Microsoft Word - 三色LED色彩控制

三色 LED 的色彩控制生活的色彩生活環境中存在了許多顏色, 當人們張開眼睛時便能看到白色的牆壁褐色的衣櫃 ; 打開窗戶能看到五顏六色的招牌 ; 打開電視可以看到彩色的畫面, 使用印表機可以列印出彩色圖片這些色彩充斥在我們周圍有些顏色是固定的, 像各種物體的顏色, 但有些顏色卻是可以變化的, 像彩色電視彩色印表機或五光十色的霓虹燈等它們顯色的方式或許不同, 但是產生的顏色卻一樣可以千變萬化一混色原理以彩色的霓虹燈而言, 應該沒有人會認為燈罩內插滿了各種顏色的燈泡 ; 用過彩色噴墨印表機的人也應該知道墨水匣只有少數幾種顏色的墨水為何少數顏色可以有這麼多種的變化? 其實主要原因在於眼睛對於顏色的感覺並不是那麼的精細例如眼睛看到波長 570nm 的光線可以感覺出是黃光, 但是波長 650nm( 紅光 ) 和波長 530nm( 綠光 ) 在一定相對比例下混合出來的光線, 也是可以感覺出黃光眼睛並不能夠分辨出這兩種光有何不同因此由於眼睛的這種特性, 使得我們可以使用混色的方法產生不同顏色混色的方式可分為三種 (a) 加法混色 : 使用三種一次色 ( 紅, 綠, 藍 ) 依不同的比例可以混合出不同的顏色由於每次的混合都會增加亮度, 因此又稱為加法混合, 如圖 1 (b) 減法混色 : 物體色是光線反射之後所看到的顏色顏色的混合可以說圖 1 是色料的混合, 因此一次色 ( 紫紅 Magenta 黃 Yellow 及青綠 Cyan) 與加法混合的一次色不同由於色料對於光線的反應是部份吸收部份反射, 混合後將會降低亮度, 因此是減法混色, 如圖 2 中性混色: 利用視覺分辨的弱點, 其中可分為繼時加法混色 ( 混色板旋轉混色, 一個有不同顏色區塊的轉盤以一定的轉速旋轉, 造成眼睛無圖 2 法分辨個別顏色, 達到混色效果 ); 並置加法混色 ( 利用混合各種不同顏色的微小斑點, 造成眼睛無法分辨個別顏色, 達到混色效果 ) 藉由混色方式產生出不同的顏色後, 接著應將顏色作嚴謹的定義或規範而定義或規範色彩之工具稱為表色系統較常用的表色系統為 CIE( 國際照明委員會 International Commission on Illumination) 所訂定之表色系統該系統是屬於混色系統不僅精確度高, 又利於以數值計算與表示任意色彩, 較常為工業界所採用某一色刺激 *[F], 在原刺激 [R],[G],[B] 的混合量是 R,G,B 時產生等色, 此時的混合量 R,G,B 稱為 [F] 的三刺激值 (tristimulus values) 當[R],[G],[B] 以 R,G,B 的混合量進行混色與 [F] 產生等色時, 可以利用 [F]=R[R]+G[G]+B[B] 來表達此式稱為色彩方程式 (color equation) 進入人眼中引起色感覺的光稱為色刺激 (color stimulus) 當某色 [F] 在 RGB 表色系統的三刺激值為 R,G,B 時, 則它在 XYZ 表色系統的三刺激值 X,Y,Z 可以利用下式求得 ( 基礎色彩再現工程 p2-4) X 2.7689 1.7517 1.1302 R Y 1.0000 4.5907 0.0601 G eq.1 Z 0.0000 0.0565 5.5943 B 這樣求得的三刺激值 XYZ, 如考慮其向量的組成, 在幾何學上的表示是需要使用三次元空間, 我們把這種空間稱為色彩空間 (color space) 但是, 三次元色彩空間的表示有不便之處, 因此根據 - 1 -

以下公式求出 XYZ 色彩空間中的單位平面 X+Y+Z=1 和色向量 (X,Y,Z) 的交點 x,y, 以此種方式表示在二次元的平面上 X X Y Z eq.2 Y X Y Z eq.3 利用方程式所決定的 x,y 稱為色 [F] 的色度座標 (chromaticity coordinates), 在平面上表示色度座標圖稱為色度圖 (chromaticity diagram), 色度圖上色 [F] 色度座標之位置點稱為色度點 (chromaticity point) 另外, 單色光的色度座標稱為單色光色度座標 ( 頻譜色度座標 spectral chromaticity coordinates), 依照波長順序連接單色光色度點所得到的曲線稱為單色光軌跡 ( 頻譜軌跡 spectrum locus) 而連接單色光軌跡兩端所形成的直線稱為純紫邊界線 (purple boundary), 此一直線顯示色度圖上可見光光譜兩端波長之單色圖 3 www.ledtronics.com/html/1931chromaticitydiagram.htm 光刺激 ( 藍色和紅色 ) 相互混色的結果, 位於這條直線上的色光代表由藍色通過紫色到紅色的連續變化圖 3 顯示在 x,y 色度圖上單色光軌跡和純紫邊界線的描繪結果混色規則自有一套複雜的理論, 在這裡我們只作簡單的討論, 有興趣的同學可以自行參閱相關書籍 [R],[G],[B] 為加法混色理論之三原色色光, 而三原色色光比例量分別為 R,G,B, 若 R,G,B 皆為等量, 則混合色光為白光若三原色光比例量 R,G,B 不相等, 則產生的混合色光 [F] 共有 6 種關係組合以 R>G>B 為例, 等比例混合的色光為白光, 其餘之色光將混合成新的混合色光 [F 0 ] 於是根據格拉斯曼法則* 可知三色光的混合情形與色光 [F 0 ] 加上白光 [W] 所混色的結果相同我們以下列數學式作說明 F R R G G B B R B R G B G B R G B R B R G B G B W F B W eq.4 因此, 色光 [F] 可視為由色光 [F 0 ] 加上 [W] 所形成的顏色, 故 [F] 較 [F 0 ] 明亮純度較低色光 [F 0 ] 在 CIE-xy 色度圖上的位置, 可以直接利用色光 [R] [G] 兩色度點進行直線連接由格拉斯曼法則可知, 色光 [F 0 ] 必定是落於 [R] [G] 的連線上, 又因混合量 R>G 推圖 4 論得知, [F 0 ] 落於 [R][G] 直線上較接近 [R] 色度點之線段中根據以上推論, 將可大致上求得色光 [F] 在色度圖上的位置如圖 4, 色光 [F] 大約落於由 - 2 -

[R][Y][W] 三色度點所圍成的三角形內部色光加法混色的主要依據 : 格拉斯曼法則 (Grassman Law) 若色光 [F1] 和色光 [F2] 等色 ; 色光 [F3] 和色光 [F4] 等色則比例法則與加法法則成立 1. 比例法則 : 當色光的強度增強 ( 或減弱 )α 倍時, 等色關係仍然成立 α F1 α F2, α F3 α F4 eq.5 2. 加法法則 : 色光加上互為等色的色光, 所得到的色光仍然成立 F1 F3 F2 F4, F1 F4 F2 F3 eq.6 二元件需求 COM 三色 LED 1( 或用三個單色 LED 代替 ) 300Ω 電阻 3 5k 可變電阻 2 跳線若干三三色 LED: 全彩的 LED 圖 5 R G B 三色 LED 的電路如圖 5 所示, 是把 R,G,B 三色晶粒封裝在同一個 LED 上共有四個接腳, 其中最長的是共同端 COM, 其餘則為對應二極體的另一端根據 COM 的差別,LED 可分為共陰與共陽兩種, 而其他接腳所對應的顏色則可用電表量測出來四連接 LED 測試電路至 BASIC Stamp LED 電路圖如圖 6 所示, 首先關閉電源再接妥電路五程式說明鍵入下列程式並執行 ' ThreeColorTest.bs2 P15 P14 P13 R G B 皆 300Ω 圖 6 Vss HIGH 15 LOW 15 HIGH 14 LOW 14 HIGH 13 LOW 13 'B 'G 'R' 我們使用迴圈讓程式不斷執行由程式可預期 LED 將亮 500ms 後暗 500ms, 並以 BGR 的順序變換顏色由於 LED 的狀況不同, 可能導致相同電壓但亮度不一致的現象產生, 因此找出相對較亮的兩個 LED, 其電阻再串接一 5k 可變電阻並調整阻值大小, 使其三色亮度大小大致相同我們修改程式, 使其中兩色混合若混色效果不佳, 可用白色紙捲成筒狀套住 LED, 提高混光效果, 如圖 7 所示 - 3 -

' TwoColorTest.bs2 HIGH 14 HIGH 13 LOW 14 LOW 13 'G 'R' 圖 7 再修改程式, 檢查其他方式的混色是否符合下列原則 : 紅 + 綠 = 黃 ; 綠 + 藍 = 青綠 (Cyan); 紅 + 藍 = 洋紅 (Magenta); 紅 + 綠 + 藍 = 白由於 BASIC Stamp 的輸出不是 0V 就是 5V, 顯然對 LED 的控制只有亮與不亮這種限制造成 LED 只能發出 7 種顏色因此我們希望也能控制 LED 亮度的大小, 由 LED 的電性可知道, 亮度與電流大小成正比所以我們要調整亮度就只能調整電流 ( 亦或調整電壓 ), 於是需要數位轉類比的電路來執行很明顯我們需要用較多的 I/O pin 來產生有限的電壓位階, 不僅電路複雜, 也限制了 BASIC Stamp 同時控制其他電路的能力所幸我們還有其他的方法可以控制 LED 的亮度, 那就是 PWM(Pulse-width modulation, 脈衝寬度調變 ) 現在我們再執行下列程式 ' PWMTest.bs2 counter VAR Byte PWM 14,(100*255)/100, 200 PWM 14,(75*255)/100, 200 PWM 14,(50*255)/100, 200 PWM 14,(25*255)/100, 200 'Duty=100% 'Duty=75% 'Duty=50% 'Duty=25% 程式執行後, 是不是可以感覺到 LED 亮度的變化每個 PWM 的執行時間是 200ms, 我們用 FOR 迴圈讓 PWM 能維持在 1s 的工作時間本程式用到新的指令 PWM, 在說明 PWM 之前我們再複習一下以前學過的工作週率 (Duty Cycle) 的觀念如 eq.7 及圖 8 所示, 工作週率是指脈衝訊號經歷高電壓的時間 (T H ) 在整個脈衝週期 (T) 所佔的比例通常是以百分比表示, 若 T H =0.5T, 則 Duty=50% Duty Cycle V T H T H T L T H T eq.7 PWM 14,(0*255)/100, 200 'Duty=0% T H T T L Time 接著我們再來看 PWM 的語法圖 8 PWM Pin, Duty, Cycles - 4 -

其中 PWM 是指令名稱 ;Pin 為 I/O pin 的接腳名稱, 執行過程會設為 output mode, 結束後改為 input mode; Duty 為工作週率, 其值範圍為 0-255( 對應到 0-100%);Cycles 為訊號輸出維持的時間, 其值範圍為 0-255(ms) PWM 指令的原本功能是透過 RC 電路讓數位訊號能產生類比電壓 ( 參考 BASIC Stamp Syntax and Reference Manual) 在此我們將透過 Duty 的調整讓 LED 在高電位時候 (T H ) 亮, 在低電位 (T L ) 的時候暗, 只要整個頻率 (1/T) 夠大, 我們將感受到 LED 亮度的變化而感受不到亮度的閃爍 ( 你可以使用示波器檢查各 Pin 的輸出訊號 ) 不同的亮度的光混合當然也產生不同的顏色, 現在 Duty=0(0%) 時,LED 不亮 ;Duty=255(100%) 時,LED 最亮, 於是我們可以將 LED 的亮度分成 255 段來控制於是三色的 LED 將能產生 256 3 種顏色電腦的顏色顯示是使用 RGB 色碼表 ( 可使用關鍵字查得 ), 將 RGB 各分成 256 色階, 也是 256 3 種顏色每個顏色均給定一 16 進位的編碼, 例如橙色 (Orange) 是由 RGB 依照各色階比例 (255,165,0) 所混色, 其 16 進位的編碼為 FFA500(FF 對應 255;A5 對應 165;00 對應 0) 右表為其中簡單的幾種顏色編碼的整理我們依照表格的資料, 再撰寫新的程式各顏色以 0.5s 的時間循環 ' SevenColor.bs2 counter VAR Byte FOR counter =1 TO 167 'White PWM 13,255, 1 PWM 14,255, 1 PWM 15,255, 1 FOR counter =1 TO 167 'Black PWM 13,0, 1 PWM 14,0, 1 PWM 15,0, 1 FOR counter =1 TO 167 'Red PWM 13,255,1 PWM 14,0, 1 PWM 15,0, 1 FOR counter =1 TO 167 'Orange PWM 13,255,1 PWM 14,165,1 PWM 15,0,1 FOR counter =1 TO 167 'Yellow PWM 13,255,1 PWM 14,255,1 PWM 15,0,1 ' 下接右欄 - 5 - 顏色英文名稱 RGB 16 進位 White 255,255,255 #FFFFFF Black 0,0,0 #000000 Red 255,0,0 #FF0000 Orange 255,165,0 #FFA500 Yellow 255,255,0 #FFFF00 Green 0,255,0 #00FF00 Blue 0,0,255 #0000FF Indigo 75,0,130 #4B0082 Purple 128,0,128 #800080 http://en.wikipedia.org/wiki/list_of_colors FOR counter =1 TO 167 'Green PWM 13,0,1 PWM 14,255,1 PWM 15,0,1 FOR counter =1 TO 167 'Blue PWM 13,0,1 PWM 14,0,1 PWM 15,255,1 FOR counter =1 TO 167 'Indigo PWM 13, 75,1 PWM 14,0,1 PWM 15,130,1 FOR counter =1 TO 167 'Purple PWM 13,128,1 PWM 14,0,1 PWM 15,128,1

接著我們透過 PWM 之 Duty 的控制來達到漸亮與漸暗的效果 ' ColorCycle.bs2 '----- 使用 DATA 定義顏色對應碼 ----------- Red DATA 255,0,0 Orange DATA 255,165,0 Yellow DATA 255,255,0 Green DATA 0,255,0 Blue DATA 0,0,255 Indigo DATA 75,0,130 Purple DATA 128,0,128 White DATA 255,255,255 '-------- 宣告各種變數 subgreen: READ Green+index,light(index) subblue: READ Blue+index,light(index) subindigo: light VAR Byte(3) ' 儲存顏色對應碼的變數 READ Indigo+index,light(index) TurnOnTime CON 1200 ' 漸亮時間 MaintainTime CON 300 ' 維持時間 TurnOffTime CON 1200 ' 漸暗時間 counter VAR Word index VAR Nib '-------- 主程式 subpurple: READ Purple+index,light(index) GOSUB subred ' 指定亮紅色 subwhite: ' 開始動作 GOSUB suborange ' 指定亮橙色 READ White+index,light(index) GOSUB subyellow ' 指定亮黃色 GOSUB subgreen ' 指定亮綠色 '-------- 副程式 : 使 LED 動作 active:' GOSUB subblue ' 指定亮藍色 GOSUB TurnON GOSUB Maintain GOSUB subindigo ' 指定亮靛藍色 GOSUB TurnOFF GOSUB subpurple ' 指定亮紫色 TurnON:' 漸亮 FOR counter =1 TO (TurnOnTime/6) GOSUB subwhite ' 指定亮白色 PWM 13,(light(0)*counter)/(TurnOnTime/6), 2 PWM 14,(light(1)*counter)/(TurnOnTime/6), 2 PWM 15,(light(2)*counter)/(TurnOnTime/6), 2 '-------- 副程式 : 讀取顏色對應碼 subred: READ Red+index,light(index) suborange: READ Orange+index,light(index) subyellow: READ Yellow+index,light(index) Maintain: ' 維持最亮狀態 FOR counter =1 TO (MaintainTime/3) PWM 13,light(0), 1 PWM 14,light(1), 1 PWM 15,light(2), 1 TurnOFF: ' 漸暗 FOR counter =(TurnOffTime/6) TO 1 'White PWM 13,(light(0)*counter)/(TurnOffTime/6), 2 PWM 14,(light(1)*counter)/(TurnOffTime/6), 2 PWM 15,(light(2)*counter)/(TurnOffTime/6), 2 ' 下接右欄本程式我們使用 DATA 指令來儲存顏色的對應碼, 再透過 FOR 將對應碼存入 light 的變數內接著在 active 副程式內將 LED 的動作分三段 ( 漸亮維持亮度漸暗 ), 其亮度的變化我們透過 FOR 控制 Duty 值進而達到亮度的調變 - 6 -

最後一個程式, 我們利用亮度的變化設計出顏色漸層轉換的效果 ' ColorChange.bs2 '----- 使用 DATA 定義顏色對應碼 ----------- Black DATA 0,0,0 Green DATA 0,255,0 Indigo DATA 75,0,130 '-------- 宣告各種變數 READ Green+index,light2(index) subindigo: light1(index)=light2(index) READ Indigo+index,light2(index) light1 VAR Byte(3) light2 VAR Byte(3) ' 儲存目前顏色對應碼 ' 儲存將漸變的頻色對應碼 '-------- 副程式 : 使 LED 動作 MaintainTime CON 500 ' 維持時間 ChangeColor: ' 轉變顏色 TurnTime CON 60 counter VAR Word index VAR Nib '-------- 主程式 ' 轉換時間 FOR counter =1 TO (TurnTime) PWM 13,(light2(0)*counter)/(TurnTime), 2 PWM 13,(light1(0)*(TurnTime-counter))/(TurnTime), 2 PWM 14,(light2(1)*counter)/(TurnTime), 2 GOSUB subblack' 最初從黑色開始 GOSUB subgreen PWM 14,(light1(1)*(TurnTime-counter))/(TurnTime), 2 PWM 15,(light2(2)*counter)/(TurnTime), 2 PWM 15,(light1(2)*(TurnTime-counter))/(TurnTime), 2 GOSUB ChangeColor GOSUB subindigo GOSUB ChangeColor ' 開始動作 FOR counter =1 TO (MaintainTime) PWM 13,light2(0), 2 PWM 14,light2(1), 2 '-------- 副程式 : 讀取顏色對應碼 subblack: PWM 15,light2(2), 2 READ Black+index, light2(index) subgreen: light1(index)=light2(index) ' 下接右欄六摘要在本單元中, 我們了解到加法混色減法混色及中性混色的方式並知道使用三原色 RGB 亮度的變化就可以混合出不同的色彩認識 CIE 表色系統及 1931 色度圖並以此作為混色的依據三色 LED 為四端元件, 本身為 RGB 三種晶粒封裝在一個 LED 內藉接腳的控制, 可混合出不同顏色的發光元件依據 COM 的不同可以分為共陽及共陰兩種結構 - 7 -

BASIC Stamp 利用 I/OPin 來控制三色 LED 的明滅 PWM 指令可以用來對 LED 作脈衝寬度調變, 並藉由 Duty 的調整達到對 LED 亮度控制目的最後我們使用 FOR 迴圈讓三色 LED 達到漸亮 ( 暗 ) 及漸層換色的特效參考文獻基礎色彩再現工程大田登全華顯示色彩工程學胡國瑞等全華 - 8 -