显示屏幕

目录

引言2

第1章背景介绍3

1.1LED及LED显示屏3

1.1.1点矩阵显示器的种类3

1.1.2点矩阵显示器的结构..........................................................................3

1.2MCS-51系列单片机简介4

1.2.1MCS-51系列单片机及其特点4

1.2.2单片机的发展历史简介5

第2章功能要求6

2.1设计目的.....................................................................................................................6

2.2主要器件.....................................................................................................................6

2.3任务要求.....................................................................................................................6

2.4LED动态显示原理....................................................................................................6

第3章方案实现8

3.1系统硬件电路的设计8

3.1.1单片机系统及外围电路8

3.1.2列驱动电路9

3.1.3行驱动器10

3.2系统程序的设计10

3.2.1显示驱动程序11

3.2.2系统主程序11

第4章性能分析与总结12

4.1性能分析12

4.2总结14

致谢14

参考文献14

附录A点阵LED图文显示屏的截图..................................................................15

附录B程序如下..............................................................................................16

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引言

LED点阵显示屏作为一种新兴的显示器件,是由多个独立的LED发光二极管封装而

成.LED点阵显示屏可以显示数字或符号,通常用来显示时间、速度、系统状态等。文

章给出了一种基于MCS-51单片机的5×7点阵LED显示屏的设计方案。包括系统具体

的硬件设计方案,软件流程图和部分汇编语言程序等方面。在负载范围内,只需通过简

单的级联就可以对显示屏进行扩展,是一种成本低廉的图文显示方案。

LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于车站、码

头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理

和其它公共场所。在实际应用中的显示屏由于成本和可靠性的因素常采用一种称为动

态扫描的显示方法。本文设计的是一个室内用5ｘ7的点阵LED图文显示屏，图形或文

字显示有静止、移入移出等显示方式。

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第1章背景介绍

1.1LED及LED显示屏

LED就是LightEmittingDiode<发光二极管）的缩写。在某些半导体材料的PN

结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，

从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这

种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。发光二极管是由p

型和n型半导体组成的二极管。在LED的p-n结附近,n型材料中多数载流子是电

子,p型材料中多数载流子是空穴。p-n结上未加电压时构成一定的势垒,当加正向偏

压时,在外电场作用下,p区的空穴和n区的电子就向对方扩散运动,构成少数载流子的

注入,从而在p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合,同时释放出相对应的能量h

ν(h为普朗克常数,ν为光子频率>而发光。该能量相当于半导体材料的带隙能量

Eg(Ev>,其与发光波长λ(nm>的关系为λ=1239.6PEg。

LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、

图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。图文显示屏可与

计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图

文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、

三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体

感强，静如油画，动如电影，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银

行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。

它的优点：亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱动简

单、寿命长、耐冲击、性能稳定。

1.1.1点矩阵显示器的种类

点矩阵显示器的种类可以分为5*75*86*88*84种，若按LED发光变化颜色来分，又

可分为单色双色三色3种，按LED的极性排列又可分为共阳极和共阴极两种。

1.1.2点矩阵显示器的结构

以5*7点矩阵为例，一般市售注明CA-P<共阳极）和CC-P<共阴极），端子如图2-1所

示。这里所介绍的皆为共阴极。单色8*8点矩阵显示器在市场上两种不同端子，如图2-

2，点矩阵显示器结构如图2-3所示。

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点矩阵显示器结构图2-15*7点矩阵端子

图2-28*8点矩阵端子

图2-3点矩阵显示器结构

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1.2MCS-51系列单片机简介

1.2.1MCS-51系列单片机及其特点

①可靠性高：

因为芯片是按工业测控环境要求设计的，故抗干扰的能力优于PC机。系统软件

(如：程序指令，常数，表格>固化在ROM中，不易受病毒破坏。许多信号的通道均在

一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。

②便于扩展：

片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的(总线，并行和串

行的输入/输出>管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。

③控制功能强：

具有丰富的控制指令：如：条件分支转移指令，I/O口的逻辑操作指令，位处理指

令。

④实用性好：

体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。

1.2.2单片机的发展历史简介

①第1阶段(1971年—1978年>，以MCS-48系列为代表，称4位单片机。在片内：CPU

有4位或8位；ROM有1KB或2KB；RAM有64B或128B；只有并行接口，无串行接口；

只有1个8位的定时/计时器；中断源只有2个。在片外：寻址范围只有4KB；芯片引

脚有40个。

②第2阶段(1978年—1983年>，以MCS-51系列为代表，称8位单片机。在片内：CPU

有8位；ROM有4KB或8KB；RAM有128B或256B；有串/并行接口；有2个或3个16

位的定时/计时器；中断源有5至7个。在片外：寻址范围有64KB；芯片引脚有40

个。

③第3阶段(1983年以后>，以MCS-96系列为代表，称16位单片机。在片内：CPU有

16位；ROM有8KB；RAM有232B；有串/并行接口；有4个16位的定时/计时器；中断

源有8个；增加了D/A和A/D转换电路。在片外：寻址范围有64KB；芯片引脚有48个

或68个。

以上MCS-51系列以其优良的性价比，在我国得到了广泛的应用。

５/18

第2章功能要求

2.1设计目的

掌握单片机控制原理与光显示器件的应用熟悉汇编语言编程。

2.2主要器件

AT89C51，RP1(100K*8>,16*16LED点阵

30PF电容,0.01UF电容，R1(100K>，按钮开关。

2.3任务要求

通过AT89C51的P1.0—P1.3连接4—16线译码器74LS154对16*16LED点

阵的每一竖列进行逐列扫描，并将P0与P2端口作为数据输出端点亮数码管发光显

示，实现“新余学院机电工程学院***单片机课程设计；”字样，并依次左移循环显

示。

2.4LED动态显示原理

LED点阵显示系统中各模块的显示方式：有静态和动态显示两种。静态显示原理

简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示

采用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲电压驱动，从上到下逐次不断地对显示屏

的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的列数据信号，反复循环以

上操作，就可显示各种图形或文字信息。

点阵式LED绝大部分是采用动态扫描显示方式，这种显示方式巧妙地利用了人眼

的视觉暂留特性。将连续的几帧画面高速的循环显示，只要帧速率高于24帧/秒，人

眼看起来就是一个完整的，相对静止的画面。最典型的例子就是电影放映机。在电子

领域中，因为这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量，因此在LED

显示技术中被广泛使用。

以8×8点阵模块为例，说明一下其使用方法及控制过程。图2.1中，红色水平线

Y0、Y1……Y7叫做行线，接内部发光二极管的阳极，每一行8个LED的阳极都接在本

行的行线上。相邻两行线间绝缘。同样，蓝色竖直线X0、X1……X7叫做列线，接内部

每列8个LED的阴极，相邻两列线间绝缘。

在这种形式的LED点阵模块中，若在某行线上施加高电平<用“1”表示），在某

列线上施加低电平<用“0”表示）。则行线和列线的交叉点处的LED就会有电流流过

而发光。比如，Y7为1，X0为0,则右下角的LED点亮。再如Y0为1，X0到X7均为

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0，则最上面一行8个LED全点亮。

Proteus中只有5×7和8×8等LED点阵，并没有16×16LED点阵，而在实际应用

中，要良好地显示一个汉字，则至少需要16×16点阵。下面我们就首先介绍使用8×8

点阵构建16×16点阵的方法，并构建一块16×16LED点阵，用于本次设计。

首先，从Proteus7.5的元件库中找到“MATRIX-8X8-RED”元器件，并将四块该元器件

放入Proteus文档区编辑窗口中。此时需要注意,如果该元器件保持初始的位置<没有

转动方向），我们要首先将其左转90°，使其水平放置，那么此时它的左面8个引脚

是其行线，右边8个引脚是其列线<当然，如果你是将右转，则右边8个引脚是行

线）。然后我们将四个元器件对应的行线和列线分别进行连接，使每一条行线引脚接

一行16个LED，列线也相同。并注意要将行线和列线引出一定长度的引脚，以便下面

我们使用。连接好的16×16点阵如图3.2所示。

成如上图的16×16点阵只是第一步，这样分开的数块并不能达到好的显示效果,

下面我们要将其进一步组合。组合实际上很简单，首先选中如上图中右侧的两块8×8

点阵，然后拖动并使其与左侧的两块相并拢，如图3.3所示。

图3.2点阵模块组合

７/18

第3章方案实现

从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制与组成这些图形或文字的各个点所

在的位置相对应的LED器件发光，就可以得到我们想要的显示结果，这种同时控制各

个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。5ｘ7的点阵共有35个发光二极管，显然

单片机没有这么多的端口，如果我采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，5

ｘ7的点阵需要35/8=5个锁存器。这个数字比较大，因为我们仅仅是5ｘ7的点阵，在

实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本将是一个很大的数字。

因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另外一种称为动态扫描的

显示方法。

动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行<

比如7行）的同名列共用一套驱动器。具体就5ｘ7的点阵来说，把所有同1行的发光

管的阳极连在一起，把所有同1列的发光管的阴极连在一起<共阳极的接法），先送出

对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一定时间，然后熄

灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第2行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；

以此类推，第7行之后，又重新燃亮第1行，反复轮回。当这样轮回的速度足够快<每

秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能够看到显示屏上稳定的图形了。

采用扫描方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱动

器。显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。显示

时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输

的问题。从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串行方式。显然，采

用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。当列数很

多时，并列传输的方案是不可取的。

采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列

驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。但是，串行传输过程较长，数据按顺序一位

一位地输出给列驱动器，只有当一行的各列数据都以传输到位之后，这一行的各列才

能并行地进行显示。这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备<传输）和列

数据显示两部分。对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周

期确定的情况下留给行显示的时间就太少了，以致影响到LED的亮度。

解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的

方法。即在显示本行各列数据的同时，传送下一列数据。为了达到重叠处理的目的，

列数据的显示就需要具有所存功能。经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具

有的功能。对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能；对于列数

据显示来说，应具有并行锁存的功能。这样，本行已准备好的数据打入并

行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不

会影响本行的显示。图1为显示屏电路实现的结构框图。

８/18

图1，显示屏电路框图

3.1系统硬件电路的设计

硬件电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动电路三部

分。

3.1.1单片机系统及外围电路

单片机采用MSC-51或其兼容系列芯片，采用24MHZ或更高频率晶振，以获得较高

的刷新频率，时期显示更稳定。单片机的串口与列驱动器相连，用来显示数据。P1口

低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5～P1.7口则用来发送控制信号。P0口和

P2口空着，在有必要的时候可以扩展系统的ROM和RAM。5ｘ7的点阵显示屏的硬件原

理图如图2所示<在附录A）。

3.1.2列驱动电路

列驱动电路有集成电路74HC595构成。它具有一个8位串入并出的移位寄存器和

一个8位输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可

以实现在显示本行列数据的同时，传送下一行的列数据，既达到重叠处理的目的。

74HC595的外形及内部结构如图3所示。它的输入侧有8个串行移位寄存器，每个

移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。引脚SI是串行数据的输入端。引脚SCK是

移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将SI的下一个数据打入最低

位。

移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。RCK是

输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位寄存器的输出打入输出锁存器。引脚G是输

出三态门的开放信号，只有当其为低时锁存器的输出才开放，否则为高组态。SCLR信

号是移位寄存器清零输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为零。由于SCK和RCK

两个信号是互相独立的，所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰。芯片的输

出端为QA～QH，最高位QH可作为多片74HC595级联应用时，向上一级的级联输出。但

因为QH受输出锁存器的打入控制，所以还从输出锁存器前引出QH，作为与移位寄存器

完全同步的级联输出。

单

片

机

列驱动器

LED显示点阵

电源

行

驱

动

器

９/18

QB116Vcc

QC215QA

QD314SI

QE413G

QF512RCK

QG611SCK

QH710SCLR

GND89QH

图3.74HC595外形及引脚

3.1.3行驱动器

单片机P1口低4位输出的行号经4/16线译码器74LS154译码后生成16条行选通

信号线，再经过驱动器驱动对应的行线。一条行线上要带动16列的LED进行显示，按

每一LED器件20MA电流计算，16个LED同时发光时，

需要320MA电流，选通三极管8550作为驱动管可满足要求。

3.2.系统程序的设计

显示屏软件的主要功能是向屏体提供显示数据，并产生各种控制信号，使屏幕按

设计的要求显示。根据软件分层次设计的原理，可以把显示屏的软件系统分为两层；

第一层是底层的显示驱动程序，第二层是上层的系统应用程序。显示驱动程序负责向

屏体送显示数据，并负责产生行扫描信号和其他控制信号，配合完成LED显示屏的扫

描显示工作。显示驱动器程序由定时器T0中断程序实现。系统应用程序完成系统环境

设置<初始化）、显示效果处理等工作，由主程序来实现。

从有利于实现较复杂的算法<显示效果处理）和有利于程序结构化考虑，显示屏程

序适宜采用C语言编写。

3.2.1显示驱动程序

显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0重新赋初值，以保证显示屏刷新率

的稳定，1/16扫描显示屏的刷新率<帧频）计算公式如下：

刷频率<帧频）=1/16×T0溢出率

=1/16×f/12<65536-t）

其中f位晶振频率，t为定时器T0初值<工作在16位定时器模式）。

然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓存区内读取下一行的显示数

据，并通过串口发送给移位寄存器。为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象，

驱动程序先要关闭显示屏，即消隐，等显示数据打入输出锁存器并锁存，然后再输出

新的行号，重新打开显示。图4为显示驱动程序<显示屏扫）

74HC595

１０/18

图4显示驱动程序流程图

3.2.2系统主程序

本文设计的系统软件能使系统在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可

显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。图形或文字显示有静止、移

入移出等显示方式。

系统主程序开始以后，首先是对系统环境初始化，包括设置串口、定时器、中断

和端口；然后以“卷帘出”效果显示图形，停留约3s；接着向上滚动显示“0-B”

这11个字符，然后以“卷帘入”效果隐去图形。由于单片机没有停机指令，

所以可以设置系统程序不断的循环执行上述显示效果。

单元显示屏可以接收来自控制器<主控制电路板）或上一级显示单元模块传输下来

的数据信息和命令信息，并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下

一级显示模块单元中，因此显示板可扩展至更多的显示单元，用于显示更多的显示内

容。

图5是系统主程序流程图。

进入中断

定时器赋初值

读取行号并增加

1

送新行显示数据

消隐

切换显示数据

发送新行号，打开显

退出中断

１１/18

图5系统主程序流程图

第4章性能分析与总结

4.1性能分析

LED显示屏硬件电路只要硬件质量可靠，引脚焊接正确，一般无需调试即可正常

工作。软件部分需要调试的主要有显示屏刷新频率及显示效果两部分。显示屏刷新率

由定时器T0的溢出率和单片机的晶振频率决定，表5.1给出了实验调试时采用的频率

及其对应的定时器T0初值。

表5.1显示平刷新率与T0初值关系表<24MHz晶振）

刷新

率

255062.57585100120

T0初

0Xec780Xf63C0Xf8300xF97E0XFA420XFB1E0xFBEE

开始

系统初始化

“卷帘出”显示效果

“上滚屏”显示效果

“左跑马”显示效果

“卷帘入”显示效果

１２/18

值

从理论上来说，24Hz以上的刷新频率就能看到稳定的连续的显示，刷新率越高，

显示越稳定，同时刷新频率越高，显示驱动程序占用的CPU时间越多。实验证明，

在目测条件下刷新频率40Hz一下的画面看起来闪烁较严重，刷新频率50Hz以上的已

基本察觉不出画面的闪烁，刷新频率达到85Hz以上时再增加画面闪烁没有明显的改

善。

显示效果处理程序的内容及方法非常广泛，其调试过程在此不作具体讨论，读者

可以照源程序自行分析。

这个方案设计的5ｘ7的点阵LED图文显示屏，电路简单，成本较低，且较容易扩

展成更大的显示屏；显示屏各点亮度均匀、充足；显示图形或文字稳定、清晰无串

扰；可用静止、移入移出等多种显示方式显示图形或文字。

4.2总结

本文设计的一个室内用5ｘ7的点阵LED图文显示屏，能够在目测条件下LED显示

屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。

图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。本系统具有硬件少，结构简单，容易

实现，性能稳定可靠，成本低等特点。

总结本文的研究工作，主要做了下面几点较突出的工作：

1、通过查阅大量的相关资料，详细了解了LED的发光原理和LED显示屏的原理，

了解了LED的现状，清楚地了解了LED显示屏与其它显示屏相比较有那些

优点，明确了研究目标。

2、本文设计的LED显示屏能够实现在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充

足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。图形或文字显示有静

止、移入移出等显示方式。

3、文章给出了系统具体的硬件设计方案,硬件结构电路图，软件流程图和具体汇

编语言程序设计与调试等方面。

4、在这次毕业设计的过程中学会了Protel99的基本使用，感到Protel99

对电子专业的同学来说是一门很有用的课程。

5、通过这次毕业设计，重新复习并进一步学习了MCS-51；熟练掌握

了WORD软件的使用。

6、存在缺陷：没有考虑抗干扰的问题。

１３/18

致谢

本文是在胡花老师的悉心指导下完成的。从课题的立项、选题到课题的开发与研

究，再到本论文的撰写到定稿的每一步工作都倾注着黄老师的心血和汗水，同时得到

同学们相助，并提供了大量的资料.在此，对于老师和同学们的帮助表示忠心的感

谢。

参考文献

[1]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计与接口技术.北京航空航天大学出版社，

1990

[2]任涛等.闪速存储器数据及应用简明速查手册.电子工业出版社，1997

[3]何立民.单片机应用技术选编.北京航空航天大学出版社，2000

[4]张毅刚等.MCS-51单片机应用设计.哈尔滨工业电子出版社，1996

[5]邬宽明.单片机外围器件实用手册.北京航空航天大学出版社，1998

[6]张凯.LED介绍完全手册.北京航空航天大学出版社，2000

[7]张友德等.单片微型机原理应用与实验，复旦大学出版社，1996

１４/18

附录A点阵LED图文显示屏的截图：

１５/18

附录B程序如下：

#include

#defineint8unsignedchar

#defineint16unsignedint

#defineint32unsignedlong

int8flag。

int8n。

int8codetable[][32]={

{0x40,0x0C,0x7E,0x0C,0x60,0x0C,0x30,0x0C,

0x08,0x0D,0x18,0x2F,0x58,0x2F,0xB8,0x4D,

0xBC,0xCD,0x9E,0xCC,0x5A,0x4C,0x18,0x0C,

0x18,0x0C,0x18,0x0C,0x1C,0x0F,0x08,0x06},/*"孙"*/

{0x08,0x02,0x38,0x26,0x18,0x7F,0x7C,0x33,

0x8C,0x1D,0x44,0x0C,0x3E,0xF3,0xDA,0x6C,

0x18,0x3F,0x7E,0x0C,0x18,0x3F,0x18,0x0C,

0x58,0x2C,0xB8,0x7F,0x1C,0x0C,0x08,0x0C},/*"锋"*/

}。

voiddelay(void>。

int16offt。

voidmain(void>

１６/18

{

int8i。

int8*p。

flag=0x10。

n=0。

TMOD=0x01。

TH0=0xb1。

TL0=0xe0。

ET0=1。

EA=1。

TR0=1。

p=&table[0][0]。

while(1>

{

for(i=0。i<8。i++>//显示左半边屏幕

{

P0=0x00。

P2=i|0x08。//P2.4=0,P2.3=1选中U2,输出扫描码给U6

P0=*(p+offt+2*i>。

delay(>。

P0=0x00。

P2=i|0x10。//P2.4=1,P2.3=0选中U3,输出扫描码给U7

P0=*(p+offt+2*i+1>。

delay(>。

}

for(i=8。i<16。i++>//显示右半边屏幕

{

P0=0x00。

P2=(i-8>|0x20。//P2.5=1P2.4=0,P2.3=0选中U4,输出扫描

码U8

P0=*(p+offt+2*i>。

delay(>。

P0=0x00。

P2=(i-8>|0x40。//P2.6=1P2.5=0,P2.4=0选中U5,输出扫描码U9

P0=*(p+offt+2*i+1>。

delay(>。

}

}

}

voiddelay(void>

{

int16i。

for(i=0。i<30。i++>

。

}

１７/18

voidtimer0(>interrupt1using3

{

TF0=0。

TH0=0xb1。

TL0=0xe0。

if(n<100>

{

n++。

}

el

{

offt+=2。

if(offt>32>

offt=0。

n=0。

}

}