该为系统将来升级留足够的RAM空间，哪怕多设计一个RAM的插座，暂不插芯片也好。
（5）I/O端口：
在样机研制出来后进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的。
如有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。
如果在硬件电路设计就预留出一些I/O端口，虽然当时空着没用，那么用的时候就派上用场了。
3.2总体原理图
图3—1系统原理图
P1.0为开始抢答，P1.7为停止，P1.1—P1.6为六路抢答输入，数码管段选P0口，位选P2口低3位，蜂鸣器输出为P3.6口。
P3.2为时间加1调整，P3.3为时间减1调整。
3.3时钟频率电路的设计
单片机必须在时钟的驱动下才能工作，在单片机内部有一个时钟震荡电路，只需要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片机的工作速度。
如图3-2所示。
图3-2为外部振荡源电路
一般选用石英晶体振荡器。
此电路在加电大约延迟10MS后振荡器起振，在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号，其振荡频率由石英晶振的频率确定。
电路中两个电容C1,C2的作用有两个:
一是帮助振荡器起振;二是对振荡器的频率进行微调。
C1,C2的典型值为30PF。
单片机在工作时,由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期。
其大小是时钟信号频率的倒数,常用fosc表示。
如时钟频率为12MHz,即fosc=12MHz,则时钟周期为1/12µs。
3.4复位电路的设计
单片机的第9脚RST为硬件复位端,只要将该端持续4个机器周期的高电平即可实现复位,复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态，其电路图如图3-3所示。
图3-3复位电路
值得注意的是,在设计当中使用到了硬件复位和软件复位两种功能,由上面的硬件复位后的各状态可知寄存器及存储器的值都恢复到了初始值,而前面的功能介绍中提到了倒计时时间的记忆功能,该功能的实现的前提条件就是不能对单片机进行硬件复位,所以设定了软复位功能。
软复位实际上就是当程序执行完毕之后,将程序指针通过一条跳转指令让它跳转到程序执行的起始地址。
3.5显示电路的设计
显示功能与硬件关系极大，当硬件固定后，如何在不引起操作者误解的前提下提供尽可能丰富的信息，全靠软件来解决。
3.5.1显示模块在系统软件中的安排
操作者主要设计从显示设备上获取微机系统的信息的，因此，操作者每操作一下，显示设备商都应该有一定的反应。
这说明，显示模块与操作有关，即监控程序是需要调用显示模块。
不同的操作需要显示不同的内容，这又说明各执行模块对显示模块的驱动方式是不同的。
另一方面，在操作者没有进行操作时，显示内容也是变化的，如显示现场各物理量的变化情况。
这时显示模块不是由操作者通过命令键来驱动，而是由各类自动执行的功能模块来驱动。
自动执行的各类模块在安排在各种中断子程序中，这就是说，各种中断子程序也要调用显示模块。
如果监控安排在中断子程序中，两者的要求就统一了，问题比较好解决，如果监控程序安排在主程序中，在监控程序调用显示模块的过程中发生了中断，中断子程序也调用显示模块，这时就容易出问题。
一种比较妥善的办法是只让一处调用显示模块，其他各处均不得直接调用显示模块，但有权申请显示。
这就要设置一个显示申请标志，当某模块需要显示时，将申请标志置位，同时设定有关显示内容（或指针）。
由于一处调用显示模块，故不会发生冲突。
为了使显示模块能及时反应系统需要，应将显示模块安排在一个重复执行的循环（如监控循环或时钟中断子程序）中。
当监控程序（键盘解释程序）安排在时钟中断子程序中时，处理比较方便，只要在监控程序的汇合处调用显示模块就可以了。
例如用DISP作显示申请标志，就可以这样安排显示模块的调用，即
DISPBIT2DH.4；显示申请标志
SKEYEND:
JNBDISP,RETI0；有显示申请否？
LCALLDISPLAY；调用显示模块，更新显示内容
CLRDISP；清除申请
RETI；中断返回
KEYEND为键盘解释程序的最后汇集点，这时如果发现有显示申请，就进行集中操作，更新显示内容，否则就跳过这一步。
这里将显示功能集中到一起，作为一个功能模块，就要求它的功能全面，能根据系统软件提供的信息自动完成显示内容的查找，变换和输出驱动。
这样设计使得各功能模块都不必考虑显示问题，只要给出一个简单的信息（如显示格式编码）甚至不用再提供额外信息，直接利用当前状态变量和软件标志就可以完成所需的显示要求。
如果编写这样一个集中显示模块有困难，也可以将显示模块编小一些，只完成显示缓冲区的内容输出到显示器件上的工作。
这时各功能模块在提出显示申请时，还需要将显示内容按需要
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