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实验室再流焊温度控制
目录
1绪论1
2设计理论基础1
2.1再流焊1
2.1.1再流焊设备的发展1
2.1.2温度曲线的建立2
2.1.3影响再流焊加热不均匀的主要因素4
2.1.4再流焊相关焊接缺陷的原因分析4
2.2单片机5
2.2.1单片机温度控制系统方案简介5
2.2.2AT89C51系列单片机介绍6
2.2.3AT89C51系列引脚功能7
2.3ADC0809模数转换器9
2.4移位寄存器74LS16411
2.5数码显示管LED11
2.6温度传感器PTJ40112
3系统硬件设计13
3.1单片机控制单元13
3.2温度采样部分14
3.3A/D转换14
3.4显示部分16
3.5键盘接口17
3.6控制电路18
4系统软件设计20
4.1主程序流程图20
4.2控制子程序20
4.3A/D转换子程序21
4.4显示流程图22
4.5键盘子程序23
5总结24
致谢25
参考文献26
附录27
1.系统总程序清单27
2系统原理图34
1绪论
再流焊是预先在PCB(PrintedCircuitBoard)板的焊接部位(焊盘)放置适量和适当形式的焊料,然后贴放表面组装元器件,经固化(在采用焊膏时)后,再利用外部热源使焊料再次流动达到焊接目的的一种成组或逐点焊接工艺。
只要设置合适的再流焊设备的各区温度,几乎能完全满足各类表面组装元器件对焊接的要求,实现可靠的连接。
但目前在国内还没有建立再流焊接温度场的模型,仍采用反复试验的方法制定再流焊接工艺,造成了巨大的财力和人力的浪费。
用ANSYS软件,根据所用Pb63Sn37钎料的性能,分析了获得良好焊点性能的再流焊温度曲线;利用传热学的理论,将再流焊中红外加热转化为对流加热,结合再流焊设备对PCAs(PrintedCircuitAssemblis)加热的实际物理过程,建立了红外热风再流焊方法的传热数学模型;根据再流焊设备的尺寸,结合获得良好性能产品的再流焊焊膏熔化温度曲线的要求,建立了再流焊传输带速度(v)和再流焊各加热温区功能的模型。
本设计使用单片机作为核心进行再流焊的温度控制。
单片机具有集成度高,通用性好,功能强,特别是体积小,重量轻,耗能低,可靠性高,抗干扰能力强和使用方便等独特优点,在数字、智能化方面有广泛的用途。
本系统所使用的单片机AT89C51有128K的RAM,使温度控制大为简便。
2设计理论基础
2.1再流焊
再流焊接是表面贴装技术(SMT)特有的重要工艺,焊接工艺质量的优劣不仅影响正常生产,也影响最终产品的质量和可靠性。
因此对再流焊工艺进行深入研究,并据此开发合理的再流焊温度曲线,是保证表面组装质量的重要环节
2.1.1再流焊设备的发展
在电子行业中,大量的表面组装组件(SMA)通过再流焊机进行焊接,目前再流焊的热传递方式经历了远红外线—全热风—红外热风三个阶段。
⑴远红外再流焊
八十年代使用的远红外再流焊具有加热快、节能、运行平稳的特点,但由于印制板及各种元器件因材质、色泽不同而对辐射热吸收率有很大差异,造成电路上各种不同元器件以及不同部位温度不均匀,即局部温差。
例如集成电路的黑色塑料封装体上会因辐射吸收率高而过热,而其焊接部位——银白色引线上反而温度低产生假焊。
另外,印制板上热辐射被阻挡的部位,例如在大(高)元器件阴影部位的焊接引脚或小元器件就会因加热不足而造成焊接不良。
⑵全热风再流焊
全热风再流焊是一种通过对流喷射管嘴或者耐热风机来迫使气流循环,从而实现被焊件加热的焊接方法。
该类设备在90年代开始兴起。
由于采用此种加热方式,印制板和元器件的温度接近给定的加热温区的气体温度,完全克服了红外再流焊的温差和遮蔽效应,故目前应用较广。
在全热风再流焊设备中,循环气体的对流速度至关重要。
为确保循环气体作用于印制板的任一区域,气流必须具有足够快的速度。
这在一定程度上易造成印制板的抖动和元器件的移位。
此外,采用此种加热方式就热交换方式而言,效率较差,耗电较多。
⑶红外热风再流焊
这类再流焊炉是在IR炉基础上加上热风使炉内温度更均匀,是目前较为理想的加热方式。
这类设备充分利用了红外线穿透力强的特点,热效率高,节电,同时有效克服了红外再流焊的温差和遮蔽效应,并弥补了热风再流焊对气体流速要求过快而造成的影响,因此这种IR+Hot的再流焊目前在国际上是使用得最普遍的。
随着组装密度的提高、精细间距组装技术的出现,还出现了氮气保护的再流焊炉。
在氮气保护条件下进行焊接可防止氧化,提高焊接润湿力,加快润湿速度,对未贴正的元件矫正力大,焊珠减少,更适合于免清洗工艺。
可靠的连接。
2.1.2温度曲线的建立
温度曲线是指SMA通过回流炉时,SMA上某一点的温度随时间变化的曲线。
温度曲线提供了一种直观的方法,来分析某个元件在整个回流焊过程中的温度变化情况。
这对于获得最佳的可焊性,避免由于超温而对元件造成损坏,以及保证焊接质量都非常有用。
以下从预热段开始进行简要分析。
⑴预热段
该区域的目的是把室温的PCB尽快加热,以达到第二个特定目标,但升温速率要控制在适当范围以内,如果过快,会产生热冲击,电路板和元件都可能受损;过慢,则溶剂挥发不充分,影响焊接质量。
由于加热速度较快,在温区的后段SMA内的温差较大。
温度最高不要超过120℃。
⑵保温段
保温段是指温度从120℃-150℃升至焊膏熔点的区域。
其主要目的是使SMA内各元件的温度趋于稳定,尽量减少温差。
在这个区域里给予足够的时间使较大元件的温度赶上较小元件,并保证焊膏中的助焊剂得到充分挥发。
到保温段结束,焊盘、焊料球及元件引脚上的氧化物被除去,整个电路板的温度达到平衡。
应注意的是SMA上所有元件在这一段结束时应具有相同的温度,否则进入到回流段将会因为各部分温度不均产生各种不良焊接现象。
⑶回流段
在这一区域里加热器的温度设置得最高,使组件的温度快速上升至峰值温度。
在回流段其焊接峰值温度视所用焊膏的不同而不同,一般推荐为焊膏的溶点温度加20-40℃。
对于熔点为183℃的63Sn/37Pb焊膏和熔点为179℃的Sn62/Pb36/Ag2焊膏,峰值温度一般为210-230℃,再流时间不要过长,以防对SMA造成不良影响。
理想的温度曲线是超过焊锡熔点的“尖端区”覆盖的面积最小。
⑷冷却段
这段中焊膏内的铅锡粉末已经熔化并充分润湿被连接表面,应该用尽可能快的速度来进行冷却,这样将有助于得到明亮的焊点并有好的外形和低的接触角度。
缓慢冷却会导致电路板的更多分解而进入锡中,从而产生灰暗毛糙的焊点。
在极端的情形下,它能引起沾锡不良和减弱焊点结合力。
冷却至75℃即可。
图2-1再流焊的温度流程
测量再流焊温度曲线时需使用温度曲线测试仪(以下简称测温仪),其主体是扁平金属盒子,一端插座接着几个带有细导线的微型热电偶探头。
测量时可用焊料、胶粘剂、高温胶带固定在测试点上,打开测温仪上的开关,测温仪随同被测印制板一起进入炉腔,自动按内编时间程序进行采样记录。
测试记录完毕,将测试仪与打印机连接,便可打印出多根各种色彩的温度曲线。
测温仪作为SMT工艺人员的眼睛与工具,在国外SMT行业中已被相当普遍地使用。
在使用测温仪时,应注意以下几点:
测定时,必须使用已完全装配过的板。
首先对印制板元器件进行热特性分析,由于印制板受热性能不同,元器件体积大小及材料差异等原因,各点实际受热升温不相同,找出最热点、最冷点,分别设置热电偶便可测量出最高温度与最低温度。
尽可能多设置热电偶测试点,以求全面反映印制板各部分真实受热状态。
例如印制板中心与边缘受热程度不一样,大体积元件与小型元件热容量不同及热敏感元件都必须设置测试点。
热电偶探头外形微小,必须用指定高温焊料或胶粘剂固定在测试位置,否则受热松动,偏离预定测试点,引起测试误差。
所用电池为锂电池与可重复充电镍镉电池两种。
结合具体情况合理测试及时充电,以保证测试数据准确性。
再流焊是预先在PCB(PrintedCircuitBoard)板的焊接部位(焊盘)放置适量和适当形式的焊料,然后贴放表面组装元器件,经固化(在采用焊膏时)后,再利用外部热源使焊料再次流动达到焊接目的的一种成组或逐点焊接工艺。
只要设置合适的再流焊设备的各区温度,几乎能完全满足各类表面组装元器件对焊接的要求,实现可靠的连接。
但目前在国内还没有建立再流焊接温度场的模型,仍采用反复试验的方法制定再流焊接工艺,造成了巨大的财力和人力的浪费。
用ANSYS软件,根据所用Pb63Sn37钎料的性能,分析了获得良好焊点性能的再流焊温度曲线;利用传热学的理论,将再流焊中红外加热转化为对流加热,结合再流焊设备对PCAs(PrintedCircuitAssemblis)加热的实际物理过程,建立了红外热风再流焊方法的传热数学模型;根据再流焊设备的尺寸,结合获得良好性能产品的再流焊焊膏熔化温度曲线的要求,建立了再流焊传输带速度(v)和再流焊各加热温区功能的模型。
2.1.3影响再流焊加热不均匀的主要因素
在SMT再流焊工艺造成对元件加热不均匀的原因主要有:
再流焊元件热容量或吸收热量的差别,传送带或加热器边缘影响,再流焊产品负载等三个方面。
⑴通常PLCC、QFP与一个分立片状元件相比热容量要大,焊接大面积元件就比小元件更困难些。
⑵在再流焊炉中,传送带在周而复始传送产品进行再流焊的同时,也成为一个散热系统。
此外在加热部分的边缘与中心散热条件不同,边缘一般温度偏低,炉内除各温区温度要求不同外,同一载面的温度也有差异。
⑶产品装载量不同的影响。
再流焊的温度曲线的调整要考虑在空载、负载及不同负载因子情况下能得到良好的重复性。
负载因子定义为:
LF=L/(L+S);其中L=组装基板的长度,S=组装基板的间隔。
再流焊工艺要得到重复性好的结果,负载因子愈大愈困难。
通常再流焊炉的最大负载因子的范围为0.5-0.9。
这要根据产品情况(元件焊接密度、不同基板)和再流炉的不同型号来决定。
要得到良好的焊接效果和重复性,实践经验是很重要的。
2.1.4再流焊相关焊接缺陷的原因分析
⑴桥联
焊接加热过程中也会产生焊料塌边,这个情况出现在预热和主加热两种场合,当预热温度在几十至一XX范围内,作为焊料中成分之一的溶剂即会降低粘度而流出,如果其流出的趋势是十分强烈的,会同时将焊料颗粒挤出焊区外的含金颗粒,在熔融时如不能返回到焊区内,也会形成滞留的焊料球。
除上面的因素外,SMD元件端电极是否平整良好,电路线路板布线设计与焊区间距是否规范,阻焊剂涂敷方法的选择和其涂敷精度等都会是造成桥联的原因。
⑵立碑(曼哈顿现象)
片式元件在遭受急速加热情况下发生的翘立,这是因为急热使元件两端存在温差,电极端一边的焊料完全熔融后获得良好的湿润,而另一边的焊料未完全熔融而引起湿润不良,这样促进了元件的翘立。
因此,加热时要从时间要素的角度考虑,使水平方向的加热形成均衡的温度分布,避免急热的产生。
防止元件翘立的主要因素有以下几点:
选择粘接力强的焊料,焊料的印刷精度和元件的贴装精度也需提高;
元件的外部电极需要有良好的湿润性和湿润稳定性。
推荐:
温度40℃以下,湿度70%RH以下,进厂元件的使用期不可超过6个月;采用小的焊区宽度尺寸,以减少焊料熔融时对元件端部产生的表面张力。
另外可适当减小焊料的印刷厚度,如选用100μm;
焊接温度管理条件设定也是元件翘立的一个因素。
通常的目标是加热要均匀,特别在元件两连接端的焊接圆角形成之前,均衡加热不可出现波动。
⑶润湿不良
润湿不良是指焊接过程中焊料和电路基板的焊区(铜箔)或SMD的外部电极,经浸润后不生成相互间的反应层,而造成漏焊或少焊故障。
其中原因大多是焊区表面受到污染或沾上阻焊剂,或是被接合物表面生成金属化合物层而引起的。
譬如银的表面有硫化物、锡的表面有氧化物都会产生润湿不良。
另外焊料中残留的铝、锌、镉等超过0.005%以上时,由于焊剂的吸湿作用使活化程度降低,也可发生润湿不良。
因此在焊接基板表面和元件表面要做好防污措施。
选择合适的焊料,并设定合理的焊接温度曲线。
2.2单片机
单片机是单片微型计算机SCM(singlechipmicro-computer)的译名简称,在国内也常简称为“单片机”。
它包括中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器、串行口和I/O等等。
单片机主要应用于工业控制领域,用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。
它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点,单片微型计算机(简称单片机)是微型计算机的一个重要分支,也是一种非常活跃和颇具生命力的机种,特别适合用于智能控制系统。
2.2.1单片机温度控制系统方案简介
单片机温度控制系统是数控系统的一个简单应用。
在冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各类工业中,广泛使用着加热炉、热处理炉、反应炉等,因此,温度是工业对象中一个主要的被控参数。
由于炉子的种类不同,因而所使用的燃料和加热方法也不同,例如煤气、天然气、油、电等;由于工艺不同,所需要的温度高低不同,因而所采用的测温元件和测温方法也不同;产品工艺不同,控制温度的精度也不同,因而对数据采集的精度和所采用的控制算法也不同。
单片微型计算机的功能不断的增强,为先进的控制算法提供的载体,许多高性能的新型机种应运而生。
本系统所使用的加热炉为电加热炉,炉丝功率为2kw,系统要求炉膛恒温,超调量可能小,温度上升较快且有良好的稳定性.
单片机温度控制系统是以AT89C81单片机为控制核心,辅以采样反馈电路,驱动电路,晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。
其系统结构框图可表示为:
系统采用单闭环形式,其基本控制原理为:
将温度设定值(即输入控制量)和温度反馈值同时送入控制电路部分,然后经过调节器运算得到输出控制量,输出控制量控制驱动电路得到控制电压施加到被控对象上,电炉因此达到一定的温度。
图2-2温度控制原理图
2.2.2AT89C51系列单片机介绍
AT89C51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
而在众多的51系列单片机中,要算ATMEL公司的AT89C51更实用,也是一种高效微控制器,因为它不但和8051指令、管脚完全兼容,而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的,这种工艺的存储器,用户可以用电的方式达到瞬间擦除、改写。
而这种单片机对开发设备的要求很低,开发时间也大大缩短。
AT89C51基本功能描述如下:
AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器,而且在其片种还有4k字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器,能重复写入/擦除1000次,数据保存时间为十年。
它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容,不仅可完全代替MCS-51系列单片机,而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。
AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统,缩小系统体积,增加系统的可靠性,降低了系统成本。
只要程序长度小于4k,四个I/O口全部提供给用户。
可用5V电压编程,而且写入时间仅10毫秒,仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的12V电压擦写相比,不易损坏器件,没有两种电源的要求,改写时不拔下芯片,适合许多嵌入式控制领域。
AT89C51芯片提供三级程序存储器锁定加密,提供了方便灵活而可靠的硬加密手段,能完全保证程序或系统不被仿制。
另外,AT89C51还具有MCS-51系列单片机的所有优点。
128×8位内部RAM,32位双向输入输出线,两个十六位定时器/计时器,5个中断源,两级中断优先级,一个全双工异步串行口及时钟发生器等。
AT89C51有间歇、掉电两种工作模式。
间歇模式是由软件来设置的,当外围器件仍然处于工作状态时,CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态,内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。
这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。
掉电模式是VCC电压低于电源下限,当振荡器停止振动时,CPU停止执行指令。
该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变,一直到掉电模式被终止。
只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后,通过硬件复位、掉电模式可被终止。
2.2.3AT89C51系列引脚功能
AT89C51有40引脚双列直插(DIP)形式。
其与80C51引脚结构基本相同,其逻辑引脚图如图2-1。
图2-3AT89C51逻辑引脚图
各引脚功能叙述如下:
⑴电源和晶振
VCC——运行和程序校验时加+5V
GND——接地
XTAL1——输入到振荡器的反向放大器
XTAL2——反向放大器的输出,输入到内部时钟发生器
(当使用外部振荡器时,XTAL1接地,XTAL2接收振荡器信号)
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
⑵I/O(4个口,32根)
P0口——8位、漏极开路的双向I/O口。
当使用片外存储器(ROM、RAM)时,作地址和数据分时复用。
在程序校验期间,输出指令字节(需加外部上拉电路)。
P0口(作为总线时)能驱动8个LSTTL负载。
P1口——8位、准双向I/O口。
在编程/校验期间,用于输入低位字节地址。
P1口可驱动4个LSTTL负载。
对于80C51,P1.0——T2,是定时器的计数端且位输入;P1.1——T2EX,是定时器的外部输入端。
这时,读两个特殊输入引脚的输出锁存器应由程序置1。
P2口——8位、准双向I/O口。
当使用片外存储器(ROM及RAM)时,输出高8位地址。
在编程/校验期间,接收高位字节地址。
P2口可以驱动4个LSTTL负载。
P3口——8位、准双向I/O口,具有内部上拉电路。
P3口提供各种替代功能。
在提供这些功能时,其输出锁存器应由程序置1。
P3口可以输入/输出4个LSTTL负载。
⑶串行口
P3.0——RXD(串行输入口),输入。
P3.1——TXD(串行输出口),输出。
⑷.中断
P3.2——INT0外部中断0,输入。
P3.3——INT1外部中断1,输入。
⑸定时器/计数器
P3.4——T0定时器/计数器0的外部输入,输入。
P3.5——T1定时器/计数器1的外部输入,输入。
⑹数据存储器选通
P3.6——WR低电平有效,输出,片外存储器写选通。
P3.7——RD低电平有效,输出,片外存储器读选通。
⑺控制线(共4根)
输入:
RST——复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
EA/Vpp——片外程序存储器访问允许信号,低电平有效。
在编程时,其上施加21V的编程电压。
注意:
在加密方式1时,EA将内部锁定为RESET;当EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
输入、输出:
ALE/PROG——地址锁存允许信号,输出。
ALE以1/6的振荡频率稳定速率输出,可用作对外输出的时钟或用于定时。
在EPROM编程期间,作输入,输入编程脉冲(PROG)。
ALE可以驱动8个LSTTL负载。
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
注意:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
输出:
PSEN——片外程序存储器选通信号,低电平有效。
在从片外程序存储器取址期间,在每个机器周期中,当PSEN有效时,程序存储器的内容被送上P0口(数据总线)。
PSEN可以驱动8个LSTTL负载。
2.3ADC0809模数转换器
ADC0809是位A/D转换芯片,它是采用逐次逼近的方法完成A/D转换的。
ADC0809由单+5V电源供电;片内带有锁存功能的8路模拟多路开关,可对8路0~5V的输入模拟电压分时进行转换,完成一次转换约需100µS;片内具有多路开关的地址译码器和锁存器、高阻抗斩波器、稳定的比较器,256电阻T型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器。
ADC0809是引脚双列直插式封装,引脚及其功能(图2-2):
⑴.D7~D0:
8位数字量输出引脚。
⑵.IN0~IN7:
8路模拟量输入引脚。
⑶.VCC:
+5V工作电压。
⑷.GND:
接地。
⑸.REF(+):
参考电压正端。
⑹.REF(-):
参考电压负端。
⑺.START:
A/D转换启动信号输入端。
⑻.A、B、C:
地址输入端。
⑼.ALE:
地址锁存允许信号输入端。
⑽.EOC:
转换结束信号输出引脚,开始转换时为低电平,当转换结束时为高电平。
⑾.OE:
输出允许控制端,用以打开三态数据输出锁存器。
⑿.CLK:
时钟信号输入端,译码后可选通IN0~IN7八个通道中的一个进行转换。
表2-1A、B、C的输入与被选通道的通道关系
被选中的通道
C
B
A
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
图2-4ADC0809脚图
2.4移位寄存器74LS164
移位寄存器74LS164的引脚如图2-6所示:
图2-5移位寄存器74LS164引脚图
74LS164为串行输入、并行输出移位寄存器,其引脚功能如下:
A、B——串行输入端;
Q0~Q7——并行输出端;
——清除端,低电平有效;
CLK——时钟脉冲输入端,上升沿有效。
多片74LS164串联,能实现多位LED静态显示。
每扩展一片164就可增加一位显示。
MR接+5V,不清除。
2.5数码显示管LED
图2-6数码显示管LED引脚图
LED显示器是单片机应用系统中常见的输出器件,而在单片机的应用上也是被广泛运用的。
如果需要显示的内容只有数码和某些字母,使用LED数码管是一种较好的选择。
LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活,与单片机接口简单易行。
LED数码管作为显示字段的数码型显示器件,它是由若干个发光二极管组成的。
当发光二极管导通时,相应的一个点或一个笔画发亮,控制不同组合的二极管导通,就能显示出各种字符,常用的LED数码管有7段和“米”字段之分。
这种显示器有共阳极和共阴极两种。
共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连在一起,通常此共阴极接地。
当某个发光二极
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