LED點(diǎn)陣模塊的感光屏設(shè)計(jì)

根據(jù)光電效應(yīng)，PN結(jié)在光的激勵(lì)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(guò)簡(jiǎn)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(lái)，感光屏就可以完全利用LED的感光特性來(lái)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。

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圖1

　　1? LED的感光原理

　　作為光電探測(cè)器的LED能夠工作在兩種檢測(cè)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(cè)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(méi)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(jí)），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(lái)對(duì)其所產(chǎn)生的光電信號(hào)進(jìn)行很好的測(cè)量。

　　最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)的方法如圖2所示，通過(guò)單個(gè)LED的光延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它由一個(gè)LED連接兩個(gè)單片機(jī)的引腳構(gòu)成，LED發(fā)光的同時(shí)也測(cè)量入射光強(qiáng)并且表明是否超過(guò)預(yù)先已定義的閾值。

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　　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(gè)電容與一個(gè)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(guò)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(guò)分析后，可知Cr的放電過(guò)程可以用以下公式來(lái)表達(dá)：

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式(2)表明vP1(t)隨時(shí)間t 線性的減少到0，利用單片機(jī)的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)，每隔一段時(shí)間輪詢P1引腳輸入的邏輯電平vP1(t)，直到變?yōu)檫壿嫛?”的門(mén)限電壓VTR (約2.2 V)為止。衰減時(shí)間Td（通常測(cè)得為μs級(jí)）與檢測(cè)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：

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　　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(shí)鐘頻率，Np為縮放因子，fclk為主時(shí)鐘頻率。當(dāng)接收到的光量增加的時(shí)候，Td減小，二極管放電加快；而當(dāng)接收到的光量減少時(shí)，Td增加，二極管放電減慢。通過(guò)測(cè)量發(fā)光二極管的開(kāi)和關(guān)的時(shí)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(cè)量Td，且可以通過(guò)選擇合適的Np來(lái)匹配單片機(jī)時(shí)鐘。

　　如果延遲時(shí)間長(zhǎng)于或短于指定的門(mén)限值Tdcr(關(guān)鍵時(shí)間)，LED接通并發(fā)光。比如通過(guò)閃爍來(lái)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(lái)作為延時(shí)輸出或者光線控制PWM輸出。當(dāng)然，測(cè)出時(shí)間大小，是為了得到P1腳的電壓大小vP1(t)，而事實(shí)上，對(duì)于實(shí)現(xiàn)感光點(diǎn)陣屏的來(lái)講，并不需要知道vP1(t)的具體大小，僅利用它來(lái)作為L(zhǎng)ED內(nèi)電容充放電時(shí)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(shí)間Td都很小，于是通過(guò)Td時(shí)間后的信號(hào)衰減，即可獲得高低電平信號(hào)。