基于AT89C51单片机的无级调光系统的实现

在生活中有很多可以自主调节挡位的设备，比如台灯的亮度、玩具车的速度、风扇的转速等等。它们调节档位的方式各有不同，有些是改变功率，有些是改变动力，但都离不开对激励或输入信号的改变，我们这里简单介绍一下对LED灯的无级调光的实现，可以自己动手做一个可变亮度的小灯。

一、所需器材：

AT89C51×1、100Ω定值电阻×1、LED×1、示波器×1、滑动变阻器×1、直流电压表×1、ADC0808×1、500kHz时钟信号×1、+5V直流电源×2。

主要器材介绍：（我们这里只做简单介绍，各接口定义可自行查阅资料——反正这里也用不着）

（1）AT89C51：AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称51单片机。

图1 51单片机局部图

（2）ADC0808：ADC0808 是含8 位A/D 转换器、8 路多路开关，以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐次逼近型。ADC0808的精度为 1/2LSB。在AD 转换器内部有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带模拟开关树组的256 电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。8 路的模拟开关的通断由地址锁存器和译码器控制，可以在8 个通道中任意访问一个单边的模拟信号。

说白了，就是可以将模拟信号转为数字信号。例如0—5V的电压信号可转为数字量为十六进制的00—FF。

图2 ADC0808局部图

二、基本思路

（1）要实现调亮，先要产生亮度等级信号，利用滑动变阻器调整阻值，将滑动变阻器两端点样进行采样，用ADC0808进行模数转换，得到数字量。将采集到的数字量除以256（8位二进制数最大值）进行归一化，再乘以10（将亮度划分为10个等级，当然计算的结果可能是实数，但肉眼观察的各等级变化也不明显，相当于是无极调光），作为调光等级。

调光等级n=（数字量/256）*10

（2）产生PWM波来控制灯的亮度，因为PWM波可以通过调整占空比来控制灯的亮度。当占空比大时，也就是一个周期内灯亮的时间占比大，暗的时间占比少，当频率足够快时，灯就看起来亮；相反的，占空比小时，灯看起来就暗。结合1的分析，通过采集到的数字量进行处理之后来调整占空比，计算的结果表示占空比的大小，例如n=5时，表示占空比为50%。

名词解释：PWM波：PWM就是脉冲宽度调制，也就是占空比可变的脉冲波形。

图3 PWM波

占空比：如图所示，在一个周期T内，高电平持续时间T1占整个周期的比值。调整占空比就可以调整灯的亮度，不光可以应用在这，比如还可以控制舵机来控制小车的转速，在拐弯时占空比可以调小一点，速度减慢，防止发生侧滑。

占空比=T1/T

小知识：我们平常所看到的大多数灯持续发光，实际上并不是一直发光的，而是“一闪一闪的”，只不过当闪的速度大于我们肉眼感受光的速度时，看起来就会觉得灯在“一直亮”。通常肉眼可感受到的频率大概在60Hz（因人而异，有的飞行员可感受到220Hz的变化）以下，也就是灯如果1s内闪的次数小于60，那肉眼是可以感受到的。所以这里的PWM频率至少为60Hz，以至于不起来灯在闪。这里我们为效果更好，取1kHz。

（3）利用51单片机作为硬件控制器，用ADC0808作为模数转换器。使用定时器0实现中断，产生PWM波并调整占空比。输出的PWM波从P2^0口输出，并用示波器检测输出信号的占空比。

三、电路实现

（1）电压采样与模数转换电路

电位器可通过上下滑动改变自身阻值，两端电压也相对改变，通过电压表测量电位器两端电压，得到输入模拟量。

ADC0808的时钟端给500kHz时钟信号，其实也可以用51单片机产生，直接用激励源更方便。ADDA~C是模拟信号输入选择通道，这里从IN0输入，对应ABC值为000，直接将三个端口接地。将START与P3^4相连，由P3^4口给采样开始信号,同时给ALE地址锁存允许信号一个高电平，对地址进行锁存。P3^3口接收AD转换完成信号，接收到高电平时说明转换完成。P1端接收采样输出信号，OUT8为最低位OUT1为最高位，OUT8-OUT1分别接单片机的P1.0到P0.7端,各个端口反过来接收，最后得到的才是采样后的数字量。

图4 电压采样与模数转换电路

2）PWM波输出电路

51单片机与LED的连接，PWM波从P2^0口输出，中间串联一个100欧的限流电阻，更接近实际情况。示波器接与LED灯并联，检测输入信号情况，观察占空比变化。

图5 PWM波输出电路

（3）输出结果

当滑动变阻器阻值为0时，电压为0，由图6可以看到LED灯熄灭，输出的PWM波占空比很小，几乎为0。不为零的原因是程序编写问题，在一个周期中，当时间time<=n时，输出高电平，所以导致当n=0时，也会有一瞬间的高电平产生，但是不影响观察结果。

图6 电位器为0时的PWM波形与LED亮度

当滑动变阻器指针在中间时，两端电压为2.5V，由图7可以看到LED灯比之前亮，输出的PWM波占空为50%。

图7 电位器位于中间时的PWM波形与LED亮度

当滑动变阻器指针在顶端时，两端电压为5V，由图8可以看到LED灯达到最亮，输出的PWM波占空为100%，一直输出高电平。

图8 电位器位处于最大值时的PWM波形与LED亮度

可以看到，LED灯的亮度随滑动变阻器的变化而变化，观察示波器也可以看到，PWM波的占空比大的时候灯越亮，占空比小的时候灯越暗。

四、完整项目

（1）仿真程序

#include "reg51.h"sbit pwm=P2^0;                 //从P2^0口输出PWM波信号sbit START=P3^4;        //AD启动信号，高电平有效sbit EOC=P3^3;               //转换启动时为低电平，转换结束为高电平sbit OE=P3^5;                //输出允许信号，输入高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。unsigned char time=0;unsigned int d;                 //保存采样的数字量//ADC0808读取电位器值，转化为数字量并储存在d中void adc0808_read(){START=0;              START=1;              //一高一低产生一个上升沿，使0808复位START=0;              //产生下降沿，启动AD转换while(EOC==0);    //等待转换完成，EOC为高电平时，转换完成OE=1;d=P1;                      //从P1端接收转换后的数字量OE=0;
}//主函数void main(){  TMOD = 0x01;            //设置TMOD寄存器，定时方式，工作方式1TH0 =(65536-1000)/256;  //定时时长为0.1msTL0= (65536-1000)%256;TR0 = 1;                //启动计数ET0 = 1;                //T0中断EA = 1;                 //开启总中断while(1);}//定时器T0中断函数//void Timer0() interrupt 1{int n;adc0808_read();n=d*10/256;TH0 =(65536-1000)/256;  //重新赋初始值TL0= (65536-1000)%256;time++;if(time>=10)            //确保频率时1KHZ，每次0.1ms,计数10次就是1mstime = 0;if(time<=n)            //n相当于亮度等级和占空比，一个周期内<=n的为高电平pwm=1;elsepwm=0;}

（2）Proteus仿真图

图9 完整仿真图

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