摘要：介紹了一種LED點(diǎn)陣感光屏的感光原理及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。通過C8051F020單片機(jī)及LED點(diǎn)陣模塊構(gòu)成的點(diǎn)陣感光屏，利用LED PN結(jié)的光導(dǎo)效應(yīng)，展示了LED作為低價(jià)、穩(wěn)定的光電檢測(cè)器件的強(qiáng)大功能。
關(guān)鍵詞：LED點(diǎn)陣感光屏；光導(dǎo)；光電壓；光電流

引言
    2009年電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽有一道關(guān)于LED點(diǎn)陣書寫屏的題目，這道題目要求在LED點(diǎn)陣顯示屏上實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)亮、劃亮、反顯、整屏擦除、筆畫擦除、連寫多字、對(duì)象拖移”等書寫顯示功能。初見此題想到的是，按題目的提示，采用光電三極管作為感光元件，記錄坐標(biāo)。事實(shí)上，很多成功的參賽隊(duì)也是按照此方案獲得了競(jìng)賽大獎(jiǎng)。
    本題為L(zhǎng)ED點(diǎn)陣新應(yīng)用的開發(fā)提供了很好的方向，但對(duì)點(diǎn)陣感光屏來說，能否有更好的實(shí)現(xiàn)方法呢?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，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。

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，通過單個(gè)LED的光延時(shí)來實(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)并且表明是否超過預(yù)先已定義的閾值。

    工作在感光模式下的LED被快速充電到+5 V(100～200μs)。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1015Ω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)：
  
    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?ldquo;0”的門限電壓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：
   
    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，N。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。通過測(cè)量發(fā)光二極管的開和關(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，且可以通過選擇合適的Np來匹配單片機(jī)時(shí)鐘。
    如果延遲時(shí)間長(zhǎng)于或短于指定的門限值Tdc(關(guān)鍵時(shí)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(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)陣屏的來講，并不需要知道vp1(t)的具體大小，僅利用它來作為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Td時(shí)間后的信號(hào)衰減，即可獲得高低電平信號(hào)。
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(zhǎng)與其發(fā)射光波長(zhǎng)相等的時(shí)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(zhǎng)和點(diǎn)陣屏差不多的LED制作成發(fā)光筆。
    對(duì)于點(diǎn)陣屏，選用了TOP-23088DU與SZ420788K兩種不同大小的點(diǎn)陣模塊做對(duì)比測(cè)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2mm，像素間距2．5×7mm，模組尺寸20．2 mm×20．2 mm，像素點(diǎn)半透明。兩種模塊通電測(cè)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(hào)片上系統(tǒng)，有按8位端口組織的64個(gè)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。

    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(cè)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(gè)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。

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。
    由圖6中的矩陣所示，先將P0口全部置高電平，然后輪流對(duì)每一列進(jìn)行置低電平、高阻態(tài)、延時(shí)、檢測(cè)是否為低電平、反轉(zhuǎn)點(diǎn)亮LED的操作，完成對(duì)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(shí)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(cè)試結(jié)果
    ①兩種模塊的對(duì)比，通過對(duì)TOP-23088DU與SZ420788K兩種不同大小的點(diǎn)陣模塊做對(duì)比測(cè)試發(fā)現(xiàn)，由于TOP-23088DU屏的像素點(diǎn)是全透明的像素點(diǎn)，而SZ4 20 788K雖小，但像素點(diǎn)為半透明像素點(diǎn)，TOP23088DU屏明顯對(duì)入射的紅光更為敏感，實(shí)現(xiàn)效果更好。
    ②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(gè)顯示及其移動(dòng)；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(cè)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(jiǎn)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(shí)延時(shí)明顯，感光靈敏度、抗干擾性等也有待進(jìn)一步提高。