设计通过 RGB LED 模块显示测量结果的颜色传感器

接线图 2025年02月15日 12:57 16 admin

白色的颜色
　　该项目的目标是创建一种测量光“颜色”的设备。您可能知道，通常照亮人类生活的光实际上是无数不同波长的电磁辐射的混合物。可见光谱（从大约 400 nm 延伸到 700 nm）中的每个波长都对应于一种特定的颜色，我们的眼睛将这种颜色的混合解释为“白”光。

　　然而，您无疑已经注意到，根据主要光源的不同，生活看起来有些不同。荧光灯和强烈的阳光看起来特别白，而白炽灯泡和蜡烛则营造出更温暖的“淡黄色”氛围。这些变化的发生是因为不同的“白”光源产生截然不同的颜色混合。强度和波长之间的这种关系被称为光谱成分，这是用图像比用文字更容易解释的概念之一。

设计通过 RGB LED 模块显示测量结果的颜色传感器第1张

　　它提供了有关不同灯泡光谱特性的有趣且详细的信息，包括人们可能用来描述每个灯泡产生的光质量的一些词语。
　　红色、绿色和蓝色

　　“RGB”一词如今非常常见，几乎可以说是一个独立的词。我们不想通过对原色和人类视觉三色性的广泛讨论来增加本文的负担；可以说，标准附加显示系统（例如计算机显示器）使用红、绿和蓝光的组合来生成各种不同的颜色。由此可见，我们可以使用红色、绿色和蓝色光电探测器的组合来“测量”颜色。在白光的背景下，这样思考可能更有帮助：通过使用对红、绿和蓝光敏感的单独（尽管相邻）探测器，我们可以根据光能量的大小来估计光谱成分。可见光谱的下三分之一（对应于蓝色探测器）、中三分之一（对应于绿色）和上三分之一（对应于红色）。考虑一下下图后，您应该会更清楚这一点，该图传达了用于此项目的 RGB 传感器（来自 Rohm 的部件号BH1745NUC）中的红色、绿色、蓝色和透明光电探测器的相对光谱灵敏度。

设计通过 RGB LED 模块显示测量结果的颜色传感器第2张

　　单像素 RGB 显示器
　　除非我们有某种方法来报告结果，否则我们的颜色测量不会很有用。我们将使用 RGB LED 模块来实现此目的：我们可以根据 RGB 光电探测器的输出调整每个 LED 的强度（又称亮度），因此模块的整体颜色将类似于照亮 BH1745NUC 传感器 IC 的颜色。在本文中，我们将讨论 LED 控制器，在下一篇文章中，我们将将此功能与从 BH1745NUC 读取数据结合起来。
　　该项目使用定制设计的 PCB，其中包括 EFM8 Universal Bee 微控制器（部件号 EFM8UB20F64G-A-QFP32，单击此处查看数据表，单击此处查看参考手册）、四通道 DAC（部件号DAC084S085，来自德克萨斯州） InSTruments）、一个四通道运算放大器（德州仪器的部件号LMV614）、一个 RGB LED（部件号Avago 的ASMT-YTB7-0AA02）和 BH1745NUC。

　　重要的是要了解 LED 强度与正向电流之间的关系比 LED 强度与正向电压之间的关系简单得多。请考虑本项目中使用的 LED 模块数据表中的以下图表。

设计通过 RGB LED 模块显示测量结果的颜色传感器第3张

　　强度与电流呈线性关系；电流和电压之间的关系是高度非线性的，这意味着强度和电压之间的关系也是高度非线性的。因此，如果我们想以可预测且直接的方式控制强度，我们需要调整电流，而不是电压。
　　从电压源到电流源

　　DAC 是一款 4 通道、8 位电压输出器件，通过 SPI 进行控制。 EFM8 提供 2.4 V 参考电压。因此，DAC 输出电压从 0V 变化到 2.4V，步长为 (2.4V)/(2 8 ) = 9.4mV。我们希望将此电压转换为电流，使 LED 从零强度变为最大强度。为此，我们需要一个运算放大器和一些负反馈；一般做法如下：

设计通过 RGB LED 模块显示测量结果的颜色传感器第4张

　　这里的基本原理是，运算放大器将以任何必要的方式调整其输出，以使负输入端的电压等于正输入端的电压。反馈电阻 (RFB )将通过 LED 的电流转换为电压，这样施加到正输入的控制电压就决定了 LED 的正向电流，从而决定了其强度。本项目所用电路的设计流程如下：
　　选择最大正向电流。我们将使用 20 mA，这明显低于绿色和蓝色 LED 指定的最大值 25 mA（红色 LED 的最大值为 50 mA）。请记住选择能够安全提供如此大电流的运算放大器。
　　使用电阻分压器可将控制电压降低 10 倍。这使我们能够使用更小的反馈电阻，从而增加可用于 LED 正向压降的输出电压比例。

　　调整反馈电阻的大小，使最大电流时的反馈电压等于最大除以 10 的控制电压：　(2.4 V÷10)=RFB×20 mA \右箭头 RFB=240 mV20 mA=12 Ω

　　这是实际电路的原理图：

设计通过 RGB LED 模块显示测量结果的颜色传感器第5张