如何使单个LED同时具备光发射和检测功能

人们有时忘记了发光二极管也能够很好地检测光。发光二极管作为廉价而容易使用的光检测器而得到广泛的应用。一般来说，LED检测器检测的光的波长比其发射光的波长稍短，使其可用作波长选择检测器。例如，发射峰值波长约为555nm的绿-黄光的LED，检测峰值波长约为525nm、谱宽约50nm的绿波。

几乎所有LED都可以以不同的灵敏度检测相对窄的波长带。实际上，标准LED可以在同一电路中完成两种功能，而不用改变物理或电气连接。图1示意了一种非常简单的基于微控制器的电路，可以仅使用微控制器的两个I/O口和一个LED及电阻，交替发射和检测光线。电路可以用作智能光开关、高分辨率调光器、编码检测器、烟雾检测器等。

因为LED光电二极管比商用光电二极管的灵敏度要小的多(光电流小10到100倍)，如果不进行放大，直接检测光电流很困难。一般地，需要一个皮可安培计和多个价格昂贵的运放。

然而，绝大多数现代微控制器都具备可配置内部提拉或三态(高阻)输入的双向I/O口。该电路利用一个高阻输入，通过一种简单的阈值技术和微控制器内置计时器，可以非常准确而且精确地测量光电流。

在检测器模式下，LED很快(在100～200 ns的时间内) “充电”到+5 V。该充电由大小一般为10～15 pF的二极管固有电容来维持(见图2步骤1)。随后，微控制器的P1引脚切换到高阻抗模式(电阻约1015 Ω)，此为步骤2。在反向偏置状态下，一种LED简单模型是一个电容与一个电流源iR(Φ)并联，iR(Φ)表示由光强度感应的电流。该模型包括流过P1的漏电流iL，iL一般为0.002 pA，与通常环境光水平下二极管流过的大小为50 pA的典型光电流iR(Φ)相比，漏电流iL可以忽略。图3a给出了LED 在Φ1 和 Φ2下(Φ2> Φ 1)VP1(t)放电的实验结果。

一个软件程序(为8位微控制器的16位计时器TCNT1所写)用P1的逻辑态数字等效值连续检测VP1(t)，直到达到逻辑0阈值VTR (约2.2 V)。微秒量级的衰减时间Td正比于检测到的光量，因此，就测量到了二极管光电流iR(Φ)。随着接收到的光量的增加，二极管放电加快，Td 减小，反之亦然(见图3a)。

如果衰减时间大于用户设定的某个光强度阈值，该阈值以Tdcr(临界值)表示，微控制器则可导通LED，LED发光报警(见图2，步骤3)。此外，微控制器其它引脚可以用作继电器输出或光控制、脉宽调制输出。图3b示意了各工作步骤下P2的电压输出。

采用这一成本低廉的方法，能实现光强度固有数字测量，而无需放大，其信噪比特性极佳，因为在整个测量期间信号是积分的。该技术提高了光电二极管的灵敏度，使其比常规(价格更贵)光电二极管更有魅力。常规光电二极管对电容的充电要快得多，进行基于时间的测量更困难，并且费用更高。