果蔬農(nóng)藥殘留萃取液顏色識別系統(tǒng)的研究

張福軍　王曉超　郭偉　黃操軍

摘要：為實現(xiàn)果蔬農(nóng)藥殘留萃取液顏色識別，設計了以3塊TCS230顏色傳感器為核心的顏色數(shù)據(jù)采集器；由單片機C8051F023對數(shù)據(jù)采集器輸出的紅、綠、藍（RGB）三基色電壓信號進行數(shù)據(jù)運算與處理，液晶顯示器HTG240160C顯示被測水果、蔬菜農(nóng)藥殘留度。在算法上采用BP小波基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡算法，提高了顏色識別速度、精度和可靠性，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。

關(guān)鍵詞：農(nóng)藥殘留；顏色識別；TCS230顏色傳感器；數(shù)據(jù)采集器

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）08-2111-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.08.050

Abstract： For how to implement color indentification problems of fruit and vegetable pesticide residues extracted liquid， designed a color data collector with three pieces of TCS230 color sensor； By MCU C8051F023 to data collector output of red， green， blue（RGB） three primary colors voltage signal data operation and processing， LCD HTG240160C display measured fruit， vegetable pesticide residues and whether to eat safe and reliable. Algorithm use BP wavelet basis function neural network， improve the color recognition speed， the system has simple structure， convenient operation.

Key words： pesticide residues； color identification； TCS230 color sensor； data collector

果蔬農(nóng)藥殘留測量往往是利用化學試紙或顯色劑進行，測量周期較長，工作效率低、測量數(shù)據(jù)不精確，無法適應現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學研究發(fā)展的要求。水果、蔬菜為普通市民長期性、經(jīng)常性的消費品，采用傳統(tǒng)方法很難實現(xiàn)精準檢測。因此，本研究提出一種基于美國TAOS公司推出的TCS230顏色傳感器的檢測系統(tǒng)，采用1塊或2塊顏色傳感器TCS230來識別農(nóng)藥殘留萃取液的顏色，紅、綠、藍（RGB）三基色電壓信號由引腳輸出，采用BP小波基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡算法提高對農(nóng)藥殘留萃取液的顏色識別速度和增加識別的級數(shù)。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 顏色數(shù)據(jù)采集器

TCS230顏色傳感器是一種帶數(shù)字兼容接口的紅、綠、藍彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器，將可配置的硅光電二極管與頻率轉(zhuǎn)換集成在一個CMOS電路上，同時在芯片上集成了RGB 3種濾波器。TCS230的輸出信號是數(shù)字量，可以驅(qū)動標準的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。由于輸出的是數(shù)字量，并且能實現(xiàn)每個彩色通道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，響應頻率2～500 kHz，因而不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使電路變得更簡單[1]。

該芯片內(nèi)含一個交叉連接的8×8光電二極管陣列，其中每16個二極管可提供一種色彩類型，芯片共有紅、綠、藍和清除全部光信息等4種類型。所以，數(shù)據(jù)采集器主要由3塊TCS320芯片和3個相互獨立的光學系統(tǒng)組成；3塊顏色傳感器上分別貼上紅色、綠色、藍色濾色片，能夠獲得獨立的三基色；為了避免3個獨立光學系統(tǒng)之間相互干擾，各自安裝了隔光板[2]?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 顏色識別電路

C8051F023是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，屬于Cygnal公司的C8051F系列，采用高速、流水線指令結(jié)構(gòu)，且與8051內(nèi)核兼容，速度高達25MIPS，且70%的指令可在1～2個系統(tǒng)時鐘周期內(nèi)完成；內(nèi)含64字節(jié)可在系統(tǒng)編程FLASH存儲器和4 352（4 096+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM，包括多通道10位可編程ADC，且具有兩個可編程數(shù)據(jù)更新方式的12位ADC，在設計復雜系統(tǒng)時無需擴展A/D、D/A轉(zhuǎn)換器和外部存儲器，優(yōu)勢明顯[3]。

由圖1可知，系統(tǒng)分別由3個顏色傳感器TCS230獲得紅、綠、藍三基色（RGB），紅色電壓信號由C8051F023單片機的P0.0～P0.4、P1.0輸入，綠色電壓信號由P1.1～P1.6輸入，藍色電壓信號由P2.0～P2.5輸入，P0.5、P0.6、P0.7、P3.0～P3.7與HTG240160C液晶顯示器的AD、A0、WR、D0～D7引腳連接，如圖2所示。

1.3 顏色識別原理

由圖1和圖2可知，顏色數(shù)據(jù)采集器的原理：位于透鏡焦點上的白色光源發(fā)出的光，經(jīng)透鏡組后變成平行光束，經(jīng)過由折射率接近1的有機玻璃組成的矩形槽體（槽內(nèi)為農(nóng)藥殘留萃取液）后，射到紅、綠、藍3個濾色片上，再投射到對應的TCS230顏色傳感器上，傳感器組輸出的三基色電壓信號由單片機C8051F023進行運算和處理，液晶顯示器HTG240160C顯示被測水果、蔬菜農(nóng)藥殘留度以及是否安全食用。

TCS230芯片各個引腳的功能：S0、S1用于選擇輸出比例因子或電源關(guān)斷模式；S2、S3用于選擇濾波器的類型；OE是頻率輸出或多個芯片的片選信號使能端；OUT是頻率輸出引腳。表1為S0、S1和S2、S3的組合狀態(tài)表[4]。

2 顏色數(shù)據(jù)庫的建立

2.1 三基色及混色原理

通常人們所看到的物體顏色，是物體表面吸收了照射在該物體上面的白光中的一部分有色成分，而人眼中看到的是該物體反射出的另一部分有色光。白色光包含著各種顏色的色光，是由各種頻率的可見光混合在一起構(gòu)成的。根據(jù)德國物理學家赫姆霍茲（Helinholtz）的三基色理論可知，各種顏色是由不同比例的三基色（紅、綠、藍）混合而成，如圖3所示[5]。

根據(jù)色譜學和配色原理，白光E的配色方程為

FLE=1[R]+1[G]+1[B] （1）

即一份[R]、一份[G]和一份[B]配出1份E白光；

任意一種彩色光的配色方程為：

FL=R[R]+G[G]+B[B] （2）

其中，R、G、B表示三基色的三色系數(shù)，其比值決定了待配彩色的色調(diào)。

色光的亮度等于各混合分量亮度之代數(shù)和，亮度方程：

YL=aR+bG+cB （3）

其中，a、b、c分別為紅、綠、藍的色度比例系數(shù)，其值可有試驗測得。

2.2 白平衡校正

白色是由等量的紅色、綠色和藍色混合而成的，但實際上在白光照射下TCS320顏色傳感器輸出的R、G、B并不相等，通常綠色傳感器輸出會更大一些，因此白平衡校正是十分必要的。在顏色數(shù)據(jù)采集器中，進行白平衡調(diào)整時將無色透明的蒸餾水裝入有機玻璃槽體內(nèi)，白色光源發(fā)出的光經(jīng)矩形槽體照射到傳感器組上，分別測得紅色、綠色和藍色的數(shù)值，然后就可計算出需要的3個調(diào)整參數(shù)。

白平衡校正的3個參數(shù)的計算方法為：當白光照射在TCS230傳感器上時，對輸出脈沖進行計數(shù)，當計數(shù)到255時停止計數(shù)，分別計算每個通道所用時間。這些時間對應于實際測試時TCS230每種濾波器所采用的時間基準，則脈沖數(shù)就是所對應的R、G和B[6]。

2.3 顏色數(shù)據(jù)庫建立

首先要配出32種標準顏色的水，對每一種水進行100次測量，獲取公式（3）中的值，從而得到水顏色的訓練庫，不同水（農(nóng)藥殘留萃取液）顏色與果蔬農(nóng)藥殘留度有對應關(guān)系，通過單片機C8051F023的運算和處理，實現(xiàn)果蔬農(nóng)藥殘留數(shù)據(jù)的顯示和無線遠程收發(fā)等功能。32種標準顏色如表2所示。

3 樣本訓練

1）初始化。將小波伸縮因子aj、平移因子bj、網(wǎng)絡連接權(quán)重wjk和wij、閾值wj0和wi0賦予隨機初始值。

2）隨機選取一組輸入和目標樣本xp=（xp1，xp2，…xpk，…xpm）、yp=（yp1，yp2，…ypk，…ypn）提供給網(wǎng)絡。

3）用輸入樣本xp=（xp1，xp2，…xpk，…xpm）、連接權(quán)wjk和閾值wj0、小波參數(shù)aj和bj計算中間層各單元的輸入netj，然后用netj通過小波函數(shù)？鬃（t）計算中間層各單元的輸出Bj。

7）重新從步驟（3）開始學習，直到樣本總體誤差小于預先設定的一個極小值，即網(wǎng)絡收斂；或達到預先設定的最大訓練次數(shù)，網(wǎng)絡就無法收斂。

8）訓練結(jié)束[7]。

4 結(jié)論

該顏色識別系統(tǒng)利用3塊顏色傳感器TCS230分別獲得三基色的電壓信號，由單片機C8051F023存儲的顏色數(shù)據(jù)庫進行識別，采用BP小波基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡算法進行模式訓練和模式識別，提高了果蔬農(nóng)藥殘留萃取液顏色數(shù)據(jù)采集的速度和準確性。該系統(tǒng)具有成本低、體積小、檢測快、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，因此還可以用于其他液體顏色的識別，如用來監(jiān)測海洋、江河、湖泊水的污染，也可用于涂料、印刷、紡織等行業(yè)顏色的識別。因此，該系統(tǒng)具有可開發(fā)的實際應用價值，應用前景廣闊[8]。

參考文獻：

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