一種LED點(diǎn)陣模塊的感光屏設(shè)計(jì)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)光電效應(yīng)，PN結(jié)在光的激勵下可以改變其電阻率，而LED也是PN結(jié)，那么能否利用LED的PN結(jié)特性完成點(diǎn)陣感光屏呢？經(jīng)過簡單的實(shí)驗(yàn)探討，我們發(fā)現(xiàn)LED本身就具有很好的感光能力，這樣一來，感光屏就可以完全利用LED的感光特性來實(shí)現(xiàn)。本文就利用一塊8×8的點(diǎn)陣屏，結(jié)合C8051F020單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了一塊具有感光功能的點(diǎn)陣屏，如圖1所示。

圖1

　　1 LED的感光原理

　　作為光電探測器的LED能夠工作在兩種檢測模式下：光伏模式(在外界光的作用下器件有產(chǎn)生電壓的能力)和光導(dǎo)模式(器件的導(dǎo)電性受外界光的控制)。在兩種檢測模式下產(chǎn)生的光電壓或者光電流通常大約是普通光電二極管的1/100～1/10，一般需要借助于運(yùn)放和ADC。而在沒有運(yùn)放和ADC的情況下，能否獲取LED的光電流呢？事實(shí)上利用二極管本身的內(nèi)電容（通常為pF級），帶有高阻態(tài)的三態(tài)雙向I/O口及內(nèi)部數(shù)字計(jì)數(shù)器的單片機(jī)也可以用來對其所產(chǎn)生的光電信號進(jìn)行很好的測量。

　　最簡單的實(shí)現(xiàn)的方法如圖2所示，通過單個LED的光延時來實(shí)現(xiàn)。它由一個LED連接兩個單片機(jī)的引腳構(gòu)成，LED發(fā)光的同時也測量入射光強(qiáng)并且表明是否超過預(yù)先已定義的閾值。

圖2

圖3

圖4

　　工作在感光模式下的LED被快速充電到+5 V(100～200 μs)。第一步如圖3所示，電荷被二極管的內(nèi)電容(通常為10～15 pF)所維持，然后，P1腳切換到高阻輸入模式(大約1015 Ω的阻抗)。第二步，在反向偏置條件下，LED的可以等效為一個電容與一個電流源iR(Φ)的并連，電流源中的電流為光電流，它隨光強(qiáng)Φ而變化，如圖4所示，P1腳的漏電流iL(很小，通常為0.002 pA)與通過二極管的在正常的環(huán)境光下產(chǎn)生的50 pA典型光電流iR(Φ)相比，可以忽略不計(jì)。經(jīng)過分析后，可知Cr的放電過程可以用以下公式來表達(dá)：

　　若iR(Φ)是一常量，則上式可以變?yōu)椋?/P>

　　式(2)表明vP1(t)隨時間t 線性的減少到0，利用單片機(jī)的16位定時/計(jì)數(shù)器計(jì)時，每隔一段時間輪詢P1引腳輸入的邏輯電平vP1(t)，直到變?yōu)檫壿嫛?”的門限電壓VTR (約2.2 V)為止。衰減時間Td（通常測得為μs級）與檢測到的光量成反比，由此，能夠計(jì)算出二極管的光電流iR(Φ)。經(jīng)分析，Td可以表示如下：

　　式中，NTCNT代表計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的整數(shù)值，ftclk為計(jì)數(shù)器時鐘頻率，Np為縮放因子，fclk為主時鐘頻率。當(dāng)接收到的光量增加的時候，Td減小，二極管放電加快；而當(dāng)接收到的光量減少時，Td增加，二極管放電減慢。通過測量發(fā)光二極管的開和關(guān)的時間Td，能夠發(fā)現(xiàn)并補(bǔ)償環(huán)境光所導(dǎo)致的誤差。由ftclk即可測量Td，且可以通過選擇合適的Np來匹配單片機(jī)時鐘。

　　如果延遲時間長于或短于指定的門限值Tdcr(關(guān)鍵時間)，LED接通并發(fā)光。比如通過閃爍來警告，第三步如圖3所示，單片機(jī)另外的一些引腳能被用來作為延時輸出或者光線控制PWM輸出。當(dāng)然，測出時間大小，是為了得到P1腳的電壓大小vP1(t)，而事實(shí)上，對于實(shí)現(xiàn)感光點(diǎn)陣屏的來講，并不需要知道vP1(t)的具體大小，僅利用它來作為LED內(nèi)電容充放電時間的參考。根據(jù)以上分析可知，不管光強(qiáng)大小如何，衰減時間Td都很小，于是通過Td時間后的信號衰減，即可獲得高低電平信號。

　　2 感光屏系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　2.1 器件選擇

　　根據(jù)以上原理，LED接收的入射光的波長與其發(fā)射光波長相等的時候，系統(tǒng)有最好的靈敏度，所以為了增強(qiáng)系統(tǒng)的靈敏度，采用發(fā)射光波長和點(diǎn)陣屏差不多的LED制作成發(fā)光筆。

　　對于點(diǎn)陣屏，選用了TOP23088DU與SZ420788K兩種不同大小的點(diǎn)陣模塊做對比測試。其中，TOP23088DU模塊的像素點(diǎn)LED直徑為5 mm，像素間距7.62×7 mm，模組尺寸 60.2×60.2 mm，像素點(diǎn)透明；SZ420788K模塊的像素點(diǎn)LED直徑為2 mm，像素間距 2.5×7 mm，模組尺寸 20.2 mm×20.2 mm，像素點(diǎn)半透明。兩種模塊通電測試均為共陰發(fā)紅色光的點(diǎn)陣模塊。

　　C8051F020 MCU是高集成度的混合信號片上系統(tǒng)，有按 8 位端口組織的 64 個數(shù)字I/O引腳（C8051F020）。低端口（P0、P1、P2 和 P3）既可以按位尋址也可以按字節(jié)尋址。高端口（P4、P5、P6和 P7）只能按字節(jié)尋址。所有引腳都耐 5 V電壓，都可以被配置為漏極開路或推挽輸出方式和弱上拉。端口 I/O單元的原理框圖如圖5所示。

圖5

圖6

　　由圖5中I/O口結(jié)構(gòu)可知，C8051F020具有漏極開路狀態(tài)，完全可以滿足測量所要求。2.2系統(tǒng)構(gòu)成考慮到實(shí)驗(yàn)的方便，用8×8點(diǎn)陣，并采用常見的行列式掃描結(jié)構(gòu)，所以共需要16個I/O口，這里考慮使用P0、P1口。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6和圖7所示。

圖7

　　2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)上述原理，結(jié)合具體的LED點(diǎn)陣屏，程序流程如圖8所示。

圖8

　　由圖6中的矩陣所示，先將P0口全部置高電平，然后輪流對每一列進(jìn)行置低電平、高阻態(tài)、延時、檢測是否為低電平、反轉(zhuǎn)點(diǎn)亮LED的操作，完成對8×8＝64像素點(diǎn)陣的操作。由于單片機(jī)操作速度很快，而且LED的滾降時間很快，所以每完成一次操作，可以很快在點(diǎn)陣屏上形成一幅文字畫面。

　　3 測試結(jié)果

　?、?兩種模塊的對比，通過對TOP23088DU與SZ420788K兩種不同大小的點(diǎn)陣模塊做對比測試發(fā)現(xiàn)，由于TOP23088DU屏的像素點(diǎn)是全透明的像素點(diǎn)，而SZ420788K雖小， 但像素點(diǎn)為半透明像素點(diǎn)， TOP23088DU屏明顯對入射的紅光更為敏感，實(shí)現(xiàn)效果更好。

　?、?功能實(shí)現(xiàn)： 可用光筆在點(diǎn)陣屏上連續(xù)掃描， 觀察到點(diǎn)陣被點(diǎn)亮；可在點(diǎn)陣屏上寫入漢字筆畫擦除，逐個顯示及其移動；可以在屏上全部點(diǎn)亮后，通過掃描熄滅。用示波器觀察，可以明顯檢測到在充放電的一瞬間出現(xiàn)的脈沖電壓。

　　結(jié)語

　　本文所述的LED感光屏的具有操作簡單、成本低、穩(wěn)定性較好的優(yōu)點(diǎn)。利用PN結(jié)光電效應(yīng)的原理發(fā)掘了普通LED的更多功能，既可以作為發(fā)光元件，也可以作為感光元件，從而為開發(fā)低成本的多功能顯示屏提供了很好的參考。當(dāng)然，該感光屏也有些許不足，如點(diǎn)陣像素點(diǎn)較多時延時明顯，感光靈敏度、抗干擾性等也有待進(jìn)一步提高。