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一种LED点阵模块的感光屏设计及系统实现
来源:本站整理  作者:佚名  2011-04-16 09:17:42



     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

  作为光电探测器的LED能够工作在两种检测模式下:光伏模式(在外界光的作用下器件有产生电压的能力)和光导模式(器件的导电性受外界光的控制)。在两种检测模式下产生的光电压或者光电流通常大约是普通光电 二极管 的1/100~1/10,一般需要借助于运放和ADC。而在没有运放和ADC的情况下,能否获取LED的光电流呢?事实上利用二极管本身的内电容(通常为pF级),带有高阻态的三态双向I/O口及内部数字 计数器 的单片机也可以用来对其所产生的光电信号进行很好的测量。

  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。


图2


图3


图4

  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:


  若iR(Φ)是一常量,则上式可以变为:


  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。

  2  感光屏系统的实现

  2.1  器件选择

  根据以上原理,LED接收的入射光的波长与其发射光波长相等的时候,系统有最好的灵敏度,所以为了增强系统的灵敏度,采用发射光波长和点阵屏差不多的LED制作成发光笔。

  对于点阵屏,选用了TOP23088DU与SZ420788K两种不同大小的 点阵模块 做对比测试。其中,TOP23088DU模块的像素点LED直径为5 mm,像素间距7.62×7 mm, 模组 尺寸 60.2×60.2 mm,像素点透明;SZ420788K模块的像素点LED直径为2 mm,像素间距 2.5×7 mm,模组尺寸 20.2 mm×20.2 mm,像素点半透明。两种模块通电测试均为共阴发红色光的点阵模块。

  C8051F020 MCU 是高集成度的混合信号片上系统,有按 8 位端口组织的 64 个数字I/O引脚(C8051F020)。低端口(P0、P1、P2 和 P3)既可以按位寻址也可以按字节寻址。高端口(P4、P5、P6和 P7)只能按字节寻址。所有引脚都耐 5 V电压,都可以被配置为漏极开路或推挽输出方式和弱上拉。端口 I/O单元的原理框图如图5所示。


图5


图6

  由图5中I/O口结构可知,C8051F020具有漏极开路状态,完全可以满足测量所要求。2.2系统构成考虑到实验的方便,用8×8点阵,并采用常见的行列式扫描结构,所以共需要16个I/O口,这里考虑使用P0、P1口。系统结构如图6和图7所示。


图7

  2.3  系统实现

  根据上述原理,结合具体的LED点阵屏,程序流程如图8所示。


图8

  由图6中的矩阵所示,先将P0口全部置高电平,然后轮流对每一列进行置低电平、高阻态、延时、检测是否为低电平、反转点亮LED的操作,完成对8×8=64像素点阵的操作。由于单片机操作速度很快,而且LED的滚降时间很快,所以每完成一次操作,可以很快在点阵屏上形成一幅文字画面。

  3  测试结果

  ① 两种模块的对比,通过对TOP23088DU与SZ420788K两种不同大小的点阵模块做对比测试发现,由于TOP23088DU屏的像素点是全透明的像素点,而SZ420788K虽小, 但像素点为半透明像素点, TOP23088DU屏明显对入射的红光更为敏感,实现效果更好。

  ② 功能实现: 可用光笔在点阵屏上连续扫描, 观察到点阵被点亮;可在点阵屏上写入汉字笔画擦除,逐个显示及其移动;可以在屏上全部点亮后,通过扫描熄灭。用 示波器 观察,可以明显检测到在充放电的一瞬间出现的脉冲电压。

  结语

  本文所述的LED感光屏的具有操作简单、成本低、稳定性较好的优点。利用PN结光电效应的原理发掘了 普通LED 的更多功能,既可以作为发光元件,也可以作为感光元件,从而为开发低成本的多功能 显示屏 提供了很好的参考。当然,该感光屏也有些许不足,如点阵像素点较多时延时明显,感光灵敏度、抗干扰性等也有待进一步提高。

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