具备传感功能并显示环境光强度的LED

作者:Dhananjay V Gadre，Sheetal Vashist，ECE Division, Netaji Subhas Institute of Technology, New Delhi

现代LED除了起到指示器和照明这些传统功用以外，还能充当光伏探测器（参考文献1和参考文献2）。简单地把红色LED连到万用表，用类似的红色LED等明亮光源照射它，就会产生大于1.4V的读数（图 1）。某个反向偏置LED的模型等效一个充电电容器，该电容器与一个依赖光的电流源并联（参考文献1）。如果增加入射光，就会增强电流源，并能使等效电容器快速放电至电源电压。

图2表示了一种把LED当作光伏探测器的方法。如果把微控制器的输出2号引脚连到LED的阴极，就会反向偏置，把LED的内部电容充电至电源电压。如果把LED的阴极连到3号输入引脚，就会把高阻抗负载连到LED。光照LED，就会产生光电流。LED的内部电容最初被充电至电源电压，通过光电流源放电，当电容器上的电压降到微控制器的较低逻辑阈值电压以下时，3号引脚会检测逻辑0。如果增加入射光强度，就会更快地使电容器放电，较低的光电平会使放电速率下降。微控制器是Atmel AVR ATtiny15，测量3号引脚的电压到达逻辑0的时间，并计算入射到LED的环境光强度。另外，微控制器按照与入射光的强度成比例的频率使该LED闪烁。

图3显示了Everlight Electronics有限公司的3mm超亮红色LED，即D₁，它采用无色透明的密封剂，充当环境光传感器。该电路只有4个元件，依靠3V ~ 5.5V的任何直流电源工作。该电路只使用AVR ATtiny15 的6根I/O引脚中的3根，其余引脚可用于控制外部设备或与之通信。传感器LED连到AVR微控制器的端口引脚PB₀和PB₃。另一根端口引脚PB3产生一个频率与入射光强度成比例的方波。该电路的工作原理是首先把正向偏压施加到LED上，持续一段固定时间，然后改变被施加到PB₀和PB₁的比特序列，由此把反向偏压施加到LED上。接下来，微控制器把 PB₀重新配置成输入引脚。内部定时环路测量被施加到PB₀的电压从逻辑1降到逻辑0的时间间隔为T。

把引脚PB₀和PB₁重新配置用来把正向偏压施加到LED，就完成了循环。时间间隔T与入射到LED上的环境光强度成反比。对于较弱光线，LED以较低频率闪烁，随着入射光强度的增加，LED闪烁更加频繁，以便提供入射光强度的视觉指示。

对于较低的正向电流值，LED的光输出强度呈良好的线性度（参考文献2）。如需测试该电路，可把第二个相同LED的光输出耦合到传感器 LED，即图3中的D₁。应该把这些LED 装在用不透明黑胶带遮盖的密封管中，由此确保外部光线不照射传感器LED。把照明LED的正向电流从0.33 mA改变为2.8mA，就会产生线性程度较高的传感器闪烁频率图（图4）。

作为传感器的LED的效率取决于它的反向偏压内部电流源和电容。如需估算反向光电流，可把一个1MΩ电阻器与传感器LED并联，并在施加一个来自外部光源的恒定照明度的同时，测量电阻器两端的电压。用 500kΩ和100kΩ电阻器代替1MΩ电阻器，重复测量。

对于处于恒定照明下并屏蔽了杂散环境光的代表性LED，我们为所有三个电阻器阻值测量到了大约25nA 的光电流。对于施加到传感器LED的相同照明度，可测量在引脚PB₃产生的频率。

为计算LED的反向偏置电容，可把延时回路时间、LED的光伏电流、微控制器的逻辑1和逻辑0阈值电压代入公式并求解C，即LED的有效反向偏置结电容：(dV/dt)=(I/C)，其中dV是测得的逻辑1电压减去逻辑0电压，dt是测得的LED内部电容放电时间，I是LED的光电流源的计算值。选定的LED的计算值范围是25pF ~ 60pF。该范围可与参考文献3和参考文献4中的数据相比，不过参考文献3只报告了电流源的值。可以从本设计实例下载AVR微控制器的汇编语言固件，表 1。

参考文献
1.Dietz, Paul, William Yerazunis, and Darren Leigh, "Very Low-Cost Sensing and Communication Using Bi-directional LEDs," Mitsubishi Research Laboratories, July 2003.
2.Petrie, Garry, "The Perfect LED Light," Resurgent Software, 2001.
3.Miyazaki, Eiichi, Shin Itami, and Tsutomu Araki, "Using a Light-Emitting Diode as a High Speed, Wavelength Selective Photodetector," Review of Scientific Instruments, Volume 69, No11, November 1998, pg 3751, http://rsi.aip.org.
4."Optocoupler Input Drive Circuits," Application Note AN-3001, Fairchild Semiconductor, 2002