基于51单片机的电子时钟！内附开题报告模板、论文模板

基于单片机的数字式电子时钟设计

设计要求

1）设计AT89S51的最小系统；

2）LED显示电路及与AT89S51接口，LED数码块显示时、分、秒；

3）时钟调整电路及与AT89S51接口；

4）电子时钟程序设计；

5）基于Proteus的电子时钟原理及仿真实现；

6）电子时钟实物制作；

2 总体方案设计

2.1 实现时钟计时的基本方法

利用MCS-51系列单片机的可编程定时/计数器、中断系统来实现时钟计数。

(1) 计数初值计算:

把定时器设为工作方式1，定时时间为50ms，则计数溢出20次即得时钟计时最小单位秒，而100次计数可用软件方法实现。

假设使用T/C0，方式1，50ms定时，fosc=12MHz。

则初值X满足（216-X）×1/12MHz×12μs =50000μs

X=15536→0011110010110000→3CB0H

(2) 采用中断方式进行溢出次数累计,计满20次为秒计时（1秒）；

(3) 从秒到分和从分到时的计时是通过累加和数值比较实现。

2.2 电子钟的时间显示

电子钟的时钟时间在六位数码管上进行显示，因此，在内部RAM中设置显示缓冲区共8个单元。

LED8 LED7 LED6 LED5 LED4 LED3 LED2 LED1

37H 36H 35H 34H 33H 32H 31H 30H

时十位 时个位 分隔 分十位 分个位 分隔 秒十位 秒个位

2.3 电子钟的时间调整

电子钟设置3个按键通过程序控制来完成电子钟的时间调整。

reset键复位

hour键调整时；

min键调整分；

2.4 总体方案介绍

2.4.1 计时方案

利用AT89S51单片机内部的定时/计数器进行中断时，配合软件延时实现时、分、秒的计时。

2.4.2 控制方案

AT89S51的P0口和P2口外接由八个LED数码管(LED8～LED1)构成的显示器，用P0口作LED的段码输出口，P2口作八个LED数码管的位控输出线，P1口外接四个按键reset、hour、min构成键盘电路。

3 系统硬件电路设计

根据以上的电子时钟的设计要求可以分为以下的几个硬件电路模块：单片机模块、数码显示模块与按键模块

3.1单片机模块设计

3．1．1 芯片分析

AT89C51单片机引脚图如下：

MCS-51单片机是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，其各引脚功能如下：

VCC：+5V电源。

VSS：接地。

RST：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用完成单片机的复位初始化操作。

XTAL1和XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，当作输出口使用时，必须接上拉电阻才能有高电平输出；当作输入口使用时，必须先向电路中的锁存器写入“1”，使FET截止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的干扰。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，它不再需要多路转接电路MUX；因此它作为输出口使用时，无需再外接上拉电阻，当作为输入口使用时，同样也需先向其锁存器写“1”，使输出驱动电路的FET截止。

P2口：P2口电路比P1口电路多了一个多路转接电路MUX，这又正好与P0口一样。P2口可以作为通用的I/O口使用，这时多路转接电路开关倒向锁丰存器Q端。

P3口：P3口特点在于，为适应引脚信号第二功能的需要，增加了第二功能控制逻辑。当作为I/O口使用时，第二功能信号引线应保持高电平，与非门开通，以维持从锁存器到输出端数据输出通路的畅通。当输出第二功能信号时，该位应应置“1”，使与非门对第二功能信号的输出是畅通的，从而实现第二功能信号的输出，具体第二功能如表1所示。

3.1.2 晶振电路

右图所示为时钟电路原理图，在AT89S51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。而在芯片内部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。

3.1.3 复位电路

单片机复位的条件是：必须使RST/VPD 或RST引（9）加上持续两个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。例如，若时钟频率为12 MHz，每机器周期为1μs，则只需2μs以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。单片机常见的复位如图所示。电路为上电复位电路，它是利用电容充电来实现的。在接电瞬间，RESET端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RESET的电位逐渐下降。只要保证RESET为高电平的时间大于两个机器周期，便能正常复位。该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按图中的RESET键，此时电源VCC经电阻R1、R2分压，在RESET端产生一个复位高电平。

3.2 数码显示模块设计

系统采用动态显示方式，用P0口来控制LED数码管的段控线，而用P2口来控制其位控线。动态显示通常都是采用动态扫描的方法进行显示，即循环点亮每一个数码管，这样虽然在任何时刻都只有一位数码管被点亮，但由于人眼存在视觉残留效应，只要每位数码管间隔时间足够短，就可以给人以同时显示的感觉。

3.3 按键模块

下图为按键模块电路原理图，reset为复位键，hour为时钟调控键，min为分钟调控键。

4、系统软件设计

4.1 软件设计分析

在编程上，首先进行了初始化，定义程序的的入口地址以及中断的入口地址，在主程序开始定义了一组固定单元用来储存计数的时.分.秒，在显示初值之后，进入主循环。在主程序中，对不同的按键进行扫描，实现秒表，时间调整，复位清零等功能，系统总流程图如下图7：

图 7 系统总体流程图

4.2 源程序清单

ORG 0000H

MOV 30H,#1 设置时钟的起始时间12.00.00，分配显示数据内存

MOV 31H,#2

MOV 32H,#0

MOV 33H,#0

MOV 34H,#0

MOV 35H,#0

MOV TMOD,#01 启动计数器

XS0: SETB TR0 使 TRO位置1

MOV TH0,#00H 计数器置零

MOV TL0,#00H

XS:

MOV 40H,#0FEH 扫描控制字初值

MOV DPTR,#TAB 取段码表地址

MOV P2,40H 从P2口输出

MOV A,30H 取显示数据到A

MOVC A,@A+DPTR 查显示数据对应段码

MOV P0,A 段码放入P0中

LCALL YS1MS 显示1MS

MOV P0,#0FFH PO端口清零

MOV A,40H 取扫描控制字放入A中

RL A A中数据循环左移

MOV 40H,A 放回40H地址段内

MOV P2,40H

MOV A,31H

ADD A,#10 进位显示

MOVC A,@A+DPTR

MOV P0,A

LCALL YS1MS

MOV P0,#0FFH

MOV A,40H

RL A

MOV 40H,A

MOV P2,40H

MOV A,32H

MOVC A,@A+DPTR

MOV P0,A

LCALL YS1MS

MOV P0,#0FFH

MOV A,40H

RL A

MOV 40H,A

MOV P2,40H

MOV A,33H

ADD A,#10

MOVC A,@A+DPTR

MOV P0,A

LCALL YS1MS

MOV P0,#0FFH

MOV A,40H

RL A

MOV 40H,A

MOV P2,40H

MOV A,34H

MOVC A,@A+DPTR

MOV P0,A

LCALL YS1MS

MOV P0,#0FFH

MOV A,40H

RL A

MOV 40H,A

MOV P2,40H

MOV A,35H

MOVC A,@A+DPTR

MOV P0,A

LCALL YS1MS

MOV P0,#0FFH

MOV A,40H

RL A

MOV 40H,A

JB TF0,JIA 如果TF0为1时，则执行JIA，否则顺序执行

JNB P1.0,P100 为0则 转移到P100

JNB P1.1,P1000 为0则 转移到P1000

JNB P1.2,P10000 为0则 转移到P10000

AJMP XS 跳转到 XS

P100: MOV 30H,#0 清零程序

MOV 31H,#0

MOV 32H,#0

MOV 33H,#0

MOV 34H,#0

MOV 35H,#0

JIA: CLR TF0 TF0清零

MOV A,35H 秒单位数据到A

CJNE A,#9,JIA1 与 9进行比较，大于9就转移到JIA1

MOV 35H,0 秒个位清零

MOV A,34H 秒十位数据到A

CJNE A,#5,JIA10 与5进行比较，大于5就转移到JIA10

MOV 34H,#0 秒十位清零

P10000: JNB P1.2,P10000 为0则 转移到P10000

MOV A,33H 取分的个位到A

CJNE A,#9,JIA100 与 9进行比较，大于9就转移到JIA100

MOV 33H,#0 分的个位清零

MOV A,32H 分十位数据到A

CJNE A,#5,JIA1000 与5进行比较，大于5就转移到JIA1000

MOV 32H,#0 分的十位清零

P1000: JNB P1.1,P1000 为0则 转移到P1000

MOV A,31H 时个位数据到A

CJNE A,#9,JIA10000 与 9进行比较，大于9就转移到JIA10000

MOV 31H,#0 时的个位清零

MOV A,30H 时十位数据到A

CJNE A,#2,JIA100000 与2进行比较，大于5就转移到JIA100000

MOV 30H,#0 时的十位清零

AJMP XS0 转移到 XSO

JIA100000:

INC 30H 加1

AJMP XS0 跳转到 XS0

JIA10000:

CJNE A,#3,JIAJIA 与3进行比较，大于则转移到JIAJIA

MOV A,30H 将时的十位放到 A

CJNE A,#02,JIAJIA 与2进行比较，大于则转移到JIAJIA

MOV 30H,#0 时段清零

MOV 31H,#0

AJMP XS0 跳转到XSO

JIAJIA:

INC 31H 加一

AJMP XS0

JIA1000:INC 32H

AJMP XS0

JIA100: INC 33H

AJMP XS0

JIA10: INC 34H

AJMP XS0

JIA1: INC 35H

AJMP XS0

RET 返回

YS1MS: MOV R6,#9H 延时程序

YL1: MOV R7,#19H

DJNZ R7,$

DJNZ R6,YL1

RET

TAB:

DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,099H,092H,082H,0F8H,080H,090H 共阳段码表

DB 040H,079H,024H,030H,019H,012H,002H,078H,000H,010H

END

5 系统仿真与实验测试

5.1 系统仿真

运用proteus软件进行仿真现在proteus软件中建立一个新的文件，再根据自己的要求选择所需的器件，把器件进行适当的排位后进行连接，连接后运行软件进行仿真。

5.2 实验测试

电子时钟主要的设计要求是能够实现时钟的一般功能，以及包括时间的调整功能，这个基于单片机的电子时钟基本上实现了上述功能，能够通过时间调整电路对时间进行调整以及复位。

6 心得体会

单片机作为我们主要的专业课程之一，我觉得单片机课程设计很有必要，而且很有意义。但当拿到题目时，确实不知道怎么着手，有些迷茫，上网查资料，问老师，在老师的帮助下，历时两个星期，解决一个又一个的困难，终于完成任务。

在这次课程设计中，运用到了很多以前的专业知识，虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的一大收获。另外，要做好一个课程设计，就必须做到：在设计程序之前，对所用单片机的内部结构有一个系统的了解，知道该单片机内有哪些资源；要有一个清晰的思路和一个完整的的软件流程图；在设计程序时，不能妄想一次就将整个程序设计好，反复修改、不断改进是程序设计的必经之路；要养成注释程序的好习惯，一个程序的完美与否不仅仅是实现功能，而应该让人一看就能明白你的思路，这样也为资料的保存和交流提供了方便；在设计课程过程中遇到问题是很正常德，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题的课程设计结束了，但是从中学到的知识会让我受益终身。发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都会受益于我在以后的学习、工作和生活中。设计过程，好比是我们人类成长的历程，常有一些不如意，但毕竟这是第一次做，难免会遇到各种各样的问题。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，不能灵活运用。

通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。另外，要非常感谢我的指导老师，是她指引我克服一个由一个的困难，让我学会对困难无所畏惧，以及对问题的一些很重要的思考方法。

我学会对困难无所畏惧，以及对问题的一些很重要的思考方法。

附录

附录1 硬件电路总图

教你制作创意数字时钟

ELEJ-CDC1简介

ELEJ-CDC1是一款创意型数字时钟(即Creative Digital Clock)。之所以说它是创意制作，其实就是使用常规的数码管和常见元器件，实现通常时钟具备的功能的同时，还通过硬件改进和软件设置，巧妙实现通常时钟不具备的功能——人性化用户体验。

时钟太常见了，是生活中极其普通的物品之一，我们只需瞧一下钟，就能说出时间，而且我们也把这看成是很自然的事情。功能完善的时钟可以计时间(Clock)和日期(Calendar)，即年、月、星期、日、时、分和秒的实时参数。时钟有很多种，按照不同的分类标准可以分为不同的类型，对于按照模拟数字量分为传统的模拟时钟和数字时钟，这里主要分析一下数字时钟。

数字时钟可以由模块化的时钟电路实现，可以由数字门电路+时钟发生电路实现，也可以由控制器(单片机)+定时器实现，还可以由控制器+RTC芯片实现等，其实这里也不用“等”了，因为似乎没有其他方法了。你可能会说从网上下载一个时钟软件不也是嘛，哈哈，告诉你吧，其实这样的软件用的时钟信号是你计算机主板上的RTC芯片时钟或者集成在某个大规模集成电路内部的RTC模块提供的。

RTC即为实时时钟，它是可提供时间(通常也提供日期)的时钟器件。RTC通常包含一个可长期供电的电池，即使在没有电源供电的情况下也可以保持时间的跟踪。

有很多著名厂商和很多著名的RTC芯片，玩单片机的应该没有不知道DS1302、DS12887和PCF8523等芯片的;RTC著名厂商有很多，比如Maxim(美信〈达拉斯半导体〉)、NXP(恩智浦)、Intersil(英特矽尔)等。笔者曾经使用过美信的DS3231用作智能电表的时钟计量，调过英特矽尔的ISL12022M，DS3231和ISL12022M，它们都集成了晶体振荡器，精度极高，且外围电路十分简单，基本无需外围元器件，其实DS3231和ISL12022M的功能也很相似、性能也差不多。恩智浦的RTC芯片有很多款，比如本文要介绍的ELEJ-CDC1，使用的是PCF8523。PCF8523性能很不错，使用的是I2C总线与控制器连接，且是高速I2C总线(Fm+)，可以达到1MHz，在某些实时性要求极高的系统中非常适用。常见的PCF8523有SO8和TSSOP14封装，TSSOP14引脚间距较小，引脚排列很密，不容易焊接，大家可以选择SO8封装的，容易焊接。

制作实时时钟非常有趣，可以同时学会很多与界面显示相关的技术、控制器接口技术、数字处理技术和按键功能实现技术等，对于各种智能家用电器的显示界面设计有参考意义，例如冰箱、洗衣机、电磁炉等的显示界面。关于实时数字显示器件的选择，可以是LED、数码管、点阵屏、LCD等，实际学习可以逐个调试掌握、真正搞懂，然后独立开发基于控制器的项目就不成问题了。(不骗你，真的!)

现在，我们就一起开始制作吧!

ELEJ-CDC1硬件原理

ELEJ-CDC1由6个模块电路构成：电源电路、控制器电路、RTC电路、数码管电路、蜂鸣器电路和按键电路，其中电源电路、数码管电路、蜂鸣器电路和按键电路与ELEJ-IDBC1智能数字电池充电器设计中的电路设计方法和电路原理一样，只是数码管在实际的排列时有所不同，而且数码管选用的是1位的8段式数码管。

下面主要介绍控制器电路、RTC电路和特殊处理的数码管电路。

为了大家的制作方便，这个制作仍然使用STC的51控制器，ELEJ-CDC1使用的控制器型号为STC15F204EA，用DIP-20封装，电路连接如图1.1所示。STC15F204EA内部高精度R/C时钟，常温下温漂5‰，时钟从5～35MHz可选，这样我们就无需再外置晶体振荡器了。实际焊接在“洞洞板”上如图1.2所示。

RTC芯片用NXP的PCF8523时钟芯片，PCF8523电路图如图1.3所示。

图1.3中电阻R11、R16和R17是上拉电阻，因为PCF8523的INT2、INT1/CLKOUT引脚都是开漏输出，所以必须上拉，此外，SDA和SCL也必须上拉。仔细看看图1.3，你会发现在+5V电源和PCF8523的VDD之间接了VD5、R15和C6，有什么用，不接可以吗?很多时钟芯片都不接的呀!说说原因吧：仔细阅读PCF8523数据手册的典型应用一节，你会发现它提供的典型应用电路连接有R15和C6，它俩的作用是限制VDD的压摆率，如果VDD下降得过快，就不能确保内部电路可靠切换到备用电池供电;二极管VD5是为了防止电源反接烧坏PCF8523TS，PCF8523TS不便宜啊，烧的是钱呢!

注 ：电压转换速率(Slew Rate)，简写为SR，简称压摆率，其定义是在1μs或者1ns的时间里电压升高的幅度，直观上讲就是方波电压由波谷升到波峰所需时间，单位通常有V/s、V/ms、V/μs和V/ns四种。电压转换速率用示波器就可以测量。

我使用的是TSSOP14封装的，由于芯片引脚很密，所以我腐蚀了一块转接板，实物如图1.4所示。注意：在制作中你可以使用SO8封装的，无转接板也可以焊接。

图1.1 控制器电路

图1.2 控制器实物图

图1.3 PCF8523电路图

图1.4 PCF8523腐蚀板

图1.5 PCF8523腐蚀板焊接实物

焊接上芯片，通电蓝色LED点亮，如图1.5所示。

数码管电路如图1.6所示。其实仔细看看原理图，和通常使用的电路没有任何区别，其实就是驱动电路的设计。

图1.6 数码管电路图

与通常使用不同的是数码管的放置方式。如何实现显示功能，以下详细说明一下。

对于动态扫描显示技术，几乎每本书、每个资料都会说“动态显示是多个数码管交替显示，利用人的视觉暂留作用，使人看到多个数码管同时显示。在编程时，需要输出段选和位选信号，位选信号选中其中一个数码管，然后输出段码，使该数码管显示所需要的内容，延时一段时间后，再选中另一个数码管，再输出对应的段码，高速交替。”如果你是初学者，肯定感到有点迷惑!

那我就用图来说明一下吧!动态扫描最根本的原理如图1.7所示。

图1.7 数码管动态扫描原理

4个数码管轮流显示一遍为一个周期T，即4个显示ton之和，且由于每个显示时间一样，也即T=4×ton，在软件实现手段上，我用的是定时器中断，这样便于main函数处理多个任务。使用的数码管为共阳极的，所以ton时间数码管的位引脚为低电平(以数码管DS1为例：当LED_COM1=0，三极管导通，DS1选通，此时如果有段码数据加到A-H引脚，则DS1显示)，即数码管显示，数码管会按照300μs的时间轮流循环显示，即：数码管1→数码管2→数码管3→数码管4→数码管1……无限循环往复，由于“数码管1→数码管2→数码管3→数码管4”仅需要1200μs，即扫描频率833Hz，我们眼睛是分辨不出它们是在逐个显示的，我们可以看到的是每个数码管都完整显示。如果，你想仔细看看所谓的“扫描”是啥，你可以把T选得大一些，对应的ton=T/4也大些，那样你就会看到数码管逐个显示，显示的界面会让你感觉很不舒服(一个接一个地闪烁显示)。

图1.8 ELEJ-CDC1数码管实物

图1.9 ELEJ-CDC1整机焊接面实物图

总结一下：我们调试数码管，说白了就是调试T(根据实际调试数据ton≈1ms时，显示效果也很不错，当然是越小越好了;扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感)，此外还要注意以下两个问题。

(1)所谓的“消隐”问题，当你更新显示的“段”的时候，显示的位置还是在前一时间的“位”上;然后你再更新“位”，这就出现移动的效果了。解决方法：显示下一位时先让数码管熄灭;在位的数码显示前，先关闭一下数码管，这样方可消除拖尾现象。

(2)驱动要足够，例如，我在使用数码管时均使用了三极管驱动，尽管STC控制器I/O口可以配置为推挽输出，但是为了便于硬件移植，即51控制器通用，还是加了驱动，在实际制作调试时，你也可以选择用STC控制器直接驱动。

ELEJ-CDC1创意数字时钟数码管实物如图1.8所示，焊接面如图1.9所示。

软件设计思路

这里我直接用文字叙述：在没有任何认为“干预”ELEJ-CDC1的情况下，ELEJ-CDC1从用户接通电源起，工作步骤(也就是软件执行过程)为控制器初始化、某些系统参数初始化→配置PCF8523、获取RTC数据(通过I2C接口读取)→处理RTC数据，处理结果暂时存储在控制器缓存中→通过定时器中断技术使控制器缓存中的RTC数据显示在数码管上→再读取新的RTC数据，处理数据，实时显示……就这样只要用户不断电，ELEJ-CDC1就会“不知疲倦”地重复实时显示RTC的实时数据。

然而，RTC芯片内部的数据在上电时，一般不会是当前的时间，怎么办呢?一般人都知道重新校准时间。其实，从PCF8523角度来看，就是重新向PCF8523内部时钟寄存器内写入数据，覆盖掉原始的不是当前时间的数据，然后PCF8523就从新的时间数据开始计时(时钟源就是那个32768Hz的晶体振荡器)。这样，自然就需要一个校时程序，而且这个校时程序块不是一直运行，只有用户需要时才启动，所以就需要一个开关。开关?你可能会惊讶：软件里面哪里有开关呢?此时，如果你仔细想一想数字电路，是不是想起了0和1，就是啊，这个开关就用一个Bit变量实现，比如，变量为1时启动校时程序块，为0时运行时钟。记住一点，校时程序块和正常走时程序块在同一时间绝不可能同时运行!

至于闹钟，也很简单，每读取一次RTC数据显示，程序就判断一次此时的时间和用户设定的闹钟时间是否一样，如果一样，那就“闹”吧!闹多久?程序开发者自行设置，如果开发者愿意，甚至可以让用户自行配置;如果你既是开发者又是用户，那我就不说啥了，随你的心情，随意配置吧!

读到这里，你是不是感觉ELEJ-CDC1总体脉络很清晰了呢!如果真的用心说是，那就好，你肯定可以独立调试ELEJ-CDC1了，而且，你还可以学习很多工程设计调试的方法。再说得犀利些：如果你仅仅是为了做一个ELEJ-CDC1，完全或者基本没有什么浓厚实物兴趣驱使你，你可能在调试时非常痛苦，甚至不能让ELEJ-CDC1正常运行。比如，你在调试ELEJ-CDC1时，你会彻彻底底地明白什么是数码管动态显示，为什么动态显示要用定时器中断，为什么不直接用延时扫描的方法，数码管不同界面切换方法，I2C驱动如何写(后续我会仔细说)，甚至蜂鸣器振荡频率如何选择……总之，我们喜欢电，我们可以在兴趣中提高能力和扎实掌握解决实际工程问题的方法。哇!说多了，不过这样的兴趣就是动力，可以很随意地步行10多里路去二手电子市场(偷笑)。

图1.10 “AL：--”界面

图1.11 “AL：on”界面

图1.12 “12Hr”和“24Hr”界面

图1.13 时间显示界面

图1.14 日期显示界面

图1.15 星期显示界面

看几张数码管的界面图片吧!如图1.10～1.15所示。

好吧，这个版本的ELEJ-CDC1制作就介绍到这里吧，其实如果想再加其他功能，真的有点难，因为4K字节ROM空间的STC15F204EA放不下了，我就遇到此尴尬，不然ELEJ-CDC1最后一位本来打算用作“℃”显示的数码管就不会没用上，我的代码中，数码管段码就没有全部放在code内，否则连闹钟功能也没了。反正我们以后会让ELEJ-CDC1升级的!

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