顏色傳感器TCS230及顏色識(shí)別電路

摘要 TCS230是美國(guó)TAOS公司生產(chǎn)的一種可編程彩色光到頻率的傳感器。該傳感器具有分辨率高、可編程的顏色選擇與輸出定標(biāo)、單電源供電等特點(diǎn)；輸出為數(shù)字量，可直接與微處理器連接。文中主要介紹TCS230的原理和應(yīng)用，以及色光和白平衡的知識(shí)，并用一個(gè)實(shí)例說(shuō)明TCS230識(shí)別顏色的過(guò)程。
關(guān)鍵詞 TCS23 0顏色傳感器 顏色識(shí)別 白平衡調(diào)整

引言

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)向高速化、自動(dòng)化方向的發(fā)展，生產(chǎn)過(guò)程中長(zhǎng)期以來(lái)由人眼起主導(dǎo)作用的顏色識(shí)別工作將越來(lái)越多地被相應(yīng)的顏色傳感器所替代。例如：圖書(shū)館使用顏色區(qū)分對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行分類(lèi)，能夠極大地提高排架管理和統(tǒng)計(jì)等工作；在包裝行業(yè)，產(chǎn)品包裝利用不同的顏色或裝潢來(lái)表示其不同的性質(zhì)或用途。目前的顏色傳感器通常是在獨(dú)立的光電二極管上覆蓋經(jīng)過(guò)修正的紅、綠、籃濾光片，然后對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，才能將顏色信號(hào)識(shí)別出來(lái)；有的將兩者集合起來(lái)，但是輸出模擬信號(hào)，需要一個(gè)A/D電路進(jìn)行采樣，對(duì)該信號(hào)進(jìn)一步處理，才能進(jìn)行識(shí)別，增加了電路的復(fù)雜性，并且存在較大的識(shí)別誤差，影響了識(shí)別的效果。TAOS(Texas Advanced Optoelectronic Solutions)公司最新推出的顏色傳感器TCS230，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顏色的識(shí)別與檢測(cè)，與以前的顏色傳感器相比，還具有許多優(yōu)良的新特性。

1 TCS230芯片的結(jié)構(gòu)框圖與特點(diǎn)

　　TCS230是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器。它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)單一的CMOS電路上，同時(shí)在單一芯片上集成了紅綠藍(lán)(RGB)三種濾光器，是業(yè)界第一個(gè)有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器。TCS230的輸出信號(hào)是數(shù)字量，可以驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。由于輸出的是數(shù)字量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使電路變得更簡(jiǎn)單。圖1是TCS230的引腳和功能框圖。

　　圖1中，TCS230采用8引腳的SOIC表面貼裝式封裝，在單一芯片上集成有64個(gè)光電二極管。這些二極管共分為四種類(lèi)型。其中16個(gè)光電二極管帶有紅色濾波器；16個(gè)光電二極管帶有綠色濾波器；16個(gè)光電二極管帶有藍(lán)色濾波器；其余16個(gè)不帶有任何濾波器，可以透過(guò)全部的光信息。這些光電二極管在芯片內(nèi)是交叉排列的，能夠最大限度地減少入射光輻射的不均勻性，從而增加顏色識(shí)別的精確度；另一方面，相同顏色的16個(gè)光電二極管是并聯(lián)連接的，均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差。工作時(shí)，通過(guò)兩個(gè)可編程的引腳來(lái)動(dòng)態(tài)選擇所需要的濾波器。該傳感器的典型輸出頻率范圍從2 Hz~500 kHz，用戶(hù)還可以通過(guò)兩個(gè)可編程引腳來(lái)選擇100%、20%或2%的輸出比例因子，或電源關(guān)斷模式。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠適應(yīng)不同的測(cè)量范圍，提高了它的適應(yīng)能力。例如，當(dāng)使用低速的頻率計(jì)數(shù)器時(shí)，就可以選擇小的定標(biāo)值，使TCS230的輸出頻率和計(jì)數(shù)器相匹配。

　　從圖1可知：當(dāng)入射光投射到TCS230上時(shí)，通過(guò)光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的濾波器；經(jīng)過(guò)電流到頻率轉(zhuǎn)換器后輸出不同頻率的方波(占空比是50%)，不同的顏色和光強(qiáng)對(duì)應(yīng)不同頻率的方波；還可以通過(guò)輸出定標(biāo)控制引腳S0、S1，選擇不同的輸出比例因子，對(duì)輸出頻率范圍進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同的需求。

圖1 TCS230的引腳和功能框圖

　　下面簡(jiǎn)要介紹TCS230芯片各個(gè)引腳的功能及它的一些組合選項(xiàng)。

　　S0、S1用于選擇輸出比例因子或電源關(guān)斷模式；S2、S3用于選擇濾波器的類(lèi)型；OE是頻率輸出使能引腳，可以控制輸出的狀態(tài)，當(dāng)有多個(gè)芯片引腳共用微處理器的輸入引腳時(shí)，也可以作為片選信號(hào)；OUT是頻率輸出引腳，GND是芯片的接地引腳，VCC為芯片提供工作電壓。表1是S0、S1及S2、S3的可用組合。

表1 S0、S1及S2、S3的組合選項(xiàng)

2 TCS230識(shí)別顏色的原理

　　由上面的介紹可知，這種可編程的彩色光到頻率轉(zhuǎn)換器適合于色度計(jì)測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域，如彩色打印、醫(yī)療診斷、計(jì)算機(jī)彩色監(jiān)視器校準(zhǔn)以及油漆、紡織品、化妝品和印刷材料的過(guò)程控制和色彩配合。下面以TCS230在液體顏色識(shí)別中的應(yīng)用為例，介紹它的具體使用。首先了解一些光與顏色的知識(shí)。

　　（1） 三原色的感應(yīng)原理
　　通常所看到的物體顏色，實(shí)際上是物體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應(yīng)。白色是由各種頻率的可見(jiàn)光混合在一起構(gòu)成的，也就是說(shuō)白光中包含著各種顏色的色光(如紅R、黃Y、綠G、青V、藍(lán)B、紫P)。根據(jù)德國(guó)物理學(xué)家赫姆霍茲(Helinholtz)的三原色理論可知，各種顏色是由不同比例的三原色(紅、綠、藍(lán))混合而成的。

　?。?） TCS230識(shí)別顏色的原理
　　由三原色感應(yīng)原理可知，如果知道構(gòu)成各種顏色的三原色的值，就能夠知道所測(cè)試物體的顏色。對(duì)于TCS230來(lái)說(shuō)，當(dāng)選定一個(gè)顏色濾波器時(shí)，它只允許某種特定的原色通過(guò)，阻止其他原色的通過(guò)。例如：當(dāng)選擇紅色濾波器時(shí)，入射光中只有紅色可以通過(guò)，藍(lán)色和綠色都被阻止，這樣就可以得到紅色光的光強(qiáng)；同理，選擇其他的濾波器，就可以得到藍(lán)色光和綠色光的光強(qiáng)。通過(guò)這三個(gè)值，就可以分析投射到TCS230傳感器上的光的顏色。

　　（3） 白平衡和顏色識(shí)別原理
　　白平衡就是告訴系統(tǒng)什么是白色。從理論上講，白色是由等量的紅色、綠色和藍(lán)色混合而成的；但實(shí)際上，白色中的三原色并不完全相等，并且對(duì)于TCS230的光傳感器來(lái)說(shuō)，它對(duì)這三種基本色的敏感性是不相同的，導(dǎo)致TCS230的RGB輸出并不相等，因此在測(cè)試前必須進(jìn)行白平衡調(diào)整，使得TCS230對(duì)所檢測(cè)的“白色”中的三原色是相等的。進(jìn)行白平衡調(diào)整是為后續(xù)的顏色識(shí)別作準(zhǔn)備。在本裝置中，白平衡調(diào)整的具體步驟和方法如下：將空的試管放置在傳感器的上方，試管的上方放置一個(gè)白色的光源，使入射光能夠穿過(guò)試管照射到TCS230上；根據(jù)前面所介紹的方法，依次選通紅色、綠色和藍(lán)色濾波器，分別測(cè)得紅色、綠色和藍(lán)色的值，然后就可計(jì)算出需要的3個(gè)調(diào)整參數(shù)。

　　當(dāng)用TCS230識(shí)別顏色時(shí)，就用這3個(gè)參數(shù)對(duì)所測(cè)顏色的R、G和B進(jìn)行調(diào)整。這里有兩種方法來(lái)計(jì)算調(diào)整參數(shù)：① 依次選通三種顏色的濾波器，然后對(duì)TCS230的輸出脈沖依次進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)到255時(shí)停止計(jì)數(shù)，分別計(jì)算每個(gè)通道所用的時(shí)間。這些時(shí)間對(duì)應(yīng)于實(shí)際測(cè)試時(shí)TCS230每種濾波器所采用的時(shí)間基準(zhǔn)，在這段時(shí)間內(nèi)所測(cè)得的脈沖數(shù)就是所對(duì)應(yīng)的R、G和B的值。② 設(shè)置定時(shí)器為一固定時(shí)間(例如10 ms)，然后選通三種顏色的濾波器，計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)TCS230的輸出脈沖數(shù)，計(jì)算出一個(gè)比例因子，通過(guò)這個(gè)比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?55。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，使用同樣的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，把測(cè)得的脈沖數(shù)再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所對(duì)應(yīng)的R、G和B的值。

3 TCS230的應(yīng)用――顏色識(shí)別電路

　　基于上述分析，采用89C51和TCS230設(shè)計(jì)一個(gè)醫(yī)用液體顏色識(shí)別裝置。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、識(shí)別精度和效率高的特點(diǎn)，并且能夠和上位機(jī)通信，以將識(shí)別的結(jié)果實(shí)時(shí)傳送給上位機(jī)。由于是說(shuō)明TCS230的使用情況，下面僅給出其中的TCS230識(shí)別電路，如圖2所示。圖2中用89C51的P1口的幾圖3軟件流程個(gè)引腳來(lái)控制TCS230的各個(gè)控制引腳，而TCS230的輸出引腳連接到89C51的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的輸入端(P35)。設(shè)置89C51定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為相應(yīng)的工作方式，初始化89C51定時(shí)器為一個(gè)定值，再選擇TCS230的輸出比例因子，并使能輸出引腳。實(shí)際使用中，通過(guò)讀取89C51計(jì)數(shù)器的值，就可以分別計(jì)算出TCS230的3種輸出頻率，進(jìn)而確定R、G、B值及顏色。相應(yīng)的軟件流程如圖3所示。

圖2 TCS230顏色識(shí)別接口電路

　　在程序流程中：系統(tǒng)初始化負(fù)責(zé)設(shè)置89C51的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作方式，選擇TCS230的輸出比例因子，使能輸出引腳以及通信參數(shù)的設(shè)置。初始化完成后，檢測(cè)是否需要進(jìn)行白平衡調(diào)整。如有，調(diào)整白平衡子程序；否則，轉(zhuǎn)到下一步，檢測(cè)是否需要進(jìn)行顏色識(shí)別。如不需要顏色識(shí)別，返回；如需要顏色識(shí)別，調(diào)用顏色識(shí)別子程序，直到顏色識(shí)別完畢。

圖3 軟件流程

4 應(yīng)用中需要注意的問(wèn)題

　?、?顏色識(shí)別時(shí)要避免外界光線的干擾，否則會(huì)影響顏色識(shí)別的結(jié)果。最好把傳感器、光源等放置在一個(gè)密閉、無(wú)反射的箱子中進(jìn)行測(cè)試。

　?、?對(duì)光源沒(méi)有特殊的要求，但是光源發(fā)出的光要盡量集中，否則會(huì)造成傳感器之間的相互干擾。

　?、?當(dāng)?shù)?次使用TCS230時(shí)，或TCS230識(shí)別模塊重啟、更換光源等情況時(shí)，都需要進(jìn)行白平衡調(diào)整。

結(jié)語(yǔ)

　　文章從TCS230的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，介紹了色光理論和顏色識(shí)別的知識(shí)，以及白平衡的原理和進(jìn)行調(diào)整的方法。結(jié)合一個(gè)具體的應(yīng)用，給出了相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)電路和軟件流程圖。該傳感器和文中介紹的方法對(duì)進(jìn)行其他的顏色識(shí)別，也有很大的幫助。