三基色亮度计的设计和应用

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，精确，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品质受到了前所未有的重视，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，它是业界首款带数字兼容接口的 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。

2．2 MCU控制模块

MCU采用的是 Cygnal公司的单片机C8051F023。它是完全集成的混合信号片上系统（SOC），具有与 MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器。 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100%的方波。这样给最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 10 μs，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，具有较强的干扰能力。