代码收藏家 深入探究乐高EV3颜色传感器的工作原理
颜色传感器简介
乐高EV3套件有个颜色传感器，官方介绍如下：
- 颜色传感器是一种数字传感器，它可以检测到进入传感器表面小窗口的颜色或光强度。该传感器可用于三种模式：颜色模式、反射光强度模式和环境光强度模式
- 在颜色模式中，颜色传感器可识别七种颜色－黑色、蓝色、绿色、黄色、白色和棕色，加上无颜色。
- 在反射光强度模式中，颜色传感器测量从红灯(即发光灯)反射回来的光强度。
- 在环境光强度模式中，该颜色传感器测量从周围环境进入到窗口的光强度，如太阳光或手电筒的光束。
- 该颜色传感器采样速率为每秒 1 kHz。
工作原理分析
那么它到底是什么工作原理呢，我们来分析一下。颜色传感器的硬件部分主要由三大部分组成，分别是红绿蓝三色发光二极管、光敏二极管以及配套的其它硬件电路，三色发光二极管有四个管脚，其中三个管脚分别对应每个颜色二极管的负极，第四个管脚是正极公共端，分别给不同的管脚和公共端接通电压，就会让不同颜色的发光二极管发光，三色是独立可控的。
光敏二极管则可针对不同的光亮度强弱，产生不同大小的电流。在不同的工作模式下，三色发光二极管的工作方式不一样，这样根据光敏二极管接收电流的变化，就可以完成诸如识别颜色、判断反射强弱等各种功能，具体分析如下：
1、发射端：
反射模式
在反射模式下，发光二极管以1KHz的频率发射红色脉冲光信号，脉宽固定为180us。根据被测表面与传感器的距离，以及被测表面反射红光的强弱，会导致光敏二极管接收电流的变化，从而判断发射量的大小。
颜色模式
在颜色模式下，发光二极管同样以1KHz的频率发射脉冲信号，脉宽为180us，但是和反射模式的区别在于，颜色模式下高电平180us被等分成红绿蓝三个部分，即三色二极管依次发光，每个二极管发光时长均为60us。在每个二极管发光的时刻采集光敏二极管的电流，即可获知被测表面对红绿蓝三种颜色光线的反射强度，根据三色合成原理即可判断被测表面的颜色。
环境光模式
环境光模式下，发光二极管发蓝光，但实际上也可以完全不发光，光敏二极管测量环境光的强度，注意此时接收管接受的波形是直流而不再是脉冲信号！
2、接收端：
上图是我们可以查询到的颜色传感器接收部分的原理图，其中D1就是光敏二极管，接收电路一共有四个点接入单片机，分别是AMBIENT、CAP、BRIGHT、COLOR，其中：
3、 接受端波形测试（TP2口）
反射模式下接收端波形与发射端一致，但是随着距离的远近反射光强度会有变化，导致高电平大小有变化，范围大约在0-200mV。
颜色模式下接收端波形与发射端大致一样，但是由于不同颜色物体对红绿蓝三色的反射率不一样，导致接收端三个颜色的高电平幅值会出现差异，例如下图是对黄色物体的反射波形，黄色会反射绿色和红色分量，吸收蓝色分量，导致蓝色幅值最低。
相比反射模式和颜色模式，环境光模式最为特殊，因为接收端不再是1KHz的交流信号，而是直流信号，随着环境光强度增大，R10电流增大，TP2电压随着增大，因此直接检测TP2电压即可。
总结一下，乐高的颜色传感器实际上就是在检测反射光或者环境光的强度，其分辨不同颜色的关键在于主动分时发出三种不同颜色的光，再判断被测表面对三种颜色的光线反射强度，从而判断被测物表面的颜色，原理简单但结果可靠，缺点就是被测物和传感器必须靠的很近。
下一篇我们将继续介绍具体的颜色识别算法。
