CN107257593A - 一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器及控制方法 - Google Patents

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潘玉灼
黄启禄
廖廷俤
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    • Y02B20/72Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps in street lighting

Abstract

本发明涉及一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器及控制方法,提供太阳能板,包括:充电控制单元、蓄电池、第一AD转换单元、第二AD转换单元、主控制单元、PWM调光单元以及LED灯单元;太阳能板与充电控制单元相连,充电控制单元与所述蓄电池相连;蓄电池与第一AD转换单元相连;第一AD转换单元还与主控制单元相连;主控制单元还与充电控制单元以及PWM调光单元相连;PWM调光单元与LED灯单元相连;主控制单元经第二AD转换单元于太阳能板相连;蓄电池还与主控制单元以及LED灯单元相连。通过对蓄电池电压的检测,控制LED灯单元采用不同的工作方式,并控制蓄电池的充电方式。本发明所提出的一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器及控制方法,提高了蓄电池的使用寿命,改善了LED灯的输出效果,提高了整个装置的能效比。

Description

一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器及控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器及控制方法。
背景技术
[0002]在社会生活中的人们对照明所需的能源是巨大的,而道路照明更是首当其冲。将 太阳能转化为电能为照明提供能量是国家能源战略的一部分,为此太阳能路灯系统应运而 生。但是由于地理环境以及气候环境的客观条件下,光伏发电照明路灯却很难在全国普及。 在云,雨,阴,晴的气候因素影响下,太阳能的辐照到达地面不太稳定,特别是在部分多阴雨 地区,太阳能光线强度较弱。在这样的情况下,给光伏发电路灯系统的大规模运用带来了不 小的阻力。为了使太阳能成为稳定的连续的能源,最终能成为和常规的能源的替代能源,就 必须要解决太阳能路灯在弱光条件下依然能够进行充放电,从而能在阴雨天或太阳光较弱 的的情况下,使太阳能路灯仍然能够工作。因此,研宄一种高能效、智能的太阳能LED路灯控 制器将具有非常重要的实际意义。
[0003]现有技术中的太阳能简单充电路灯,电池放电到达一定范围就不再为LED照明供 电,存在如下缺陷: 1、太阳能路灯的蓄电池充放电未加保护措施,影响电池的寿命,特别是锂电池。2、在弱 光的条件下未能根据实际需求,统筹控制LED光源的功率输出。3、大部分LED采用恒流源输 出,对调光不利。
[0004]现有技术重未见真正具有保护充电电池的产品,也没有看到能根据电池获得的电 量而规划路灯照明功率输出的产品。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器及控制方法,以 克服现有技术中存在的缺陷。
[0006] 为实现上述目的,本发明的技术方案是:一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制 器,提供一太阳能板,包括:一充电控制单元、一蓄电池、一第一 AD转换单元、一第二AD转换 单元、一主控制单元、一 PWM调光单元以及一 LED灯单元;所述太阳能板与所述充电控制单元 相连,所述充电控制单元与所述蓄电池相连;所述蓄电池与所述第一 AD转换单元相连;所述 第一 AD转换单元还与所述主控制单元相连;所述主控制单元还与所述充电控制单元以及所 述PWM调光单元相连;所述PWM调光单元与所述LED灯单元相连;所述主控制单元经所述第二 AD转换单元于所述太阳能板相连;所述蓄电池还与所述主控制单元以及所述LED灯单元相 连。
[0007] 在本发明一实施例中,所述主控制单元采用STM32单片机。
[0008] 在本发明一实施例中,还包括一分别与所述第一AD转换单元以及所述第二AD转换 单元相连且为所述第一 AD转换单元以及所述第二AD转换单元提供参考电压的稳压电路;该 稳压电路还与所述蓄电池相连。
[0009]在本发明一实施例中,所述充电控制单元包括一继电器,该继电器的控制端经一 三极管以及一电阻连接至所述主控制单元。
[0010]在本发明一实施例中,所述PWM调光单元包括一开关管;所述开关管的漏极与所述 LED灯单元的负极相连,源极接地,栅极经一三极管以及一电阻连接至所述主控制单元;所 述LED灯单元正极经一开关连接至所述蓄电池。
[0011] 在本发明一实施例中,还包括一与所述主控制单元相连的红外检测传感器。
[0012] 在本发明一实施例中,还包括一与所述主控制单元相连的LCD显示器。
[0013]还提供一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器的控制方法,按照如下步骤实 现: 步骤S1:所述主控制单元通过所述第二AD转换单元对所述太阳能板的输出电压值进行 采样,将太阳能板的采样值与一第一电压阈值进行比较; 步骤S2:当所述太阳能板的采样值大于所述第一电压阈值时,则判定当前为白天,关闭 所述LED灯单元,并进行充电至蓄电池处于满电状态;当小于所述第一电压阈值时,则判定 当前为夜晚,通过所述充电控制单元关闭充电开关,并判断所述LED灯单元是否工作达到第 一阈值时间; 步骤S3:当判断未达到第一阈值时间时,所述主控制单元采用电压跟随工作模式;若达 到所述第一阈值时间,所述主控制单元通过一红外检测传感器获取当前环境状态,当所述 红外检测传感器检测到当前环境内有物体时,所述主控制单元采用电压跟随工作模式,否 贝1J,关闭所述LED灯单元。
[0014] 在本发明一实施例中,所述电压跟随工作模式包括: 所述主控制单元按照每经第一预设时间,通过所述第一 AD转换单元对所述蓄电池的电 压进行采样; 当所述蓄电池电压大于4.2V时,所述主控制单元通过所述充电控制单元关闭充电开 关,所述主控制单元通过所述PWM调光单元输出第一PWM驱动信号,控制所述LED灯单元进行 全功率工作; 当所述蓄电池电压电压处于4. IV至4.2V之间时,所述主控制单元通过所述充电控制单 元对所述蓄电池采取浮充充电,所述主控制单元通过所述PWM调光单元输出第一PWM驱动信 号,控制所述LED灯单元进行全功率工作; 当所述蓄电池电压电压处于3.7V至4. IV之间时,所述主控制单元通过所述充电控制单 元对蓄电池采取均充充电,所述主控制单元通过所述PWM调光单元输出第一PWM驱动信号, 控制所述LED灯单元进行全功率工作; 当所述蓄电池电压电压处于3.65V至3.7V之间时,所述主控制单元通过所述充电控制 单元对蓄电池采取直充充电,所述主控制单元通过所述PWM调光单元输出第二PWM驱动信 号,控制所述LED灯单元进行半功率工作; 当所述蓄电池电压电压小于3.65V时,所述主控制单元通过所述充电控制单元对蓄电 池采取直充充电,所述主控制单元通过所述PWM调光单元,控制所述LED灯单元停止工作。 [0015]在本发明一实施例中,所述第一阈值时间为5小时。
[0016]相较于现有技术,本发明具有以下有益效果: 1、对太阳能路灯的蓄能部件,特别针对锂电池,对电池进行过充限制,对电池进行过放 限制,提咼锂电池的使用寿命。
[0017] 2、在弱光条件,根据蓄电池获得的电量,根据用户的需求以及环境的亮度,统筹控 制LED光源的功率输出,使太阳能路灯最大限度满足照明需求。
[0018]# 3、本控制器的LED路灯摆脱恒流源控制,采用高频脉宽控制的驱动方式,减少AD 采样模块和耗能的恒流源驱动,提高太阳能路灯的能效比,为调光提供便利条件。
附图说明
[0019]图1为本发明中弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器的原理图。
[0020]图2为本发明中主控制单元电路图。
[0021] 图3为本发明中稳压电路的电路图。
[0022] 图4为本发明中充电控制单元与PWM调光单元的电路图。
[0023]图5为本发明中红外检测传感器的检测流程图。
[0024] 图6为本发明中太阳能充放电控制器工作流程图。
[0025] 图7为本发明中弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器的控制方法流程图。
[0026]图8为本发明中全功率时PWM输出波形。
[0027]图9为本发明中输出功率为75%时PWM输出波形。
[0028]图10为本发明中输出功率为30%时PWM输出波形。
具体实施方式
[0029]下面结合附图,对本发明的技术方案进行具体说明。
[0030]本发明提供一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器,如图丨所示,提供—太阳能 板,包括:一充电控制单元、一蓄电池、一第一 AD转换单元、一第二AD转换单元、一主控制单 元、一 PWM调光单元以及一 LH)灯单元;太阳能板与充电控制单元相连,充电控制单元与蓄电 池相连;蓄电池与第一 AD转换单元相连;第一 AD转换单元还与主控制单元相连;主控制单元 还与充电控制单元以及PWM调光单元相连;PWM调光单元与LED灯单元相连;主控制单元经第 二AD转换单元于太阳能板相连;蓄电池还与主控制单元以及灯单元相连。
[0031]进一步的,在本实施例中,蓄电池采用锂电池。
[0032] 进一步的,在本实施例中,如图2所示,主控制单元采用STM32单片机。控制器是以 STM32单片机为控制核心来进行设计的,系统工作过程中通过它对各个模块进行管理和控 制,控制器主要有STM32单片机(内部含有A/D)、电压采样、时钟电路、PWM控制电路以及 M0SFET驱动开关电路等组成。控制器主要有以下的功能: (1) 支持3.7V的直流系统工作电压; (2) 检测电池电压选工作模式; (3) 对电池有过充保护、过放保护等功能; (4) 具有红外感应功能; (5) 具有智能变脉宽调光功能。
[0033] (6)核心处理芯片的系统时钟为72MHz,系统所需最小计时时间为1 s,经测试实际 计时误差在千分之一。
[0034]太阳能路灯LED照明系统工作模式有以下五种状态:全功率,功率,间歇全功率和 间歇半功率以及关闭状态。保证系统能根据各种参数,来自动调节运行状态,实现智能化控 制,如通过时控和光控相结合对路灯先设定开启时间,在此时间外,系统还通过光感应,当 检测到外界环境光线不够时,再自动开启路灯照明,当光线足够时,路灯保持原来状态。 [0035]进一步的,在本实施例中,STM32单片机主要应用核心芯片的AD转换功能、DMA功 能、PWM信号输出功能、串口功能、以及基本的I/O端口功能。其中利用12位的AD转换来检测 系统蓄电池的实时电压,从而判断电池的剩余电量,利用DMA功能读取AD转换的结果,这样 可以大大节省CPU的使用率,提高工作效率,根据AD转换的结果来设定合适的工作模式,即 设置不同的PWM占空比,来调节LED的工作功率。同时,利用AD转换来检测太阳能板输出的电 压值,以此来判定此时的环境的光照情况,一边做出是否需要亮灯的判断。
[0036]在本实施例中,第一AD转换单元以及第二AD转换单元均集成于STM32单片机上。 [0037]进一步的,在本实施例中,还包括一分别与第一AD转换单元以及第二AD转换单元 相连且为第一 AD转换单元以及第二AD转换单元提供参考电压的稳压电路;该稳压电路还与 蓄电池相连。
[0038]在本实施例中,AD转换最主要的工作参数就是参考电压,一般情况下参考电压会 采用芯片的供电电压(不需要另外获取),在本系统中由于供电电源是锂电池,工作电压会 随着电量的减少而降低,再经过稳压芯片就会变低,而且不是固定值,若以此作为参考电 压,则无法得到准确的检测结果。因此解决这个问题的关键就是要得到一个稳定的电压,作 为AD转换的参考电压。根据芯片AD转换的要求,参考电压要在2.5〜3.3V之间。故本实施例中 采用HT733〇作为稳压芯片,直接获取一个稳定的3V电压。即使电池的电压变化也都可以满 足有稳定的3V电压输出。具体硬件电路如图3所示,图中BATT为电池正极,VDDA为参考电压。 [0039]进一步的,在本实施例中,现有的太阳能路灯的充电电路全部是采用直接充电的 方式,这样在太阳光照很足的时候就会出现过充现象(在电池满电状态下充电),这样会严 重影响电池的使用寿命。本实施例中,如图4所示,充电控制单元包括一继电器RELAY,该继 电器的控制端经一三极管Q3以及一电阻R13连接至主控制单元。利用核心控制芯片的ADR 换功能检测电池电压,判断电池是否满电,当电池充满电时,利用控制芯片来控制继电器的 断开,停止充电。通过设置防止电池过充保护电路,当电池充电充满的时候系统会自动关闭 充电回路,停止对电池充电,这样做可以很好的保护锂电池。
[0040] 进一步的,在本实施例中,通过主控制单元产生的20KHz (避免人眼看到闪烁的现 象)以上的PWM信号,设置不同的占空比,用此PWM信号来控制对LED灯的供电,达到控制灯的 亮度,调控电池输出的功率。利用PWM信号控制LED灯的供电就是在LED灯的供电回路中加入 一个开关电路,当回路断开时,灯熄灭;当回路闭合是灯亮起。在一定频率下不断的通-断, 在不同的通断时间比例(占空比)就可以控制灯不同的亮度的。图4为I5 W M调光的开关原理 图。PWM调光单元包括一开关管Q1;开关管的漏极与LED灯单元的负极相连,源极接地,栅极 经一三极管Q2以及一电阻R25连接至主控制单元;LED灯单元正极经一开关SW-SPDT连接至 蓄电池。
[0041] 进一步的,在本实施例中,利用AD转换来检测太阳能板输出的电压值来判断当前 的光照情况,当太阳能板输出电压低于一第一预设电压阈值且大于一第二预设电压阈值 时,说明当前的光照较暗需要开灯;当太阳能板的输出电压高于该第一预设电压阈值时,说 明当前的光照足够,可以关闭LED灯。同时,当检测电压小于第二预设电压阈值时,如当处于 夜晚时候,还要关闭系统的充电回路,防止漏电现象。
[0042]进一步的,在本实施例中,还包括一与主控制单元相连的红外检测传感器。传统的 路灯通常在整夜保持同一凭度,尤其在夜深人静的时候,路上的行人和车辆稀少,照明利用 率较低,电量出现浪费。红外人体感应模块设计的目的是保证了系统检测到物体的存在的 功能。此模块的主要功能为检测当前的交通情况,并且根据当前的交通情况来改变系统的 内部反应,只要有车辆或者人经过的时候,传感器接收到信息后将信息传给系统,之后此系 统便会感应其状态,并根据实时的交通情况自动控制路灯的状态,流程如图5所示。通过该 红外检测方式结合上述环境光照情况检测,用于控制LH)灯的启闭。
[0043] 在本发明一实施例中,还包括一与主控制单元相连的IXD显示器。
[0044]还提供一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器的控制方法,如图6与图7所示, 按照如下步骤实现: 步骤S1:主控制单元通过第二AD转换单元对太阳能板的输出电压值进行采样,将太阳 能板的采样值与一第一电压阈值进行比较; 步骤S2:当太阳能板的采样值大于第一电压阈值时,则判定当前为白天,关闭LED灯单 元,并进行充电至蓄电池处于满电状态;当小于第一电压阈值时,则判定当前为夜晚,通过 充电控制单元关闭充电开关,并判断LED灯单元是否工作达到第一阈值时间; 步骤S3:当判断未达到第一阈值时间时,该第一阈值时间为5小时,主控制单元采用电 压跟随工作模式;若达到第一阈值时间,主控制单元通过一红外检测传感器获取当前环境 状态,当红外检测传感器检测到当前环境内有物体时,主控制单元采用电压跟随工作模式, 否则,关闭LED灯单元。
[0045] 进一步的,在本实施例中,电压跟随工作模式包括: 主控制单元按照每经第一预设时间,通过第一AD转换单元对蓄电池的电压进行采样; 当蓄电池电压大于4.2V时,主控制单元通过充电控制单元关闭充电开关,主控制单元 通过PWM调光单元输出第一 PWM驱动信号,控制LED灯单元进行全功率工作; 当蓄电池电压电压处于4. IV至4.2V之间时,主控制单元通过充电控制单元对蓄电池采 取浮充充电,充电电压略高于涓流充电,补偿蓄电池自放电损失并能够在电池放电后较快 地使蓄电池恢复到接近完全充电状态。当电池充满的情况下,在主控制单元通过PWM调光单 元输出第一 PWM驱动信号,控制LED灯单元进行全功率工作; 当蓄电池电压电压处于3.7V至4. IV之间时,主控制单元通过充电控制单元对蓄电池采 取均充充电,是以定电流和定时间的方式对电池快速充电。电池接近充满的情况下,主控制 单元通过PWM调光单元输出第一 PWM驱动信号,控制LED灯单元进行全功率工作; 当蓄电池电压电压处于3.65V至3.7V之间时,主控制单元通过充电控制单元对蓄电池 采取直充充电,电池电压较低,电池电量不足,光伏电池板直接对电池进行充电。因电池电 量较低,主控制单元通过PWM调光单元输出第二PWM驱动信号,控制LED灯单元进行半功率工 作; 当蓄电池电压电压小于3.65V时,主控制单元通过充电控制单元对蓄电池采取直充充 电,主控制单元通过PWM调光单元,控制LED灯单兀停止工作。
[0046] 进一步的,在本实施例中,通过A/D转换,经过单片机处理可将锂电池的实际电压 显示在LCD屏上,并有防反充及防止过充设计。在现实生活情况下,蓄电池同时充放电的几 率很低,因为白天蓄电池充电的时候,路灯基本没有必要工作,而夜里路灯工作时,太阳能 板基本也无法对蓄电池进行充电。因此在此设计中使用了定时器,对蓄电池电压每半小时 检测一次,以实时掌握蓄电池的电压,避免蓄电池损坏。
[0047]进一步的,在本实施例中,主控制单元采用的调光分为五种状态,分别是常亮全功 率,常亮半功率,间歇全功率,间歇半功率以及关闭状态。当晚上需要亮灯的时候,根据当前 电池电量选择常亮半功率或者常亮全功率状态,五个小时内为常亮状态,并根据实时电量 转换状态;五个小时之后为间歇模式,即有物体经过时,路灯根据当前电量自动设置全功点 壳或者半功点壳;若电量低于规定阈值,或者环境光照足够时,则关闭路灯。经过实际测试, 系统可到达预期效果。图8、图9、图10分别对应不同LED输出功率从微控制的PWM端输出的波 形。从图8、图9、图10可看出LHD输出的亮度随着PWM输出波形占空比的变小而变暗,从而达 到调光目的。而从实际的灯光输出看,并没有发现闪烁现象。
[0048]进一步的,在本实施例中,采用微控制器通过电压采集模块采集电压,根据电压的 多少判断电池电量,对锂电池充放电进行实时监控与控制;采用PWM调光系统,通过变脉宽 控制太阳能路灯的亮度;并根据实际需求把智能调光分为五种状态,达到既保护电池又合 理利用电能,使弱光太阳能路灯为日常照明发挥最大效益。
[0049]以上是本发明的较佳实施例,凡依本发明技术方案所作的改变,所产生的功能作 用未超出本发明技术方案的范围时,均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1. 一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器,提供一太阳能板,其特征在于,包括:一 充电控制单元、一蓄电池、一第一 AD转换单元、一第二AD转换单元、一主控制单元、一 PWM调 光单元以及一 LED灯单元;所述太阳能板与所述充电控制单元相连,所述充电控制单元与所 述蓄电池相连;所述蓄电池与所述第一AD转换单元相连;所述第一AD转换单元还与所述主 控制单元相连;所述主控制单元还与所述充电控制单元以及所述pmn周光单元相连;所述 PWM调光单元与所述LED灯单元相连;所述主控制单元经所述第二AD转换单元于所述太阳能 板相连;所述蓄电池还与所述主控制单元以及所述LED灯单元相连。
2. 根据权利要求1所述的一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器,其特征在于,还包 括一分别与所述第一 AD转换单元以及所述第二AD转换单元相连且为所述第一 AD转换单元 以及所述第二AD转换单元提供参考电压的稳压电路;该稳压电路还与所述蓄电池相连。
3. 根据权利要求1所述的一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器,其特征在于,所述 充电控制单元包括一继电器,该继电器的控制端经一三极管以及一电阻连接至所述主控制 单元。
4. 根据权利要求1所述的一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器,其特征在于,所述 PWM调光单元包括一开关管;所述开关管的漏极与所述LED灯单元的负极相连,源极接地,栅 极经一三极管以及一电阻连接至所述主控制单元;所述LED灯单元正极经一开关连接至所 述蓄电池。
5. 根据权利要求1所述的一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器,其特征在于,还包 括一与所述主控制单元相连的红外检测传感器。
6. 根据权利要求1所述的一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器,其特征在于,还包 括一与所述主控制单元相连的LCD显示器。
7. 根据权利要求1所述的一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器,其特征在于,所述 主控制单元采用STM32单片机。
8. —种基于权利要求1所述的一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器的控制方法, 其特征在于,按照如下步骤实现: 步骤S1:所述主控制单元通过所述第二AD转换单元对所述太阳能板的输出电压值进行 采样,将太阳能板的采样值与一第一电压阈值进行比较; 步骤S2:当所述太阳能板的采样值大于所述第一电压阈值时,则判定当前为白天,关闭 所述LED灯单元,并进行充电至蓄电池处于满电状态;当小于所述第一电压阈值时,则判定 当前为夜晚,通过所述充电控制单元关闭充电开关,并判断所述LH)灯单元是否工作达到第 一阈值时间; 步骤S3:当判断未达到第一阈值时间时,所述主控制单元采用电压跟随工作模式;若达 到所述第一阈值时间,所述主控制单元通过一红外检测传感器获取当前环境状态,当所述 红外检测传感器检测到当前环境内有物体时,所述主控制单元采用电压跟随工作模式,否 则,关闭所述LED灯单元。
9. 根据要求8所述的一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器的控制方法,其特征在 于,所述电压跟随工作模式包括: 所述主控制单元按照每经第一预设时间,通过所述第—AD转换单元对所述蓄电池的电 压进行采样; 当所述蓄电池电压大于4.2V时,所述主控制单元通过所述充电控制单元关闭充电开 关,所述主控制单元通过所述PWM调光单元输出第一PWM驱动信号,控制所述Lm)灯单元进行 全功率工作; 当所述蓄电池电压电压处于4. IV至4.2V之间时,所述主控制单元通过所述充电控制单 元对所述蓄电池采取浮充充电,所述主控制单元通过所述PWM调光单元输出第一PWM驱动信 号,控制所述Lm)灯单元进行全功率工作; 当所述蓄电池电压电压处于3.7V至4. IV之间时,所述主控制单元通过所述充电控制单 元对蓄电池采取均充充电,所述主控制单元通过所述PWM调光单元输出第一PWM驱动信号, 控制所述LED灯单元进行全功率工作; 当所述蓄电池电压电压处于3.65V至3.7V之间时,所述主控制单元通过所述充电控制 单元对蓄电池采取直充充电,所述主控制单元通过所述PWM调光单元输出第二PWM驱动信 号,控制所述LH)灯单元进行半功率工作; 当所述蓄电池电压电压小于3.65V时,所述主控制单元通过所述充电控制单元对蓄电 池采取直充充电,所述主控制单元通过所述PWM调光单元,控制所述LED灯单元停止工作。
10.根据要求8所述的一种弱光太阳能脉宽调光路灯智能控制器的控制方法,其特征在 于,所述第一阈值时间为5小时。
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WO2021051263A1 (zh) * 2019-09-17 2021-03-25 武文静 一种蜡烛灯及其视觉暂留效果实现电路
WO2021072627A1 (zh) * 2019-10-15 2021-04-22 武文静 一种指纹挂锁及其电控电路

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