基于TCS230的導(dǎo)線顏色檢測及順序調(diào)整控制系統(tǒng)設(shè)計

楊俊茹，郭 坤，宋傳娟，劉欽冉

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266590）

0 引言

顏色傳感器的結(jié)構(gòu)主要包括光電二極管與彩色濾光器。其工作原理是，通過彩色濾光器將所測得的顏色分解成紅（red）、綠（green）、藍(lán)（blue）三種原色，然后通過光電二極管分別檢測各色的強(qiáng)度。隨著檢測技術(shù)水平的不斷提高，基于顏色傳感器技術(shù)的顏色檢測技術(shù)以其靈敏度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。李喜鵬等人基于顏色傳感器設(shè)計的綠色識別系統(tǒng)，用于自動噴藥裝置，為快速、準(zhǔn)確識別作物進(jìn)行噴藥提供了技術(shù)支持[1]；一種用于石油產(chǎn)品顏色檢測的測量系統(tǒng)，不僅可以對成品油樣本的顏色進(jìn)行識別,還可以根據(jù)測量結(jié)果初步分析油品的膠質(zhì)含量[2]；王晴等提出了一種基于顏色傳感器的新生兒黃疸檢測方法，根據(jù)RGB分量的值確定皮膚顏色，實(shí)現(xiàn)了對新生兒黃疸進(jìn)行連續(xù)的檢測[3]。

TCS230是美國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)換器集成在一個單一的CMOS電路上，同時在芯片上還集成了紅、綠、藍(lán)（RGB）3種原色的濾光器，是業(yè)界第一個有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器。輸出為數(shù)字量，可直接與微處理器連接，不需要外接A/D轉(zhuǎn)換電路，使用方便，且分辨率高，響應(yīng)速度塊，有較強(qiáng)的抗干擾能力，使用范圍廣泛[4]。

在工業(yè)生產(chǎn)中，由于各種因素的作用，經(jīng)常需要將待加工的工件按照一定要求排列成特定順序，而由于自動生產(chǎn)的特點(diǎn)，這些工件的初始順序往往是雜亂無章的。這時就涉及到工件的自動排序問題。例如：在焊接串行接口時，對接頭與導(dǎo)線之間的焊接就有一定的順序要求，即不同顏色的導(dǎo)線需焊接到不同的接頭位置，因此在串口的自動焊接之前，需要將待焊接的無序?qū)Ь€按照一定的順序排列起來，以便于后續(xù)焊接。以往的導(dǎo)線排序往往由人工進(jìn)行，費(fèi)時費(fèi)力，不符合自動化生產(chǎn)的需要。針對這一問題，本文設(shè)計了一種導(dǎo)線顏色檢測及順序調(diào)整控制系統(tǒng)，并給出了顏色識別及順序調(diào)整的控制方法與控制程序，實(shí)現(xiàn)了串口焊接中導(dǎo)線的自動化排序，控制方法簡潔，實(shí)用性較高。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)分為兩部分，分別為導(dǎo)線的顏色識別與導(dǎo)線的順序調(diào)整，其中，顏色識別部分采用顏色傳感器TCS230，將檢測到的顏色RGB值傳輸給單片機(jī)，并記錄當(dāng)前顏色所對應(yīng)的位置信息，經(jīng)過與預(yù)存顏色信息進(jìn)行一系列的比較計算后，得出每根導(dǎo)線調(diào)整所需的運(yùn)動方向和運(yùn)動距離（電機(jī)進(jìn)給步數(shù)）；順序調(diào)整部分由步進(jìn)電機(jī)帶動機(jī)械手機(jī)構(gòu)根據(jù)之前計算結(jié)果，按照一定流程進(jìn)行三維運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)線的抓取及其順序調(diào)整。系統(tǒng)中導(dǎo)線數(shù)量為13，預(yù)存顏色信息即為這些導(dǎo)線的顏色RGB值，如表1所示。預(yù)存顏色信息存放在數(shù)組rgb1[13][3]中。

系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

2 顏色檢測與比較

TCS230將紅、綠、藍(lán)（RGB）3種原色的濾光器集成在單一芯片上，當(dāng)控制單片機(jī)選定某一原色的濾光器時，它只允許該原色通過，而阻止其他兩種原色的通過。使用時依次選通紅色、綠色和藍(lán)色濾光器，得到所測顏色的三種原色的光強(qiáng)。不同的光強(qiáng)對應(yīng)不同頻率的輸出方波。通過測量輸出方波的個數(shù)，并進(jìn)行相應(yīng)的比例換算，即可獲得該顏色的RGB值[4]。

表1 系統(tǒng)預(yù)存顏色的RGB值（十六進(jìn)制）

在本系統(tǒng)中，TCS230輸出（OUT）直接接入單片機(jī)中，由單片機(jī)計數(shù)器對輸出方波進(jìn)行計數(shù)，進(jìn)而確定所檢測到的顏色的RGB值，并記錄每種顏色所對應(yīng)的位置，以便進(jìn)行下一步處理。最終檢測出的顏色RGB值賦值給數(shù)組變量rgb[3]，其中rgb[0]=R，rgb[1]=G，rgb[2]=B，對應(yīng)的位置信息放在數(shù)組weizhi[13]中。

采集到顏色的RGB之后，經(jīng)過與預(yù)存顏色的RGB值進(jìn)行比較，即可確定所檢測的顏色?？紤]檢測誤差，檢測到的RGB值與預(yù)存的RGB值不可避免的會存在一定出入，故在比較過程中，采用笛卡爾距離法來比較兩種不同的顏色，這種通過計算兩種顏色RGB值的笛卡爾距離來確定導(dǎo)線顏色的方式，計算方便，控制程序簡潔，有很高的實(shí)用性。其表達(dá)式為[5]：

實(shí)際應(yīng)用中，考慮到式(1)中運(yùn)算較為復(fù)雜，故其可簡化為[5]：

其中 R、G、B是檢測的顏色值，R0、G0、B0是預(yù)存的顏色值。當(dāng)計算出的d值小于設(shè)定值時，即可認(rèn)為所比較的兩種顏色為同一顏色。

顏色檢測與比較的控制流程如圖2所示。

圖2 顏色檢測與比較流程圖

3 順序調(diào)整方法

在確定導(dǎo)線的顏色及位置信息后，系統(tǒng)即開始對導(dǎo)線的順序進(jìn)行自動調(diào)整，調(diào)整方法如下：機(jī)械手初始位置為I=0，根據(jù)表1所列導(dǎo)線排列順序，需要將紅色的導(dǎo)線調(diào)整到I=0的位置上來，根據(jù)檢測結(jié)果，紅色的導(dǎo)線所處的位置為I=I1，則將紅色導(dǎo)線從I1調(diào)整到0位置，需要正向移動I1-0個單位的距離。紅色導(dǎo)線調(diào)整到位后，機(jī)械手前進(jìn)一個單位距離，來到I=1位置，需要將黃色的導(dǎo)線調(diào)整到I=1的位置上來，根據(jù)檢測結(jié)果，黃色的導(dǎo)線所處的位置為I=I2，則將紅色導(dǎo)線從I2調(diào)整到1位置，需要正向移動I2-1個單位的距離。若I2-1<0，則反向移動。黃色導(dǎo)線調(diào)整到位后，機(jī)械手前進(jìn)一個單位距離，來到I=2位置……直至最后一個導(dǎo)線調(diào)整到位。

根據(jù)檢測結(jié)果及對應(yīng)的存儲在數(shù)組weizhi[13]中的位置信息，將weizhi[13]與所需要的排列順序中各顏色對應(yīng)的位置信息（順序排列0,1,2,3,…）相比較，得出調(diào)整每種顏色的導(dǎo)線所需運(yùn)動的步數(shù)step，并判斷其運(yùn)動方向，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)正傳或者反轉(zhuǎn)相應(yīng)的步數(shù)，同時控制機(jī)械手機(jī)構(gòu)依次抓取待調(diào)整的各導(dǎo)線，將其運(yùn)送到指定位置，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)線順序的調(diào)整。具體控制流程如圖3所示。

圖3 順序調(diào)整程序流程圖

為了實(shí)現(xiàn)將隨機(jī)排列的導(dǎo)線調(diào)整成特定順序的排列方式這一功能，即實(shí)現(xiàn)圖3所示流程圖中的“執(zhí)行抓取、運(yùn)輸、放置動作”這一步驟，機(jī)械手共需三個方向的運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)待調(diào)整的對象沿橫向（X軸）、縱向（Y軸）及豎直方向（Z軸）的進(jìn)給運(yùn)動。三個方向的運(yùn)動均由步進(jìn)電機(jī)帶動，抓取導(dǎo)線所用的機(jī)械手為電磁鐵夾緊機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動流程如圖4所示。

圖4 機(jī)械手機(jī)構(gòu)運(yùn)動流程圖

4 系統(tǒng)控制程序開發(fā)

本系統(tǒng)中，顏色檢測、計算比較及順序調(diào)整均由80C52單片機(jī)控制，根據(jù)圖1～圖4所示的系統(tǒng)工作流程，采用C語言開發(fā)了系統(tǒng)控制程序，包括主程序與子程序兩部分。在主程序中，所調(diào)用的各子程序類型需在主程序前予以定義。主程序如下：

其中，電機(jī)轉(zhuǎn)動程序只給出了X正向轉(zhuǎn)動子程序，其他5個方向的轉(zhuǎn)動程序與之類似，只是輸出接口不同，此處不再一一列舉。

5 結(jié)論

由于TCS230輸出為數(shù)字量，可以接入單片機(jī)，故基于TCS230的顏色檢測系統(tǒng)的連接電路都相對比較簡單，且控制方便。本文利用TCS230的檢測作用，設(shè)計了導(dǎo)線顏色檢測及順序調(diào)整控制系統(tǒng)，采用笛卡爾距離比較法確定待檢測導(dǎo)線的顏色RGB值，并記錄相應(yīng)的位置信息；根據(jù)檢測結(jié)果，對導(dǎo)線的順序進(jìn)行自動調(diào)整，設(shè)計了導(dǎo)線順序的調(diào)整方法與系統(tǒng)的工作流程圖；采用C語言開發(fā)了系統(tǒng)控制程序。這種基于顏色識別的導(dǎo)線順序調(diào)整控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了串口自動焊接時導(dǎo)線順序的自動調(diào)整，經(jīng)相應(yīng)改動后也適用于其他工業(yè)生產(chǎn)中相關(guān)工件位置的自動調(diào)整，具有較高的實(shí)用價值。

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