基于顏色傳感器TCS230的氯離子和PH檢測儀設計

摘要：為了方便對日常用水氯離子和PH精確快速檢測，將單片機AT89S52與高分辨率可編程顏色傳感器TCS230相結合，提出了一種基于顏色傳感器TCS230的氯離子和PH檢測的新方法，給出了該儀器的硬件設計電路以及輸出檢測結果的程序流程。TCS230直接將PH試紙和氯離子試紙的顏色轉換成顏色分量，經過單片機處理得到檢測結果。
關鍵詞：顏色傳感器TCS230；試紙；單片機；控制電路

水質問題一直是人們較為關心的問題之一，水質的好壞將會嚴重影響身體健康和工業(yè)生產。飲用水主要考慮對人體健康的影響，其水質標準除有物理指標、化學指標外，還有微生物指標；對工業(yè)用水則考慮是否影響產品質量或易于損害容器及管道。但是不管是生活飲用水和工業(yè)用水的檢測標準，PH值和氯離子濃度都是比較重要參數(shù)。若飲用水氯離子含量達到250 mg／L，相應的陽離子為鈉時，會感覺到咸味：水中氯化物含量較高時，會損害金屬管道和建筑物，并妨礙植物生長。另外，我國自來水普遍采用氯化消毒，研究表明：經過氯化消毒的水中，三氯、四氯甲烷等致癌有害物質，已經超過300種。因此對水中PH值和氯離子濃度的控制越來越得到人們的重視。要實現(xiàn)對水中PH值和氯離子濃度的精確控制，首先要對水質進行檢測，精確了解水樣中PH值和氯離子的濃度。所以PH值和氯離子的檢測在環(huán)保、供水、食品等行業(yè)應用廣泛。當今家庭對水的PH檢測主要通過半定量的人工試紙法。該方法但受人為因素太大，同一個樣品不同的分析人員可能會得到不同的檢測結果。也有采用比較電化學測定法。市場比較常見的PH便攜儀，此儀器由主機和電極組成，操作過程中需要添加緩沖劑等藥品。但此方法需要在水樣中添加緩沖劑等化學藥品，操作比較繁瑣；而且PH計探頭表面極為敏感，容易被水樣中油份等雜質污染，從而影響檢測精度和分析質量。為此，把高精度的顏色傳感器同單片機結合起來，在試紙法中，用計算機代替人眼去判斷顏色，從而提高精度，減少誤差，實現(xiàn)了水樣PH值快速、無污染、不需要添加藥品、減少人為因素影響的定量檢測。

1 TCS230顏色傳感器
TCS230是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉換器。它把可配置的硅光二極管與電流頻率轉換器集成在一個單一的CMOS電路上，同時單一芯片上還集成了紅、綠、藍(簡稱RGB)3種濾光器，其輸出為一列占空比為50％的方波，輸入的光強和方波的頻率線性相關，不同的濾光器只允許某種特定的原色通過，阻止其它原色的通過，例如：當選擇紅色濾波器時，入射光中只有紅色光線可以通過，藍色和綠色都被阻隔，這樣就可以得到紅色光的光強；同理，選擇藍色和綠色濾波器，就可以得到藍光和綠色光的光強，通過檢測到的顏色分量3個值，就可以分析投射到TCS230傳感器上的光的顏色。本儀器是利用檢測到的顏色分量與標準的色卡進行對比，然后輸出相應的PH值或氯離子濃度。TCS 230的輸出信號是數(shù)字量，可以驅動標準的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其它邏輯電路相連接。由于輸出的是數(shù)字量，并且能夠實現(xiàn)每個彩色信道10位以上的轉換精度，因而不再需要A／D轉換電路，使電路變得更簡單。圖1是TCS230的引腳封裝和功能框圖。S2和S3用于選擇濾波器的類型；OE輸出使能引腳，可控制輸出狀態(tài)。當有多個芯片引腳共用微處理器的輸入引腳時，也可作為片選信號；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。

圖2是S0、S1及S2、S3的有效組合。其中L和H分別表示低電平、高電平。S0和S1用于選著頻率輸出的比例因子或電源關斷模式；S2和S3用于選著可通濾波器的類型。

2 硬件設計
系統(tǒng)硬件設計主要包括4部分：1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要包括光源的選擇、傳感器的排布以及TCS230使用時的外界條件設置；2)以89S52單片機為核心的控制部分，實現(xiàn)對試紙顏色信號輸出頻率的讀取以及與標準的比色卡對比，把RGB值轉化為氯離子濃度或PH值，3)控制面板模塊，主要包括數(shù)碼管、LED顯示以及按鍵；4)是電源模塊。
2．1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計
在自然環(huán)境下，季節(jié)變換、天氣狀況、空氣攪動、外界遮蓋都會影響照明狀況。為此采用型號為ZX-35288W42-1的白色高亮LED燈，它的正向電壓為3．0～3．4 V；發(fā)光強度為1 500-2 000MCD；正向電流為20 mA；發(fā)光角度為120度；色溫為2700～25 000 K。不同的光照條件下，同一片試紙也會顯現(xiàn)不同的顏色。為了排除外界環(huán)境的干擾，并固定光源、被測試紙和RGB顏色傳感器，為本儀器設計了避光的采集探頭。光源和傳感器都安置于密閉空間內如圖4所示。為了方便試紙的固定安裝設計了試紙槽。把光源和傳感器分別固定在兩塊獨立的PCB板上，方便密閉空間的安裝與調試，該采集探頭以5個TES230芯片為核心，配以相對應的5只同樣的白色發(fā)光二極管，選用純白光源，以保證照光源的穩(wěn)定。圖3是我們檢測的原理，在密閉全黑的環(huán)境下，LED燈發(fā)出白光，照射到試紙上，試紙將自身的顏色的光反射給TCS230，不同顏色的光，波長不同，頻率也不同，傳感器將光信號轉換為脈沖數(shù)，再輸出傳給單片機。

當光源照射試紙的顏色顯示區(qū)域，通過控制濾波器選著引腳S2和S3，從而使TCS230芯片采集到反射回來的不同頻率的光線，從而可準確的采集顏色分量RGB，通過單片機處理后輸出數(shù)據(jù)。如圖4所示，為試紙顏色采集探頭結構示意圖。

2．2 以單片機為核心的控制部分
AT89S52具有8k字節(jié)的Flash，256字節(jié)的RAM，32位I／O口線，一個看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器／計數(shù)器，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可工作在0 Hz靜態(tài)邏輯下，支持2種軟件的可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器／計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM的內容被保存，振蕩器被凍結，單片機停止一切工作，直到下一個硬件復位或中斷為止，這樣就有利于儀器在野外電池供電情況下長時間使用。以AT89S52單片機為核心的控制電路主要包括顏色識別電路和數(shù)碼管顯示電路，在顏色識別電路中，用AT89S52單片機的P0口通過鎖存器74H573分別對5個TCS230邏輯引腳OE進行控制，讓5個傳感器依次工作，將輸出頻率分頻系數(shù)比例的控制引腳S0，S1分別接到P1．1和P1．3口，RGB顏色分量的選擇控制引腳S2，S3分別接到P1．5和P1．4口，通過對這幾個端口高低電平值的寫入編程，實現(xiàn)對TCS230幾個邏輯引腳選擇的自動控制。傳感器電路連接如圖5所示。

2．3 控制面板模塊
控制面板模塊主要包括數(shù)碼管、LED顯示以及按鍵。數(shù)碼管顯示部分通過兩個鎖存器74H573分別控制數(shù)碼管顯示的位選和段選，來實現(xiàn)數(shù)碼管的動態(tài)顯示，用來顯示最終輸出的氯離子濃度或PH值。LED由紅綠黃3種顏色的燈組成，綠色代表氯離子濃度或PH值處于健康范圍內；黃色代表氯離子濃度或PH值符合要求；紅色代表氯離子濃度或PH值超出飲用水標準。按鍵部分實現(xiàn)3個功能，氯離子檢測、PH值檢測、白平衡。
2．4 電源電路的設計
顏色采樣系統(tǒng)必須采用穩(wěn)定的直流電源，并要求電源有很好的穩(wěn)定性。因為電源電壓的波動可造成LED燈亮度的不穩(wěn)定；雖然TCS230顏色傳感器的抗電源擾動能力很強，但其內部芯片對電源穩(wěn)定性的要求很高，電壓的波動可造成A／D轉換的不穩(wěn)定。
本儀器為了適應各種工作場所的需要，提供了3種電源供給方式：
1)用新英公司型號為XY-965K的220 V轉5 V的穩(wěn)壓電源；
2)可充電鋰電池通過MAX667調壓后可供野外供電，max667是低失穩(wěn)電壓線性正穩(wěn)壓器，最大輸出電流為250 mA，空載時靜態(tài)電流20 μA，輸出200 mA時典型失穩(wěn)電壓為150 mV，電路含有欠壓檢測器以檢測電源故障，關斷控制使輸出禁止，關斷狀態(tài)的靜態(tài)電流降為0．2μA。max 667具有2種工作模式，以選擇輸出電壓，可以內部設定+5 V輸出，或由外部電阻設定+1．3～16 V可調輸出。本儀器設定為+5 V輸出。
3)通過24 V的開關電源通過以下電路得到穩(wěn)定的5 V電源如圖6所示，主要用于色卡數(shù)據(jù)庫的建立實驗。

3 軟件設計
顏色檢測系統(tǒng)包括白平衡校正子程序、顏色采樣子程序與顏色比較子程序如圖7所示。其中白平衡校正子程序用于顏色標定，顏色比較子程序又分為氯離子和PH檢測子程序。白平衡就是告訴系統(tǒng)什么是白色，理論上白光是由等量的紅色、綠色和藍色混合而成的，但是實際上白光照射下RGB顏色傳感器的顏色分量輸出并不相等，因為傳感器對3種基本色的敏感性是有差異的，因此白平衡校正是十分必要的，通過白平衡得到R、G和B的3個調整參數(shù)，當用TCS230識別顏色時，就用這3個參數(shù)來調整采樣的三顏色分量RGB。然后通過單片用調整后的值通過顏色比較子程序查表得到對應的氯離子濃度或PH值。程序流程圖如圖7所示。

4 結論
文中提出一種基于顏色傳感器試紙檢測的新方法，針對現(xiàn)有試紙檢測方法主要靠人眼觀察存在的不足，創(chuàng)造性的將顏色傳感器引入試紙檢測方法中，大大提高了試紙檢測精度，除了能檢測PH和氯離子外，還可以應用到所有試紙檢測方法。整個儀器外觀漂亮、成本低廉、操作方便。經過試驗本儀器性能可靠，并能很好的實現(xiàn)家庭用水檢測。