三基色亮度计的设计和应用

　　摘要：本文利用新型颜色传感器TCS230具有的滤光选择功能，借助MCU设计出了一种能够同时测量白光中所含的三基色（红、绿、蓝）亮度的便携式亮度计。另外该亮度计还提供计算机通信接口以及数据接收软件，实现了对数据的采集和处理，并把处理后的数据数字化的显示到OLED屏上。该亮度计具有快速，，便捷的特点，可广泛应用于各种需要对光色成分进行分析、测量的行业。
　　
　　1、引言
　　
　　随着LED行业的快速发展，竞争的不断加剧，LED品质受到了的重视，尤其是在大屏幕显示、LED照明光源等对颜色要求较高的场合，品质控制的难度和重要性均显得特别突出。因此，对LED性能的测试和*估逐渐被提上日程。通常LED的标准检测仪器是光谱分析仪，它能够分析LED发出光的颜色和亮度，但它体积庞大，价格昂贵，少则几万多则几十万，并非一个小型企业所能负担的。
　　
　　现有的亮度计，都是通过电流的强弱来标定被测物的亮度大小。我国亮度计生产厂家生产的光亮度计通常无颜色选择功能，如果需要测量某种颜色的光（常指三基色红、绿、蓝）的光强，通常要在独立的光电二极管上覆盖经过修正的红、绿、蓝滤光片，然后对输出的模拟信号加一个A/D电路进行采样，再对该采样信号进一步处理，才能进行识别，增加了电路的复杂性，并且存在较大的识别误差，影响了识别的效果。在遇到同时需要对多种颜色光强进行测量的场合，工作量将会成倍的增加，其烦琐性是显而易见的，同时，也增大了测量结果的误差。
　　
　　为了克服传统亮度计无法检测被测光源所包含的单色光光强的缺点，本文设计了一种能够同时测量白光中所含的三基色（红、绿、蓝）亮度的亮度计，用来分析测量光中的颜色成分和亮度，同时把检测结果数字化的显示到OLED屏上。这样在测量LED大屏幕显示器的时候只要把红绿蓝三种颜色的LED发光二极管都点亮（即白色），就可直接分析出其中的颜色成分和亮度大小，并省去了大量的记录工作。
　　
　　2、系统硬件结构与原理
　　
　　三基色亮度计主要由五部分组成：数据采集模块、MCU控制模块、OLED显示模块、数据通信模块、键盘输入模块。系统的基本工作原理为：通过键盘选择颜色并设定参数，控制单片机来向传感器发送指令，当传感器接收到光信号后，输出频率会随之发生变化，单片机对传感器采集的数据进行适当的判断、计算和处理，然后数字化的显示到OLED屏上。系统原理图如图1所示。　　
　　2．1数据采集模块
　　
　　数据的采集用的是美国TAOS公司生产的颜色传感器TCS230，它是业界带数字兼容接口的RGB彩色光／频率转换器，它内部集成了可配置的硅光电二极管阵列和一个电流／频率转换器。TCS230输出为占空比50％的方波，且输出频率与光强成线性关系。该转换器输出频率范围为2—500kHz，且可通过2个可编程引脚来选择2％、20％、或100％的输出比例因子。TCS230的输入、输出引脚可直接与微处理器或其他逻辑电路连接。　　
　　图2是TCS230的引脚封装和功能框图，从功能框图可知：当入射光投射到TCS230上时，通过光电二极管控制引脚S2、S3的不同组合，可以选择不同的滤波器；经过电流到频率转换器后输出的是占空比为50%的方波，不同颜色和光强的光所对应输出的方波频率也是不一样的。还可以通过输出定标控制引脚S0、S1选择不同的输出比例因子，对输出频率范围进行调整，以适应不同的需求。SO、S1及S2、S3的可用组合如图3所示。　　
　　下面简要介绍TCS230芯片各个引脚的功能及它的一些组合选项。S0、S1用于选择输出比例因子或电源关断模式；S2、S3用于选择滤波器的类型；OE是频率输出使能引脚，可以控制输出的状态，当有多个芯片引脚共用微处理器的输入引脚时，也可以作为片选信号；OUT是频率输出引脚，GND是芯片的接地引脚，VCC为芯片提供工作电压。
　　
　　2．2MCU控制模块
　　
　　MCU采用的是Cygnal公司的单片机C8051F023。它是*集成的混合信号片上系统（SOC），具有与MCS-51内核及指令集*兼容的微控制器。C8051F023具有高速、非侵入方式的在系统调试接口、8通道ADC、带PGA和模拟多路开关、在系统编程的FLASH存储器、5个通用的16位定时器、5个可编程计数器/定时器阵列等特性。该模块主要实现数据的采集、处理、显示、传输以及键盘指令的响应，它的核心部分是单片机对传感器的控制。C8051F023与TCS230的连接，如图4所示。　　
　　将TCS230的S0以及S1两个引脚全部与电源相连，这样连接将会使颜色传感器输出占空比50%，频率值为的方波。这样给zui终调试时带来了方便，在不同设计要求时只需要简单的调节接线就可以实现不同的功能。TCS230的S2和S3这两个引脚为光电二极管类型选择的引脚，现与C8051F023单片机的P0.0、P0.1相连。单片机就是通过这两个引脚对传感器进行选择控制，而对传感信号的接收则是通过P0.4与TCS230的OUT引脚来连接实现的。TCS230的反应速度快，达到10μs，同时通过对S2、S3的控制来改变滤波器类型，可方便的选择颜色，并且输出可以为二路数字信号，具有较强的*力。
　　
　　2．3OLED显示

       模块采用的是128×64行点阵的OLED单色、字符、图形显示模块VGS12864E。模块内藏64×64显示数据RAM，其中每位数据对应于OLED上一个点的亮、暗状态；其接口电路和操作指令简单，具有8位并行数据接口，可直接与8位微处理器相连。
　　
　　2．4数据通信模块和健盘输入模块
　　
　　用MAX232来完成TTL-RS232电平转换，实现亮度计与计算机的数据交换。通过键盘输入模块，可以非常方便的改变对颜色的选择。
　　
　　3、软件设计
　　
　　系统软件流程如图5所示。软件采用C语言编程，主要完成对硬件的控制以及对采集数据再现等功能。单片机控制程序主要由4部分组成：数据采集、键盘响应、菜单显示、数据通信。程序的开始首先要对单片机进行初始化，这是必要的步骤。单片机初始化程序包括关闭看门狗、时钟初始化、端口初始化，交叉开关寄存器初始化，以及定时器和中断等的初始化。初始化完成后，如需要颜色识别，就进行具体颜色选择，保存设置，采集数据，完成颜色的识别。　　
　　系统设计时还应当注意一些问题。首先，在设计时，一定要考虑白平衡问题，所谓白平衡，就像是天平在使用前的调零一样，也就是用户所颜色的外界白光。因为要依此白光为基准进行调整。这里有两种方法可以计算并调整参数。一是依次选通三种颜色的滤波器，然后对TCS230的输出脉冲依次进行计数。当计数到255时停止计数，并分别计算每个通道所用的时间。这些时间就是对应于实际测试时TCS230每种滤波器所采用的时间基准，在这段时间内所测得的脉冲数就是所对应的R、G和B的值。二是设置定时器为一固定时间（例如10ms），然后选通三种颜色的滤波器，并计算这段时间内TCS230的输出脉冲数。这样便可计算出一个比例因子，通过这个比例因子可以把这些脉冲数变为255。然后在实际测试时，使用同样的时间进行计数，把测得的脉冲数再乘以该比例因子，这样就可以得到所对应的R、G和B的值。
　　
　　4、结束语
　　
　　利用本文介绍的基于TCS230设计出的三基色亮度计，只需一次测量即可完成对LED显示管的红、绿、蓝及白光的颜色和亮度的测量，大大提高了测量效率，同时还具有成本低，精度高，功能全等特点。因为不需要另外添加滤光片，这在对三基色光强要求较多的显示领域，如LED大屏幕显示器的一致化校正，液晶显示器测试等等有着广阔的应用前景。本文创新点：传统亮度计只能测量其感光器件所接收的光强，如不使用滤光设备，则无法检测被测光源所包含的单色光光强。本文设计了一种能够同时测量白光中所含的三基色（红、绿、蓝）亮度的亮度计，用来分析测量光中的颜色成分和亮度，同时把检测结果数字化的显示到OLED屏上，具有成本低，精度高，功能全等特点。