การใช้งานโมดูล RGB LED#

บทความนี้กล่าวถึง การใช้งานโมดูล RGB LED ที่มีขาควบคุม 3 ขา เพื่อใช้ในการเปิด-ปิด หรือ ปรับค่าความสว่างด้วยสัญญาณ PWM

▷ RGB LED#

ไดโอดเปล่งแสงแบบ 3 สี (RGB LED) ประกอบด้วยวงจร LED ที่ให้แสงสีแดง (Red) สีเขียว (Green) และสีน้ำเงิน (Blue) แยกอิสระจากกัน แต่นำมาใส่ไว้ในตัวถังเดียวกัน และให้แสงที่มีสีเกิดจากการผสมของ 3 สี การใช้งาน RGB LED ก็เหมือน LED โดยทั่วไป แต่เนื่องจากว่า มีการนำ LED จำนวน 3 ดวง ที่ให้แสงสีที่แตกต่างกัน มาใส่ไว้ในตัวถังเดียวกัน จึงมีรูปแบบการต่อวงจรแบ่งได้เป็น 2 กรณี

Common Anode (CA): มีการต่อขาแอโนด (Anode) ของ LED ทั้ง 3 ดวง ร่วมกัน ดังนั้นจะมีขา V=VCC เพื่อป้อนแรงดันไฟเลี้ยง
Common Cathode (CC): มีการต่อขาแคโทด (Cathode) ของ LED ทั้ง 3 ดวง ร่วมกัน ดังนั้นจะมีขา GND เพื่อนำไปต่อกับ GND ของระบบ

รูป: ตัวอย่างโมดูล RGB แบบหลอด (Round Diffused Tri-Color LED) ที่มีทั้งขนาด 5mm หรือ 10mm และแบบ SMD 5050

รูป: ตัวอย่างโมดูล RGB ที่ได้เลือกมาใช้งาน

รูป: ตัวอย่างโมดูล RBG (active-low) แต่อาจมีการเรียงลำดับขาแตกต่างกันได้

รูป: ผังวงจรสำหรับโมดูล RGB LED (Common-Anode) ที่มีตัวต้านทาน 330 โอห์ม (Source: wiki.sunfounder.cc)

โมดูล RGB LED โดยทั่วไป มีการใส่ตัวต้านทานแบบอนุกรม จำนวน 3 ตัว ไว้เพื่อจำกัดปริมาณกระแส ตัวต้านทานเหล่านี้ อาจมีค่าความต้านทานเท่ากันหรือต่างกันก็ได้ แต่ถ้าแรงดันไบอัสตรง (Forward Voltage: $V_F$ ) ของ LED แต่ละสี มีค่าไม่เท่ากัน (เช่น R: 1.8V~2.4V, G: 2.8V~3.6V, B: 2.8V~3.6V) ดังนั้นถ้าใช้แรงดันไฟเลี้ยงเหมือนกัน ก็ควรจะใช้ตัวต้านทานที่มีค่าไม่เหมือนกัน ทั้งนี้ก็เพื่อให้ได้กระแสที่ผ่าน LED แต่ละดวงมีปริมาณใกล้เคียงกัน ปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลจะสัมพันธ์กับความสว่างของ LED

โมดูลของ KeyStudio มีการใช้ตัวต้านทานที่มีค่าแตกต่างกัน (เช่น 331, 102 และ 181) ในขณะที่โมดูลของ Keyes มีตัวต้านทานที่มีค่า 331 เท่ากันทุกตัว และโมดูล Keyes SMD-RGB CNT1 ที่มี RGB LED (Common Cathode) ซึ่งมีแพ็กเกจแบบ SMD 5050 ไม่ได้ใส่ตัวต้านทานมาให้ ผู้ใช้งานจะต้องต่อตัวต้านทานเพิ่ม เพื่อจำกัดกระแสไม่ให้เกิน 30mA (โดยประมาณ)

▷ การเขียนโปรแกรมควบคุมโมดูล RGB LED#

การเขียนโปรแกรมควบคุมการทำงานของโมดูล RGB LED แบ่งเป็น 3 รูปแบบคือ

การกำหนดสถานะติดหรือดับ (ON/OFF) ของ LED แต่ในดวง
การสร้างสัญญาณ PWM (Pulse Width Modulation) ที่มีความถี่คงที่ แต่ปรับค่าความกว้างของพัลส์ หรือค่า Duty Cycle ของสัญญาณดังกล่าว ซึ่งจะทำให้สามารถปรับความสว่างของแต่ละสีของ RGB LED ได้
การสร้างสัญญาณแบบแอนะล็อกเพื่อปรับระดับแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณเอาต์พุตและนำไปใช้กับขาควบคุมของ RGB LED เช่น การใช้วงจร DAC (Digital-to-Analog Converter) เพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าที่ปรับระดับได้ แต่วิธีการนี้อาจไม่เป็นที่นิยม

นอกจากนั้นแล้ว จะต้องตรวจสอบด้วยว่า RGB LED เป็นแบบ Common-Anode (ทำงานแบบ Active-Low) หรือ Common-Cathode (ทำงานแบบ Active-High)

โค้ดตัวอย่างต่อไปนี้เป็น Arduino Sketch สาธิตการทำให้ RGB LED ติดและดับไปทีละสี โดยมีการเว้นระยะเวลาแล้วให้วนซ้ำไปเรื่อย ๆ และมีการเลือกใช้ขาของ Arduino Pins: {D11, D10, D9} สำหรับนำไปต่อกับขาของโมดูล RGB LED ที่ R, G และ B ตามลำดับ

// Arduino Sketch Demo (for Arduino Uno/Nano)

#define ACTIVE_LOW  // Common-Anode RGB LED

#ifdef ACTIVE_LOW 
#define LED_ON  (LOW)
#else
#define LED_ON  (HIGH)
#endif 
#define LED_OFF (!LED_ON)

const int RGB_PINS[] = {11,10,9}; // R,G,B pins
const int DELAY_MS   = 500; // delay time in msec.

void setup() {
  for (int i=0; i < 3; i++) {
    pinMode( RGB_PINS[i], OUTPUT );
    digitalWrite( RGB_PINS[i], LED_OFF );
  }  
}

void loop() {
  // This is a static local variable 
  // used to keep the selected pin index.
  static int index = 0;
  // Turn on the selected LED pin.
  digitalWrite( RGB_PINS[index], LED_ON );
  // Delay 
  delay( DELAY_MS );
  // Turn off the selected LED.
  digitalWrite( RGB_PINS[index], LED_OFF );
  // Select the next LED control pin.
  index = (index+1) % 3;
}

ตัวอย่างการเขียนโค้ดและจำลองการทำงานเสมือนจริง ด้วย Online Arduino Wokwi Simulator มีดังนี้

รูป: Wokwi Simulator - Arduino Nano + RGB LED (active-low, on/off)

รูป: Wokwi Simulator - Arduino Nano + RGB LED (active-high, on/off)

การตั้งค่าใช้งาน wokwi-rgb-led (เช่น การกำหนดค่าของ Atribute ที่มีชื่อว่า "common" ให้เป็น "anode" หรือ "cathode") สามารถดูได้จาก https://docs.wokwi.com/parts/wokwi-rgb-led

ตัวอย่างถัดไปสาธิตการสร้างสัญญาณแบบ PWM สำหรับบอร์ด Arduino Uno/Nano โดยใช้คำสั่ง analogWrite() ของ Arduino API ซึ่งใช้ค่าเลขจำนวนเต็มในช่วง 0..255 ขาควบคุมของ RGB LED ** จะถูกเลือกไปทีละขา ดังนั้นสีของ LED** ที่ตรงกับขาที่ถูกเลือก จะเริ่มสว่างขึ้นและดับลง ไปตามลำดับ

#define ACTIVE_LOW

#ifdef ACTIVE_LOW
#define PWM_DC(x) (255-(x))
#else
#define PWM_DC(x) (x)
#endif

const int RGB_PINS[] = {11,10,9}; // R,G,B pins
const int DELAY_MS = 5;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  for (int i=0; i < 3; i++) {
    pinMode( RGB_PINS[i], OUTPUT );
    digitalWrite( RGB_PINS[i], PWM_DC(0) );
  }  
}

void loop() {
  static int index = 0;
  static String str;
  for (int i=0; i < 512; i++) {
     int value = (i >= 255) ? (511-i) : i;
     value = PWM_DC(value);
     // Update the PWM output.
     analogWrite( RGB_PINS[index], value );
     str = "value:";
     str += value;
     Serial.println( str.c_str() );
     delay(DELAY_MS);     
  }
  // Select the next LED control pin.
  index = (index+1) % 3;
}

รูป: Wokwi Simulator - Arduino Nano + RGB LED (active-low, PWM-based)

ตัวอย่างโค้ดต่อไปนี้ สาธิตการกำหนดค่าสี (Color Code) แบบ 24 บิต (R, G, B อย่างละ 8 บิต) ซึ่งมีการเก็บข้อมูลเป็นตัวเลขจำนวนเต็ม uint32_t ในอาร์เรย์ COLORS และมีการเปลี่ยนค่าสีไปตามลำดับ

// #define ACTIVE_LOW

#ifdef ACTIVE_LOW
#define PWM_DC(x)  (255-(x))
#else
#define PWM_DC(x)  (x)
#endif

const int RGB_PINS[] = {11,10,9}; // R,G,B pins
const int DELAY_MS   = 500; // delay time in msec.

const uint32_t COLORS[] = { 
   0xff0000, 0x00ff00, 0x0000ff, 0xffff00, 
   0xff00ff, 0x00ffff, 0xffffff, 0x000000 
};
const uint8_t NUM_COLORS = sizeof(COLORS)/sizeof(uint32_t);

void setup() {
  for (int i=0; i < 3; i++) {
    pinMode( RGB_PINS[i], OUTPUT );
    analogWrite( RGB_PINS[i], PWM_DC(0) );
  }  
}

void loop() {
  // A static local variable used to keep the current color index.
  static int index = 0;
  uint32_t color = COLORS[ index ];
  for ( int i=2; i >= 0; i-- ) {
    analogWrite( RGB_PINS[i], PWM_DC(color & 0xff) );  
    color >>= 8;  
  }  
  delay( DELAY_MS );
  index = (index+1) % NUM_COLORS;
}

รูป: Wokwi Simulator - Arduino Nano + RGB LED (active-high, PWM-based)

ตัวอย่างการนำไปต่อวงจรโดยใช้บอร์ด Super-Mini ESP32C3 และเลือกใช้ขา GPIO-4 GPIO-2 และ GPIO-3 สำหรับโมดูล RGB LED (active-low)

ข้อสังเกต: การเรียงขาควบคุมของแต่ละโมดูล อาจแตกต่างกัน เช่น {V,R,G,B} หรือ {V,R,B,G}

รูป: แผนผังแสดงตำแหน่งขาของบอร์ด Super-Mini ESP32-C3

รูป: การทดลองใช้โมดูล RGB LED (OpenSmart, Black PCB) ร่วมกับบอร์ด ESP32-C3

รูป: การทดลองใช้โมดูล RGB LED (Keyes, Red PCB) ร่วมกับบอร์ด ESP32-C3

รูป: การทดลองใช้โมดูล RGB LED (White PCB) ร่วมกับบอร์ด ESP32-C3

โค้ดถัดไปสาธิตการเขียนโค้ด Arduino สำหรับ ESP32C3 ซึ่งสามารถใช้คำสั่งของ FreeRTOS API ได้ และในตัวอย่างนี้ ได้สาธิตการสร้างทาสก์ (Task) สำหรับ 3 สี และใช้งานไบนารีเซมาฟอร์ (Binary Semaphore) เพื่อทำให้ LED ของแต่ละสี มีการติดและดับไปตามลำดับ

#define ACTIVE_LOW

#ifdef ACTIVE_LOW
#define LED_ON  (LOW)
#else
#define LED_ON  (HIGH)
#endif

#define LED_OFF (!LED_ON)

const int NUM_TASKS = 3;
// Define LED pins
const int LED_PINS[] = {4,3,2};

// Define binary semaphore handles
SemaphoreHandle_t bin_semaphores[ NUM_TASKS ];

// Task entry function
void blinkLED(void *pvParameters) {
  int index = (int)pvParameters; 
  int pin = LED_PINS[index];
  pinMode( pin, OUTPUT );
  digitalWrite( pin, LED_OFF );
  SemaphoreHandle_t bin_sem;
  while (1) {
    bin_sem = bin_semaphores[index];
    xSemaphoreTake( bin_sem, portMAX_DELAY); // Wait for semaphore
    digitalWrite( pin, LED_ON );  // Turn on LED
    vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS); // Delay for 1 second
    digitalWrite( pin, LED_OFF );   // Turn off LED
    bin_sem = bin_semaphores[(index+1)%NUM_TASKS];
    xSemaphoreGive( bin_sem ); // Release semaphore for the next task
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200); // Need to enable USB CDC on boot.
  //while(!Serial);
  delay(200);
  sys_info();

  // Create binary semaphores
  for (int i=0; i < NUM_TASKS; i++) {
    bin_semaphores[i] = xSemaphoreCreateBinary();
    xSemaphoreTake( bin_semaphores[i], 0 /* not blocking*/ );
  }
  // Give a semaphore to the first task.
  xSemaphoreGive( bin_semaphores[0] );
  // Create FreeRTOS tasks
  for (int i=0; i < NUM_TASKS; i++) {
    xTaskCreate( blinkLED, "BlinkLED", 512, (void *)i, 1, NULL );
  }
}

void loop() {
  // empty for the main task 
}

void sys_info() {
  Serial.println("=========================================");
  Serial.printf( "Arduino ESP32 Core v%u.%u.%u\n",
     ESP_ARDUINO_VERSION_MAJOR, 
     ESP_ARDUINO_VERSION_MINOR, 
     ESP_ARDUINO_VERSION_PATCH );
  Serial.flush();

  Serial.printf("Espressif IDF: %s\n", ESP.getSdkVersion() );
  Serial.printf("Chip Revision %lu\n", ESP.getChipRevision() );
  Serial.printf("Cpu Freq. %lu MHz\n", ESP.getCpuFreqMHz() );
  Serial.printf("Heap (total/free): %lu / %lu bytes\n", 
         ESP.getHeapSize(), ESP.getFreeHeap());
  Serial.printf("PSRAM (toal/free): %lu / %lu bytes\n", 
         ESP.getPsramSize(), ESP.getFreePsram());
  Serial.printf("Flash Size: %lu MB, Flash Speed: %lu MHz\n",
         ESP.getFlashChipSize()/(1024*1024UL), 
         ESP.getFlashChipSpeed()/(uint32_t) 1e6 );
  Serial.flush();

  // more info...
  Serial.printf("Espressif chip model: %s\n",
         ESP.getChipModel() );
  Serial.printf("Number of CPU Cores: %d\n", 
         ESP.getChipCores() );
  String str;
  switch(ESP.getFlashChipMode()) {
     case FM_QIO:  str = "QIO";  break;
     case FM_QOUT: str = "QOUT"; break;
     case FM_DIO:  str = "DIO";  break;
     case FM_DOUT: str = "DOUT"; break;
     default:      str = "Unknown"; break;
  }
  Serial.printf("Flash model: %s\n", str.c_str() );
  Serial.println("=========================================\n");
  Serial.flush();
}

รูป: ตัวอย่างข้อความเอาต์พุตจาก Arduino Serial Monitor

▷ กล่าวสรุป#

บทความนี้นำเสนอการใช้งานโมดูล RGB LED และตัวอย่างการเขียนโค้ด Arduino Sketch เพื่อกำหนดสถานะการติดหรือดับของ LED และการสร้างสัญญาณ PWM เพื่อปรับค่าความสว่างของ LED

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Created: 2023-09-23 | Last Updated: 2023-09-24

Keys	Action
`?`	Open this help
`n`	Next page
`p`	Previous page
`s`	Search