基于51单片机的实验室水浴锅自动加水系统设计与实现

　　摘要

　　在化学学科及其他学科的实验中，水浴锅是一-种常用的制作材料的设备。水浴锅主要用于实验室中蒸馏，干燥，浓缩，及温渍化学药品或生物制品，也可用于恒温加热和其它温度试验，是生物、遗传、病毒、水产、环保、医药、卫生、化验室、分析室、教育科研的必备工具。可以说，在全世界范围内的所有高校以及研究所的每一个实验室，都存在水浴锅，并且使用频率较高。

　　然而，水浴锅的安全问题是一个比较重要的问题。使用水浴锅时必须加入去离子水，以防止水浴锅内产生水垢。加水不可以加太多以防止水量溢出。工作完毕之后要将温控旋钮旋转到最小值处。其中，最为关键的一条就是要防止水浴锅干烧。由于水浴锅的温度通常比较高(60°C-80°C)， 水蒸发的非常快，当水浴的时间较长时，水浴锅的水很容易就下降到加热丝以下，此时会导致加热丝裸露在空气中，造成干烧，容易使水浴锅损坏，情况严重的甚至会引起火灾。

　　本文基于对水浴锅寿命的延长以及实验室安全考虑,制作了一个水浴锅自动加水系统以及基于Android系统的手机APP。本文基于51单片机为GPU，通过蓝牙串口模块与手机通信，将实时水位信息传到手机APP中。通过测距系统测量水浴锅中的水位信息，当水位较低时，通过51单片机控制水泵的开关，将水箱中的水加入到水浴锅中，保证水浴锅的寿命以及实验室的安全。

　　关键词:51单片机，蓝牙通信，APP， Android， 实验室安全，水浴锅

　　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.

　　目录

　　第1章 绪论

　　1.1引言

　　水浴锅的最广泛的用途是用来进行一些需要水浴的实验，例如蒸馏，浓缩，干燥，溶胶凝胶或者液相合成等，也常常用于其他需要在特定温度下进行的实验。水浴锅是生物领域、化学领域、材料领域、环境领域、医药领域、卫生领域中化验室、分析室或实验室中教育、工作、科研的必备工具。同时，在一些工业领域例如食品化工、航空航天等方面也有广泛应用[1]。

　　水浴锅主要用于恒温水浴，恒温水浴是许多材料制备过程中必不可少的一个步骤，其具有稳定性好，均匀等一系列优点。随着近些年来科技水平的发展，水浴锅与芯片结合的例子越来越多，而本文将从安全角度出发进行自动加水水浴锅研究。

　　1.2相关技术的国内外发展现状和前景

　　随着近年来的科技发展，人们对水浴锅的要求也越来越高。普通的恒温水浴锅的原理是利用机械触点来控制温度的变化。但是这种水浴锅的缺点也很明显：温度精度欠佳、温度稳定性不好、温度的控制系统存在着很大的延迟时间等等。近年来，人们对水浴锅的研究主要有两个方面：提高温度传感器的精度和采用新的数学模型和算法改良温度控制器。例如基于模糊PID控制的恒温水浴锅[2]、基于STM32的高精度水浴锅[3]、基于MSP430的模糊水浴锅控制系统[4]等等。

　　本文对水浴锅的研究出于一个新的方面：实验室安全。众所周知，实验安全是所有研究人员的起点，是贯穿整个研究过程中最重要的一环。实验室安全事故主要有七个方面：由于忘记关电源或者温度过高操作不当而引起的火灾事故、由于违反操作规范和设备老化而引起的爆炸事故、由于不当处理而引起的生物安全事故、未经废弃处理而引起的毒害事故、设备损坏事故、机电伤人事故以及设备或技术被盗事故。而水浴锅作为实验室最常见并且常用的设备，主要会引起火灾事故和爆炸事故。为确保科研工作者的生命安全、为保证实验室的财产安全、为了提供一个更加美好的科研环境，水浴锅的安全就必须引起所有科研工作者的重视。

　　1.3研究目的及意义

　　大部分的水浴锅由一个环形的加热丝作为加热源，在使用过程中水位必须要没过加热丝以确保安全。如果水位低于加热丝仍然在工作的话，可能会导致加热丝开裂，容易造成火灾或者漏电造成危险。

　　图1.1水浴锅加热丝

　　本文从实验室安全为目的，来设计一种防止干烧的水浴锅。在传统水浴锅的基础上，加入一套自动加水系统，通过距离传感器测量液面高度，当液面低于加热丝时，通过距离传感器将信息传回上位机，控制水箱里的水泵像水浴锅中加水。同时通过蓝牙通信模块将液面信息及温度信息传到开发的手机APP中，达到实时监控的效果。这样既可以确保实验安全，又能实时的掌握水浴锅的液面高度及温度信息，从而达到一举两得。

　　1.4本文研究的主要内容

　　本文将通过51单片机和Android平台这两个最常用的平台，对自动加水系统进行开发。51单片机作为这一套系统的上位机，控制着蓝牙通信模块，浸入式水泵的电源开关，距离传感器等模块，从而实现系统的功能。在测距方面，系统同时采用超声波距离传感器以及红外距离传感器，从而得到精确的结果。与此同时，在系统中通过蓝牙通信与 Android 平台向连接，实时掌控水浴锅的工作状态。

　　本文的行文结构如下：

　　第一章：绪论。

　　主要介绍了水浴锅自动加水系统的背景以及发展前景，简要说明了搭建本套系统的意义，并对本套系统的结构进行了简要的介绍。

　　第二章：开发平台简介。

　　介绍了本系统需要使用到的51单片机平台以及Android平台。并且简要地说明了基于Android平台的蓝牙通信的原理。

　　第三章：水浴锅自动加水部分的研究。

　　本章介绍了距离传感器的工作原理，以及两种传感器的优缺点，并且如何将水位信息传回上位机并且控制水泵的开关。

　　第四章：

　　Android蓝牙串口通信的实现。

　　本章主要说明了Android平台蓝牙串口通信的基本原理，通信的连接方法，通过PC端对蓝牙串口通信进行调试。

　　第五章：基于Android系统的APP的开发。

　　具体说明如何在Android开发环境下对APP进行开发，通过蓝牙串口通信将上位机的信息传输到手机APP中，从而实现对水浴锅的实时监控。

　　第六章：总结与展望。

　　对本文的全部工作进行了总结，并且说明本套系统的优缺点，结合实际实验中的使用，提出对本套系统完善的方向。

　　第2章 开发平台简介

　　在本系统中所用到的开发平台一共有两个：一个是作为感应系统和执行系统的MCU上位机平台，一个是用于监控系统的Android平台，接下来我们分别介绍这两个平台。

　　2.1单片机简介

　　单片机，全称单片微型计算机（single-chip microcomputer），又称微控制器，是把中央处理器、存储器、定时器、计数器、输入和输出接口（IO口）全部集成制作在一块比较小的集成电路上的微型计算机系统。相比于在个人电脑中广泛应用的处理器（CPU）相比，单片机的优势和特点是自供应和节约成本。他与传统的处理器相比的最大优点和不可替代性是体积比较小，可以嵌入在系统内部构成体积比较小的嵌入式系统。但单片机由于体积比较小就导致了它的储存容量也比较小，输入输出接口（IO口）相比于CPU较少且功能简单。但是由于近几年来电子产业的高速发展，单片机在物联网、人工智能、大数据、智能家居和嵌入式等领域的应用越来愈多，对单片机的传统的定义已经不适合于当今的环境，所以单片机或其他类似芯片在一些场合被称为微控制器。由于单片机芯片常常被作为系统中的控制器，所以讲其称之为single chip microcontroller。英文常常缩写为MCU。

　　目前大多数使用的单片机都是基于冯·诺依曼结构而设计的，冯·诺依曼结构详细地表明了一个嵌入式系统一定要包含的四个组成部分：核心中央处理器，程序储存器（ROM和RAM,有一些有flash）、数据存储器（随机存储器）、一个或多个的计数器和定时器（看门狗，滴答定时器等），还有一些没有被利用的输入输出口（IO口），他们的作用是用来连接一些扩展的设备以及外部资源并且与其进行通信，以上所提到的所有的这些组成部分都被集成制造在以个晓得集成电路芯片上。单片机之所以和我们通常情况下使用的中央处理器（CPU）不同，是因为单片机系统可以非常轻松地配合体积很小的外部设备或者扩展支持芯片，而完成正常情况下需要计算机才能完成的工作。在这种条件下，单片机能够非常轻松地嵌入到控制系统的内部中来。近年来为了实现在数据和指令上不同字宽的使用和处理器流水线速度的提高，哈佛结构在微控制器和数字信号处理等领域的应用也越来越多[5]。

　　然而传统意义上我们使用的微处理器是无法实现这样的功能的。一片单片机要完成工作，就必须要和一些外部资源和扩展芯片相连。例如说，单片机的芯片上不存在数据存储器，就一定要额外加入一定的随机存取存储器（RAM），虽然说我们额外加入的存储芯片的大小有很多种可以随意选择，但添加一些额外的芯片或者模块对于系统的小型化和提高系统速度都是一个较大的障碍。除此之外，我们要实现一个嵌入式系统的全部功能，就必须还要用一些线将芯片和外接设备或者模块之间相互连接起来从而完成相互之间的信息或者数据的传递。与传统的微处理器的工作方式相比而言，单片机完成系统任务的工作状态则显得相对独立，一个经典的单片机构成的系统仅仅需要一个定时器和很少的随机储存器（RAM）和只读内存（ROM），亦或是EPROM和E2PROM即能够在软件配置和晶振下完成工作。如此同时，单片机还拥有更多的输入输出设备，例如模拟数字转换器（DSP）、定时器（TIM）、串口，以及其他串行通讯接口，比如I2C通讯协议，串行通信（SPI），局域网控制（CAN）等。通常来说，我们可以经由软件代码来控制这些集成在单片机芯片内部的输入输出设备。

　　单片机系统无法完成与外部地址或数据总线之间的通信，因为它们将随机储存器、EPROM和E2PROM全都集成在一块中央处理器所处的芯片上。如果一块单片机拥有很少的引脚，那么就可以使用体积比较小，价格比较便宜的封装。如果我们将单片机的ROM、RAM和其他外接设备全部都集成在同一块芯片上并将他们看成是一个整体来完成一个系统的工作时，由于这要求着更高的制造工艺，从而使这块芯片的成本变得很高，进而会导致由这一块单片机组成的嵌入式系统的成本变得很高。但是由于在这个过程中提高了整个嵌入式系统的工作效率，将一些外设集成在一块芯片中向着系统小型化发展，这即降低了整套系统的成本，又符合未来嵌入式系统发展趋势。整个系统都集成在一块芯片中，也允许更小和更便宜的电路板在系统中的使用，并且减少了组装和测试电路板所需的劳动力成本，此外还倾向于降低成品组件的缺陷率。

　　微控制器是单个集成电路，通常具有以下特征[6]：

　　· 中央处理单元-从小型和简单的4位处理器到复杂的32位或64位处理器

　　· 用于数据存储的易失性存储器（RAM）

　　· ROM，EPROM，EEPROM或闪存，用于存储程序和操作参数

　　· 离散输入和输出位，允许控制或检测单个封装引脚的逻辑状态

　　· 串行输入/输出，如串行端口（UART）

　　· 其他串行通信 接口，如I2C，串行外设接口和控制器区域网络，用于系统互连

　　· 定时器，事件计数器，PWM发生器和看门狗等外设

　　· 时钟发生器-通常是石英定时晶体，谐振器或RC电路的振荡器

　　· 许多包括模数转换器，其中一些包括数模转换器

　　· 在线编程和在线调试支持

　　这种将单片机和一些外设全部集成在一块芯片上的做法减少了使用单独芯片生产等效系统所需的芯片数量和布线数量以及电路板空间。此外，特别是在低引脚数器件上，每个引脚可以连接到多个内部外设，其中引脚功能由软件选择。这使得器件可以用于更广泛的应用，而不是引脚具有专用功能。

　　自从上世纪世纪70年代推出以来，微控制器在嵌入式系统中的应用越来越广泛。随着微控制器的不断发展，有一些微控制器不再使用冯诺依曼结构而开始使用哈佛架构：用于指令和数据的独立存储器总线，可以同时对其进行读取或者写入。在使用哈佛架构的情况下，处理器的指令的字节可能会与内部存储器和寄存器的字节长度不同。微控制器的制造商经常会根据客户的上市时间要求和整体较低的系统成本来交换工作频率和系统设计灵活性。芯片供应商们必须在芯片尺寸小型化与功能复杂化的需求中找到一个平衡点使二者都能满足现阶段用户的需求。

　　不同微控制器之间结构构区别很大。一般来讲，微处理器全都包括通用微处理器内核，在封装上集成了一个或多个ROM，RAM或I/O功能。一些微控制器会为了一些特定的功能而设计一些特定的结构。微控制器指令集通常具有许多用于位操作（逐位操作）的指令，从而使一些指令的精度得以提高。例如，通用处理器通过执行一些指令，以测试在寄存器和分支比特。如果该位被设置，其中，微控制器可以具有一个单一的指令，以提供通常所需的功能。

　　目前市面上有数十种微控制器架构和供应商，包括[7]：

　　·ARM核心处理器（许多供应商）

　　·ARM Cortex-M内核专门针对微控制器应用

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

　　·赛普拉斯半导体的PS8内核用于PSo C（可编程片上系统）

　　·飞思卡尔Cold Fire（32位）和S08（8位）

　　·飞思卡尔68HC11（8位）和其他基于Motorola 6800系列的产品

　　·英特尔8051，也是由恩智浦半导体，英飞凌和其他许多公司制造的

　　·英飞凌：8位XC800，16位XE166，32位XMC4000（基于皮质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）

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

　　·瑞萨电子：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（汽车32位）

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

　　·东芝TLCS-870（8位/ 16位）

　　目前比较常用芯片的是51单片机、STM32、ARM、FPGA和arduino。几种芯片各有优缺点[8]。

　　首先51是历史最悠久的芯片(指8051)，也是最为经典的一种芯片。在列出的这几种里面速度慢，内存小(排除有些厂家出的特殊的型号)。常见的厂家有STC的，Atmel的正统89C51系列。国产的st89，10，11，12，以及最新15。还有c8051系列，以及高速usb接口的芯片，以及有很多无线收发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复杂度。

　　Arduino严格意义上并不是一个芯片，而是一个开发平台，Arduino早期的核心是基于AVR单片机的。Arduino的特点是简单易懂，硬件搭设方便，基本不需要人为绘制电路板，只需要将模型中的各个模块通过导线连接。代码方面大部分都是通俗易懂的，基本不涉及到寄存器级。总得来说就是开发快。小量定制化还是划算。但是当需要批量生产的时候弊端就显示出来了：成本高，简单高度抽象化带来就是效率底下以及资源开销大，模块数量上去后系统不足以支撑正常工作。

　　说stm32之前要必须要说arm。arm分多个版本，一种是具有mmu内存管理的，一般需要外接RAM，flash才能工作，即平时所说的手机处理器arm信息，以及路由器的处理器，以及服务器的处理器，都是带mmu内存管理的。特点是可以在芯片中刷入系统并且成功运行。另一种是不带mmu的嵌入式，和8051一样带RAM，flash。现在划分了m0 m3 m4 m7等用在嵌入式，以及m0+升级版和其他特殊版本。总而言之arm可以看做是8051的升级版，但是在功耗上要远远高于8051。stm32是st意法半导体公司向arm公司购买了核心(嵌入式)版权，加上自己的外设生产的一个系列的芯片。功能强大速度快外设多。但是寄存器复杂度等和8051就不能比了。所以官方也出了库，现在还出了专门的代码生成软件cube来简化操作。

　　FPGA是近几年特别热门的一种芯片。前面说的几种都是单片机，做运算都是一步步来的，逻辑上是串联的。FPGA是并行的，单片机一次同一时间只能做一次运算，FPGA在资源足够的情况下，可以同时进行很多组运算。所以一般用在速度要求高的地方，比如视频压缩，高速网络设备等。

　　综合考虑功耗和实用性等方面，本文决定使用51单片机作为本系统的控制芯片。

图 3.4 开关驱动模块POBICO


图 3.5 系统加水部分工作流程图


表 4.1 HC-05 各个引脚的接线方法


图 3.2 HC-SR04 型超声波距离传感器


图 3.3


图 3.1


图 4.3


图5.1


图5.2



图 2.2 51 单片机最小系统晶振电路




图 2.1 51 单片机引脚示意图


图 4.1
 

　　2.2 51单片机的开发环境

　　2.3 ANDROID平台简介

　　2.4 本章小结

　　第3章 水浴锅自动加水部分的研究

　　3.1 距离传感器的原理

　　3.2 距离传感器的结构

　　3.3 51单片机控制水泵开关原理及结构

　　3.4 本章小结

　　第4章 ANDROID蓝牙串口通信的实现

　　4.1 ANDROID蓝牙通信

　　4.2 蓝牙串口通信的基本原理

　　4.3 蓝牙通信连接的实现过程

　　4.4 本章小结

　　第5章 基于ANDROID系统的APP开发

　　5.1 基于ANDROID系统APP开发的基本原理

　　5.2 ANDROID系统APP开发工具

　　5.2.1 Ecipse

　　5.2.2 Android Studio

　　5.3 基于ANDROID平台APP的开发的实现

　　5.3.1 APP手机显示部分

　　5.3.2 APP蓝牙串口通信部分

　　5.4 本章小结

　　第6章 总结与展望

　　6.1总结

　　在现今的实验环境中，实验室安全是每一个科研工作者必须注意的事情。每年由于实验室的危险事故的发生而带来的经济损失都不得忽视。因此，本文设计了一套检测水位病具有自动加水功能并且可以将水位数据实时传到手机中的系统。系统选择 51 单片机作为上位机，检测距离传感器传输过来的信号并且控制水泵的开关，接入的蓝牙模块选择基于 Android 平台的手机 APP 进行开发。本文完成的主要工作如下：

　　1.分析了实验室安全的重要性以及近些年来水浴锅的基本研究方向，提出了从实验室安全角度出发来设计的一套水浴锅系统。

　　2.分析了 51 单片机和 Android 系统的特点，并且比较了 51 单片机与其他MCU 例如 STM32，FPGA 等芯片的区别。

　　3.介绍了超声波距离传感器的工作原理、特点以及性能，制定了使用超声波距离传感器的具体方案。

　　4.在对基于 Android 平台的蓝牙串口通信模块的介绍之上，设计了通过蓝牙串口连接的 MCU 与手机之间的通信桥梁。

　　5.基于 Android 平台开发一款手机软件，可以实时收到水浴锅中水位的信息，进一步保障实验安全。

　　6.2展望

　　本文设计的系统可以实现检测水浴锅中水位，控制水泵进行加水，将水位信息实时地传输到手机软件中。但是，本系统中仍然存在着一些不足：

　　1.蓝牙通信只支持点对点的数据传输，如果建立一个大型的水浴锅水位控制系统，可以考虑使用 WIFI 通信或者 Zig Bee 通信。

　　2.超声波距离传感器存在着一定的误差，特别是容易受温度影响较大。考虑的改进方案主要有两个：一种是改进传感测距的方案，另一种是建立一个可以根据温度修正距离的算法。

　　3.本系统为外置系统，可以考虑将本套系统集成到水浴锅中，这样既节省了水浴锅的占地面积又提高了系统的稳定性和美观性。

　　参考文献
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　　[3]金龙，孙绍晟，李瑞.基于STM32的高精度水浴锅、恒温箱的恒温控制器设计 民营科技，2011年第10期。
　　[4]陈国童.基于MSP430的恒温水浴锅模糊控制系统[J]宁德师专学报（自然科学版）Vol.21 No.2 May 2009[5]李斌，闫新庆，胡家香.基于哈佛结构和群集智能的集装箱码头物流系统建模优化[J]江苏科技大学学报（自然科学版），2011年03期。
　　[6]张鹏儒.基于STM32微控制器智能军营环境参数检测系统[D]西安电子科技大学硕士学位论文，2015.
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　　[8] https://www.zhihu.com/question/38037776
　　[9] https://blog.csdn.net/songze_lee/article/details/42116029
　　[10]丁小妮.基于Arduino & Android小车的仓储搬运研究[D].长安大学, 2015
　　[11]罗敏.Android手机光线与距离传感器系统设计与实现[D]电子科技大学硕士论文，2016年。
　　[12]高峰，郑源明.超声波传感器测量声速和距离实验的研究[J]传感器与微系统，2009年第28卷第11期。
　　[13]康兰兰，郭兴，王蓉等.渡越时间方法测量系统研究[A]液晶与现实，Vol.28,No.5,Oct,2013
　　[14] HC-SR04型超声波距离传感器产品手册
　　[15]罗富财.基于Android平台的蓝牙通信系统的研究与实现[D]华北电力大学硕士论文，2012.
　　[16]陈志崇，张祺.基于Android的蓝牙通信接口[J]电子世界2013年06期
　　[17] HC-05蓝牙串口通信模块用户手册
　　[18]于洋.基于Arduino的自动避障及通信控制智能小车系统的研究与设[D]吉林大学硕士论文,2017.
　　[19]徐星星.基于Android平台的智能停车管理与服务系统的设计和实现[D]华中师范大学硕士论文，2015年5月.
　　[20]王家林．Android商业软件开发全程实践[J]电子工业出版社，2012年
　　[21]高云桐.基于Android平台的高校师生交互系统的设计与实现[D]安徽理工大学硕士论文2017年6月。
　　[22] https://www.zhihu.com/question/266582803
 

　　致 谢

　　本人的毕业设计能够比较顺利地完成，首先要对我的老师表示崇高的感谢。老师从开始选择拟题的问题上，就针对我的专业方向以及兴趣特长给予我一个明确的方向和特殊的指导。在我完成毕业设计的每一个环节，我的老师都始终对我孜孜不倦的教导。不仅教会了我许多理论知识，还在我遇到困难的时候鼓励我不要轻易放弃。同样的，我还要感谢一起在实验室工作学习生活的小伙伴们。谢谢你们，让我在学习之余的生活过的十分的快乐和充实。硕士研究生的学习过程马上就要结束了，老师们给了我许许多多的指导和帮助，不仅在学术上值得我们学习，在做人方面也是我的楷模和榜样。

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