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颜色传感器TCS230及颜色识别电路

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颜色传感器TCS230及颜色识别电路 40    2006 年第 4 期 adv @mesnet. com. cn (广告专用)   颜色传感器 TCS 230 及颜色识别电路 ■深圳光硕科技有限公司   胡建民  摘 要 TCS230 是美国 TAOS 公司生产的一种可编程彩色光到频率的传感器。该传感器具有分辨率高、可编程 的颜色选择与输出定标、单电源供电等特点 ;输出为数字量 ,可直接与微处理器连接。文中主要介绍 TCS230 的原理和应用 ,以及色光和白平衡的知识 ,并用一个实例说明 TCS230 识别颜色的过程。  关键词 TCS230...

颜色传感器TCS230及颜色识别电路
40    2006 年第 4 期 adv @mesnet. com. cn (广告专用)   颜色传感器 TCS 230 及颜色识别电路 ■深圳光硕科技有限公司   胡建民  摘 要 TCS230 是美国 TAOS 公司生产的一种可编程彩色光到频率的传感器。该传感器具有分辨率高、可编程 的颜色选择与输出定标、单电源供电等特点 ;输出为数字量 ,可直接与微处理器连接。文中主要介绍 TCS230 的原理和应用 ,以及色光和白平衡的知识 ,并用一个实例说明 TCS230 识别颜色的过程。  关键词 TCS230  颜色传感器 颜色识别 白平衡调整 引 言 随着现代工业生产向高速化、自动化方向的发展 ,生 产过程中长期以来由人眼起主导作用的颜色识别工作将 越来越多地被相应的颜色传感器所替代。例如 :图书馆使 用颜色区分对文献进行分类 ,能够极大地提高排架管理和 统计等工作 ;在包装行业 ,产品包装利用不同的颜色或装 潢来表示其不同的性质或用途。目前的颜色传感器通常 是在独立的光电二极管上覆盖经过修正的红、绿、篮滤光 片 ,然后对输出信号进行相应的处理 ,才能将颜色信号识 别出来 ;有的将两者集合起来 ,但是输出模拟信号 ,需要一 个 A/ D 电路进行采样 ,对该信号进一步处理 ,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。TAOS ( Texas Advanced Optoelect ronic Solutions) 公司最新推出的颜色传感器 TCS230 ,不仅能够 实现颜色的识别与检测 ,与以前的颜色传感器相比 ,还具 有许多优良的新特性。 1  TCS230 芯片的结构框图与特点 TCS230 是 TAOS 公司推出的可编程彩色光到频率 的转换器。它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换 器集成在一个单一的 CMOS 电路上 ,同时在单一芯片上 集成了红绿蓝 ( RGB) 三种滤光器 ,是业界第一个有数字兼 容接口的 RGB 彩色传感器。TCS230 的输出信号是数字 量 ,可以驱动标准的 T TL 或 CMOS 逻辑输入 ,因此可直 接与微处理器或其他逻辑电路相连接。由于输出的是数 字量 ,并且能够实现每个彩色信道 10 位以上的转换精度 , 因而不再需要 A/ D 转换电路 ,使电路变得更简单。图 1 是 TCS230 的引脚和功能框图。 图 1 中 , TCS230 采用 8 引脚的 SOIC 表面贴装式封 装 ,在单一芯片上集成有 64 个光电二极管。这些二极管 共分为四种类型。其中 16 个光电二极管带有红色滤波 器 ;16 个光电二极管带有绿色滤波器 ;16 个光电二极管带 有蓝色滤波器 ;其余 16 个不带有任何滤波器 ,可以透过全 部的光信息。这些光电二极管在芯片内是交叉排列的 ,能 够最大限度地减少入射光辐射的不均匀性 ,从而增加颜色 识别的精确度 ;另一方面 ,相同颜色的 16 个光电二极管是 并联连接的 ,均匀分布在二极管阵列中 ,可以消除颜色的 位置误差。工作时 ,通过两个可编程的引脚来动态选择所 需要的滤波器。该传感器的典型输出频率范围从 2 Hz~ 500 k Hz ,用户还可以通过两个可编程引脚来选择 100 %、 20 %或 2 %的输出比例因子 ,或电源关断模式。输出比例 因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围 ,提高了它 的适应能力。例如 ,当使用低速的频率计数器时 ,就可以 选择小的定标值 ,使 TCS230 的输出频率和计数器相 匹配。 从图 1 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不同频率的方波 (占 空比是 50 %) ,不同的颜色和光强对应不同频率的方波 ;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。 图 1  TCS230 的引脚和功能框图  paper @mesnet. com. cn(投稿专用)   2006 年第 4 期 Microcontrollers & Embedded Systems  41    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 ;OU T 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。表 1 是 S0、S1 及 S2、S3 的可用组合。 表 1  S0、S1 及 S2、S3 的组合选项 S0 S1 输出频率定标 L L 关断电源 L H 20 % H L 20 % H H 100 % S2 S3 滤波器类型 L L 红色 L H 蓝色 H L 无 H H 绿色 2  TCS230 识别颜色的原理 由上面的介绍可知 ,这种可编程的彩色光到频率转换 器适合于色度计测量应用领域 ,如彩色打印、医疗诊断、计 算机彩色监视器校准以及油漆、纺织品、化妆品和印刷材 料的过程控制和色彩配合。下面以 TCS230 在液体颜色 识别中的应用为例 ,介绍它的具体使用。首先了解一些光 与颜色的知识。 (1) 三原色的感应原理 通常所看到的物体颜色 ,实际上是物体表面吸收了照 射到它上面的白光 (日光) 中的一部分有色成分 ,而反射出 的另一部分有色光在人眼中的反应。白色是由各种频率 的可见光混合在一起构成的 ,也就是说白光中包含着各种 颜色的色光 (如红 R、黄 Y、绿 G、青 V、蓝 B、紫 P) 。根据 德国物理学家赫姆霍兹 ( Helinholtz) 的三原色理论可知 , 各种颜色是由不同比例的三原色 (红、绿、蓝) 混合而成的。 (2) TCS230 识别颜色的原理 由三原色感应原理可知 ,如果知道构成各种颜色的三 原色的值 ,就能够知道所测试物体的颜色。对于 TCS230 来说 ,当选定一个颜色滤波器时 ,它只允许某种特定的原 色通过 ,阻止其他原色的通过。例如 :当选择红色滤波器 时 ,入射光中只有红色可以通过 ,蓝色和绿色都被阻止 ,这 样就可以得到红色光的光强 ;同理 ,选择其他的滤波器 ,就 可以得到蓝色光和绿色光的光强。通过这三个值 ,就可以 分析投射到 TCS230 传感器上的光的颜色。 (3) 白平衡和颜色识别原理 白平衡就是告诉系统什么是白色。从理论上讲 ,白色 是由等量的红色、绿色和蓝色混合而成的 ;但实际上 ,白色 中的三原色并不完全相等 ,并且对于 TCS230 的光传感器 来说 ,它对这三种基本色的敏感性是不相同的 ,导致 TCS230 的 RGB 输出并不相等 ,因此在测试前必须进行白 平衡调整 ,使得 TCS230 对所检测的“白色”中的三原色是 相等的。进行白平衡调整是为后续的颜色识别作准备。在 本装置中 ,白平衡调整的具体步骤和方法如下 :将空的试管 放置在传感器的上方 ,试管的上方放置一个白色的光源 ,使 入射光能够穿过试管照射到 TCS230 上 ;根据前面所介绍 的方法 ,依次选通红色、绿色和蓝色滤波器 ,分别测得红色、 绿色和蓝色的值 ,然后就可计算出需要的 3 个调整参数。 当用 TCS230 识别颜色时 ,就用这 3 个参数对所测颜 色的 R、G和 B 进行调整。这里有两种方法来计算调整参 数 : ①依次选通三种颜色的滤波器 ,然后对 TCS230 的输 出脉冲依次进行计数。当计数到 255 时停止计数 ,分别计 算每个通道所用的时间。这些时间对应于实际测试时 TCS230 每种滤波器所采用的时间基准 ,在这段时间内所 测得的脉冲数就是所对应的 R、G 和 B 的值。②设置定 时器为一固定时间 (例如 10 ms) ,然后选通三种颜色的滤 波器 ,计算这段时间内 TCS230 的输出脉冲数 ,计算出一 个比例因子 ,通过这个比例因子可以把这些脉冲数变为 255。在实际测试时 ,使用同样的时间进行计数 ,把测得的 脉冲数再乘以求得的比例因子 ,然后就可以得到所对应的 R、G和 B 的值。 3  TCS230 的应用———颜色识别电路 基于上述分析 ,采用 89C51 和 TCS230 设计一个医用 液体颜色识别装置。该装置具有结构简单、识别精度和效 率高的特点 ,并且能够和上位机通信 ,以将识别的结果实 时传送给上位机。由于是说明 TCS230 的使用情况 ,下面 仅给出其中的 TCS230 识别电路 ,如图 2 所示。图 2 中用    图 2  TCS230 颜色识别接口电路 53  paper @mesnet. com. cn(投稿专用)   2006 年第 4 期 Microcontrollers & Embedded Systems  53    出。在此状态下 ,系统完成数据从 RAM 到喷头的传送 ; “停止喷印按键”将使系统返回操作状态 ,系统不响应其他 按键操作。喷印结束后返回操作状态。在喷印过程中 ,如 果检测到喷头温度过高 ,系统将停止喷印操作 ,返回操作 状态。 (3) 通信状态 与主机进行数据交换 ,系统不响应按键操作 ,通信成 功则返回操作状态。通信失败 ,设置错误标志 ,返回操作 状态。图 7 给出了通信的程序流程。 图 7  通信主流程示意图 4  系统效果 由此喷码系统喷印出来的时间和编号效果如图 8 和 9 所示。其中 ,图 8 中的字体大小为 64 ×64 ,图 9 中字体 大小为 32 ×32。 图 8  64 ×64 字体喷印效果 图 9  32 ×32 字体喷印效果 5  小 结 由于采用的是 8051 核的单片机 ,受总线和 I/ O 资源的 限制 ,此喷印系统的图像存储量不够大 ,在以后可考虑用低 成本的 CPLD 来扩展。另外 ,此喷印系统只能控制一个 XJ128 喷头 ,在以后的系统中可改进为多个喷头联合喷印 , 这样可以增加喷印的高度 ,并可喷印大画面的图案。 参考文献 1  XJ128 High Performance Ink Jet Printhead Guid to Operation 2  U PSD325x. pdf 3  赵海兰 ,朱剑 ,赵祥伟. DS1302 实时显示时间的原理与应用. 电子技术 , 2004 (1) 周师亮 :硕士研究生 ,研究方向为电子技术应用。黎福海 :副教授 , 研究领域为数字信号处理。胡兆斌 :研究方向为工业印刷技术。 (收稿日期 :2005212227) 图 3  软件流程 41  89C51 的 P1 口的几个引脚来 控制 TCS230 的各个控制引脚 ,而 TCS230 的输出引脚连接到 89C51 的定时器/ 计数器 1 的输入端 ( P35) 。设置 89C51 定时器/ 计数 器为相应的工作方式 , 初始化 89C51 定时器为一个定值 ,再选择 TCS230 的输出比例因子 ,并使能 输出引脚。实际使用中 ,通过读取 89C51 计数器的值 ,就可以分别计 算出 TCS230 的 3 种输出频率 ,进 而确定 R、G、B 值及颜色。相应的 软件流程如图 3 所示。 在程序流程中 :系统初始化负 责设置 89C51 的定时器/ 计数器的 工作方式 ,选择 TCS230 的输出比例因子 ,使能输出引脚 以及通信参数的设置。初始化完成后 ,检测是否需要进行 白平衡调整。如有 ,调整白平衡子程序 ;否则 ,转到下一 步 ,检测是否需要进行颜色识别。如不需要颜色识别 ,返 回 ;如需要颜色识别 ,调用颜色识别子程序 ,直到颜色识别 完毕。 4  应用中需要注意的问 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题   ①颜色识别时要避免外界光线的干扰 ,否则会影响 颜色识别的结果。最好把传感器、光源等放置在一个密 闭、无反射的箱子中进行测试。   ②对光源没有特殊的要求 ,但是光源发出的光要尽 量集中 ,否则会造成传感器之间的相互干扰。   ③当第 1 次使用 TCS230 时 ,或 TCS230 识别模块重 启、更换光源等情况时 ,都需要进行白平衡调整。 结 语 文章从 TCS230 的结构特点出发 ,介绍了色光理论和 颜色识别的知识 ,以及白平衡的原理和进行调整的方法。 结合一个具体的应用 ,给出了相应的硬件设计电路和软件 流程图。该传感器和文中介绍的方法对进行其他的颜色 识别 ,也有很大的帮助。 (收稿日期 :2005211204)
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