便攜式智能辨色儀的設(shè)計與實現(xiàn)

周炯亮 陳青華 鄭安平 姜利英

(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系1，河南 鄭州 450002;鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院2，河南 鄭州 450046)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)向高速化、自動化方向的發(fā)展，顏色檢測裝置被越來越廣泛地應(yīng)用于顏色測量、顏色變化的識別、打印控制、顏色校正、食品安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和機(jī)器人安全監(jiān)控等領(lǐng)域。早期的顏色傳感器識別電路復(fù)雜，在確定顏色隸屬度上，只是在RGB顏色空間上按照兩個點的顏色距離進(jìn)行隸屬度的劃分，顏色的歸類識別效果并不理想［1］。近幾年，部分顏色識別基于圖像處理技術(shù)，采用CCD攝像機(jī)對目標(biāo)圖像進(jìn)行采集和還原，以達(dá)到顏色識別的目的［2－4］。然而該方法成本較高，這在很大程度上限制了檢測的便捷性。

本設(shè)計采用高分辨率顏色傳感器TCS3200D進(jìn)行顏色識別和轉(zhuǎn)換，結(jié)合16位低功耗單片機(jī)MSP430F149為核心控制芯片進(jìn)行計算、標(biāo)定與控制，并配合外圍芯片設(shè)計了便攜式智能辨色儀，其不僅能實現(xiàn)顏色的識別與檢測，還具有許多優(yōu)良特性。試驗驗證該辨色儀測量結(jié)果同人眼的顏色感覺基本一致，在殘疾人輔助工具、農(nóng)業(yè)和食品加工行業(yè)具有較好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)由三組光源、顏色傳感器、微處理器、語音模塊、時鐘模塊、電源管理模塊、存儲模塊和按鍵等組成，如圖1所示。系統(tǒng)的具體功能為系統(tǒng)上電后，自動打開外加輔助照明光源，自動測白平衡后獲得白平衡參數(shù)，在語音提示測量的狀態(tài)下按下測量按鈕，顏色傳感器讀取被測物體的顏色信息，產(chǎn)生的信號傳送給MSP430F149進(jìn)行計算、標(biāo)定與控制。可編程分段的低成本OTP系列語音模塊預(yù)先燒寫相關(guān)語音數(shù)據(jù)，結(jié)合MSP430F149可實現(xiàn)實時顏色與當(dāng)前時間播報。電源充電管理模塊可進(jìn)行低電壓語音提示和智能充電等多種功能。

圖1 辨色儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of the color discriminator system

1.1 顏色傳感器TCS3200D

TCS3200D是TAOS公司推出的帶數(shù)字兼容接口的彩色光/頻率轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部集成了可配置的硅光電二極管陣列和1個電流/頻率轉(zhuǎn)換器。芯片上集成有紅、綠、藍(lán)(RGB)3種濾光器，上面有1個數(shù)字兼容接口，輸出的是數(shù)字量，可以直接驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)的TTL或CMOS邏輯輸入，特別是能夠直接與微處理器連接而不需A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)每個彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度。芯片內(nèi)含1個交叉連接的8×8光電二極管陣列，其中每16個二極管提供一種色彩類型，共有紅、藍(lán)、綠和清除全部光信息4種類型，可最大限度地降低入射光幅射的不均勻性。所有相同顏色的16個光電二極管都是并聯(lián)連接，工作時通過可編程的引腳來動態(tài)選擇色彩，以增加精確度、簡化光學(xué)電路。該芯片采用8引腳SOIC表面貼封裝，適用于色度計的測量應(yīng)用。

TCS3200D具有可完成高分辨率的光照度/頻率轉(zhuǎn)換、色彩和滿度輸出頻率可編程調(diào)整、可直接與微處理器通信等特點。當(dāng)入射光投射到TCS3200D上時，TCS3200D通過內(nèi)部光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，選擇不同濾波器的類型，經(jīng)電流頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出不同頻率的方波(占空比為50%，不同的顏色和光強(qiáng)對應(yīng)不同頻率的方波)。該轉(zhuǎn)換器對光響應(yīng)范圍為1 Hz～250 kHz，典型輸出頻率范圍為2 Hz～500 kHz，用戶可通過2個可編程引腳S0和S1來選擇100%、20%或2%不同的輸出比例因子，對輸出頻率范圍進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同的需求。TCS3200D的輸入輸出引腳可直接與微處理器或其他邏輯電路連接，通過輸出使能端OE將輸出置于高阻狀態(tài)，可使多個器件共享一條微處理器輸入線。與TCS230相比，TCS3200D性能更穩(wěn)定，工作環(huán)境溫度可低至－40℃，功耗和成本均更低。TCS3200D顏色傳感器應(yīng)用范圍廣泛，適用于色彩測量、打印控制、顯示顏色校正、人工視覺和光線檢測等領(lǐng)域［5］。

1.2 照明光源的選擇

顏色檢測系統(tǒng)對照明光源的要求十分嚴(yán)格:既要使光線照射在物體上能夠?qū)崿F(xiàn)反射，又要使這些光源對顏色測量的影響盡可能小，且照明光源必須滿足照明壽命長、明亮、廣譜、體積小和發(fā)熱量低等要求。TCS3200D自身不帶光源，在實際應(yīng)用中必須考慮光源補(bǔ)償。由于白色光是各種顏色光光譜的疊加，因此，用白色LED光源作為試驗測定的標(biāo)準(zhǔn)光源，可避免試驗中的人為誤差。試驗時把一組白色LED燈排成圓形分布在顏色傳感器周圍，從而使光源發(fā)出的光盡量均勻地照在被測物上。

1.3 硬件電路部分的設(shè)計

微控制器部分采用業(yè)界公認(rèn)的超低功耗TI公司的16位RISC混合信號處理器的MSP430F149單片機(jī)，它具有集成度高、外圍設(shè)備豐富、功耗超低等優(yōu)點，在便攜式儀表的設(shè)計領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。MSP430F149具有較強(qiáng)的計算能力，針對設(shè)備小型化、移動化的要求，在功耗方面作了相應(yīng)的優(yōu)化［6－8］。智能辨色儀電路圖如圖2所示。

圖2 智能辨色儀電路圖Fig.2 Circuitry of the intelligent color discriminator

顏色傳感器部分共占用5 個管腳(P1.0～ P1.4)。P1.1和 P1.2控制輸出比例因子，P1.3和 P1.4控制濾波器的選擇。轉(zhuǎn)換后的頻率輸出端接微控制器的定時器外部輸入TACLK端，MSP430的定時器設(shè)置為外部計數(shù)方式。計數(shù)器寄存器的值對應(yīng)的即為TCS3200D的輸出頻率，則結(jié)合相應(yīng)的算法，可以得到R、G、B的顏色和強(qiáng)度，再對比存儲區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)模庫表，即可得到實際的顏色。

語音模塊采用OTP語音芯AC8040，支持DAC和PWM輸出，內(nèi)置電阻，應(yīng)用電路非常簡單，可編程分段時長達(dá)40 s，音質(zhì)效果好、成本極低。為了實現(xiàn)可編程分段式播放，控制方式選擇為串行模式，通過單片機(jī)與語音芯片進(jìn)行串行通信播放相應(yīng)的段。與單片機(jī)連接時占用單片機(jī) 2 個管腳(P6.0和 P6.1)，使用時 P6.0先發(fā)復(fù)位脈沖(寬度2 ms)，延時1 ms后，由觸發(fā)口 P6.1發(fā)觸發(fā)脈沖，以觸發(fā)語音播放，由發(fā)出的脈沖個數(shù)確定識別第幾段語音信息。

按鍵單元共占用 3 個管腳，分別為 P1.5、P1.6、P1.7，分別對應(yīng)測試鍵、向上查詢鍵和向下查詢鍵3種狀態(tài)。按鍵模塊采用中斷方式，方便系統(tǒng)軟件設(shè)計，可實現(xiàn)中斷控制進(jìn)入正常顏色測試，向上或向下查詢歷史記錄。

基于E2PROM掉電時數(shù)據(jù)不丟失的特性，存儲模塊采用 AT24C512，共占用 P4.0(SCL 時鐘線)和 P4.1(SDA數(shù)據(jù)線)兩個引腳。單片機(jī)內(nèi)部沒有自帶的I2C接口，這里使用GPIO模擬I2C總線協(xié)議時序進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)及測量時的時間存儲。試驗中，每次測量數(shù)據(jù)和當(dāng)前時間共需至少10 bit來保存，因此，AT24C512芯片512 kB的容量，最多可以存儲6000組數(shù)據(jù)。

LED 光源模塊占用 6 個管腳(P5.2～ P5.7)。在白光照射下RGB顏色傳感器的輸出并不相等，可根據(jù)實際環(huán)境光線適時調(diào)整補(bǔ)償光源的強(qiáng)度并進(jìn)行白平衡補(bǔ)償。

實時時鐘模塊的主要功能是實時記錄當(dāng)前時間，每次測量時的時間亦與顏色值為一組，在微控制器的控制下自動存儲。時鐘模塊共占用MCU三個管腳，分別為 P4.2、P4.3、P4.4。該模塊接有備電，斷電時不會停止或丟失，且只需在設(shè)備第一次使用時設(shè)置一次時間即可。

1.4 電源模塊

針對便攜式儀表低功耗設(shè)計的要求，智能辨色儀的電源系統(tǒng)采用了MAX1674升壓芯片和TP4054電源充電管理模塊，如圖3、圖4所示。MAX1674在提供了系統(tǒng)電源的同時又通過LBO接單片機(jī)的 P5.1引腳，實現(xiàn)了電池欠壓檢測的功能。TP4054芯片結(jié)合USB電源接口和電池供電的雙通道供電模式，實現(xiàn)智能充電和管理，從而為系統(tǒng)進(jìn)行供電和充電，方便用戶使用。

2 軟件部分

軟件部分主要包括微控制器MSP430F149與顏色傳感器TCS3200D測頻接口模塊、白平衡校正子程序、顏色比較子程序、語音模塊、E2PROM讀寫模塊和時鐘模塊等。

系統(tǒng)上電進(jìn)入測試時，首先自動進(jìn)入白平衡校正模塊，當(dāng)前RGB值被存儲到E2PROM存儲器中，利用堆棧的原理更新校正值，建立白平衡校正值庫;然后進(jìn)入測頻模塊，根據(jù)簡化后的最小笛卡爾距離的原理，把顏色比較子程序中對被測物的RGB值和事先存儲在E2PROM中的36種顏色識別庫中的值相比較，得到最接近的顏色代碼，通過調(diào)用語音模塊實現(xiàn)顏色和時間的播報、存儲和查詢等多種功能［9－11］。

3 測試結(jié)果

在實際測試中，為了避免外界光線的干擾，把傳感器、光源等放置在一個密閉、無反射的箱子中封裝起來進(jìn)行測試。采用該辨色儀測試不同衣物顏色樣本20份，得到的RGB頻率值如圖5所示。由圖5可以看出，測試結(jié)果同人眼的顏色感覺有較好的一致性。

4 結(jié)束語

辨色儀采用一鍵式操作，全程語音提示，具有成本低、體積小、檢測快、穩(wěn)定性高、功耗低和擴(kuò)展方便等優(yōu)點。

由于本設(shè)計最初應(yīng)用于盲人輔助穿衣(相關(guān)產(chǎn)品正在申請專利)，采用的樣本是普通衣物和常見食物，結(jié)構(gòu)和功能相對簡單。如果在食品加工和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或工業(yè)自動化領(lǐng)域進(jìn)行色彩辨識，則可以結(jié)合相應(yīng)的外圍電路擴(kuò)展多種功能，并針對實際使用要求作進(jìn)一步的綜合數(shù)據(jù)處理，分析建立專用的顏色庫，從而進(jìn)行更精確的分析。

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