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

　　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。