木材顏色深度自動化分選系統(tǒng)設(shè)計

白軍杰 蔡家斌

摘要：為改善木材顏色自動化分選現(xiàn)狀，本文對木材表面顏色采集、色差等級及其算法進(jìn)行研究。利用TCS3200D顏色感應(yīng)器產(chǎn)生RGB三基色脈沖信號，通過STM32F407ZGT6芯片對其信號進(jìn)行捕獲，通過比例因子將顏色傳感器芯片的輸出信號轉(zhuǎn)換對應(yīng)RGB三基色數(shù)值，并通過灰度計算公式將RGB三基色轉(zhuǎn)換成灰度值，該灰度值與已提供的10個顏色灰度色差區(qū)間對比篩選，LCD顯示分選結(jié)果，只需加裝分選機(jī)構(gòu)，即可自動分選木材。通過實(shí)際測試表明，本設(shè)計響應(yīng)速度快，分選精準(zhǔn)，完全達(dá)到木材自動化分選加工要求。

關(guān)鍵詞：木材表面顏色 顏色深度 圖像采集 顏色分選

中圖分類號：TD352 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0171-02

目前國內(nèi)對木材的材色均勻性要求嚴(yán)格的家具、木質(zhì)裝飾企業(yè)，多數(shù)采用人工的方式對存在色差的木材進(jìn)行分選，存在分選精度不高、色差控制不準(zhǔn)確、分選人員多、分選效率低下、生產(chǎn)成本高、流水線作業(yè)難、機(jī)械化程度低等突出問題。國內(nèi)有些科研人員也對木材色差的自動分選方式進(jìn)行了研究，結(jié)果與國外發(fā)達(dá)國家的自動化水平相比，依然存在著采集的木材表面顏色失真度高、自動分選準(zhǔn)確性低等的問題。為提高我國木材加工企業(yè)的木材色差的分精確性和自動化水平，根據(jù)企業(yè)對木材色差自動分選的需求狀況，本文針對性地開展了木材顏色分選智能系統(tǒng)的研究。經(jīng)過對木材顏色的特點(diǎn)的研究，所研究的色選系統(tǒng)根據(jù)對木材顏色進(jìn)行灰度單值化處理之后，再根據(jù)顏色分選區(qū)間，確定木材所屬顏色等級。

1 總體設(shè)計方案

設(shè)計的木材表面顏色采集-色差高效自動分析系統(tǒng)由TCS3200D顏色感應(yīng)器、STM32F407ZGT6微處理器、ILI9341液晶顯示器及其相關(guān)電子輔助設(shè)備組成。各種設(shè)備間使用SPI、8080等通訊協(xié)議通訊，框架圖如圖1。STM32F407ZGT6捕獲TCS3200D感應(yīng)器輸出的木材表面顏色RGB各分量脈沖信號，再根據(jù)人眼識別習(xí)慣將讀取的RGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換灰度值，與預(yù)先通過LCD顯示器設(shè)置的10個灰度等級標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間進(jìn)行對比，得出分選結(jié)果并顯示，從而實(shí)現(xiàn)智能操作、可根據(jù)色差范圍要求進(jìn)行分選。

2 顏色采集設(shè)計

顏色采集設(shè)計包括顏色感應(yīng)器和軟件設(shè)計。顏色感應(yīng)部分核心硬件為TOAS公司生產(chǎn)的TCS3200D顏色感應(yīng)器。該傳感器工作在電壓為2.7V-5.5V，50KHz工作狀態(tài)下誤差小于0.2%，并具有電源關(guān)閉功能，支持片選；可輸出2%、20%、100%三種頻率波段；輸出頻率占空比為50%；可直接輸出對應(yīng)RGB顏色脈沖，無需通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換；最佳有效光源距離10mm，就木材表面顏色特性而言，采用TCS3200D顏色傳感器足以勝任顏色采集任務(wù)。

TCS3200D感應(yīng)芯片框架圖如圖2，當(dāng)木材反射的光照射到TCS3200D顏色傳感器上，不同顏色的反射光會導(dǎo)致其OUT輸出頻率不同，根據(jù)OUT輸出頻率即可分辨不同顏色。通過S2和S3引腳高低電平對顏色RGB分量進(jìn)行選擇，比如當(dāng)S2和S3同時為低電平時，OUT引腳輸出脈沖代表R值分量，具體組合見表1。通過S0和S1引腳高低電平對OUT輸出脈沖頻率進(jìn)行選擇，比如當(dāng)S0為低電平，S1為高電平時，OUT輸出脈沖頻率為最大輸出頻率的2%，具體組合見表2。

2.1 感應(yīng)裝置硬件設(shè)計

考慮到木材板坯具有一定寬度，若采用單一TCS3200D顏色傳感器，顏色采集區(qū)域非常狹窄，為擴(kuò)大顏色采集區(qū)域的寬度，方便采集寬度幅面板坯表面的顏色數(shù)據(jù)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計初步選用三并聯(lián)TCS3200D形式感應(yīng)器，即由三個TCS3200D并排組合，中心間距15mm。其中公用輸出頻率選擇引腳S0和S1、輸出顏色選擇引腳S2和S3、輸出端OUT，而片選使能端OE分別獨(dú)立使用，OE低電平有效，通過軟件設(shè)計輪番對三個TCS3200D進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。TCS3200D硬件三并聯(lián)連接原理圖如3。本裝置中還添加了8個0.2W白光LED燈，為TCS3200D傳感器提供白色光源。

2.2 顏色感應(yīng)器軟件設(shè)計

根據(jù)上述顏色感應(yīng)器硬件設(shè)計，軟件輪番讀取三個TCS3200D數(shù)據(jù)，并且在輪番讀取過程中，分別對每一個感應(yīng)器輪番讀取RGB三基色分量。

軟件開始，首先拉低TCS1的OE引腳，拉高TCS2和TCS3的OE引腳，只使能TCS1，進(jìn)入子程序（子程序在MCU算法中表現(xiàn)），然后讀取分別通過拉低或者拉高S2和S3引腳，OUT引腳輸出對應(yīng)RGB脈沖，讀取TCS1的RGB分量，退出子程序后，轉(zhuǎn)向?qū)CS2，使能TCS2輸出，輸出完成后，同樣對TCS3使能輸出。當(dāng)讀取完成TCS3之后，重新對TCS1進(jìn)行讀取。

3 MCU設(shè)計和相關(guān)算法

MCU（微型中央處理器）選擇STM32F407ZGT6，該芯片為ST公司生產(chǎn)的Cortex-M4系列芯片，其運(yùn)算頻率高達(dá)168MHz，具有2個高級定時器、10個通用定時器和2個基本定時器。其中，通用定時器計數(shù)頻率為84MHz，可以完成0-65535從上至下或從下至上計數(shù)。本程序使用定時器TIM2的通道1對TCS3200D的OUT引腳輸出脈沖進(jìn)行捕獲，并計算不同顏色下脈沖輸出值。

3.1 STM32F407ZGT6硬件連接設(shè)計

STM32F407ZGT6引腳眾多，為了能方便說明其與TCS3200D的硬件連接方式，只列出以下幾個引腳，分別是STM32F407ZGT6的GPIOF.5（以下簡稱PF5）連接TCS公用OUT引腳，為線號捕獲線，PA4連接TCS公用S2引腳，PA7連接TCS公用S3引腳，PE5連接TCS公用S1引腳，PE6連接TCS公用S0引腳，PC6連接TCS1的OE1引腳，PC7連接TCS2的OE2引腳，PC8連接TCS3的OE3引腳。此外STM32F407ZGT6的其他基本功能引腳比如時鐘線號線等，因?yàn)椴蛔鳛楸境绦蛑攸c(diǎn)，故此不做詳細(xì)陳述。STM32F407ZGT6和TCS3200D顏色感應(yīng)器硬件連接圖見圖3。

3.2 STM32F407ZGT6數(shù)據(jù)捕獲和顏色轉(zhuǎn)換

使用STM32F407ZGT6的TIM2通道1進(jìn)行OUT引腳頻率捕獲。首先初始化TIM2通用計時器，初始化采用21分頻，因?yàn)門IM2計數(shù)時鐘為84MHz，即1/84us計數(shù)1次，采用21分頻時，即采用21/84us（0.25us）計數(shù)一次。因?yàn)門CS3200D輸出為方波，占空比為50%，只需要連續(xù)捕獲兩次上升沿信號，即可完成一次周期采集。當(dāng)捕獲第一次上升沿信號時，清空TIM2計數(shù)器，等待捕獲第二次上升沿，讀取TIM2計數(shù)器數(shù)值N，即可算出一個輸出周期時間T，T=TIM2計數(shù)器N*0.25us。

捕獲到的具體RGB分量周期之后，還需與白光光照情況下的RGB數(shù)字進(jìn)行比較，方能算出具體RGB數(shù)值。因此，在對不同顏色RGB進(jìn)行捕獲之前，需要先進(jìn)行白平衡。白平衡的方法為，將有白光穿過的試管至于TCS3200D至上，分別得出RGB三基色分量周期，該三個周期即為標(biāo)準(zhǔn)白光RGB數(shù)值，與255進(jìn)行對比，得出顏色系數(shù)。為了簡化后期人員的相關(guān)操作，TCS3200D在出廠時已經(jīng)標(biāo)明具體RGB白平衡系數(shù)，所以，只需通過LCD電容屏對其進(jìn)行相關(guān)設(shè)置即可。

3.3 顏色灰度值處理

讀取到木材表面的RGB顏色分量分別是紅、綠、藍(lán)三數(shù)值，根據(jù)這三個數(shù)值是無法判斷顏色深度，為了能夠?qū)⑷齻€數(shù)值轉(zhuǎn)換成為一個數(shù)字產(chǎn)生可比性，并且結(jié)合人眼對顏色深度區(qū)分習(xí)慣，故選擇灰度值比較方法?；叶燃匆院谏珵榛鶞?zhǔn)色，用不同飽和度的黑色來顯示圖像。通常像素量化后用一個字節(jié)（8bit）來表示。如把由黑到灰到白的連續(xù)變化的灰度值量化為256個灰度級，則灰度值的范圍為0～255，其表示亮度從深到淺，對應(yīng)圖像中的顏色為從黑到白，RGB 轉(zhuǎn)為灰度值的心理學(xué)公式如公式1。

Gray=30%×R+59%×G+11%×B （1）

MCU通過上述公式即可完成度顏色-灰度值的轉(zhuǎn)換，木材表面顏色將被轉(zhuǎn)換成為0-255之間的量化數(shù)值，從而方便顏色深淺度的比較，得出色差等級。與其他顏色深淺度表示的方式比較，如LS-SVM等方法，灰度比較方法更加簡單。

4 TFTLCD信息輸出

TFTLCD液晶顯示器作為人機(jī)交互的重要硬件設(shè)備，在自動化控制系統(tǒng)中必不可少。本系統(tǒng)直接利用ILI9341電容屏作為輸出信息和相關(guān)操作設(shè)備。

5 流水線設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，完成流水線基本裝配，裝配設(shè)計有SolidWorks設(shè)計。

6 結(jié)語

本設(shè)計使用STM32F407ZGT6作為核心處理器、TCS3200D顏色傳感器為顏色采集芯片，兩者協(xié)同工作，具有數(shù)據(jù)處理速度快、響應(yīng)迅速、數(shù)據(jù)處理穩(wěn)定、成本低等特點(diǎn)，同時因顏色感應(yīng)芯片體積小，流水線作業(yè)產(chǎn)生的震動造成的圖像噪音有很好的應(yīng)對效果。優(yōu)化后的灰度算法，更加適應(yīng)于木材表面顏色深度分選。系統(tǒng)操作成熟，LCD液晶控制器使得控制和信息反饋方便，操作人員技術(shù)要求低，分選速度快，可以滿足木材流水線加工需求，為木材顏色自動化分選提供了行之有效的解決方案。