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论文-基于PIC系列单片机的防盗系统设计.doc

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1、个人收集整理 勿做商业用途海 南 大 学 毕 业 论 文(设计)题 目: 基于PIC系列单片机的防盗系统设计 学 号: 20070736020 姓 名: 陈 肖 前 年 级: 07电气4班 学 院: 工程学院 系 别: 电气系 专 业: 电气工程及其自动化 指导教师: 许 峰(博士) 完成日期: 2010 年 06月 22 日 摘 要本系统是一个综合性防盗方案,它是由PIC单片机、传感器网络、声光报警电路及其它附属电路构成的新型综合控制的分布式防盗报警系统。由于该系统采用了传感器网络采集信号、经PIC单片机综合分析后发出报警信号,所以它能使系统的误报率有效降低,并使系统的可靠性大为增加.因而在

2、家居,工厂,仓库,商店及金融等部门的安防设备市场极具发展前景。文章简要介绍了各种防盗产品及做了部门防盗分析,阐述了系统的工作原理,介绍了软件的设计思想,并给出了主程序的流程图。本文在分析比较国内及国外现有各种防盗报警器技术特点的基础上,以PIC 单片机控制技术为主要核心,开发出一款新型的商用防盗报警器,在商用防盗报警器性价比的改善上取得了一定的进展。关键词 PIC单片机;传感器网络;RS485总线;分布式防盗报警系统 AbstractIts an intergrated burgla-proof system,consisting of PIC and other accessory circ

3、uits,which forms a distributed comprehensively controlling system of burgar alarm。It applies transducer-network to recieve and collect singles and then sends out a warning after a series of comprehensive analysis of microcontroller,both of which enablethe system to greating decreasa the error rate a

4、nd improve its reliabiliy with these merits,it will have a promising development future in the market of its application in families ,factories,warnehouses,stores,finance companies and so on.this article introduces briefly various anti-theft products and burglary,elaborates the working principles of

5、 this system ,presents the design theory of the software and drow a flow chart of the main procedure.文档为个人收集整理,来源于网络文档为个人收集整理,来源于网络Key Words:PIC microcontroller;transducernetwork;RS485 line; Distributed antitheft alarm system目 录前言4第一章 防盗产品及部门防盗需求分析62.1防盗产品的现状分析62.2防盗需求分析7第二章 相关技术及器件的基本介绍93.1传感器的基本知识

6、103。2 PIC系列单片机介绍113.3 RS485总线介绍12第三章 防盗报警系统方案设计123。1硬件系统总体设计123。1.1传感器网络设计133.1。2信号处理电路的设计143.1.3下位分机及其附属电路设计153。1.4上位主机及其附属电路设计153.2软件系统总体设计16第四章 结论17参考文献18前言目前,我国市场上的家用防盗报警器种类繁多,功能不一,其中既有进口的,也有国产的。进口产品虽说在性能参数上占有优势,但其价格往往较高;国内产品在价格水平上占有优势,但其性能又常常较低,消费者经常会因在进口产品和国内产品之间取舍两难而伤神。因此,开发性价比较高的国产新型家用防盗报警器就

7、具有了广阔的市场前景和突出的实用意义.本文在分析比较国内外现有家用防盗报警器技术特点的基础上,以PIC 单片机控制技术为核心,开发出一款新型的家用防盗报警器,在家用防盗报警器性价比的改善上取得了一定的突破1设计的目的在于明确设计课题的具体要求,通过查阅资料,了解各种方案的优缺点。同时,结合自己所学的专业知识,取长补短,提出相应的的实现方案。因此,调研是一项非常重要的工作。在调研过程中,需要完成两项主要工作。第一,熟练地进行文献资料检索与查询,即了解国内外与设计课题相关的先进技术和发展趋势;了解现有常用技术、方案的优缺点;了解与设计课题有关的硬件、软件开发的思路。第二,针对问题,提出解决的方案:

8、学生需要认真分析各种技术、方案的优缺点,并通过独立思考,提出自己的实现方案。我选择的设计课题是“基于PIC系列单片机的防盗系统设计”。我们知道,随着社会的进步,家居,工厂,仓库,商店及金融等部门设施越来越好,里面经常放置特别重要的物品。但是,这些设备大都缺乏系统的保护措施,使得贵重设备被盗事件常有发生。这给正常的人们社会活动带来了很大的不便,同时也会给国民经济带来很大的损失。因此,设计一个合理的、性价比高的设备保护方案,对于保证国民经济活动正常进行具有非常重要的意义。在调研过程中,我按照调研任务的基本要求,完成了以下工作:首先,介绍了防盗的相关技术及所用器件;然后,结合常见盗窃案件的特点和设计

9、课题的基本要求,提出了“基于PIC系列单片机的防盗系统设计”的设计方案。第一章 防盗产品及防盗需求分析1.1防盗产品的现状分析随着微电子技术、通信技术的飞速发展,现代防盗产品已经取得了巨大的发展和进步。现有报警设备主要朝两个方面发展,其一是探测器技术和探测器的发展;其二是远程报警系统的发展。探测器的发展主要出现了被动红外传感器、超声波传感器、微波传感器和振动传感器等.远程报警系统主要有有线式报警系统、无线式报警系统,报警联防网络等。这些设备、系统大都具有高智能功能化、低功耗等特点.分析市场上现有的防盗产品,主要存在两大类:第一类是基于微动开关的简单防盗产品.它的原理是使用微动开关作为触发开关,

10、当被保护的物品被非法触碰、非法移动或损坏时电路闭合,电流(或电压)经放大电路驱动所带的扬声器发出警报.这类产品只是单纯依靠硬件电路来实现,电路简单,但容易遭到损坏,且误报率高,布防撤防比较麻烦,使得防盗系统的安全系数大大降级,这导致很多人不愿意使用这种防盗报警系统。第二类是采用单片机技术、传感器技术、无线通信技术的设计的智能化防盗系统.从规模上来看,这类系统又可以分为三种,即小规模、中规模和大规模防盗报警系统。一,小规模报警系统:例如无线式系统.这类系统的基本原理是采用单一传感器或微动开关来监测设备,当检测到有盗贼侵入时,无线通信模块发出相应的信号通知相关人员,并发出警报。这类系统具有安装方便

11、、简单的特点,但它的覆盖面小,误报率高,使用场合受到一定限制。二,中规模报警系统:例如闭路电视监控系统、智能监控系统。这类系统的报警功能、各技术指标和系统性能与真正的报警系统相差不少.同时该系统缺乏良好的人机界面和管理功能,所以应用受到限制。国内市场上的比较常见的该类产品有康比特电子技术研究所生产的CPT302传呼报警系统,中国金辰安全技术公司研制的TWA防盗报警系统。三,大规模报警系统:例如微机监控系统.其基本原理是在监控现场安装各类传感器采集信号,当有异常情况发生时,传感器将采集到的信号经信号处理电路处理,然后送入单片机,单片机对信号进行分析,并决定是否启动报警电路报警.这类系统采用了单片

12、机,便于进行数据处理、分析。但是,该类报警系统大多数只采用了一种传感器来采集信号,由于灵敏度或外界环境影响,容易发生误报。同时,现有的该类产品只能单独使用,不便于构成防盗网络,不便于总体控制,也不能实现大范围覆盖。2当前,世界上最为前沿的防盗方案是基于单片机、传感器的具有自组网功能的防盗系统.该类系统使用了蓝牙等技术,它用许多传感器探测器来进行现场监控,各传感器探测器通过发射高频波自发的组成一个监控网络.它们之间可以相互交换信息。一旦有异常情况,将向上级防盗中心汇报,同时进行声光报警。该系统采用了传感器融合技术、短距离通信技术(WiFi或蓝牙),它具有误报率低、组网迅速、监控节点添加方便等优点

13、.但它价格昂贵,且技术不够成熟,距离正式商用还有一段距离.不过现阶段已在安保要求较高的场合使用,很具发展前途.1。2防盗需求分析现在的工厂,商店,银行大多采用高科技设备,各种贵重仪器广泛分布在厂区。已有的防盗体系多以人员巡逻为主,同时辅以防盗门、防盗窗等简单防盗设施。该防盗体系不能及时发现警情,缺乏主动性,无法有效防范盗窃事件的发生。因此,为了能够设计出一个合理的仪器设备保护方案,我们需要对现有的工厂,商店,银行等资源及盗窃案件的特点进行具体分析。工厂的硬件资源基本上有三类:第一,车间。这里面包括作业流水线、功放、各种仪器设备等.第二,仓库.这里面储存着待加工的产品,办成品,和成品,需重点保护

14、。第三,数据管理室。涵盖着员工各方面的资料,公司业绩,甚至商业秘密,也需要重点进行保护。商店的硬件资源设备主要有两类:第一,商品。大型超市里面包含了大量贵重商品,如黄金和一些奢侈商品,需要重点进行防护。第二,电脑,收银台等。这些设备虽然看上去不是很贵重,但一旦让犯罪分子在收银台里面做手脚,则会造成刷卡吸金等犯罪.所以,要非常重点的保护。银行的硬件资源设备主要有三类:第一,银行内部电脑。这里面还有着广大存户的各种信息,一旦泄露,后果不堪设想,所以要采取最高的防护措施。第二,ATM取款机。犯罪份子经常在ATM取款机上做手脚,复制用户的卡,窃取用户的密码。第三,银行内部账本,银库。这是防护的重中之重

15、,也要重点进行保护。总体来看,它们均具有离散分布、范围广、数量大的特点。从接到报案的世界和破获的案件来看,绝大多数案件发生在清晨7点到九点报案,夜晚很少有人报案,因此案发时间大多在凌晨1至5时关于作案手段.大多采用撬棍、螺丝刀等撬压工具强行破坏门锁入室盗窃.二是用特殊工具扭锁芯开门或用软物塞锁芯开门行窃.因作案工具小巧易带,难以被人觉察,开门动作无声响、省时,如同钥匙开门,极易得手.三是作案人多为惯犯,结伙作案。作案人作案时往往衣冠楚楚,团伙成员望风、破门开锁、入室行窃分工明确,且多使用手机等通讯工具联络,作案得手后迅速乘坐交通工具逃离现场,具有较强的隐蔽性。四是入室盗窃案件很容易转化成抢劫案

16、件,对事主生命安全造成威胁。以商店发生的各种盗窃案件为例,可以发现它主要呈现以下特点:大型贵重物品的零配件被盗多于整体被盗(如电脑多是其内部的CPU、内存被盗,被修改数据);白天、晚上发生盗窃的次数基本相同;失窃事件有一部分是因人员疏忽造成(忘记关门窗等)。针对入室盗窃发生的特点,要做到以防为主,多措并举,狠抓犯罪预防工作。但由于市场上的防盗产品大多数是独立工作的,只能进行小范围的覆盖,而可行的防盗方案需要实现对商店的全范围覆盖。鉴于此,我们需要设计一个综合控制的分布式防盗系统.该系统需要集信号采集、数据分析、数据处理、报警控制于一体。同时,又要便于进行大范围安装布置以及撤除。这样才能实现报警

17、系统的分散控制和集中管理。当然,考虑到商店里不同的设施需要不同的传感器进行监测,因此在系统设计时,要尽量照顾到所有的设施。做到全面监控,又要做到重点监控。第二章 相关技术及器件的基本知识2。1传感器的基本知识国家标准 GB766587 对传感器下的定义是:“ 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成 ” 。传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。在高度发展的现代工业中,现代测试技术向数字化、信息化方向发展已成必然趋

18、势,而测试系统的最前端是传感器,它是整个测试系统的灵魂。传感器有很多种类,但在防盗报警系统中,使用最多的是热释电红外传感器和振动传感器。热释电红外线传感器(Pyroelectric Infrared Radial Sensor)是由一种高热电系数的材料,制成的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件,并将两个探测元件以反极性串联,以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号,经装在探头内的场效应管放大后向外输出.为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离,一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜。由于人体辐射的红外线中心波长为910um,而探测元件

19、的波长灵敏度在0。220um范围内几乎稳定不变。而传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口,这个滤光片可通过光的波长范围为710um,正好适合于人体红外辐射的探测,这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线的器件。其优点是:本身不发任何类型的辐射,器件功耗很小,隐蔽性好。价格低廉.缺点:1.容易受各种热源、光源干扰2.被动红外穿透力差,人体的红外辐射容易被遮挡,不易被探头接收。3.易受射频辐射的干扰。4.环境温度和人体温度接近时,探测和灵敏度明显下降,有时造成短时失灵. 抗干扰性能:1。防小动物干扰探测器安装在推荐地使用高度,对探测范围内地面上地小动物,一般不产生报警。2.抗电磁干扰探测器的抗

20、电磁波干扰性能符合GB10408中4。6。1要求,一般手机电磁干扰不会引起误报。3。抗灯光干扰探测器在正常灵敏度的范围内,受3米外H4卤素灯透过玻璃照射,不产生报警。振动传感器(vibration transducer)是将振动信号(加速度、速度及位移)转换成电信号的装置,振动传感器在测试技术中是最关键部件之一,它的作用主要是将机械量接收下来,并转换为与之成比例的电量。振动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量,而是将原始要测的机械量做为振动传感器的输入量M,然后由机械接收部分加以接收,形成另一个适合于变换的机械量N,最后由机电变换部分再将N变换为电量E,因此一个传感器的工作性能是由机械

21、接收部分和机电变换部分的工作性能来决定的。在防盗系统中常用的是机械式振动传感器和压电式振动传感器。由于前者容易腐蚀,所以日渐被后者取代。32。2 PIC系列单片机介绍PIC系列单片机采用哈佛总线结构和精简指令集技术。它集成了上电复位电路、I/O引脚上拉电路、看门狗定时器、AD转换器等,可以最大限度的减少或避免外接器件。同时,它还具有功耗低、指令简单、驱动能力强的优点,因此非常适合用来做为防盗系统的控制主机。它有以下几个主要的特点1)PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积,而是从实际出发,重视产品的性能与价格比,靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言,不同的应用对单片机功能和资源的需求

22、也是不同的。其中,PIC12C508单片机仅有8个引脚,是世界上最小的单片机。2)精简指令使其执行效率大为提高。PIC系列8位CMOS单片机具有独特的RISC结构,数据总线和指令总线分离的哈佛总线(Harvard)结构,使指令具有单字长的特性,且允许指令码的位数可多于8位的数据位数,这与传统的采用CISC结构的8位单片机相比,可以达到2:1的代码压缩,速度提高4倍。3) 产品上市零等待(Zero time to market)。采用PIC的低价OTP型芯片,可使单片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市。4)PIC有优越开发环境。OTP单片机开发系统的实时性是一个重要的指标,象普通51单片机

23、的开发系统大都采用高档型号仿真低档型号,其实时性不尽理想。PIC在推出一款新型号的同时推出相应的仿真芯片,所有的开发系统由专用的仿真芯片支持,实时性非常好。5) 其引脚具有防瞬态能力,通过限流电阻可以接至220V交流电源,可直接与继电器控制电路相连,无须光电耦合器隔离,给应用带来极大方便。6) 彻底的保密性。PIC以保密熔丝来保护代码,用户在烧入代码后熔断熔丝,别人再也无法读出,除非恢复熔丝。目前,PIC采用熔丝深埋工艺,恢复熔丝的可能性极小。7) 自带看门狗定时器,可以用来提高程序运行的可靠性。8) 睡眠和低功耗模式。虽然PIC在这方面已不能与新型的TIMSP430相比,但在大多数应用场合还

24、是能满足需要的。42.3 RS485总线介绍RS485总线标准是两个行业协会共同制定和开发的,即EIA电子工业协会和TIA通讯工程协会。它是一种多发送器的差模传输标准,允许在双绞线上一个发送器驱动256个负载设备。该设备可以是被动发送器、接收器或收发器.电路结构是在平衡连接电缆的两端有终端电阻,在平衡电缆上挂发送器、接收器。RS485总线没有规定在何时控制发送器和接收器数据的规则,因此需要自己拟定传输的协议。由于该总线带负载能力强,与单片机的接口电路简单,数据传输速率快,所以它非常适合作为骨干网,用来构成一个大范围的完整的防盗报警网络。第三章 防盗报警系统方案设计3。1硬件系统总体设计结合以上

25、分析,提出了以下设计方案.该方案主要由下位分机模块和上位主机模块两部分组成。下位分机模块主要包括下位分机、传感器网络、信号处理电路、声光报警电路、复位电路、ID设置模块、RS485总线接口电路。上位主机模块主要包括上位主机、盗情显示电路、语音提示电路、总线接口电路.下位分机模块负责信号采集、处理,信息汇总、分析,现场声光报警.下位分机模块的下位分机可以接收多达8个传感器的检测信号,即一片单片机最多可实现对8个不同区域的监测.上位主机模块主要实现对下位分机的监控管理。上位主机对下位分机进行扫描,当有报警信号时,下位分机上报警情,上位主机发出语音提示,并显示盗情发生的位置,提示工作人员及时处理警情

26、。下位分机和上位主机之间通过RS485总线联系起来。RS485总线最多可挂接256个下位分机。这样,该系统可以实现对2568=2048个不同区域的监控。因此,该系统可以实现全范围覆盖.5信号处理电路CPU下位分机传感器1传感器8复位电 路CPU上位主机RS485总线盗情显示电 路声光报警电 路语音提示电 路上位主机模块下位分机模块ID设置. . . . . .3.1。1传感器网络设计现在的防盗系统大多是基于单传感器单片机控制的声光报警系统,用单一传感器进行信号采集会产生比较大的误差。这主要是因为传感器受环境、温度等影响比较严重,为了降低其影响,我们决定用多个传感器进行信号采集.信号经处理电路处

27、理以后,输入单片机。单片机对所有的信号进行处理,并据此采取进一步的措施.这里初步决定使用压电振动传感器和被动式热释电红外传感器构成传感器网络。被动式热释电红外传感器主要用来检测监控区域内是否有人非法进入,如果有人非法进入,则有信号产生;压电式振动传感器主要用来检测被监控的物品是否被非法移动,如果被非法移动,则有信号产生.当两个传感器都有信号输出时,说明有盗窃事件产生.与使用单一传感器的设计的防盗系统(例如被动式热释电红外传感器)相比,这种系统受外界环境的变化影响不大,准确报警率得到大大提高。6压电式振动传感器1信号处理电路被动式热释电红外传感器信号处理电路CPU监测主机压电式振动传感器7. .

28、 . . . .信号处理电路OUT以某个房间为例,简述传感器的安装步骤:首先,整个房间安装一个被动式热释电红外传感器,它用于监测是否与人非法进入房间;接着,针对房间内需要保护的设备的个数,安装数量不等的振动传感器(不一定是7个),它用于监测设备的非正常移动.当监测主机检测出红外传感器有信号输出,且其它振动传感器至少有一个有信号输出时,产生报警信号。3。1。2信号处理电路的设计信号处理电路的主要功能是对传感器采集的信号进行放大、滤波和整形处理。由于传感器的输出信号幅度很小,波形抖动比较厉害,所以对信号处理电路要求比较高.这里我们暂定两种方案,第一种是离散电路,即RC低通滤波电路、放大电路、延迟电

29、路、比较电路组成。第二种是采用现成的具有信号处理功能的集成芯片来完成此项工作。这里我打算采用第二种方案。我是用的芯片是BIS0001,它由运算放大器、电压比较器、延迟时间定时器、封锁时间定时器、状态控制器等部分构成。之所以采用它,主要是考虑到由集成芯片构成的处理电路灵敏度高,能够较好的克服环境因素对信号的影响,降低误报率。3.1.3下位分机及其附属电路设计该电路是现场监控模块的核心电路。它主要包括声光报警电路,ID设置电路,复位电路、RS485总线接口电路等。通过这些附属电路实现了下位分机的现场声光报警功能。同时,由于设置了主机ID,为以后的下位机与上位机的通信提供了条件。经处理过的输出信号C

30、PU下位分机语音报警电路光报警电路复位电路ID设置电路RS485总线接口电路复位电路用于程序陷入死循环时的主机复位,使其跳出死循环;声光报警电路初步设计使用由555定时器、扬声器、普通发光二极管组成的报警电路;ID设置电路用于设置监测主机的识别码,用于区分众多的监测主机,实现上位机与下位机的即时通信;接口电路用于实现下位机与RS485总线的互联。73。1.4上位主机及其附属电路设计 上位主机模块主要包括盗情显示电路、语音提示电路、复位电路、RS485总线接口电路.其主要功能是完成对校园内所有现场监测主机(下位分机)的总体监控和管理.当有警情发生时,下位机通过RS485总线上报警情,上位机检测到

31、警情后,驱动语音提示电路工作,提醒工作人员及时处理警情。同时,发生警情的具体位置编号将通过上位机的盗情显示电路显示出来。CPU上位机盗情显示电 路下位主机1下位主机2下为主机3语音提示电 路RS485总线复位电路RS485线接口电路 3.2软件系统总体设计通过以上分析,我们知道该防盗系统主要由下位分机模块和上位主机模块两部分组成。因此,软件的编写也需要独立编写。根据模块化的程序设计思想,我将程序分为中断程序和通信协议两大部分。程序编写主要采用汇编语言,同时适当辅以其它高级语言。这样,编写出来的程序更简洁、更高效。下位分机模块主要编写中断程序。其主要功能是实现声光报警。即传感器检测到异常情况时,

32、单片机执行中断程序,输出信号,驱动电路发出声光报警。上位主机模块主要定义通信协议,同时也需要一些中断程序。这里的中断程序用来实现盗情显示和语音提示.当然,最重要的是通信协议的定义.该系统是基于RS485总线的网络系统,但RS485标准没有规定在何时控制发送器收发数据,也没有规定通信的协议,所以要自定制通信协议.上位主机采用异步串行通信模式与下位分机模块通信.主机依次轮询下位分机,并对分机发送的信息进行分析,主机根据协议判断数据帧是否有效。若有效,则道情显示电路显示盗情发生的位置,同时语音提示监控室人员。第四章 结论通过这次设计,我掌握了现在常见防盗器的基本原理、典型电路。同时还分析了各种防盗器

33、的优缺点。通过反复思考比较,发现现有防盗系统主要存在两大缺点:第一,误报率较高;第二,独立使用,不能实现统一监控和大范围覆盖。前者主要受制于传感器的灵敏度问题,后者主要是由现有防盗器的市场定位(只针对单一物品,如贵重家电防盗器、电动车防盗器)造成的。由于工厂,商店,银行等防盗系统需要具备“分布放置和集中监控“的特殊需求,因此,需要有一个综合性的防盗方案。鉴于此,提出了“基于PIC系列单片机的防盗系统设计”。该方案使用多种传感器网络采集现场信号,大大降低了误报率;使用RS485总线将主控模块与现场控制模块连接起来,实现了数据的自由交换、统一控制.当然,该设计只是大概描述了该方案的总体设计思路,以

34、及各模块需要完成的基本功能。至于各模块究竟如何具体实现,以及如何继续完善方案,需要进一步的思考、探索。因此,以后的工作重要而艰巨。 参考文献1罗庆生,崔芳杰.以PIC单片机控制技术为核心的新型防盗报警器。电子技术,2004,9:50512欧阳林群.基于多传感器融合技术的防盗报警系统J。武夷学院学报,2008,27(2):5255。3房汉雄,王艳春。基于51系列单片机的被动式热释电型红外防盗报警器的设计J.齐齐哈尔大学学报,2008,24(1):41424陈国先。PIC系列单片机原理与接口技术M.北京:电子工业出版社,2004.197201。5来清民。传感器与单片机接口及实例M.北京:北京航空航天大学出版社,2008。2132446涂凌志。智能防盗网络报警系统的研制D:硕士学位论文。天津:天津大学,20037徐卓农.基于公用电话网络远程报警系统的研究与开发D:硕士学位论文。长沙:中南大学,2003第19页 共18页

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