电赛解析：LED稳定可调台灯用STC8单片机就够了（K题国一）
今天要分享的是K题方案解析，来自杭州科技职业技术学院。
赛题任务
方案描述
系统框图如下：
系统框图
台灯主体的稳压电源输出 10-15V 直流电压，通过 BUCK 电路降压后给 LED 灯板供电。LED 灯通过矩阵按键设置目标亮度，单片机采集光照检测芯片反馈的亮度信号并与目标亮度对比，通过 PID 运算控制 PMW 信号的脉宽实现 LED 灯板亮度的自动调整。
数字显示照度表由 STC8A8K 单片机、光照检测芯片和液晶屏组成，单片机通过 IIC 获取光照检测芯片采集的光照数据，经程序处理后显示在液晶屏上。
LED 电路设计的采用混联连接方式，对 LED 的参数要求较宽且适用范围大, 是目前 LED 照明电路设计中是最多采用的连接方式。LED 数量平均分配, 其分配在同一串 LED 灯上的电压相同, 流过同一串每颗 LED 上的电流也基本相同 (即 LED 的电流也大致相同),LED 亮度也大致相同。
脉宽调制直接利用微处理器通过设置其工作模式和编写相应的控制程序产生。这种方法的优点是可以简化硬件电路且相频稳定，抗干扰能力强。
控制电路与控制程序
控制电路直流稳压电源供电 10-15V，输入至 BUCK 电路经过降压后输出，将 BUCK 电路的输出接入灯板供电。通过改变 N+P 沟道 MOS 管的关断时间来改变 LED 灯板的亮度。
MOS 管的选择: 输入电压为 10-15V，为提高转换效率，选择 NCE30D2519K 作为 Buck 电路的开关场效应管和驱动。输出滤波电容选择: 取Vo<1mV，则输出滤波电容 C=100uf 等效电阻小，输出稳态特性好。
控制程序由 STC8A8K 单片机控制，通过单片机改变 PWM 信号的脉宽来控制 BUCK 降压电路板的关断时间，以达到控制 LED 灯板亮度的功能。单片机还能根据照度检测头反馈值与设定值对比，并通过 PID 运算自动调整 LED 灯的照度，实现台灯自动跟踪环境光调整亮度，维持照度稳定。
台灯的照度检测头实时监测整个区域实际亮度，并将实际亮度值实时反馈给 PID 调光计算模块。PID 调节控制单元以设定亮度值、照度检测头实时检测的实际亮度值作为输入参数，计算得到调节亮度的系数，将调节亮度的系数按照转换公式转换成 PWM 信号。通过 PWM 调光方式调整台灯的输出亮度，使台灯的亮度输出值能够实时满足亮度需求。
PID 闭环反馈调节原理的示意图
LED 台灯闭环反馈控制系统采用了增量式 PID 控制。增量式 PID 的表达式为:
提高电源效率方法
1）使用肖特基二极管在开关电源次级输出端的肖特基上并一个小功率快速二极管来代替 RC 吸收，效率一般可以提高12个点。
2）加宽布线、减少布线长度加宽布线、减少布线长度可有效的减少电路上的电阻值。从而降低系统在路线上的功耗。
3）采用同步整流两段式结构是实现同步整流电路高效工作的方法之一，它采用接近 0.5 的固定时间比率，并由前段的转换器来进行输出电压控制。它一反“两段式结构将导致效率下降”这一传统思维模式，在低电压大电流的场合非常有效。
4）选用低阻 MOS 管低阻 MOS 管的内阻仅有几 µΩ 所以选用低阻 MOS 管可以有效降低功耗提高效率。
