交通灯控制电路设计

长 沙 学 院

电子技术

课程设计说明书

题系

(

目 )

交通灯控制电路设计 电子信息与电气工程系 电气工程及其自动化

龙欣 张海涛 5.30--6.3

专业(班级) 姓学指起

名 号

导止

教日

师 期

电子技术课程设计任务书(27)

系(部):电子信息与电气工程系 专业:电气工程及其自动化 指导教师:张海涛

长沙学院课程设计鉴定表

目录

1.设计内容和要求 ............................................................................................................................................... 5

1.1设计目的 ............................................................................................................................................... 5 1.2设计内容 ............................................................................................................................................... 5 1.3设计要求 ............................................................................................................................................... 5 2. 设计方案 ........................................................................................................................................................ 5

2.1设计原理 ............................................................................................................................................... 5 2.2设计方案 ............................................................................................................................................... 6 2.3基本元器件的选择选择和电路组成 ................................................................................................... 7

2.3.1基本元器件的选择 ................................................................................................................... 7 2.3.2电路组成 ................................................................................................................................... 9 .................................................................................................................................................................... 11 3.Multisim软件运行仿真 ............................................................................................................................... 11

3.1运行仿真结果 ..................................................................................................................................... 11 3.2干道通行状态表 ................................................................................................................................. 12 3.3运行结果分析 ..................................................................................................................................... 12 参考文献 ............................................................................................................................................................ 14

1.设计内容和要求

1.1设计目的

随着经济的发展,私家车拥有量增加,城市交通压力增大,拥堵日趋严重,设计交通灯控制电路 以缓解交通阻力。交通灯在交通环境中扮演着角色,指挥着十字路口的车辆和行人井然有序的安全通过,缓解拥堵,减少交通事故的发生。本文运用数字电路技术知识自行设计一个小型数字系统。通过系统设计、Multisim软件仿真、电路调试,掌握小型系统的组装和调试技术,掌握查阅有关资料的技能。基本任务是设计一个交通灯控制电路小型模拟电子系统。

1.2设计内容

由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口, 为确保车辆安全、 迅速地通行,在交叉路口的每个入口处设置了红、 绿、黄三色信号灯。红灯亮禁止通行;绿灯亮允许通行;黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠在禁行线外。实现红、绿灯的自动指挥对城市交通管理现代化有着重要的意义。

1.3设计要求

1.掌握交通灯控制电路的设计、组装与调试方法。

2.熟悉数字集成电路的设计和使用方法,能够运用所学知识设计一定规模的电路。 设计任务:

1.用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。

2.当主干道允许通行亮绿灯时,支干道亮红灯,而支干道允许亮绿灯时,主干道亮红灯。 3.主支干道交替允许通行,主干道每次放行30s、支干道20s。设计 30s 和 20s 计时显示电路。 4.在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间,要亮5s 的黄灯作为过渡,以使行驶中的车辆有时间停到禁止线以外,设置5s 计时显示电路。

2.设计方案 2.1设计原理【2】

根据设计要求,允许通行时亮绿灯,主支干道交替允许通行,主干道每次放行30s、支干道20s。在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间,要亮5s 的黄灯作为过渡。

即:主干道绿灯亮30秒后,黄灯亮5秒,在这35秒内,支干道的红灯一直亮着,之后支干道绿灯亮20秒后,黄灯亮5秒,在这25秒内,主干道的红灯一直亮着,并依次循环(如图2.1)

图2.1

2.2设计方案

交通灯控制电路设计主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。

秒脉冲发生器是此系统中定时器和控制器的标准时钟信号源,译码器输出两组信号灯的控制信号,经驱动电路后驱动信号灯工作,控制器是系统的主要部分,由它控制定时器和译码器的工作。

图2.2

TL: 表示主干道或支干道绿灯亮的时间间隔,即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到,TL=1,

否则,TL=0。

TY:表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到,TY=1,否则,TY=0。

ST:表示定时器到了规定的时间后,由控制器发出状态转换信号。 由它控制定时器开始下个工作状态的定时。

2.3基本元器件的选择选择和电路组成 2.3.1基本元器件的选择

(1)信号源 1个(时钟脉冲源) 每隔1秒进行倒计时,T=1/f 选择频率为1Hz的脉冲源。 如图

图2.3.1

(2)芯片:(74LS190)×2片, (74LS163)×1片, (74LS138)×1片, 如图

图2.3.2 74LS190芯片引脚图

图2.3.3 74LS163芯片引脚图

图2.3.4 74LS138 芯片引脚图

3)逻辑门:74LS02D 或非门×2个,74LS08D与门 ×7个, 或门×2个,74LS04D非门×5个, 四输入与非门×1个; 4)倒计时显示器:四引脚共阴极数码管×2个 如图

图2.3.5 四引脚共阴极数码

5)交通灯TRAFFIC_LIGHT_SINGLE ×2个 如图

( 74LS32D 74LS20D

( (

图2.3.6 交通灯TRAFFIC_LIGHT_SINGLE

2.3.2电路组成

1.控制器

由74LS163芯片以及其他的逻辑门构成。74LS163芯片与74LS190芯片连接采集脉冲信号,进行加计数,并输出逻辑电平信号,控制3-8译码器,从而控制红绿灯的亮灭。

74lLS163工作原理:

74lLS163是单时钟同步十六进制计数器,有置零和置数功能,时钟作用在上升沿。因为是同步计数器,当译出置数信号时必须等到时钟信号上升沿到来时才能置数,但上升沿到来时计数器又向高一位计数了。

假设用74LS163芯片构成一个八进制计数器 ,在0111=7时译出置数信号与进位信号C,将置数信号输出端接至置数端,当上升沿到来时计数器本身被置8,但只有极短的存在时间,计数器马上被置数,进位信号变为0,只要将置数输入端D1到D4全部接地,就能将计数器置为0000。

图2.3.7 74LS163芯片真值表

图2.3.8 74LS163芯片功能表

2.定时器

由2片74LS190芯片级联及一个四输入与非门构成。 74LS190工作原理:

可逆计数器74LS190,可以实现加法或减法的计数,通过设定加/减控制信号U/D=1可进行减法计数,由于芯片本身就带有异步的置数端LOAD且为低电平有效,当置入控制端为低电平时,不管时钟CP 的状态如何,输出端(Q0~Q3)即可预置成与数据输入端(D0~D3)相一致的状态。

74LS190 的计数是同步的,靠CP 加在4 个触发器上而实现。当计数控制端(CT )为低电平时,在CP 上升沿作用下Q0~Q3同时变化,从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当计数方式控制(U /D)为低电平时进行加计数,当计数方式控制(U /D)为高电平时进行减计数。只有在CP 为高电平时CT 和U /D 才可以跳变。

由于25秒的倒计时需要用两片的74LS190芯片才能实现,利用 RC 端,可级联成三十进制同步计数器。当采用并行CP控制时,则将RC 接到后一级CT ;当采用并行CT 控制时,则将RC 接到后一级CP。个位芯片的串行时钟输出端CO是低电平有效的,当状态为0时,输出为CO=0,下一个状态变为9时,输出为CO=1,所以有一个上升沿的产生,这正可以作为十位芯片的时钟信号,从而采用串行借位方式来实现倒计时。

图2.3.9 74LS190功能表

3.译码器

74LS138译码器的主要任务是将控制器的输出的4种工作状态,翻译成2个干道上的6个信号灯的工作状态。

3-8译码器工作原理:

译码器可以将输入代码的状态,翻译成相应的输出信号,以高低电平的形式在各自的输出端口送出。译码器有多个输入端和多个输出端,假如输入端的个数为n,输出端的个数最多有2n。

从图5可以看出,3-8译码器有三个输入端A0、A1、A2和八个输出端Y0~Y7,当输入端的编码为000时,译码器输出为Y0=0,Y1~Y7=1。即Y0对应于A0、A1、A2的000状态低电平有效。图中S1、S2、S3为使能控制端,起到控制译码器是否能进行编码的作用,只有S1为高电平,S1、S3为低电平时,才能进行译码,否则不论输入何值,每个输出均为1。

图2.3.10 74LS138芯片功能表

4显示器

由两个共阴极四引脚的数码管组成。

【1】

图2.3.11

3.Multisim软件运行仿真 3.1运行仿真结果【4】

图2.3.12

3.2干道通行状态表

下面用主、支干道车辆通行情况进行描述:

(1)主干道绿灯亮,支干道红灯亮。表示主干道上的车辆允许通行,支干道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔30时,控制器发出状态信号,转到下一工作状态。

(2)主干道黄灯亮,支干道红灯亮。表示主干道上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行,支干道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔5时,控制器发出状态转换信号,转到下一工作状态。

(3)主干道红灯亮,支干道绿灯亮。表示主干道禁止通行,支干道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔20时,控制器发出状态转换信号,转到下一工作状态。

(4)主干道红灯亮,支干道黄灯亮。表示主干道禁止通行,支干道上位过县停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔5时,控制器发出状态转换信号。

(5)系统又转换到第(1)种工作状态,依次循环。

3.3运行结果分析

如图所示:74LS163芯片通过四输入与非门与74LS190芯片连接采集脉冲信号,进行加计数,并输出逻辑电平信号,由3-8译码器Y0、Y1、Y2、Y3端输出,经过非门,并和CP脉冲一起连接到其他逻辑门从而控制绿、黄、红灯。因为74LS163芯片置数端LD与3-8译码器的Y3输出端相连,所以74LS163计数输出000、001、010、011四个状态后便重新置零,循环输出,以控制红绿灯的循环亮灭。 结果分析:

a.74LS163芯片输出逻辑电平信号000, 3-8译码器输出端Y0=0,其他输出端为“1”。Y0输出信号经过非门后变为“1”,之后和上升沿脉冲“1”连接到一个与门,输出信号为“1”,交通灯U13红灯亮;与此同时, Y1输出信号“1,交通灯U12绿灯亮。

B.30秒之后,74LS163芯片输出逻辑电平信号001,3-8译码器输出端Y1=0,其他输出端为“1”。Y0输出信号经过非门变为“1”,再通过与门与1HZ脉冲信号相连接输出至U12,此时交通灯U12黄灯亮,U13依旧红灯亮。

c.黄灯亮后5秒,74LS163芯片输出逻辑电平信号010,3-8译码器输出端Y1=0,其他输出端为“1”。Y1输出信号经过非门变为“1”交通灯U13绿灯亮。

之后,红绿黄灯循环亮灭。

4.设计心得

通过本次课程设计,加强了我动手,思考,解决问题的能力。完成一次课程设计,也是加深一次对课本知识的理解和巩固。平时课间学习时间不能很好的理解各个元件的各个功能,只是纸上谈兵,但在这次课程设计中,我重新了解了很多元件,并且对其的使用有了更多的认识,让我对电子技术认知能力有了一个新的提升。

参考文献

[1] 若只如初见681.用两片74LS190芯片设计一个计数器和倒数器【DB】

http://wenku.baidu.com/link?url=964mdpO3fB76jkaurw3xByRhB0cP6LjVAVXmHVSkCJtV7uRAn9Bqj0RlZ2x3K3y342W1n8AVx20xuBDr0fyJpG2yN7knBYVtVWXJisAnWbG1

[2] 康华光.电子技术基础 数字部分[M].高等教育出版社,2006.1.5

[3]瑞A希礼特. 常见数字组合逻辑电路逻辑图、引脚图和真值[EB/OL].百度文库

[4]yonanong.Multisim 实用基础教程 常见数字组合逻辑电路逻辑图[EB/OL]、 hts7NFeBseWNlrEsfA6zQlCKo5UGCNEWJUuipZAXwlTk7ZP3xi

tp://wenku.baidu.com/link?url=TF-AzSBUjZoN0vCUuSJvkevi82bMBQ96_awdgpB3p72r6g0k96GerH4IThq

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电子技术

课程设计说明书

题系

(

目 )

交通灯控制电路设计 电子信息与电气工程系 电气工程及其自动化

龙欣 张海涛 5.30--6.3

专业(班级) 姓学指起

名 号

导止

教日

师 期

电子技术课程设计任务书(27)

系(部):电子信息与电气工程系 专业:电气工程及其自动化 指导教师:张海涛

长沙学院课程设计鉴定表

目录

1.设计内容和要求 ............................................................................................................................................... 5

1.1设计目的 ............................................................................................................................................... 5 1.2设计内容 ............................................................................................................................................... 5 1.3设计要求 ............................................................................................................................................... 5 2. 设计方案 ........................................................................................................................................................ 5

2.1设计原理 ............................................................................................................................................... 5 2.2设计方案 ............................................................................................................................................... 6 2.3基本元器件的选择选择和电路组成 ................................................................................................... 7

2.3.1基本元器件的选择 ................................................................................................................... 7 2.3.2电路组成 ................................................................................................................................... 9 .................................................................................................................................................................... 11 3.Multisim软件运行仿真 ............................................................................................................................... 11

3.1运行仿真结果 ..................................................................................................................................... 11 3.2干道通行状态表 ................................................................................................................................. 12 3.3运行结果分析 ..................................................................................................................................... 12 参考文献 ............................................................................................................................................................ 14

1.设计内容和要求

1.1设计目的

随着经济的发展,私家车拥有量增加,城市交通压力增大,拥堵日趋严重,设计交通灯控制电路 以缓解交通阻力。交通灯在交通环境中扮演着角色,指挥着十字路口的车辆和行人井然有序的安全通过,缓解拥堵,减少交通事故的发生。本文运用数字电路技术知识自行设计一个小型数字系统。通过系统设计、Multisim软件仿真、电路调试,掌握小型系统的组装和调试技术,掌握查阅有关资料的技能。基本任务是设计一个交通灯控制电路小型模拟电子系统。

1.2设计内容

由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口, 为确保车辆安全、 迅速地通行,在交叉路口的每个入口处设置了红、 绿、黄三色信号灯。红灯亮禁止通行;绿灯亮允许通行;黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠在禁行线外。实现红、绿灯的自动指挥对城市交通管理现代化有着重要的意义。

1.3设计要求

1.掌握交通灯控制电路的设计、组装与调试方法。

2.熟悉数字集成电路的设计和使用方法,能够运用所学知识设计一定规模的电路。 设计任务:

1.用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。

2.当主干道允许通行亮绿灯时,支干道亮红灯,而支干道允许亮绿灯时,主干道亮红灯。 3.主支干道交替允许通行,主干道每次放行30s、支干道20s。设计 30s 和 20s 计时显示电路。 4.在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间,要亮5s 的黄灯作为过渡,以使行驶中的车辆有时间停到禁止线以外,设置5s 计时显示电路。

2.设计方案 2.1设计原理【2】

根据设计要求,允许通行时亮绿灯,主支干道交替允许通行,主干道每次放行30s、支干道20s。在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间,要亮5s 的黄灯作为过渡。

即:主干道绿灯亮30秒后,黄灯亮5秒,在这35秒内,支干道的红灯一直亮着,之后支干道绿灯亮20秒后,黄灯亮5秒,在这25秒内,主干道的红灯一直亮着,并依次循环(如图2.1)

图2.1

2.2设计方案

交通灯控制电路设计主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。

秒脉冲发生器是此系统中定时器和控制器的标准时钟信号源,译码器输出两组信号灯的控制信号,经驱动电路后驱动信号灯工作,控制器是系统的主要部分,由它控制定时器和译码器的工作。

图2.2

TL: 表示主干道或支干道绿灯亮的时间间隔,即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到,TL=1,

否则,TL=0。

TY:表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到,TY=1,否则,TY=0。

ST:表示定时器到了规定的时间后,由控制器发出状态转换信号。 由它控制定时器开始下个工作状态的定时。

2.3基本元器件的选择选择和电路组成 2.3.1基本元器件的选择

(1)信号源 1个(时钟脉冲源) 每隔1秒进行倒计时,T=1/f 选择频率为1Hz的脉冲源。 如图

图2.3.1

(2)芯片:(74LS190)×2片, (74LS163)×1片, (74LS138)×1片, 如图

图2.3.2 74LS190芯片引脚图

图2.3.3 74LS163芯片引脚图

图2.3.4 74LS138 芯片引脚图

3)逻辑门:74LS02D 或非门×2个,74LS08D与门 ×7个, 或门×2个,74LS04D非门×5个, 四输入与非门×1个; 4)倒计时显示器:四引脚共阴极数码管×2个 如图

图2.3.5 四引脚共阴极数码

5)交通灯TRAFFIC_LIGHT_SINGLE ×2个 如图

( 74LS32D 74LS20D

( (

图2.3.6 交通灯TRAFFIC_LIGHT_SINGLE

2.3.2电路组成

1.控制器

由74LS163芯片以及其他的逻辑门构成。74LS163芯片与74LS190芯片连接采集脉冲信号,进行加计数,并输出逻辑电平信号,控制3-8译码器,从而控制红绿灯的亮灭。

74lLS163工作原理:

74lLS163是单时钟同步十六进制计数器,有置零和置数功能,时钟作用在上升沿。因为是同步计数器,当译出置数信号时必须等到时钟信号上升沿到来时才能置数,但上升沿到来时计数器又向高一位计数了。

假设用74LS163芯片构成一个八进制计数器 ,在0111=7时译出置数信号与进位信号C,将置数信号输出端接至置数端,当上升沿到来时计数器本身被置8,但只有极短的存在时间,计数器马上被置数,进位信号变为0,只要将置数输入端D1到D4全部接地,就能将计数器置为0000。

图2.3.7 74LS163芯片真值表

图2.3.8 74LS163芯片功能表

2.定时器

由2片74LS190芯片级联及一个四输入与非门构成。 74LS190工作原理:

可逆计数器74LS190,可以实现加法或减法的计数,通过设定加/减控制信号U/D=1可进行减法计数,由于芯片本身就带有异步的置数端LOAD且为低电平有效,当置入控制端为低电平时,不管时钟CP 的状态如何,输出端(Q0~Q3)即可预置成与数据输入端(D0~D3)相一致的状态。

74LS190 的计数是同步的,靠CP 加在4 个触发器上而实现。当计数控制端(CT )为低电平时,在CP 上升沿作用下Q0~Q3同时变化,从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当计数方式控制(U /D)为低电平时进行加计数,当计数方式控制(U /D)为高电平时进行减计数。只有在CP 为高电平时CT 和U /D 才可以跳变。

由于25秒的倒计时需要用两片的74LS190芯片才能实现,利用 RC 端,可级联成三十进制同步计数器。当采用并行CP控制时,则将RC 接到后一级CT ;当采用并行CT 控制时,则将RC 接到后一级CP。个位芯片的串行时钟输出端CO是低电平有效的,当状态为0时,输出为CO=0,下一个状态变为9时,输出为CO=1,所以有一个上升沿的产生,这正可以作为十位芯片的时钟信号,从而采用串行借位方式来实现倒计时。

图2.3.9 74LS190功能表

3.译码器

74LS138译码器的主要任务是将控制器的输出的4种工作状态,翻译成2个干道上的6个信号灯的工作状态。

3-8译码器工作原理:

译码器可以将输入代码的状态,翻译成相应的输出信号,以高低电平的形式在各自的输出端口送出。译码器有多个输入端和多个输出端,假如输入端的个数为n,输出端的个数最多有2n。

从图5可以看出,3-8译码器有三个输入端A0、A1、A2和八个输出端Y0~Y7,当输入端的编码为000时,译码器输出为Y0=0,Y1~Y7=1。即Y0对应于A0、A1、A2的000状态低电平有效。图中S1、S2、S3为使能控制端,起到控制译码器是否能进行编码的作用,只有S1为高电平,S1、S3为低电平时,才能进行译码,否则不论输入何值,每个输出均为1。

图2.3.10 74LS138芯片功能表

4显示器

由两个共阴极四引脚的数码管组成。

【1】

图2.3.11

3.Multisim软件运行仿真 3.1运行仿真结果【4】

图2.3.12

3.2干道通行状态表

下面用主、支干道车辆通行情况进行描述:

(1)主干道绿灯亮,支干道红灯亮。表示主干道上的车辆允许通行,支干道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔30时,控制器发出状态信号,转到下一工作状态。

(2)主干道黄灯亮,支干道红灯亮。表示主干道上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行,支干道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔5时,控制器发出状态转换信号,转到下一工作状态。

(3)主干道红灯亮,支干道绿灯亮。表示主干道禁止通行,支干道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔20时,控制器发出状态转换信号,转到下一工作状态。

(4)主干道红灯亮,支干道黄灯亮。表示主干道禁止通行,支干道上位过县停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔5时,控制器发出状态转换信号。

(5)系统又转换到第(1)种工作状态,依次循环。

3.3运行结果分析

如图所示:74LS163芯片通过四输入与非门与74LS190芯片连接采集脉冲信号,进行加计数,并输出逻辑电平信号,由3-8译码器Y0、Y1、Y2、Y3端输出,经过非门,并和CP脉冲一起连接到其他逻辑门从而控制绿、黄、红灯。因为74LS163芯片置数端LD与3-8译码器的Y3输出端相连,所以74LS163计数输出000、001、010、011四个状态后便重新置零,循环输出,以控制红绿灯的循环亮灭。 结果分析:

a.74LS163芯片输出逻辑电平信号000, 3-8译码器输出端Y0=0,其他输出端为“1”。Y0输出信号经过非门后变为“1”,之后和上升沿脉冲“1”连接到一个与门,输出信号为“1”,交通灯U13红灯亮;与此同时, Y1输出信号“1,交通灯U12绿灯亮。

B.30秒之后,74LS163芯片输出逻辑电平信号001,3-8译码器输出端Y1=0,其他输出端为“1”。Y0输出信号经过非门变为“1”,再通过与门与1HZ脉冲信号相连接输出至U12,此时交通灯U12黄灯亮,U13依旧红灯亮。

c.黄灯亮后5秒,74LS163芯片输出逻辑电平信号010,3-8译码器输出端Y1=0,其他输出端为“1”。Y1输出信号经过非门变为“1”交通灯U13绿灯亮。

之后,红绿黄灯循环亮灭。

4.设计心得

通过本次课程设计,加强了我动手,思考,解决问题的能力。完成一次课程设计,也是加深一次对课本知识的理解和巩固。平时课间学习时间不能很好的理解各个元件的各个功能,只是纸上谈兵,但在这次课程设计中,我重新了解了很多元件,并且对其的使用有了更多的认识,让我对电子技术认知能力有了一个新的提升。

参考文献

[1] 若只如初见681.用两片74LS190芯片设计一个计数器和倒数器【DB】

http://wenku.baidu.com/link?url=964mdpO3fB76jkaurw3xByRhB0cP6LjVAVXmHVSkCJtV7uRAn9Bqj0RlZ2x3K3y342W1n8AVx20xuBDr0fyJpG2yN7knBYVtVWXJisAnWbG1

[2] 康华光.电子技术基础 数字部分[M].高等教育出版社,2006.1.5

[3]瑞A希礼特. 常见数字组合逻辑电路逻辑图、引脚图和真值[EB/OL].百度文库

[4]yonanong.Multisim 实用基础教程 常见数字组合逻辑电路逻辑图[EB/OL]、 hts7NFeBseWNlrEsfA6zQlCKo5UGCNEWJUuipZAXwlTk7ZP3xi

tp://wenku.baidu.com/link?url=TF-AzSBUjZoN0vCUuSJvkevi82bMBQ96_awdgpB3p72r6g0k96GerH4IThq


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