LED点阵模块的感光屏设计

根据光电效应，PN结在光的激励下可以改变其电阻率，而LED也是PN结，那么能否利用LED的PN结特性完成点阵感光屏呢？经过简单的实验探讨，我们发现LED本身就具有很好的感光能力，这样一来，感光屏就可以完全利用LED的感光特性来实现。本文就利用一块8×8的点阵屏，结合C8051F020单片机实现了一块具有感光功能的点阵屏，如图1所示。

 

图1

　　1  LED的感光原理

　　作为光电探测器的LED能够工作在两种检测模式下：光伏模式(在外界光的作用下器件有产生电压的能力)和光导模式(器件的导电性受外界光的控制)。在两种检测模式下产生的光电压或者光电流通常大约是普通光电二极管的1/100～1/10，一般需要借助于运放和ADC。而在没有运放和ADC的情况下，能否获取LED的光电流呢？事实上利用二极管本身的内电容（通常为pF级），带有高阻态的三态双向I/O口及内部数字计数器的单片机也可以用来对其所产生的光电信号进行很好的测量。

　　最简单的实现的方法如图2所示，通过单个LED的光延时来实现。它由一个LED连接两个单片机的引脚构成，LED发光的同时也测量入射光强并且表明是否超过预先已定义的阈值。

 

 

　　工作在感光模式下的LED被快速充电到+5 V(100～200 μs)。第一步如图3所示，电荷被二极管的内电容(通常为10～15 pF)所维持，然后，P1脚切换到高阻输入模式(大约1015 Ω的阻抗)。第二步，在反向偏置条件下，LED的可以等效为一个电容与一个电流源iR(Φ)的并连，电流源中的电流为光电流，它随光强Φ而变化，如图4所示，P1脚的漏电流iL(很小，通常为0.002 pA)与通过二极管的在正常的环境光下产生的50 pA典型光电流iR(Φ)相比，可以忽略不计。经过分析后，可知Cr的放电过程可以用以下公式来表达：

 

式(2)表明vP1(t)随时间t 线性的减少到0，利用单片机的16位定时/计数器计时，每隔一段时间轮询P1引脚输入的逻辑电平vP1(t)，直到变为逻辑“0”的门限电压VTR (约2.2 V)为止。衰减时间Td（通常测得为μs级）与检测到的光量成反比，由此，能够计算出二极管的光电流iR(Φ)。经分析，Td可以表示如下：

 

　　式中，NTCNT代表计数器计数的整数值，ftclk为计数器时钟频率，Np为缩放因子，fclk为主时钟频率。当接收到的光量增加的时候，Td减小，二极管放电加快；而当接收到的光量减少时，Td增加，二极管放电减慢。通过测量发光二极管的开和关的时间Td，能够发现并补偿环境光所导致的误差。由ftclk即可测量Td，且可以通过选择合适的Np来匹配单片机时钟。

　　如果延迟时间长于或短于指定的门限值Tdcr(关键时间)，LED接通并发光。比如通过闪烁来警告，第三步如图3所示，单片机另外的一些引脚能被用来作为延时输出或者光线控制PWM输出。当然，测出时间大小，是为了得到P1脚的电压大小vP1(t)，而事实上，对于实现感光点阵屏的来讲，并不需要知道vP1(t)的具体大小，仅利用它来作为LED内电容充放电时间的参考。根据以上分析可知，不管光强大小如何，衰减时间Td都很小，于是通过Td时间后的信号衰减，即可获得高低电平信号。