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。