自动化1005第一组多花样自动切换地彩灯控制器设计10

学 号： 0121011360531

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课 程 设 计

题 目 多花样自动切换的彩灯控制器设

计

学 院 自动化学院 专 业 自动化专业 班 级 自动化1005

姓 名 指导教师

2012 年 6 月 30 日

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课程设计任务书

学生姓名： 王秀英 专业班级： 自动化1005班 指导教师： 李波、李彬 工作单位： 自动化学院

题 目: 多花样自动切换的彩灯控制器设计 初始条件：

1． 运用所学的模拟电路和数字电路等知识；

2． 用到的元件：实验板、电源、连接导线、74系列芯片、555芯片等。

要求完成的主要任务:

1． 现有8只彩灯，试设计一控制器，要求彩灯能实现如下追逐图案： 2． 第1种花样为彩灯从右到左,然后从左到右逐次点亮,全灭全亮, 3． 第2种花样为彩灯两边同时亮1个逐次向中间移动再散开; 4． 2种花样自动变换,循环往复。时间间隔为1秒。 5． 严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。

时间安排：

第1天 下达课程设计任务书，根据任务书查找资料；

第2～4天 进行方案论证，软件模拟仿真并确定设计方案； 第5天 提交电路图，经审查后领取元器件；

第6～8天 组装电路并调试，检查错误并提出问题；

第9～11天 结果分析整理，撰写课程设计报告，验收调试结果； 第12～14天 补充完成课程设计报告和答辩。

指导教师签名： 2012年 6月25日 系主任（或责任教师）签名： 2012年 6月25日

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目录

摘要 ........................................................................ 1 ABSTRACT .................................................................... 2 1 设计意义及要求 ............................................................ 3 1.1 设计意义 ............................................................. 3 1.2 设计要求 ............................................................. 3 1.2.1 题目 ............................................................ 3

1.2.2 初始条件 ........................................................ 3 1.2.3 要求完成的主要任务 .............................................. 3 2 设计方案 .................................................................. 4 2.1 设计思路 ............................................................. 4 2.2 方案设计 ............................................................. 4 2.2.1 设计方案一 ...................................................... 4

2.2.2 设计方案二 ...................................................... 6 3 电路设计 .................................................................. 7 3.1 时钟电路 ............................................................. 7 3.2 26种码产生器 ........................................................ 7 3.2.1 26种码产生器产生电路 ........................................... 7

3.2.2 74LS161和74HC154芯片介绍 ....................................... 8 3.3 子计数器 ............................................................ 11 3.4 显示模块 ............................................................ 12 3.4.1 显示模块电路 .................................................. 12 3.4.2 74LS138芯片介绍 ................................................ 14 4 调试与检测 ............................................................... 15 4．1 调试中的故障及解决办法 ............................................. 15 4.2 调试与运行结果 ...................................................... 15 5仿真操作步骤及使用说明 ................................................... 16 5.1 各部件说明 .......................................................... 16 5.2 操作说明 ............................................................ 16 结束语 ..................................................................... 17

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参考文献 ................................................................... 18 附件一 ..................................................................... 19 附录二 ..................................................................... 20 附件三 ..................................................................... 21

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摘要

彩灯控制在我们日常生活中十分重要，很多领域都有它的应用。比如霓虹灯的闪烁变换，广告灯的效果，景区装饰灯的变换等。本次课设制作的多花样自动切换的彩灯控制器是其中较简单的，但这仍需要我们的知识的综合运用。

本次课设需要设计一个多花样（二花样）自动切换的彩灯控制器。用555定时器提供周期为1s的时钟脉冲，用两个74LS161和两个74LS154构成5线-32线译码器，使它不断循环产生26种状态，并自动变换。前八种状态通过一个74LS161构成的8进制计数器来控制74LS138译码器来实现彩灯从右往左逐次点亮；第九种到十六种状态通过一个74LS161构成的8进制计数器来控制74LS138译码器来实现彩灯从左往右逐次点亮；第十七和十八种状态通过一个74LS161构成的2进制计数器和一个三态门来控制彩灯全灭和全亮；第十九种到第二十六种状态通过前两个8进制计数器共同控制两片译码器彩灯两边同时亮1个逐次向中间移动再散开。

经试验验证，所设计的多花样（二花样）自动切换的彩灯控制器能实现两种花样，两种花样循环变换。

关键字：二花样、自动变换、时钟脉冲、计算器、译码器

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Abstract

Lamp control is very important in our daily lives, many areas have its application. For example, neon flashing transform, the effect of advertising lights, scenic decoration lights transform. The lesson set for multi-pattern auto switch lantern controller is relatively simple, but it still needs the integrated use of our knowledge. The class set need to design more than one pattern (pattern) automatically switches the lamp controller. 555 timer cycle of the clock pulse 1s line 5 -32 lines of two 74LS161 and two 74LS154 decoder to make it continuous cycle to produce 26 kinds of state, and automatically transform. The first eight to control the status of a 74LS161 octal counter 74LS138 decoder to achieve successive lit lantern from right to left; The ninth of 16 states control of a 74LS161 octal counter 74LS138 decoder to achieve successive lit lantern from left to right; Seventeenth and eighteenth state of a 74LS161 binary counter and a three-state gate to control the the lantern Quanmie and all light; Species of 19 to twenty-six states control two decoder lanterns on both sides at the same time bright a successive move to the middle and then spread through the first two octal counter.

The experiments prove that the design of multi-pattern (pattern) automatically switches the lamp controller to achieve two tricks, two kinds of pattern loop transformation.

Keywords: pattern, automatically change the clock pulse, calculator,

decoder

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1 设计意义及要求

1.1 设计意义

彩灯控制器有着十分重要的应用，所以彩灯控制在我们日常生活中十分重要，很多领域都有它的应用。比如霓虹灯的闪烁变换，广告灯的效果等。本次课设制作的多花样自动切换的彩灯控制器是其中较简单的，这不仅需要我们的知识的综合运用，而且锻炼了我们的实际动手操作能力。

1.2 设计要求

1.2.1 题目：

多花样自动切换的彩灯控制器设计

1.2.2 初始条件：

运用所学的模拟电路和数字电路等知识；

用到的元件：实验板、电源、连接导线、74系列芯片、555芯片等。

1.2.3 要求完成的主要任务:

现有8只彩灯，试设计一控制器，要求彩灯能实现如下追逐图案：

第1种花样为彩灯从右到左,然后从左到右逐次点亮,全灭全亮；第2种花样为彩灯两边同时亮1个逐次向中间移动再散开;2种花样自动变换,循环往复。时间间隔为1秒。

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2 设计方案

2.1 设计思路

用一个555定时器来提供时钟脉冲，通过5线-32线译码器中的26种状态来控制多花样自动切换的彩灯控制器的26种状态，最后由3线-8线译码器来控制8盏彩灯的亮灭。

2.2 方案设计

2.2.1 设计方案一

将多花样自动切换的彩灯控制器设计分成四个模块，每一个模块完成一项功能。多花样自动切换的彩灯控制器设计的四个模块分别为时钟电路，26种码产生器，子计数器，显示模块。设计框图如图2.1；控制器的真值表如表2.1所示。

时 钟 电 路 26种码 产生 器 子 计 数 器 显 示 模 块 图 2.1 系统组成框图

输入状态 输出状态 D4 D3 D2 D1 D0 Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 大全

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1 2 3 4 5 续0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 输入状态 输出状态 表： D4 D3 D2 D1 D0 Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 大全

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 标准文案

表2.1 控制器真值表

由一个555构成时钟电路；由两个74LS161和一个74HC10（三输入与非门）构成26计数器；由两个74HC154和一个非门构成5线-32线译码器；由两片74LS161和两个非门分别构成8计数器；由一片74LS161和非门及一个74LS126（三态门）构成2计数器控制彩灯的全灭和全亮；由两片74LS138和八盏彩灯构成显示模块。电路图如图附录一

2.2.2 设计方案二

方案二采用51单片机，只需要有复位电路，时钟电路，电源电路，单片机就可以正常工作。按图将LED与单片机连接好，通过编程就可以实现题目的要求。 电路图如图2.2所示；大图见附录二；程序见附录三。

图2.2 方案二设计图

2.3 方案比较

方案一是采用数字芯片，它的缺点是比较复杂，使用芯片多，费用大，连线比较麻烦，容易出错，但可以很好的锻炼分析、解决问题的能力和仿真软件的使用。方案二采用单片机实现，它的缺点是单片机有点大材小用，优点是连线简单，所需元件少，可以很好的工

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作。所以，仿真选择采用数字芯片，实物制作采用单片机。

3 电路设计

3.1 时钟电路

用555定时器构成多谐振荡器，电路输出得到一个周期性的矩形脉冲。

tpLR1Cln20.7R1C0.71001034.71060.329s

tpH(R1R2)Cln20.7(R1R2)C0.7(100100)1034.71030.658sttpLtpH0.3290.6580.987s1s 555芯片管脚如图3.1所示；电路图如图3.2所示。

图3.1 555芯片管脚图

3.2 26种码产生器

3.2.1 26种码产生器产生电路

用由两个74LS161（U1、U2）和一个74HC10（三输入与非门）构成26计数器，当U1

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第一次加到15时，再来一个脉冲信号，U1产生一个进位信号给U2，U1再做加计数器，当U1的Q3Q2Q1Q01010时同时U2的Q3Q2Q1Q00001时，将U1的Q3Q1和U2的Q0通过一个三输入与非门连接到两片161的清零端，使其重新计数，形成26计数器。由两个74HC154（U5、U6）和一个非门构成5线-32线译码器，输出26种状态。由U2的Q0直接接到第一片154的E2是能端，再通过一个非门接到第二片154的E2使能端，如Q0=0，选择第一片154芯片，来输出前16种状态，此时第二片154停止工作；Q0=1，则相反。

电路图如图3.3所示。

图3.2 555定时器

3.2.2 74LS161和74HC154芯片介绍

74LS161的引脚图和功能表如图3.4和表3.1所示。

引脚介绍：时钟信号，四个数据输入端P0~P3，清零MR，使能端CEP、CET，置数PE，数据输出端Q0~Q3，进位端TC。

当CR＝0（输入低电平），则不管其他输入端（包括CP端）状态如何，四个数据输出端QA、QB、QC、QD全部为零。所以该计数器具有“异步清零”功能。

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当CR＝1且LD＝0时，时钟脉冲CP上升沿到达，四个数据输出端QA、QB、QC、QD同时分别接收并行数据输入信号a、b、c、d，该芯片具有“同步置数”功能。

当LD＝CR＝1，CTr＝CTp＝1时，则对计数脉冲CP实现4位同步二进制加计数。 当CR＝LD＝1时，只要CTr和ENP中有一个为0，则不管CP状态如何（包括上升沿），计数器所有数据输出都保持原状态不变。因此，CTr和CTp应该为计数控制端，当它们同时为1时，计数器执行正常同步计数功能；而当它们有一个为0时，计数器执行保持功能。

74HC154的引脚图和功能表如图3.5和表3.2所示

图3.4 74LS161引脚图

VccQCCQ0161514Q113Q212Q3CTr1110

LD89QCCQ0CRCPD0123Q1D14 Q2D25Q3D36ErLDEP788地 大全

CRCPD0D1D2D3CTP标准文案

图3.3 26种码产生器

输入 CR 输出 D3 D2 D1 D0 Q3 0 Q2 0 Q1 0 Q0 0 CP LD CTr CTp 0 1 1 1 1        d 0   1 0  0  1  1 1 1    c b a d Q3 Q3 c Q2 Q2 b Q1 Q1 a Q0 Q0          状态码加1 表3.1 74LS161功能表

图3.5 74HC154的引脚图

引脚介绍： 1-11 13-17 ：输出端。18-19：使能输入端、低电平有效 。20-23地址输入端 (address inputs)

74HC154是一款高速CMOS器件，74HC154引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系

列。

74HC154译码器可接受4位高有效二进制地址输入，并提供16个互斥的低有效

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输出。74HC154的两个输入使能门电路可用于译码器选通，以消除输出端上的通常译码“假信号”，也可用于译码器扩展。该使能门电路包含两个“逻辑与”输入，必须置为低以便使能输出端。任选一个使能输入端作为数据输入，74HC154可充当一个1-16的多路分配器。当其余的使能输入端置低时，地址输出将会跟随应用的状态。

输入 E1 输出 A1 L L H H L L H H L L H H L L H H A0 L H L H L H L H L H L H L H L H y0 E2 A3 L L L L L L L L H H H H H H H H A2 L L L L H H H H L L L L H H H H L L L L L L L L L L L L L L L L H L L L L L L L L L L L L L L L L H y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7 y8 y9 y10 y11 y12 y13 y14 y15           NONE NONE 表3.2 74HC154功能表

3.3 子计数器

将26种码的前8种通过与门和与非门合并成一个信号输出，只要是其中的一个信号，

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就输出为1，将这一个信号作为74LS161（U11）的使能信号；同理，第9到16种码合并成一个信号作为74LS161（U80）的使能信号；第17和18种码合并成一个信号作为74LS161（U13）的使能信号；U11和U80是8进制计数器，当Q3Q2Q1Q01000时，Q3的信号通过一个非门反馈到清零端，是计数器重新计数；U13是二进制计数器，当Q3Q2Q1Q00010时，

Q3的信号通过一个非门反馈到清零端，是计数器重新计数。第19到26种码合并成一个信号，通过或门接到U11和U80的使能端，即如是第19到26种码，则U11和U80同时工作。电路图如图3.6所示。

图3.6 子计数器

3.4 显示模块

3.4.1 显示模块电路

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第一片74LS138（U16）的E1使能端与子计数器中的第一片74LS161，即U11的使能端并联，所以当U11工作时，带动U16工作。U11的Q2Q1Q0分别接到U16的CBA上，于是第1到第8的码通过它们使灯从右往左逐次点亮。当U11不工作时，E1=0，U16输出全为1，通过与门对彩灯亮灭没影响。同理，第二片74LS138（U17）的E1使能端与子计数器中的第二片74LS161，即U80的使能端并联，U80的Q2Q1Q0分别接到U17的CBA上，于是第9到第16的码通过它们使灯从左往右逐次点亮。第三片161的使能端和一个三态门的使能端

Q0=0，并联，通过使能信号来控制第17和18种码。当输入的是第17种码，第三片161工作，通过非门和三态门输出为1，把它直接接到八盏彩灯前面的与门，则与门输出为1，所以八盏彩灯全灭。当输入的是第18种码，第三片161工作，Q0=1，通过非门和三态门输出为0，把它直接接到八盏彩灯前面的与门，则与门输出为0，所以八盏彩灯全亮。当输入的是第19到26种状态时，第一片161（U11）和第二片161（U80）同时工作，彩灯两边同时亮1个逐次向中间移动再散开。如是第19种状态，U11控制第8盏灯亮，同时U80控制第1盏灯亮，就是两边同时亮一个灯，如此类推，效果就是灯逐次向中间移动再散开。电路图如图3.7所示。

图3.7 显示电路

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3.4.2 74LS138芯片介绍

74LS138的引脚图和功能表如图3.8和表3.3所示。

图3.6 74LS138的引脚图

输入 E3 输出 A1 A0 y0 E2E1  1 1 1 1 1 1 1 1 0  1 0 0 0 0 0 0 0 0       0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 A2 y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 表3.3 74LS138的功能表

引脚介绍：A2A1A0数据输入端，E3E2E1使能端， Y0~Y7数据输出端

当一个选通端（E3）为高电平，另两个选通端（E2、 E1）为低电平时，可将地

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址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。

4 调试与检测

4．1 调试中的故障及解决办法

方案一调试现象：按照电路图，在Proteus上连好电路，点击仿真按钮，前8种状态，D1一直都亮着，后面8种状态D8一直亮着。全灭和全亮的顺序反了，变成了全亮在全灭。 解决办法：因为开始设计是，两片74LS138的使能端都是正常接线，需接高的就接了高电平，需接低的就接低电平，没有与相应的子计数器中的74LS161的使能端相连 ，而且第三片161没有接非门，所以当输入前8种状态时，第二片161的Q3Q2Q1Q0=0000，即第二片138的CBA=000时，输出状态Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0=11111110，所以D1一直都亮着。同理输入后面8种状态时，第一片161的Q3Q2Q1Q0=0000，第一片138的CBA=000时，输出状态

Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0=11111110，所以D8一直都亮着。将两片138的E1接到相应的161的使能端上，输入前8种状态时，第二片161和第二片138都不使能，输出状态

Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0=11111111，所以D1就不会一直都亮着。同理，D8也不是一直都亮着。

全灭和全亮的顺序饭了，是因为第三片161的Q0=0，通过三态门直接接到灯上，所以灯全亮，Q0=1，灯全灭。在第三片161的Q0接一个非门，全灭和全亮的顺序就会恢复正常。

方案二中焊接好电路板后，将下载好的程序输入单片机中，花样变化正常，但是每个状态变化的时间不是预定值1s。检查电路发现电路没问题，是因为时间是由单片机定时器控制的，所以将程序中定时器的参数值改变后在调试，发现彩灯按要求正常工作。

4.2 调试与运行结果

改进电路后，运行结果正常，八盏彩灯从右到左,然后从左到右逐次点亮,全灭全亮（顺序为：D8、D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8逐个亮，然后全灭，再全亮）；之后彩灯两边同时亮1个逐次向中间移动再散开（顺序为：D1D8、D2D7、D3D6、D4D5、D4D5、D3D6、D2D7、D1D8逐次亮）; 2种花样自动变换,循环往复。时间间隔为1秒。

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5仿真操作步骤及使用说明

5.1 各部件说明

5.1.1U3是555定时器，提供T=1s的时钟周期；U1，U2，U4：A是26进制计数器；

U5，U6，U7：A、B，U9：A、B，U10：A、B是5线-32线译码器；U11，U12，U13分别是8,8,2进制计数器；U16，U17是3线-8线译码器；D1~D8是八盏彩灯。

5.1.2D0为左边第一盏灯，以此类推，D8为右边第一盏灯。

5.2 操作说明

点击仿真按键：八盏彩灯从右到左,然后从左到右逐次点亮,全灭全亮（顺序为：D8、D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8逐个亮，然后全灭，再全亮）；之后彩灯两边同时亮1个逐次向中间移动再散开（顺序为：D1D8、D2D7、D3D6、D4D5、D4D5、D3D6、D2D7、D1D8逐次亮）; 2种花样自动变换,循环往复。时间间隔为1秒。

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结束语

本次课程设计需要对题目的分析，将整体功能拆分成几个模块来实现，通过本次课程设计，让我学到了很多东西，受益匪浅，不仅熟练了各种芯片的结构和功能，并能正确进行电路仿真、调试和修改。在遇到问题是，自己先独立结果，在网上查找资料或去图书馆查书，锻炼了自己的学习能力。如果实在不行，与小组成员讨论结果，在讨论的过程中不仅收获了知识，而且培养了团队精神。通过理论与实践相结合，进一步加深我的理论知识和思考方式。

在几天的时间中，我感到自己的知识还是比较匮乏，所以平时还是需要多锻炼自己，加深对所学的知识的了解。同时应加强自己的严谨意识，仔细画图，减少不必要的错误。

在焊接电路板时，帮忙检查电路连线，虽然是十分简单的电路，但在实际操作过程中，总会弄混连线，所以还应加强锻炼自己排查错误的能力。

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参考文献

[1] 康华光.电子技术基础-数字部分（第五版），高等教育出版，2006.1

[2] 周新民.工程实践与训练教程-电子电工部分（第一版），武汉理工大学出版，2009.9 [3] 梁宗善.新型集成电路的应用-电子技术基础课程设计，华中理工大学出版社，2007.12 [4] 陈永甫主编.数字电路基础及快速识图.人民邮电出版社，2006.5 [5] 刘修文主编.实用电子电路设计制作300例.中国电力出版社，2005

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附件一

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附录二大全

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附件三

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方案二程序 #include

//51单片机头文件

//宏定义，uint表示无符号整形 //宏定义，uchar表示无符号字符

#define uint unsigned int; #define uchar unsigned char; 形

uchar code table[]={

0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f, 0x7f,0xbf,0xdf,0xef,0xf7,0xfb,0xfd,0xfe,

0xff,0x00,0x7e,0xbd,0xdb,0xe7,0xe7,0xdb,0xbd,0x7e

}; //8个灯的26种状态码 uint i=0,aa=0; void main() {

TH0=(65536-50000)/256;

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//全局变量 //主函数

//装定时器初值

TL0=(65536-50000)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1; P2=table[0]; while(1) {

if(aa==50) { aa=0; i++;

//i加一

//定时到一秒时aa清零

//8个灯为00000001，右边第一个亮 //26种状态循环

//全局使能

//定时器0使能

if(i==26) i=0;

//当i为26时清零，重复循环

P2=table[i];

//一秒钟换一种状态

标准文案

}

} }

void timer0() interrupt 1 { }

TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; aa++;

//定时器0函数

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