顏色檢測(cè)分析儀的研制

摘要：本文主要介紹顏色分析儀的研制方法，采用顏色傳感器TCS3200D對(duì)顏色進(jìn)行采集，以單片機(jī)為控制核心，識(shí)別出相應(yīng)的顏色并與存于數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)顏色相比較，然后打印出所識(shí)別的顏色與標(biāo)準(zhǔn)顏色的差別，以利于進(jìn)一步的進(jìn)行分析處理。本儀器產(chǎn)品成本較低，適于普通家庭使用，可以達(dá)到微型化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：顏色分析儀；顏色傳感器TCS3200D；單片機(jī)；數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類號(hào)：X853 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 （2012） 22-0000-02

1 前言

隨著紡織印染、造紙、玻璃等制造行業(yè)的發(fā)展，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低因顏色與標(biāo)準(zhǔn)樣式的偏差及不均等現(xiàn)象而出現(xiàn)次品和廢品，對(duì)物體顏色的測(cè)量不僅要求精度高，而且要作在線測(cè)量，以便隨時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的顏色，出現(xiàn)偏差及時(shí)處理。CCD圖像傳感器（Charged Coupled Device）于1969年在貝爾試驗(yàn)室研制成功，之后由日商等公司開(kāi)始量產(chǎn)，其發(fā)展歷程已經(jīng)將近30多年，從初期的10多萬(wàn)像素已經(jīng)發(fā)展至目前主流應(yīng)用的500萬(wàn)像素。CCD又可分為線型（Linear）與面型（Area）兩種，其中線型應(yīng)用于影像掃瞄器及傳真機(jī)上，而面型主要應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)（DSC）、攝錄影機(jī)、監(jiān)視攝影機(jī)等多項(xiàng)影像輸入產(chǎn)品上。這些都造就了儀器昂貴的價(jià)格，僅國(guó)產(chǎn)的儀器價(jià)格就為五千左右，進(jìn)口的儀器甚至達(dá)到了千萬(wàn)，如西門子、科寶等產(chǎn)品，不適用于普通家庭使用。

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，顏色檢測(cè)系統(tǒng)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于顏色測(cè)量、顏色變化的識(shí)別、打印控制、顏色校正和機(jī)器人安全監(jiān)控等領(lǐng)域。目前，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、藍(lán)濾光片，然后對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，才能識(shí)別顏色信號(hào)。其輸出為模擬信號(hào)，需要一個(gè)A/D電路進(jìn)行采樣，再對(duì)該信號(hào)進(jìn)一步處理，才能進(jìn)行識(shí)別，因此增加了電路的復(fù)雜性，并且存在較大的識(shí)別誤差，影響了識(shí)別效果。美國(guó)TAOS公司最新推出的顏色傳感器TCS3200D，不僅能實(shí)現(xiàn)顏色的識(shí)別與檢測(cè)，與傳統(tǒng)的顏色傳感器相比，還具有許多優(yōu)良特性。TCS3200D的反應(yīng)速度快，可用軟件設(shè)置改變對(duì)顏色的選擇，輸出為數(shù)字信號(hào)，使用方便，有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以大大地簡(jiǎn)化電路，降低成本，滿足人們的需求，也漸漸地被廣大群眾接受并使用。

2 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)工作原理

采用最新的顏色傳感器TCS3200D對(duì)顏色進(jìn)行采集，并分析出不同顏色與存于數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)顏色相比較所具有的誤差，然后打印分析的結(jié)果[1]。而生產(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。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、藍(lán)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)， 但是輸出的是模擬信號(hào)，需要一個(gè)A/D 電路進(jìn)行采樣，再對(duì)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。

2.2 顏色傳感器的選擇

國(guó)內(nèi)及國(guó)外的顏色分析儀及相關(guān)使用到顏色分析的儀器都采用最先進(jìn)的彩色CCD光電耦和感應(yīng)系統(tǒng)，采用發(fā)光二極管并使用光電耦合感應(yīng)CCD系統(tǒng)進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換。CCD是一種金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的新型元件，它具有光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)存儲(chǔ)和信號(hào)傳輸?shù)墓δ?。在圖象傳感、信息處理和信息存貯等方面應(yīng)用廣泛，愈發(fā)受到人們的青睞。在軍事、精密跟蹤與測(cè)量、產(chǎn)品在線檢測(cè)、無(wú)損探測(cè)、攝像、航天航空攝影等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

色彩是不同波長(zhǎng)的電磁波組成的，光是電磁波的一種，紅色光的波長(zhǎng)要長(zhǎng)些，藍(lán)色要短些，人的眼睛只能接受紅綠藍(lán)三種波長(zhǎng)的光，這些顏色是大腦合成出來(lái)的，紅外線、紫外線人眼不能看見(jiàn)，也就沒(méi)有辦法轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的顏色。顏色識(shí)別儀主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容為進(jìn)行顏色識(shí)別，現(xiàn)代社會(huì)需要識(shí)別不同物體的顏色，然而簡(jiǎn)單的利用人眼識(shí)別有很大的誤差。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。而傳感器選擇的不一樣，整個(gè)系統(tǒng)方案就完全不一樣，主要有兩種方案。

方案一為在獨(dú)立的光電二極管上覆蓋經(jīng)過(guò)修正的紅、綠、藍(lán)綠光片，然后對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理后再進(jìn)行顏色信號(hào)識(shí)別[2]。

方案二為選用TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器TCS3200D來(lái)采集顏色信號(hào)。美國(guó)TAOS公司最新推出的顏色傳感器TCS3200D，不僅能實(shí)現(xiàn)顏色的識(shí)別與檢測(cè)，與傳統(tǒng)的顏色傳感器相比，還具有許多優(yōu)良特性。TCS3200D的反應(yīng)速度快，可用軟件設(shè)置改變對(duì)顏色的選擇，使出為數(shù)字信號(hào)，使用方便，有較強(qiáng)的抗干擾能力。而且TCS3200D最大的特點(diǎn)是將信號(hào)采集、放大、A/D接口集于一身。TCS3200D輸出信號(hào)為一系列方波信號(hào)，故可直接接至微機(jī)（如單片機(jī)的計(jì)數(shù)器管腳）。其不再需要像模擬輸出那樣要有A/D接口和專門的信號(hào)處理電路，大大精簡(jiǎn)了檢測(cè)系統(tǒng)，是產(chǎn)品成本降低的同時(shí)，也可以達(dá)到微型化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。因此選用這種作為本次設(shè)計(jì)的方案。

2.3 顏色傳感器的優(yōu)點(diǎn)

在TCS3200D單一的芯片上集成了紅綠藍(lán)三種濾光器。用戶還可以通過(guò)S0、S1兩個(gè)引腳來(lái)選擇100%、20%、2%輸出比例因子，即對(duì)于不同的未處理器，通過(guò)對(duì)比例因子的選擇，使傳感器的輸出頻率能和微處理器相匹配。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)在單一芯片上還集成了紅綠藍(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。TCS3200D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它邏輯電路相連接。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。顏色傳感器TCS3200D如圖1所示[3]。

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。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示。圖中的數(shù)據(jù)傳輸部分包括上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸、液晶數(shù)據(jù)傳輸及打印機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

3.1 顏色識(shí)別程序設(shè)計(jì)

在顏色識(shí)別時(shí)，必須得到它的RGB值才能判斷出其顏色，為了在短時(shí)間內(nèi)得到顏色的RGB值，可在顏色識(shí)別程序中循環(huán)開(kāi)通紅色濾波器、綠色濾波器和藍(lán)色濾波器。顏色識(shí)別子程序的流程圖如圖3所示[4]。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)

采用RS232串口通訊線來(lái)將單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)界面上。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸程序的流程圖如圖4所示。

3.3 微型打印機(jī)程序設(shè)計(jì)

微型打印機(jī)的打印數(shù)據(jù)程序在顏色RGB值采集后可以進(jìn)行打印預(yù)覽或者直接打印，若無(wú)打印機(jī)，還可以將結(jié)果以PDF的格式保存起來(lái)。

4 總結(jié)

采用顏色傳感器TCS3200D來(lái)設(shè)計(jì)顏色分析儀，不僅精度高容量大，分析采集的顏色與原來(lái)的顏色誤差很小，而且成本低，適合于家庭使用和批量生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周梅，趙光興.一種便攜式尿液分析儀設(shè)計(jì).中國(guó)儀器儀表，2007年12月：75-77.

[2]張松燦，肖本賢.高分辨率顏色傳感器TCS230的原理和應(yīng)用.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005年3月：44-46.

[3]胡建民.顏色傳感器TCS230及顏色識(shí)別電路.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006年第4期：40-53.

[4]陸徐平，徐耀良等.基于TCS230的新型雙路顏色傳感器的研制.電子技術(shù)應(yīng)用，2007年第8期：89-91.

[作者簡(jiǎn)介]

王麗平（1974-），女，漢族，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春工程學(xué)院，講師；蔡長(zhǎng)青（1971-），女，漢族，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春工程學(xué)院，副教授。

“吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目：吉教科合字2011第244號(hào)”