摘要：介紹了一種LED點陣感光屏的感光原理及其系統實現。通過C8051F020單片機及LED點陣模塊構成的點陣感光屏，利用LED PN結的光導效應，展示了LED作為低價、穩定的光電檢測器件的強大功能。
關鍵詞：LED點陣感光屏；光導；差模電感光電壓；光電流
引言
2009年電子設計競賽有一道關于LED點陣書寫屏的題目，這道題目要求在LED點陣顯示屏上實現“點亮、劃亮、反顯、整屏擦除、筆畫擦除、連寫多字、對象拖移”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。事實上，很多成功的參賽隊也是按照此方案獲得了競賽大獎。
本題為LED點陣新應用的開發提供了很好的方向，但對點陣感光屏來說，能否有更好的實現方法呢?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。
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。
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&phi模壓電感器;而變化，如圖4所示，P1腳的漏電流iL(環型電感很小，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：
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：
共模電感
式中，NTCNT代表計數器計數的整數值，ftclk為計數器時鐘頻率，N。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Tdc(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，單片機功率電感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。
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