基于SPCE061A具有语音功能的湿度测控系统设计毕业论文.doc

毕业设计论文题目：基于SPCE061A具有语音功能的湿度测控系统设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日目 录摘 要ABSTRACT前 言一、总体设计和实现的功能41.1 系统参数41.2 功能简介4二、系统硬件设计42.1SPCE061A芯片特点52.1.1SPCE061A简介52.1.2芯片特性52.2SPCE061A精简开发板62.3湿度传感器HS110172.3.1湿度测量简介72.3.2HS1101简介82.3.3测量原理92.3.4测量方法92.4硬件电路112.4.1SPCE061A最小系统112.4.2电源模块122.4.3电容式湿度传感器HS1101电路模块122.4.4按键电路13三、系统软件设计133.1主程序133.2按键扫描模块143.3湿度测量程序流程图153.4语音播放任意整数数据程序163.5中断服务程序流程图17结束语20参考文献21致 谢22附 录23基于SPCE061A具有语音功能的湿度测控系统设计摘要本文以SPCE061A单片机为控制核心，主要针对一般电子湿度计，研究了被测湿度值存在只能检测和数字显示、不可以语音播出的实际问题，运用16位单片机控制，利用电容式湿度传感器，设计了一种具有湿度的测量、数字显示以及语音报警功能的湿度检测系统。目前市面上已经出现了很多基于SPCE061A的相关产品。本文通过比较基础的方法，阐述了SPCE061A单片机是一种性价比很高的产品，它自带语音模块，功能强大，应用面极广。关键词：单片微型计算机；语音播报；湿度传感器；HS1101；SPCE061ABased on the SPCE061A design of humidity measurement and control system with speech function AbstractIn this article tospce061asingle-chip microcomputer to control core, is for general electronic hygrometers, study the measured humidity value can only detect and problems of digital display, not the actual voice broadcast, using16-bit single-chip microcomputer control, the use of capacitive humidity sensor, designed a measurement with humidity humidity detection, digital displays, and voice alarm system. Currently there have been many on the market based onspce061aof related products. By comparing the basic method in this article, expounded thespce061asingle-chip is a high price/performance of the product, it comes with voice modules, powerful, very wide.Key words: single-chip microcomputer stool；voice broadcasts；HS1101；SPCE061A 摘要本文以SPCE061A单片机为控制核心，主要针对一般电子湿度计，研究了被测湿度值存在只能检测和数字显示、不可以语音播出的实际问题，运用16位单片机控制、利用电容式湿度传感器，设计了一种具有湿度的测量、数字显示以及语音报警功能的湿度检测系统。目前市面上已经出现了很多基于SPCE061A的相关产品。本文通过比较基础的方法，阐述了SPCE061A单片机是一种性价比很高的产品，它自带语音模块，功能强大，应用面极广。关键词：单片微型计算杌；语音播报；湿度传感器；HS1101；SPCE061A  前 言目前，嵌入式系统的发展万兴未艾：其种类从小到一个芯片，大到一台独立的应用设备，数量繁多，让人目不暇接；其应用领域从以工农业控制为主，渗透到人们日常生活的各个方面：在电冰箱、洗衣机、空调、电视机、手机、数码相机，甚至电饭锅和手表里，都有嵌入式系统的身影。正如美国福特汽车公司高级经理所说的那样：“福特出售的计算能力已经超过了IBM。因此，嵌入式系统成为了种无处不在的数字系统，并且成为了后PC时代的骄子。”在农工业方面，我国农业正处于从传统农业想以优质、高产、高效益为目标的现代农业转化的新阶段。环境的控制和检测作为农业生物速成、优质、高产的手段，是农业现代化的重要标志。温室大棚中的环境有多个因素组成，如温度、光照、湿度及二氧化碳浓度等。人工管理已经不能满足农业的生产要求了，阻碍了农业的发展。另外，在工业领域里，比如矿井、锅炉、水温检测等等，诸多方面都需要进行温度、湿度、瓦斯、光照方面的检测。而且这些方面有时候要求特别严格，不容有误。比如矿井里的瓦斯检测。所以，综合很多方面，在此设计了一种基于SPCE061A具有语音功能的湿度测控系统，用于对湿度进行检测，语音报警，让检测系统更加安全和方便。此系统还能进行扩展，比如：扩展成多点湿度实时监测；变换检测模块进行其他诸如瓦斯、二氧化碳、光线的检测。总是次系统可以扩展的空间很大，用途很广。一、总体设计和实现的功能1.1 系统参数本方案系统的主要参数：工作温度：070；工作湿度：0100%RH；测量范围：1%99%RH；精度：±5RH%。1.2 功能简介本方案预期实现的功能如下：按键控制启动湿度测量；语音播放测量湿度值；湿度判断，并有温馨提示语，当湿度太高时，播放“潮湿，请打开除湿机”，湿度太低时，播放“太干，请打开加湿器”。二、系统硬件设计对于湿度测量仪，除了具有一个控制器控制测量外，还需要测量器。本系统中采用SPCE061A作为控制器，电容式湿度传感器HS1101作为测量器，利用一个按键来启动湿度测量和语音播放。由于电容不能直接和SPCE061A的I/O口连接进行测量，所以需要一个电路模块，与SPCE061A的Feedback接口IOB2、IOB4，IOB3、IOB5连接，实现从电容到频率的转换，系统的结构框图如图 2.1。图2.1系统结构框图SPCE061A单片机作为主控芯片，根据读到的键值判断是否启动测量，测量时负责读取Feedback电路的工作频率，根据频率计算HS1101的电容和它所在环境的湿度，并把湿度通过喇叭播放出来。同时如果湿度值太高或者太低，系统会播放提示。2.1 SPCE061A芯片特点2.1.1 SPCE061A简介SPCE061A是凌阳科技研发生产的性价比很高的一款十六位单片机，该芯片拥有8路10位精度的ADC，两路10精度的DAC，只需要外接功放（SPY0030A）即可完成语音的播放。另外凌阳十六位单片机具有易学易用的效率较高的一套指令系统和集成开发环境。在此环境中，支持标准C语言，可以实现C语言与凌阳汇编语言的互相调用为软件开发提供了方便的条件。SPCE061A片内还集成了一个ICE（在线仿真电路）接口，使得对该芯片的编程、仿真都变得非常方便，而ICE接口不占用芯片上的硬件资源，结合凌阳科技提供的集成开发环境（unSP IDE）我们可以利用它对芯片进行真实的仿真；而程序的下载（烧写）也是通过该接口进行下载。下图为SPCE061A单片机的内部结构框图：图 2.2 SPCE061A内部结构图2.1.2 芯片特性16位nSP微处理器核心，能完成16为算术逻辑运算、16*16为硬件乘法运算和DSP的内积滤波运算；CPU工作电压VDD为3.03.6V(CPU)，IO口工作电压VDDH为3.05.5V(I/O)；CPU的工作时钟频率为0.32MHz49.152MHz；内置2K字的静态内存（SRAM）；内置32K字的闪存（FLASH）；可编程音频处理；晶体振荡器；省电模式：系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为2A（3.6V）；2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；2个10位DAC(数-模转换)输出通道；32位通用可编程输入/输出端口；14个中断源：包括2个定时器及时器，2个外部时钟源输入和按键唤醒；具备触键唤醒的功能；使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；32768Hz实时时钟；7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；具备串行设备接口；低电压复位(LVR)功和低电压监测(LVD)功能；内置在线仿真(ICE，In- Circuit Emulator)接口。2.2 SPCE061A精简开发板SPCE061A精简开发板（简称61板），是以凌阳16位单片机SPCE061A为核心的精简开发仿真实验板，是凌阳专为大学生、电子爱好者等进行电子实习、课程设计、毕业设计、电子制作及电子竞赛所设计的，也可作为单片机项目初期研发使用。61板除了具备单片机最小系统电路外，还包括有电源电路、音频电路（含MIC输入部分和DAC音频输出部分）、复位电路等，采用电池供电，方便学生随身携带!使学生在掌握软件的同时，熟悉单片机硬件的设计制作，锻炼学生的动手能力，也为单片机学习者和开发者创造了一个良好的学习条件和开发新产品的机会！61板上有调试器接口（Probe接口）以及下载线（EZ_Probe）接口，分别可接凌阳科技的在线调试器、简易下载线，配合unSP IDE，可方便地在板上实现程序的下载、在线仿真调试。下图为61板的实物图：图2.3 61板实物图2.3 湿度传感器HS11012.3.1 湿度测量简介1、湿度定义在计量法中规定，湿度定义为"物象状态的量"。日常生活中所指的湿度为相对湿度，用RH%表示。总言之，即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压)的百分比。2、电子式湿度传感器的特点电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起来的。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到2一3RH。精度下降，湿度传感器年漂移量一般都在±2%左右，甚至更高。一般情况下，生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年，到期需重新标定。电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命都不是很好。湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。电子式湿度传感器主要有电容式和电阻式两种:电容式湿敏元件的优点在于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定，国外有些产品还具备高温工作性能。但是达到上述性能的产品多为国外名牌，价格都较昂贵。市场上出售的一些电容式湿敏元件低价产品，往往达不到上述水平，线性度、一致性和重复性都不甚理想，30%RH以下，80%RH以上感湿段变形严重。有些产品采用单片机补偿修正，使湿度出现"阶跃"性的跳跃，使精度降低，出现一致性差、线性差的缺点。无论高档次或低档次的电容式湿敏元件，长期稳定性都不理想，多数长期使用漂移严重，湿敏电容容值变化为pF级，1%RH的变化不足0.5pF，容值的漂移改变往往引起几十%RH的误差，大多数电容式湿敏元件不具备40以上温度下工作的性能，往往失效和损坏。本系统中我们使用电容式湿度传感器HS1101，这颗传感器比较常见，适用于一些对精度要求不高的场合。2.3.2  HS1101简介1、基本参数如图 2.4。如果没有特别标注，默认下图的测量温度T=25，测量时HS1101工作频率为10KHz。图2.4 HS1101参数图2、特性曲线如图 2.5。测量温度T=25，测量时HS1101工作频率为10KHz。图2.5 HS1101特性曲线2.3.3测量原理HS1100湿度传感器是一种基于电容原理的湿度传感器,相对湿度的变化和电容值呈线性规律。在自动测试系统中,电容值随着空气湿度的变化而变化,因此将电容值的变化转换成电压或频率的变化,才能进行有效地数据采集。用555集成电路组成振荡电路, HS1100湿度传感器充当振荡电容,从而完成湿度到频率的转换,电路图如图2.6所示。图2.6 测量电路图2.3.4测量方法HS1101湿敏传感器是采用侧面开放式封装,只有2个引脚,有线性电压输出和线性频率输出2种电路。在使用时,将2 脚接地,这里选用频率输出电路。该传感器采用电容构成材料,不允许直流方式供电,所以我们使用555定时器电路组成单稳态电路。具体电路分析如下。电源电压工作范围是+3.5+12V。利用一片CMOS定时器TLC555 , 配上HS1101 和电阻R2 、R4构成单稳态电路,将相对湿度值变化转换成频率信号输出。输出频率范围是73516033Hz,所对应的相对湿度为0100%。当RH=55%时,f=6660Hz。输出的频率信号可送至数字频率计或控制系统,经整理后送显示。R3为输出端的限流电阻,起保护作用。通电后,电源沿着U ccR4R2C对HS1101 充电,经过t1 时间后湿敏电容的压降Uc就被充电到TLC555的高触发电平(Uh = 0.67Ucc) ,使内部比较器翻转, OUT端的输出变成低电平。然后C开始放电, 放电回路为CR2D内部放电管地。经过t2 时间后,Uc降到低触发电平(Ul =0.33Ucc) ,内部比较器再次翻转,使OUT端的输出变成高电平。这样周而复始的进行充、放电,形成了振荡。充电、放电时间计算公式分别为:t1 =C(R2+R4)ln2; t2 =CR2ln2输出波形的频率(f)和占空比(D)的计算公式如下:f =1/T=1/(t1+t2) =1/C(2R2+R4)ln2D =t1/T=t1/(t1+t2) =R2+R4/(2R2+R4)通常取R4<R2使D50%,输出接近于方波。例如,取入R2 =567k,R4 =49.9k。湿度传感器只是保证传感探头的精度,在实际使用中,综合精度除了与湿度传感器本身元件有关,还与外围电路的器件选择相关。为了与HS1101温度系数相匹配,R1数值应取为1%精度,且最大温漂不超过100×10-6(表示10- 6当温度变化1,所对应的电阻相对变化量)。为了保证达到6660Hz/55% ,R2与555电路选取参照表1。表1器件参数选择表当RH = 55%、TA = + 25时,典型输出方波频率与相对湿度的数据对照见表2。表2输出频率与相对湿度数据对照见表2.4硬件电路2.4.1 SPCE061A最小系统本方案使用SPCE061A精简开发板（61板）作为单片机最小系统。61板包括SPCE061A芯片及其外围的基本模块，外围模块包括：晶振输入模块（OSC）、锁相环外围电路（PLL）、复位电路（RESET）、指示灯（LED）等，如下图所示。图 2.6   SPCE061A最小系统2.4.2电源模块SPCE061A的内核供电为3.3V，而I/O端口可接3.3V也可以接5V，所以在电源模块（61板上）中有一个端口电平选择跳线，如图中的J5，下图为61板上的电源模块图。图2.7 电源模块61板上的主要功能模块如下：SPCE061A单片机最小系统外围电路模块；电源输入模块；音频电路（包含MIC输入、DAC音频功放输出）模块；I/O端口接口模块；调试、下载接口模块；2.4.3  电容式湿度传感器HS1101电路模块由于湿度传感器HS1101是电容式的，所以要想办法测量得到它的电容，利用单片机没有办法直接读到，但是利用SPCE061A的Feedback功能可以测得HS1101所在RC电路的工作频率，这样就可以计算得到它的电容。为了减小误差，利用一个固定电容和一个电阻构成另一个Feedback电路，作为湿度传感器HS1101的基准。如图 2.8：根据图 2.4中的参数，为了使湿度传感器HS1101的工作频率尽量接近10KHz，选择一个620K的电阻和HS1101形成Feedback1；390pF的电容作为基准，和另外一个620K电阻形成Feedback2。图 2.8  电容式湿度传感器电路模块电路2.4.4  按键电路本系统直接使用SPCE061A精简开发板上的按键，61板上按键电路如图2.9。图 2.9  61板按键电路三、系统软件设计本方案的软件系统包括下面模块：按键扫描：扫描按键，判断是否有键按下，在Key.c文件中实现；湿度测量：端口初始化，测量湿度并返回湿度值，在Hum_Measure.c文件中实现；语音播放任意数字：播放任意的整数，本系统中用来播放湿度值，在PlayVoice.c文件中实现；中断服务：语音播放中断服务程序和IRQ2中断读计数值程序，在isr.asm文件中定义。 3.1主程序主程序流程如图3.1：调用按键扫描程序读取键值，如果是KEY1键按下则启动测量，调用湿度测量函数测量湿度，并根据测量结果进行相应播放；如果不是KEY1键按下，返回继续扫描按键。注意：在每次测量前都会关断快速中断FIQ，这是因为在测量过程中用到了定时/计数器TimerA，而在语音播放时打开了FIQ中断，所以在测量前需先关闭，以免在测量过程中CPU一直相应FIQ中断，造成不必要的麻烦。图 3.1 主程序流程图程序见附录3.2 按键扫描模块本系统中只用到了一个按键-61板上的KEY1键，这个键和IOA0连接。按键扫描程序流程如图 3.2所示。利用延时去抖的方法，先取一次端口数据，延时一段时间，一般延时几十ms即可，再取一次端口数据，如果二者相同，说明取到了正确的键值。图3.2 按键扫描程序流程图程序见附录3.3 湿度测量程序流程图湿度测量程序流程如图3.3，为了减少误差，确保测量的正确性，测量四次，去掉一个最高值和一个最低值，如果中间两个数相差不大于10，则中间两个数的平均值就是测量的最终数据，程序中这个数据为TimerA的计数值。由于用Feedback功能测量传感器的电容，如图 2.8。事实上利用Feedback功能直接能测到传感器工作的频率，根据这个频率来才能计算传感器的电容值。测量传感器工作频率的方法：利用TimeB作为定时器，TimeA作为计数器；根据TimeB定时时间内TimeA计数的个数来测得传感器的工作频率。图3.3 湿度测量程序流程图程序见附录3.4 语音播放任意整数数据程序语音播放任意三位整数程序流程如图 3.4。这个程序可以定义形式参数来传递任意三位数。先计算这个数据的百、十、个位，再分别进行播放，播放的流程如下：图3.4 语音播放任意三位数流程图程序见附录3.5 中断服务程序流程图FIQ的中断服务程序如图3.5。FIQ中断服务程序主要功能是调用F_FIQ_Service_SACM_S480函数解码并输出。IRQ2中断服务程序如图3.6。IRQ2中断服务程序有两个功能：一是保存TimerA的计数值；二是为了配合湿度测量函数，设置定时时间溢出标志，如果进入这个中断服务程序，说明定时溢出。图3.5 FIQ中断服务程序流程图图3.6 IRQ2中断服务程序流程图程序见附录结束语本文提出基于SPCE061A单片机语音识别系统的设计方案，并完成了其硬件和软件的设计。设计中，以语音语言学和数字信号处理为基础，涉及多学科领域。语音处理技术是系统设计的基础和关键所在。重点阐述语音信号产生的数学模型、特征参数的提取方法以及语音识别的算法等。软件设计主要是依据语音处理技术理论选择适合识别系统的语音处理方法，采用结构化的程序设计语言汇编语言和C语言，编写提取语音特征参数并进行识别的程序。硬件电路设计，以SPCE061A单片机为核心进行了语音播报、湿度测量的设计。本系统通过语音命令控制实现LED亮灭，采用SPCE061A单片机的语音压缩技术，本系统是一个高度集成的语音识别片上系统。湿度测量本身比温度测量复杂的多，主要是由于湿度受温度、大气压的影响。对于电容式湿度传感器来说，更是难上加难，因为测量电容本身也是一个非常复杂的过程。SPCE061A的Feedback功能给这种测量提供了很大的方便，利用固定电阻和电容式湿度传感器形成RC振荡电路，接在Feedback的输入和输出端，这样通过测量频率，很容易就能得到电容式湿度传感器的电容，根据标定值就可以得到测量湿度。但是因为本身条件的限制，没能在具体的硬件上进行实际的操作。因此，本方案也只是一个理论上的研究，最终的结果可能会出现一定的差错。 参考文献1罗亚非.凌阳16位单片机应用基础M.北京:北京航空航天大学出版社,2003.2李晓白.凌阳16位单片机C语言开发M.北京:北京航空航天大学出版社,2006.3薛钧义,张彦斌,虞鹤松等. 凌阳十六位单片机原理及应用M.北京:北京航空航天大学出社,2003.4何立民.单片机应用技术选编M.北京: 北京航空航天大学出版社,2004.5谢自美.单片机C语言应用程序设计M.北京：北京航空航天大学出版社,2006.6沙占友.智能化集成温度传感器原理与应用M.北京:机械工业出版社,2002.7黄淼云, 张学忠, 王福成. 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