一種LED點陣模塊的感光屏設計及系統實現

根據光電效應，PN結在光的激勵下可以改變其電阻率，而LED也是PN結，那么能否利用LED的PN結特性完成點陣感光屏呢？經過簡單的實驗探討，我們發現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的感光特性來實現。本文就利用一塊8×8的點陣屏，結合C8051F020單片機實現了一塊具有感光功能的點陣屏，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生電壓的能力)和光導模式(器件的導電性受外界光的控制)。在兩種檢測模式下產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放和ADC。而在沒有運放和ADC的情況下，能否獲取LED的光電流呢？事實上利用二極管本身的內電容（通常為pF級），帶有高阻態的三態雙向I/O口及內部數字計數器的單片機也可以用來對其所產生的光電信號進行很好的測量。

　　最簡單的實現的方法如圖2所示，通過單個LED的光延時來實現。它由一個LED連接兩個單片機的引腳構成，LED發光的同時也測量入射光強并且表明是否超過預先已定義的閾值。

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境光下產生的50 pA典型光電流iR(Φ)相比，可以忽略不計。經過分析后，可知Cr的放電過程可以用以下公式來表達：

　　若iR(Φ)是一常量，則上式可以變為：

　　式(2)表明vP1(t)隨時間t 線性的減少到0，利用單片機的16位定時/計數器計時，每隔一段時間輪詢P1引腳輸入的邏輯電平vP1(t)，直到變為邏輯“0”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，能夠計算出二極管的光電流iR(Φ)。經分析，Td可以表示如下：

　　式中，NTCNT代表計數器計數的整數值，ftclk為計數器時鐘頻率，Np為縮放因子，fclk為主時鐘頻率。當接收到的光量增加的時候，Td減小，二極管放電加快；而當接收到的光量減少時，Td增加，二極管放電減慢。通過測量發光二極管的開和關的時間Td，能夠發現并補償環境光所導致的誤差。由ftclk即可測量Td，且可以通過選擇合適的Np來匹配單片機時鐘。

　　如果延遲時間長于或短于指定的門限值Tdcr(關鍵時間)，LED接通并發光。比如通過閃爍來警告，第三步如圖3所示，單片機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。當然，測出時間大小，是為了得到P1腳的電壓大小vP1(t)，而事實上，對于實現感光點陣屏的來講，并不需要知道vP1(t)的具體大小，僅利用它來作為LED內電容充放電時間的參考。根據以上分析可知，不管光強大小如何，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 感光屏系統的實現

　　2.1 器件選擇

　　根據以上原理，LED接收的入射光的波長與其發射光波長相等的時候，系統有最好的靈敏度，所以為了增強系統的靈敏度，采用發射光波長和點陣屏差不多的LED制作成發光筆。

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

　　C8051F020 MCU是高集成度的混合信號片上系統，有按 8 位端口組織的 64 個數字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尋址。高端口（P4、P5、P6和 P7）只能按字節尋址。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口結構可知，C8051F020具有漏極開路狀態，完全可以滿足測量所要求。2.2系統構成考慮到實驗的方便，用8×8點陣，并采用常見的行列式掃描結構，所以共需要16個I/O口，這里考慮使用P0、P1口。系統結構如圖6和圖7所示。

圖7

　　2.3 系統實現

　　根據上述原理，結合具體的LED點陣屏，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行置低電平、高阻態、延時、檢測是否為低電平、反轉點亮LED的操作，完成對8×8＝64像素點陣的操作。由于單片機操作速度很快，而且LED的滾降時間很快，所以每完成一次操作，可以很快在點陣屏上形成一幅文字畫面。

　　3 測試結果

　　① 兩種模塊的對比，通過對TOP23088DU與SZ420788K兩種不同大小的點陣模塊做對比測試發現，由于TOP23088DU屏的像素點是全透明的像素點，而SZ420788K雖小， 但像素點為半透明像素點， TOP23088DU屏明顯對入射的紅光更為敏感，實現效果更好。

　　② 功能實現： 可用光筆在點陣屏上連續掃描， 觀察到點陣被點亮；可在點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的脈沖電壓。

　　結語

　　本文所述的LED感光屏的具有操作簡單、成本低、穩定性較好的優點。利用PN結光電效應的原理發掘了普通LED的更多功能，既可以作為發光元件，也可以作為感光元件，從而為開發低成本的多功能顯示屏提供了很好的參考。當然，該感光屏也有些許不足，如點陣像素點較多時延時明顯，感光靈敏度、抗干擾性等也有待進一步提高。