引言

　　LED電子顯示屏是由幾萬(wàn)--幾十萬(wàn)個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光二極管像素點(diǎn)均勻排列組成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素點(diǎn)。目前應(yīng)用廣的是紅色、綠色、黃色。而藍(lán)色和純綠色LED的開(kāi)發(fā)已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用階段。 LED顯示屏可以顯示變化的數(shù)字、文字、圖形圖像；不僅可以用于室內(nèi)環(huán)境還可以用于室外環(huán)境，具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。LED之所以受到廣泛重視而得到迅速發(fā)展，是與它本身所具有的優(yōu)點(diǎn)分不開(kāi)的。這些優(yōu)點(diǎn)概括起來(lái)是：亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長(zhǎng)、耐沖擊和性能穩(wěn)定。LED的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性，可靠性、全色化方向發(fā)展。

　　本題為L(zhǎng)ED點(diǎn)陣新應(yīng)用的開(kāi)發(fā)提供了很好的方向，但對(duì)點(diǎn)陣感光屏來(lái)說(shuō)，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(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。

　　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。

　　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。

　　工作在感光模式下的LED被快速充電到+5 V（100~200μs）。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(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)：

　　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?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(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)于或短于指定的門限值Tdc（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)。

　　2 感光屏系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　2.1 器件選擇

　　LED = Light Emitting Diode,發(fā)光二極管，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光；LED = Large Electronic Display,大型電子展示；LED = Lupus erythematosus disseminatus,播散性紅斑狼瘡，一種慢性、特發(fā)性自身免疫??；led是lead的過(guò)去式和過(guò)去分詞，意為"領(lǐng)導(dǎo)，帶領(lǐng)";俄羅斯Pulkovo機(jī)場(chǎng)的IATA代碼。顯示屏、交通訊號(hào)顯示光源的應(yīng)用LED 燈具有抗震耐沖擊、光響應(yīng)速度快、省電和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種室內(nèi)、戶外顯示屏，分為全色、三色和單色顯示屏，全國(guó)共有100 多個(gè)單位在開(kāi)發(fā)生產(chǎn)

　　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(kāi)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(kāi)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(jiàn)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

　?、賰煞N模塊的對(duì)比，通過(guò)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。

　?、诠δ軐?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(guò)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(yǔ)

　　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(kāi)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。