基于TCS3200D數(shù)字式顏色測(cè)試儀的研究

馬文秀， 時(shí)維鐸， 丁小田， 沈東偉

(南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037)

基于TCS3200D數(shù)字式顏色測(cè)試儀的研究

馬文秀， 時(shí)維鐸， 丁小田， 沈東偉

(南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037)

介紹了一種基于數(shù)字式顏色傳感器TCS3200D與MSP430單片機(jī)相結(jié)合的顏色測(cè)試儀。該測(cè)試儀應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，可以方便快捷地檢測(cè)被測(cè)物體顏色，并通過12864液晶屏顯示對(duì)應(yīng)的顏色和RGB值。實(shí)驗(yàn)表明，TCS3200D傳感器在不同溫度下，測(cè)量精度高、工作可靠，適用于在整個(gè)染色過程中顏色的在線檢測(cè)以及高溫、高濕環(huán)境的顏色監(jiān)測(cè)。

TCS3200D；MSP430；顏色識(shí)別

0 引言

我國(guó)是一個(gè)紡織大國(guó)，隨著社會(huì)的快速發(fā)展，染色行業(yè)已成為我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著新技術(shù)、新工藝的發(fā)展，采用信息技術(shù)提高生產(chǎn)力具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)印染生產(chǎn)能力迅速擴(kuò)大，然而，在產(chǎn)量、產(chǎn)值大幅增長(zhǎng)的同時(shí)，印染行業(yè)的發(fā)展也越來越受到資源和環(huán)境的制約。當(dāng)前我國(guó)印染行業(yè)的整體水平(即品種結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品質(zhì)量、制造技術(shù)、應(yīng)用服務(wù)等)與國(guó)際先進(jìn)水平相比存在一定差距，與我國(guó)作為世界紡織印染生產(chǎn)大國(guó)的地位極不相稱。當(dāng)前國(guó)內(nèi)印染企業(yè)存在的問題：(1)設(shè)備落后，區(qū)分出的顏色的暗度/亮度級(jí)、顏色飽和度存在一定的誤差，無法生產(chǎn)符合市場(chǎng)高要求的流行產(chǎn)品；(2)雖然投入大量的資金購(gòu)進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，但生產(chǎn)技術(shù)和管理水平跟不上，不能生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，質(zhì)量問題集中在穩(wěn)定性、色差、色窂度、疵點(diǎn)、縮水率等。此外，也存在布邊處理不好、不能適應(yīng)服裝CAD/CAM排料生產(chǎn)的需要、幅寬不一致等問題。本文將TCS3200D顏色傳感器與溫度傳感器相結(jié)合進(jìn)行顏色在線檢測(cè)，并通過液晶顯示直接觀察到布匹染色過程中表面顏色的RGB值，當(dāng)布匹的顏色達(dá)到設(shè)定值時(shí)，印染完成，可以進(jìn)行服裝的加工。從而可以節(jié)省時(shí)間，提高印染的質(zhì)量和生產(chǎn)的效率。

1 顏色方程

把三原色R*、G*、B*以及任意顏色C*看成是一色向量，每一向量各有相應(yīng)的單位向量[R]、[G]、[B]以及[C]。于是把色向量寫成R[R]、G[G]、B[B]以及C[C]形式時(shí)，R、G、B、C分別代表相應(yīng)的顏色強(qiáng)度和色量[1]，得出顏色方程：

C[C]=R[R]+G[G]+B[B]

(1)

其中，R、G、B為顏色C*的三刺激值。

(2)

其中φ(λ)是帶測(cè)光的光譜分布函數(shù)值，積分的波長(zhǎng)范圍為可見光波段，一般為380～780 nm[2]。把三原色各自占R+G+B總量的相對(duì)比值稱作三維色度坐標(biāo),分別為：

(3)

且r+g+b=1

則顏色C*的單位值為：

C[C]= r[R]+g[G]+b[B]

(4)

顏色C*的色量C為C=R+G+B。

顯然r、g、b的數(shù)值與R*、G*、B*采用的單位光亮度有關(guān)。則標(biāo)準(zhǔn)白光(W)的三刺激值為R=G=B=1,色品坐標(biāo)為[3]:

(5)

由圖1可以看出，標(biāo)準(zhǔn)白光在色品圖上的位置是r=0.33，g=0.33。只需給出r和g兩個(gè)坐標(biāo)值就可以確定任意顏色在色品圖的位置。

圖1 色品圖

2 顏色測(cè)量原理

由圖2可知，當(dāng)入射光投射到TCS3200D上時(shí)，通過光電二極管控制引腳S2、S3的高低電平組合，可以選擇不同的濾波器，經(jīng)過電流-頻率轉(zhuǎn)換器輸出不同頻率的方波(占空比是50%)[4]，由于不同的顏色RGB值不同以及光照強(qiáng)度高低不同，因此輸出的方波頻率不同，可以通過控制引腳S0、S1，選擇不同的輸出比例因子，來調(diào)節(jié)頻率的輸出范圍，滿足更多方面的需求。當(dāng)S0和S1都為低電平時(shí)，關(guān)閉電源；當(dāng)S0為低電平、S1為高電平時(shí)，OUT輸出脈沖長(zhǎng)度為最大輸出頻率的2%；當(dāng)S0為高電平、S1為低電平時(shí)，OUT輸出脈沖長(zhǎng)度為最大輸出頻率的20%；當(dāng)S0、S1均為高電平時(shí)，OUT輸出脈沖長(zhǎng)度為最大輸出頻率的100%[5]。S0、S1引腳功能分配圖如表1所示。

圖2 TCS3200D功能框圖

S2、S3用于選擇濾波器的類型；OE低電平有效，可以控制輸出的狀態(tài)，當(dāng)有多個(gè)芯片引腳共同輸出時(shí)，此引腳也可以作為片選信號(hào)。當(dāng)S2和S3都為低電平時(shí)，選擇紅色濾波器；當(dāng)S2為低電平、S3為高電平時(shí)，選擇藍(lán)色濾波器；當(dāng)S2為高電平、S3為低電平時(shí)，可以透過全部的光信號(hào)；當(dāng)S2、S3都為高電平時(shí)，選擇綠色濾波器[6]。S2、S3引腳功能分配圖如表2所示。

表1 S0、S1引腳功能分配圖S0S1輸出頻率比例系數(shù)LL關(guān)斷LH2%HL20%HH100%表2 S2、S3引腳功能分配圖S2S3光電二極管類型LL紅色LH藍(lán)色HL無HH綠色

3 總體方案設(shè)計(jì)

3.1 總體原理框圖的設(shè)計(jì)

圖3 總體原理框圖

本設(shè)計(jì)以MSP430作為控制器，MSP430是一種16位超低功耗的單片機(jī)，具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的片內(nèi)外圍模塊，系統(tǒng)工作穩(wěn)定[6]。本設(shè)計(jì)采用的供電電源為3.3 V，特別適合應(yīng)用于電池長(zhǎng)時(shí)間工作的場(chǎng)合[7]。利用單片機(jī)與顏色傳感器進(jìn)行傳輸處理，并通過LCD12864進(jìn)行顯示，其總體原理框圖如圖3所示。

3.2 TCS3200D模塊圖

圖4 TCS3200D顏色采集模塊

圖4中TCS3200D顏色采集模塊由4個(gè)白色的LED燈和64個(gè)光電二極管組成。4個(gè)LED燈作為照明光源，用來檢測(cè)不發(fā)光的物體[8]。64個(gè)光電二極管中，16個(gè)帶有紅色濾波器,只能通過紅色；16個(gè)帶有綠色濾波器，只能通過綠色；16個(gè)帶有藍(lán)色濾波器，只能通過藍(lán)色；其余16個(gè)不帶有任何濾波器，可以透過全部的光信號(hào)。這些光電二極管在芯片內(nèi)交叉排列，能夠最大限度地減少入射光輻射的不均勻性，從而增加顏色識(shí)別的精確度。另一方面，相同顏色的16個(gè)光電二極管是并聯(lián)連接的，均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差[4]，提高了它的適應(yīng)能力。

4 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用MSP430[9]作為主控制器，為了降低功耗，采用+3.3 V供電，選用LM117-3.3芯片，將+5 V電壓轉(zhuǎn)換為+3.3 V電壓。整個(gè)測(cè)試過程中，數(shù)據(jù)的采集、處理與傳輸是由TCS3200D顏色傳感器、MSP430和電源完成[10]，通過單片機(jī)對(duì)顏色傳感器進(jìn)行控制，輸出測(cè)量物體的RGB值，在LCD 12864上進(jìn)行顯示?？紤]到印染過程中布料表面面積比較大，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)TCS3200D三并聯(lián)形式感應(yīng)器[8]，由三個(gè)TCS3200D并排組合而成，S0、S1、S2、S3是選擇濾波器類型和輸出頻率的比例系數(shù)，OE使能端作片選，分別單獨(dú)使用，OE低電平有效。測(cè)量的最佳距離為10 mm，圖5是TCS3200D與MSP430連接圖，實(shí)際上MSP430還有很多I/O口可以實(shí)現(xiàn)更多傳感器的控制,實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)采集[7]。

圖5 TCS3200D與MSP430連接圖

5 軟件設(shè)計(jì)

圖6 系統(tǒng)總體流程圖

系統(tǒng)上電以后，軟件部分主要是對(duì)MSP430、TCS3200D顏色傳感器和12864液晶顯示器進(jìn)行初始化，并在測(cè)試顏色之前一定要對(duì)TCS3200D進(jìn)行白平衡。如果白平衡按鍵沒有按下，則判斷是否有顏色識(shí)別，若有顏色識(shí)別則調(diào)用測(cè)量子程序，否則返回，等待下一次測(cè)量；如果白平衡按鍵按下則調(diào)用白平衡子程序，然后進(jìn)行顏色識(shí)別，并通過LCD12864液晶顯示屏顯示RGB值，測(cè)試完畢則返回。系統(tǒng)的總體流程圖如圖6所示[11]。

在顏色識(shí)別過程中要注意以下兩點(diǎn)：(1)在顏色測(cè)試之前一定要進(jìn)行白平衡。由于人的肉眼分辨出的白色并不是完全的純白色，因此對(duì)測(cè)試結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的影響，所以進(jìn)行白平衡很有必要。(2)在測(cè)試過程中要避免外界光線的干擾，否則對(duì)測(cè)試結(jié)果會(huì)有一定的影響。

6 測(cè)試結(jié)果及分析

在整個(gè)測(cè)試過程中要避免外界光線的干擾，否則測(cè)試的RGB值與實(shí)際值相差很大，本次設(shè)計(jì)采用一個(gè)避光小木盒來提高傳感器測(cè)量的精度。本次測(cè)試主要對(duì)紅色、粉色、藍(lán)色、淺藍(lán)、黃綠、黃色和白色進(jìn)行10次測(cè)試并且記錄數(shù)據(jù)，求得RGB的平均值，如表3所示[12]。以粉色為例觀察RGB值與時(shí)間的關(guān)系來判斷TCS3200D顏色傳感器的穩(wěn)定性，如圖7所示。

對(duì)以上所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與實(shí)際RGB值進(jìn)行對(duì)比，最大絕對(duì)誤差為10，最小絕對(duì)誤差為0，最大相對(duì)誤差為5.8%，平均相對(duì)誤差為3.04%。通過圖7可以看出，TCS3200D顏色傳感器隨著時(shí)間的變化，測(cè)量值基本不變，說明該傳感器具有識(shí)別速度快、測(cè)量精度高和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

表3 測(cè)量不同顏色的RGB值

圖7 RGB值與時(shí)間的關(guān)系

7 結(jié)論

本設(shè)計(jì)使用了數(shù)字式TCS3200D顏色傳感器和低功耗的MSP430搭建的顏色識(shí)別電路，由于TCS3200D輸出的是數(shù)字量，簡(jiǎn)化了電路[13]，而且測(cè)量速度快，精度高，在印染行業(yè)具有一定的實(shí)用性。

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Study on the digital color test instrument based on TCS3200D

Ma Wenxiu, Shi Weiduo, Ding Xiaotian, Shen Dongwei

(Nanjing Forestry University, Nanjing 210037,China)

This paper introduces a kind of color test instrument that is based on digital color sensor TCS3200D combined with single chip MSP430.It can conveniently detect object color for simple application circuit, and then through the 12864 LCD show the corresponding color and RGB values. Experiment shows that the sensor TCS3200D is suitable for color online detection in the whole process of printing and dyeing, etc. It is reliable and has high accuracy whatever under high temperature or the high humidity environment monitoring.

TCS3200D ;MSP430;color discrimination

TP212

A

1674- 7720(2016)05- 0087- 04

馬文秀，時(shí)維鐸，丁小田，等. 基于TCS3200D數(shù)字式顏色測(cè)試儀的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(5)：87-90.

2015-10-13)

馬文秀(1990-)女，在讀碩士研究生，主要研究方向：控制理論與控制工程。

時(shí)維鐸(1959-)，通信作者，男，碩士研究生導(dǎo)師，副教授，主要研究方向：智能化儀器儀表及自動(dòng)化控制設(shè)備。E-mail:mgydg@njfu.edu.cn。