フルカラーLEDの発色実験

  1. フルカラー発光

    1. 目的

      　赤、緑、青の三色が組み込まれた発光ダイオードを利用し、各色の強さをPICで制御し、フルカラー発光の実験を行います。

  2. 色の制御

    1. フルカラー発光素子

      　近年、青色の発光ダイオードが開発され、赤、青、緑、の色の強さを調節することで、発光ダイオードを用いてフルカラーの発光が可能になりました。ここでは、この発光ダイオードを用いて、超小型プロセッサのプログラムでフルカラーを発光させる実験を行います。


      フルカラーLEDとしてOSTA5131A（OptoSupply社）を利用します。一番長い線が共通のカソード（GND）で、上からR（赤）、GND,B（青）,G（緑） の順です。色により発光効率が異なる為、同じ電流を流しても白色にはなりません。許容最大電流は50mAです。

    2. PWM制御

      　色を設定するには、RGB各LEDの発光強度を調整すればよいのですが、この強度の調整法にPWM: Pulse Width Modulation があります。この方法は、一定区間の中で通電する割合（時間幅）を変更して平均的な電力を調整する方法です。下図は、25%、50%、75% の電力制御の説明図です。横方向が時間で、立ち上がっている間スイッチをオンにして通電します。


      通電幅を0にすればオフ、繰り返し期間と通電期間を同じにすれば、完全オン状態になります。PWM制御は少々荒っぽい手法なので、制御可能な対象は限定されますが LED の発光強度を調整することは可能です。

    3. PWMのプログラム制御

      　PICはハードウエアによるPWM制御も可能ですが、制御可能な信号は1本のみです。ここでは、3本の制御が必要ですから、ソフトウエアでPWMを実現します。1周期の制御は次のようになります。Periodは繰り返し期間で、今回 255 とします。OnPeriod が通電期間で、0から OnPeriod の時刻まで通電することにします。LEDはポートBのB0端子に接続します。

         output_high(PIN_B0);
   Period=0;
   while(Period<255){
      if(Period == OnPeriod) output_low(pin_B0);
      Period ++;
      delay_us(10);
   }

      　最初、output_high(PIN_B0); でB0端子をオン、Periodを0にします。次に繰り返しの中で、Periodを増し、これが、OnPeriod になったら、B0端子を0にし通電を停止します。繰り返し周期は、delay_us(10);で定まり、ここでは10μ秒です。

    4. HSVカラーモデル

      　RGBの強さを調整すれば多種の色を出すことができますが、狙った色を出すよう、調整することは困難です。HSVカラーモデルは、H（Hue）を０から360まで変化させると、赤＞黄＞緑＞青緑＞青＞紫＞赤 と回る色の輪を生成できます。Sは色の度合いで1.0のとき最大（鮮やかな色）、0.0のとき最小（白）となります、Vは明るさで1.0のとき一番明るく、0.0のとき黒になります。
      　このHSVモデルの値（h=0..360、s=0.0..1.0、v=0.0..1.0） から RGBの強さ r,g,b を求めるには次のようなプログラムになります。s,v は少数（float）型変数です。r、g、b は 0..255 の範囲の整数です。

          i = (int)(h/60.0);
    f = h/60.0f -i; 
    p1=(int)(v*(1-s)*255.0);
    p2=(int)(v*(1-s*f)*255.0);
    p3=(int)(v*(1-s*(1-f))*255.0);
    vi=(int)(v*255);
    if(i==0) {r = vi ;g = p3 ;b = p1;}
    if(i==1) {r = p2 ;g = vi ;b = p1;}
    if(i==2) {r = p1 ;g = vi;b = p3;}
    if(i==3) {r = p1 ;g = p2 ;b = vi;}
    if(i==4) {r = p3 ;g = p1 ;b = vi;}
    if(i==5) {r = vi ;g = p1 ;b = p2;}

      s,v = 1.0 としてｈを０から360まで変化させると、鮮やかな色の変化を見ることができます。下にhueに対する　r,g,b の計算値を示します。

       hue : red  gren blue
   0 :  255    0    0 //red
  15 :  255   63    0
  30 :  255  127    0
  45 :  255  191    0
  60 :  255  255    0
  75 :  191  255    0
  90 :  127  255    0　
 105 :   63  255    0
 120 :    0  255    0 //green
 135 :    0  255   63
 150 :    0  255  127
 165 :    0  255  191
 180 :    0  255  255
 195 :    0  191  255
 210 :    0  127  255
 225 :    0   63  255
 240 :    0    0  255 //blue
 255 :   63    0  255
 270 :  127    0  255
 285 :  191    0  255
 300 :  255    0  255
 315 :  255    0  191
 330 :  255    0  127
 345 :  255    0   63

  3. PICの演算機能

    1. PICのデータ

      　PICは8bit計算機です。PICが1命令で実行できる計算は8bitの加減算だけです。ここで使用するC言語の int 型はunsigned（符号なし） の 8bitですから表現できる範囲は 0..255 です。255以上の整数を利用するには
      　long B;
      のように、long 型を指定します。これで、16ビットの整数が利用できます。少数の場合は
      　float　C:
      のように宣言します。

    2. PICの演算機能

      　PICが1命令で実行できる計算は8bitの加減算、シフト、論理演算（AND,OR,NOT）だけです。16bitの加減算や乗除算、少数の計算は8bitの加減算を組み合わせプログラムで行います。人が筆算で計算する場合、10進数1桁単位ですから、これは、4bit程度の演算を組み合わせていることになります。
      　演算に必要な関数はコンパイラが自動的に付加しています。プログラムのサイズが1200バイトと大きくなっているのは、この演算用の関数が付加されているからです。

  4. 回路制作

    1. 必要な部品

      回路配線用パッチボード
      PIC：１６F648
      発光ダイオード（OSTA5131A）
      抵抗　3本

    2. 回路図

      　Ｂ０，Ｂ１，Ｂ２ に　LED　のRGB　端子を接続します。LED共通のグランド線を電源のグランドバーに接続します。
      プログラムを送る込むシリアル通信の部分は省略しています。


    3. 回路の動作

      PICに電源が入ると、自動的にプログラムを実行開始します。RGB に対応する信号はRB0,RB1,RB2から出力されます。この信号は、色別に時間とともにPWM方式で、電力制御されます。発光ダイオードは、消費電力が少ないので、PICで直接点灯できます。ただし、直結すると、電力超過になりますから、抵抗素子を利用して、流れる電流を制限します。
      　この抵抗値を変えると、色のカラーバランスが変化します。適当な値を選択して下さい。
      発光はかなり強いので、直視すると目が疲れます。紙で遮蔽をすると見やすくなります。

    4. 回路の組み立て

      　 　PICの１ピンを左下にし、パッチボードに写真のように差し込みます。次に発光ダイオードを差し込みます。一番長い線が左から3番目になるように向きを定め、パッチボードの中央の溝より上の部分に差し込みます。左から3番の長い線は、各LED共通のー側の電源線ですから、このピンをパッチボードの下側のー電源バーに接続します。
      　LEDの各色の電源はPICのB2,B1,B0，から供給されます。このピンと、LEDの左から１（緑），２（青），４（赤），の端子を抵抗を介して接続します。抵抗値は数百Ωで、この値により発光の強度が変化します。カラーバランスの良い値を選択して下さい。ここでは、赤を470オーム、緑、青を330オームとしました。同じ電流では赤が一番強く発色し、ついで緑、青の順になります。
      　 最後に、電源部（アダプタ）の赤い線を、ボードの＋電源バーに、黒い線をボード下のー電源バーに接続します。

    5. 抵抗のカラーコード

      抵抗の値はカラーコードで示します。左から、第1,2,コードで値、第３コードで桁を示します。最後の４桁目は精度の値で、通常金色をしています。金色のリングを右側にしてカラーコードを読みます。各カラーは次の値となります。赤からは、いわゆる虹の色です。
      　黒：０、茶:1、赤：２、橙：３、黄：４、緑：５、青：６、紫：７、灰：８、白：９

      例

      　(茶=1),(黒=0),(橙=3),の場合、10ｋΩ
      　(橙=3),(灰=8),(茶=1),の場合、380Ω
      　(赤=2),(紫=7),(茶=1),の場合、270Ω

  5. プログラム（C言語)

    1. プログラム

      　色を定める変数ｈを 0..360 まで、順に変化させます。s,vは1.0に固定します。hsvからrgbに変換します。ここで、hは255を超えますから long 型にする必要があります。
       次に、pwm のループに入ります。赤色の場合、ループの入り口で output_high(PIN_B0); により点灯し、ループの値が rgb の値に達したら　output_low(PIN_B0); 消灯します。同じ色を10回繰り返して表示しています。この10の値を変更することで、色の変化する速度を調整できます。

    2. ソース

      #include <16F873A.h>

//FullColor LED 最長：GND　red,gnd,blue,green
#fuses HS,NOWDT,NOLVP,NOPROTECT,NOBROWNOUT
#use delay(clock = 20000000)

int j,k;

float s=1.0,v=1.0,f;
long h;
int i,vi;
int p1,p2,p3;
int r,g,b;

void main(){
  set_tris_b(0);
  set_tris_a(0xF);
  
  h=0;
  while(1){

     //hsvからrgbへの変換   
    i = (int)(h/60.0);
    f = h/60.0f -i; 
    p1=(int)(v*(1-s)*255.0);
    p2=(int)(v*(1-s*f)*255.0);
    p3=(int)(v*(1-s*(1-f))*255.0);
        vi=(int)(v*255);
        
    if(i==0) {r = vi ;g = p3 ;b = p1;}
        if(i==1) {r = p2 ;g = vi ;b = p1;}
        if(i==2) {r = p1 ;g = vi;b = p3;}
        if(i==3) {r = p1 ;g = p2 ;b = vi;}
        if(i==4) {r = p3 ;g = p1 ;b = vi;}
        if(i==5) {r = vi ;g = p1 ;b = p2;}
        
    //PWM loop               
    for(j=0;j<10;j++){  
          output_high(PIN_B0);
          output_high(PIN_B1);
          output_high(PIN_B2);
          
     for(k=0;k<255;k++){
      if(k==r) output_low(PIN_B0);
      if(k==g) output_low(PIN_B1);
      if(k==b) output_low(PIN_B2);
     }    
    }
    
  h=h+1;
  if(h>=360) h=0;
    
  }//while
}

  6. 発展


    1. プログラムを調整する

      　h や j のループを変更して、色の変化範囲や変化する速度を調整してください。また、色だけでなく飽和度(s)や明度(v)を変化してください。

    2. 異なる点灯パターンにする

      異なる点灯パターンにするには、LEDを異なるPICの端子に接続します。この場合、端子毎にプログラムを作成する必要があります。Aポートまで利用すれば、4パターンまで増設できます。


    3. 同じパターンで同時に点灯する

      　同じパターンで複数のフルカラーLEDを点灯する場合は供給電力をアップする必要があります。次のように、PNP型トランジスタ（２SA１０１５）を利用します。トランジスタ1個で10個くらいのフルカラーLEDを同時に点灯できます。この場合、PICの端子がLの場合LEDが点灯しますから、プログラムで設定しているPICの端子の値（output_high と　output_low）を逆にする必要があります。
      　トランジスタはこちらを参照してください。