LED ile Renk Algılama Sistemi |
3. LED ve LED Aydınlatma Yarışması Birincisi

Pelsan Aydınlatma' nın Ana Sponsorluğunda her yıl gerçekleştirilen LED ve LED Aydınlatma Proje Yarışmasının üçüncüsünün yapıldığı geçen yılda birinci olan Sercan Özdumanlar ' ın, yarışmaya katıldığı proje olan "LED ile Renk Algılama Sistemi" detayları ile yazımızda.

A- A+

25.06.2013 tarihli yazı 27307 kez okunmuştur.

LED (Işık Yayan Diyot) ile renk algılama sistemi, LED’lerin hem verici hem de alıcı olarak kullanıldığı, tutulduğu zeminin rengini algılayabilen küçük boyutlu ve düşük maliyetli bir cihazdır. Herhangi bir engeli olmayan insanlar için böyle bir cihaza ihtiyaç duyulmasa da, görme engelli insanlar için zeminin veya herhangi bir maddenin rengini algılayabilmek çok önemlidir. Örneğin kıyafet seçerken görme engelli insanlar başkalarına ihtiyaç duyarken bu kolayca taşınabilen, dolma kalem boyutlarındaki renk algılama sistemi sayesinde görme engelli insanlar kıyafetlerini kimseye ihtiyaç duymadan seçebileceklerdir. Bunun için LED ile renk algılama sistemini istedikleri kıyafete yaklaştırmaları yeterli olacaktır.

Başvurular:
► ledyarismasi.com

Formu eksiksiz doldurarak;
başvurunuzu tamamlayabilirsiniz

LED’ler fotodiyotlar gibi kullanılabilirler[1].LED’lerin normal kullanım alanı olan aydınlatma modunda kullanılması verici mod olarak adlandırılırken; LED’lerin foto diyotlar gibi, ışığın şiddetine olan hassasiyetinin ölçülmesi alıcı mod olarak adlandırılır. Son zamanlarda LED’lerin alıcı modda kullanılması ve buna uygun cihazlar geliştirilmesi çalışmaları gittikçe artmaktadır. LED’ler alıcı modda kullanıldıklarında foto diyotlara göre birim fiyatı, dayanıklılık ve uzun ömürlülük gibi avantajlara sahiptirler, ayrıca alıcı olarak LED’lerin kullanılmasının en önemli avantajı ızgara veya prizma gibi ayıraçlara ihtiyaç duyulmamasıdır. Bilindiği üzere, foto diyotların dalga boyu seçiciliği yoktur. Alıcı olarak foto diyot veya LDR (Light Dependent Resistor) kullanıldığı takdirde, gelen ışığı tüm renk bileşenlerine ayırmak için prizma veya ızgara gibi bir bileşene ihtiyaç duyulmaktadır. Bu da sistem için fazladan maliyete ve boyutlarında artışa sebep olur. LED’lerin ise dalga boyu seçiciliği olduğundan, LED ile renk algılama sisteminde bu tarz bir bileşene ihtiyaç duyulmamaktadır.

► Elektrik Devre Elemanları Diyot 1 | Elektrikport Akademi

► Elektrik Devre Elemanları Diyot 2 | Elektrikport Akademi

Alıcı moddaki LED’ler sadece eşit veya daha fazla enerjiye sahip (eşit veya daha kısa dalga boyuna sahip) ışıklar tarafından etkilenebilirler. Örneğin kırmızı bir alıcı LED, kırmızı, sarı, yeşil, mavi, mor gibi kırmızı ışıktan daha çok enerjiye sahip renkli verici LED’ler tarafından etkilenebilirken; alıcı bir mor LED sadece kendi rengine sahip bir verici LED tarafından etkilenebilir. Bu da yarı iletken bant yapısıyla açıklanabilir. Daha düşük enerjiye sahip LED’in enerjisi, elektronları değerlik bandından iletim bandına zıplatamadığından, iletim bandındaki elektronların hareketinden dolayı herhangi bir akım değeri okunamaz.

► Temel Elektronik LED'ler ve Sürücü Dirençlerinin Hesaplamaları | [Özel Dosya]

Verici LED’lerden çıkan fotonların alıcı kırmızı LED’i tek tek etkilemesi sonucu alıcı LED’den ölçülen Mikro-Nano seviyelerdeki akım değerleri veya bu akımın Mega ölçüde bir direnç üzerinden geçirilip okunan voltaj değerleri ile zeminin rengi belirlenebilmiştir. Okunan değerler bir mikro işlemci tarafından işlendikten sonra, görme engelli insanların duyabilmesi için ses sinyaline çevrilip, cihazdan verilecektir. http://www.elektrikport.com/teknik-kutuphane/dijital-elektronik-oled-(organik-isk-yayan-diyot)-nedir-elektrikport-akademi/6708#ad-image-0

► OLED ( Organik Işık Yayan Diyot) Nedir? | [Özel Dosya]

LED’lerin Alıcı ve Verici Mod Karakteristikleri

LED’lerin alıcı modda ışığa gösterdikleri tepki kısa devre fotoakımı ve açık devre foto gerilimi olmak üzere iki şekilde incelenmiş, alıcı LED’lerin şiddeti değişen ışık kaynağı altında üzerlerinden geçen akım ölçülmüştür. Işık kaynağı olarak gün ışığı renk veren LED dizisi kullanılmış, bu ışık kaynağının değişen ışık şiddeti ise fotometre (Delta OHM phot probe) ile ölçülmüştür. (Şekil 1(a).) Aynı şekilde kullanılan LED’lerin verdiği ışık şiddetlerinin incelenmesi için LED’lerin ışık şiddeti(W/m2) - akım (mA) grafiği radyometre kullanılarak ölçülmüştür. Ölçülen ışık şiddeti(W/m2)- akım (mA) değerleriyle verici LED’lerin akımları kontrol edilerek aynı ışık şiddetini vermeleri sağlanmıştır.

Şekil 1(a). Alıcı LED’lerden farklı ışık şiddetlerinde(gün ışığı LED) geçen kısa devre foto akım değişimi

Fotometre ile ölçülen ışık şiddeti(lux)-fotoakım(mA) grafiği Şekil 1(b) de gösterilmiştir. Bu grafik LED’lerin değişen ışık şiddeti altında kısa devre fotoakımının doğrusal olduğunu göstermekte olup, bu konuda yapılan diğer çalışmalarla uyumludur.[2]

Şekil 1(b). Verici LED’lerin akım(mA) - ışık şiddeti(W/m2) grafiği

LED’lerin akım-gerilim grafiği Şekil 2 de verilmiştir. Verici LED’ler 1. bölgede çalışırken, alıcı LED’ler 3. veya 4. bölgede çalışmaktadır. 3. bölge fotodiyot, 4. bölge güneş pillerinin çalışma bölgesidir. Alıcı LED’lerin 3. veya 4. bölgede çalışmasını tıkama yönünde kutuplama olup olmadığı belirler. Eğer tıkama yönünde kutuplama varsa 3. bölgede, yoksa 4. bölgede çalışır. Bu iki metot arasındaki farkı gözlemlemek için yapılan ölçümlerde tıkama yönünde kutuplama gerilimi olarak 5Volt uygulanmıştır. Yapılan ölçümler sonucunda tıkama yönünde kutuplama gerilimi uygulandığında fotoakımı yaklaşık 10nA daha fazla elde edilmiş olmakla beraber iki metotta da benzer sonuçlar gözlenmiştir (Şekil 3). Bu sebeple yapılan ölçümler, herhangi bir geri beslemeye gerek olmadığı için 4. bölgeye göre yapılmıştır.

Şekil 2. Diyot Akım-Gerilim karakteristiği

Şekil 3. Kızılötesi LED’in ters besleme gerilimine göre fotoakım değişimi

Renk Algılama Sistemi

Genel olarak renk algılayıcılar, maddelerin yansıma ve soğurma özelliklerini kullanarak çalışırlar. Zemini belirli bir renkte görmemizin sebebi, o zeminin kendi rengini yansıtıp diğer renkleri soğurmasıdır(Şekil 4). Bu özellik sayesinde renk algılayıcılarda, alıcı LED’den okunan değerlerin belirli bir optimizasyon ve kalibrasyonu sonucu değerlendirilmesinin ardından zeminin rengi algılanabilir. Bu bağlamda bir tane alıcı kırmızı yuvarlak 5mm LED (tüm görünen ışık tayfı tarafından etkilenebileceği için) ve üç ana renk olan kırmızı, yeşil, mavi yuvarlak 5 mm LED’lerin verici olarak kullanılması düşünülmektedir. Alıcı kırmızı LED’in, verici LED’lerden çıkan fotonları, zeminden yansıdıktan sonra aynı açıyla alabilmesi için LED’ler bir düzenekle sabitlenmiştir. Sistemin hassasiyetine göre verici LED’lerin sayısı veya tipi değiştirilebilir.

Şekil 4. Farklı renkteki zeminler, yansıtma ve soğurma özellikleri

LED kullanılarak yapılan algılama sistemleri literatürden incelenerek en uygun olan sistem belirlenmiştir. Bu sistemde birisi alıcı diğeri verici olacak şekilde iki adet LED aralarında 90 derece açı olacak şekilde sabitlenmiştir.(Şekil 5) [3]

Şekil 5. Literatürde belirtilen bir algılama sistemi

Bu şekilde üç adet LED çifti oluşturulmuştur. LED çiftleri oluşturulurken LED’lerin kenarları zımparalanmış ve yapıştırıcı yardımıyla yapıştırılmıştır. Bu şekilde üç adet LED çifti oluşturulmuştur. Bu çiftlerin hepsinde alıcı olarak Kırmızı LED kullanılmıştır. Bunun sebebi ise daha önce belirtildiği üzere Kırmızı LED’in ana renkler olan kırmızı, yeşil ve mavi renklerin hepsinden etkilenebileceğidir. Verici olarak da Kırmızı, Yeşil ve Mavi LED’ler kullanılmıştır. Bu LED çiftleriyle farklı renkteki zeminlerde yapılan ölçümlerin sonucunda, en fazla değeri okuduğumuz rengin o zeminin rengini belirttiği saptanmıştır. Şekil 6 da zeminlere göre okunan değerleri göstermektedir.

Şekil 6. Farklı zeminlere göre LED çiftlerinden okunan değerler

Sonuçlar

Bu çalışmada LED’lerin bir fotodiyot gibi gelen ışığa göre tepki verebildiği gösterilmiştir. LED’lerin bu özellikleri kullanılarak görme engelli insanlar için bir algılama sistemi tasarlanabilir. LED’lerin bu sistemde alıcı olarak kullanılması maliyet ve dayanıklılık gibi avantajlara sahiptir. Bunun yanı sıra bu sistemde LED kullanılmasının en önemli avantajı herhangi bir ayıraca ihtiyaç olmamasıdır.

Şu ana kadar yapılan çalışmalarda sadece ana renkler olan kırmızı, yeşil ve mavi renkli zeminlerin renkleri saptanmıştır. Ancak ölçülen değerlerde zeminlerin özellikleri aynıdır. Farklı zeminlerdeki renk algılama işleminin yapılabilmesi için, algılama işlemi yapılmadan önce bir referans sinyali alınması gerekmektedir. Ayrıca Maxwell Renk Üçgeni, Munsell Renk Sistemi, Newton Renk Çemberi gibi sistemler kullanılarak ara renklerinde ölçülen değerlerin hesaplanması sonucu saptanabilmesi mümkündür.

Sercan Özdumanlar / 2012 LED Yarışması Birincisi

Pelsan Aydınlatma Ana Sponsorluğunda;
5. LED ve LED Aydınlatma Proje Yarışması:
Başvuru: www.ledyarismasi.com/

Kaynaklar :

► Musayev E. , “LED-LED Sistemlerinin Araştırılması”, Eleco2002, Bursa, 118-122, 2002
►B. RayChaudhuri, C. Sen, Appl Phys B 95, 141-144, 2009
►O’toole Martina, Diamond Dermont, “Absorbance Based Light Emitting Diode Optical Sensors and Sensing Devices”, Sensors, 8, 2453-2479, 2008