利用TCS3200D实现颜色信号的采集、识别和还原

金雪尘，黄亮，吕游

(常州工学院理学院，江苏常州213002)



利用TCS3200D实现颜色信号的采集、识别和还原

金雪尘，黄亮，吕游

(常州工学院理学院，江苏常州213002)

0引言

颜色信号的采集、识别和还原在工、农业生产及科研、教育、卫生等领域有着较为广泛的应用[1-3]。如，检测农作物叶片表面颜色，可以判断农作物的生长情况[4]；检测与精确识别纺织品颜色可提高纺织品的质量；医疗卫生领域正尝试通过检测人体某部分的颜色判断身体是否健康[5]。所以，研究颜色信号的采集和识别有较广泛的应用价值。

自然界中的颜色都是由红、绿、蓝三原色混合组成的。因此，对颜色的检测实际就是对颜色信号红、绿、蓝比例值的检测。由于颜色信号本身的复杂性，一种颜色由多种颜色按不同比例合成，再加上物体所呈现的颜色还与光源的颜色和位置有关。因此，颜色的检测有一定的复杂性[6]。近年来，随着多种颜色传感器的推广，为颜色信号的检测与识别带来极大方便。本系统采用TCS3200D颜色传感器及其他电路和设备实现颜色信号的采集、识别和还原。

美国TAOS公司推出的可编程彩色光/频率转换器TCS3200D，可以实现颜色的识别与检测。与传统的颜色传感器相比，它具有许多优良特性：反应速度快，可用软件设置改变对颜色的选择；输出为数字信号，使用方便，有较强的抗干扰能力；能将信号采集、放大；A/D 接口集于一身，输出信号为一系列方波信号，可直接传输给单片机。

1 系统硬件设计

系统由颜色传感器、照明系统、单片机、颜色显示器件等组成，其基本原理框图如图1所示。

图1　基本原理框图

1.1　TCS3200D颜色传感器的结构和基本原理

TCS3200D颜色传感器的技术参数：峰值波长470、524、640 nm；工作电压2.7～5.5 V；工作温度-40～+85 ℃；最佳检测距离10 mm。其外形如图2所示。

图2　TCS3200D的外形

TCS3200D颜色传感器的内部结构和原理如图3。芯片内部集成了可配置的硅光电二极管阵列和1个电流/频率转换器。光电二极管上集成有红、绿、蓝3种滤光器，芯片内含1个交叉连接的硅光电二极管阵列，其中每16个二极管提供1种色彩类型，共有红、绿、蓝和清除全部光信息4种类型，可最大限度地降低入射光辐射的不均匀性。控制S2、S3引脚的不同组合，用于选择不同颜色的滤光器。对于电流/频率转换器，则可以通过S0、S1引脚的不同组合，来选择100%、20%、2%输出比例因子，即对于不同的微处理器，通过对比例因子的选择，使传感器的输出频率能和微处理器的检测范围相匹配。

由于TCS3200D 的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL 或CMOS 逻辑输入，因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接，并且能够实现每个彩色信道10 位以上的转换精度，因而不再需要A/D 转换电路。

图3　TCS3200D的内部结构

1.2　照明光源的选择和安装

本颜色检测系统要对各种不同的颜色进行识别和还原，所以对照明光源的选择和安装有较高要求。

1)照明光源必须足够明亮，且色度丰富，不能有偏色。经过多方面比较，本设计选择白色LED灯，它具有体积小、寿命长、光照均匀、易于安装等优点。

2)颜色采集时不能有其他杂光进入。为此，将LED灯和TCS3200D颜色传感器共同安装在1个半径为20 mm左右的半球形不透明装置内。在颜色采集时，只有LED灯和TCS3200D颜色传感器以及被测物体在半球形不透明装置内。此半球形不透明装置内由LED灯提供照明光源，其他光不能进入，因而阻止了各种杂散光的干扰。

1.3　处理器与附属电路

处理器采用STC12C5608单片机，是信号处理的核心，具有1个时钟/机器周期。其主要特点：①高速，速度比普通51型单片机快8～12倍；②低功耗设计，具有空闲模式和掉电模式；③工作频率0～34 MHz；④通用性强。

图4　电路原理图

处理器及附属电路如图4所示。图中CZ1是通信接口，用于和电脑通信；CZ2是+5 V电源输入接口，为电路提供电源；R2C1组成上电复位电路；TCS3200D的S0、S1接到单片机的P1.0、P1.1引脚，用于频率比例因子选择；S2、S3接到单片机的P1.2、P1.3引脚，用于选择色彩类型；颜色传感器的信号输出脚(6脚)连接到单片机的P3.2脚，即单片机的外部中断0引脚。

2系统的工作原理

本系统中，颜色信号(各种色光的强度)由TCS3200D颜色传感器转换成相应的频率信号，并传输给单片机，信号的处理由STC12C5608完成。STC12C5608单片机系统在处理颜色信号时采用连续循环检测的方法，由TCS3200D颜色传感器不断读取被测物体的颜色信号，单片机不断检测颜色测量传感器输出的频率信号，由此分别检测出红、绿、蓝3种颜色的饱和程度。单片机通过对TCS3200D传来的颜色(频率)信号在一定时间内的中断次数进行计数，从而测量出3种颜色饱和程度所对应的频率值。经多次测量取平均值后将平均值保存，等待PC机通过串口读取数据，并由PC机计算出色饱和度数据，再转换成颜色值，最后由显示器还原出被测物体的颜色。

3程序流程图

单片机设置的颜色测量和数据处理的主程序流程图如图5所示。

单次测量的主要流程：先对系统进行初始化，设定每次颜色测量时间为20 ms，再分别对红、绿、蓝3种通道的光强信号进行检测和记录，并对每种颜色的频率分别求出10次测量值的平均值，最后将此平均值传输给PC机，通过PC机在显示器上还原出被测量的颜色。然后进行下一轮测量。

串口中断程序如图6所示。

4仪器的调试和检测

硬件电路连接好后，开始测试。

1)进行白平衡测试。所谓白平衡，就是确定当前测量环境中，什么是白色的。通过对被测试环境中纯白色的测试，获取当前环境中纯白色对应的频率值。

2)关LED灯，获取当前环境中黑色对应的频率值。虽然从一般观察认为黑色是不反射任何颜色的光，但考虑到本底辐射和传感器误差等因素，黑色检测不可以忽略，否则误差很大，这也为实践所证明。

所有颜色的测试值都以“白色”和“黑色”值为基准。颜色测量控制最佳测试距离为10 mm。

颜色测量的PC软件界面如图7所示，具体测试过程如下说明。

图5　主程序流程图

图6　串口中断程序流程图

图7　PC软件界面

首先，将电路和装置与PC机连接，观察软件界面是否正常，LED灯是否正常工作；其次，打开串口，将白纸板放在半球形不透明采光装置下，PC软件界面上就会出现纯白色对应的三基色频率(如图7相应位置所显示)，点击“检测白色”按钮，确定当前频率为纯白色所对应的频率；再次，关闭LED灯，PC软件界面上就会出现黑色对应的三基色频率，点击“检测黑色”按钮，确定当前频率的黑色所对应的频率；最后，就可以测量其他各种颜色，即将被测物体放在半球形不透明采光装置下，点击“检测”按钮，这时界面左下角就会出现当前检测的区域所对应的颜色。

5结语

本设计采用TCS3200D颜色传感器采集颜色信号，经过处理器处理后将信号传送给PC机再由显示器显示出来。本系统具有精度高、检测快、成本低、稳定性好等优点。经过多次改进和较长时间的实践证明，PC机还原的颜色与原物体颜色的逼近程度相当高，用肉眼几乎难以区分。本系统颜色测量部件个体小巧，尤其适合一些狭小空间(如各种管道内部等)颜色的识别和还原，在其他各种颜色信号处理的领域，也有着较广泛的应用前景。

[参考文献]

[1]段志伟，高丙坤，宋金波.基于RGB颜色传感器的油品颜色检测系统设计[J].化工自动化及仪表，2013，40(8)：982-985.

[2]卢川英，于浩成，孙敬辉，等.基于TCS230传感器的颜色检测系统[J].吉林大学学报：信息科学版，2008，26(6)：621-626.

[3]陈曦，赵辰雪.颜色检测系统的设计与实现[J].自动化仪表，2011，32(11)：23-24，28.

[4]李喜朋，姚传安，李明刚，等.基于颜色传感器的绿色识别系统设计[J].安徽农业科学，2009(27)：13136-13138.

[5]皮喜田，王刚，魏亢，等.基于颜色传感器的肠道出血检测胶囊系统[J].传感器与微系统，2010(11)：113-116，119.

[6]金雪尘，黄亮，葛纹懿.用脉宽调制技术实现三基色LED灯的调色[J].常州工学院学报，2011(2)：16-19.

责任编辑：陈亮

摘要：设计采用TCS3200D颜色传感器采集颜色信号，通过STC12C5608单片机处理后将信号传送给PC机，再由PC机通过软件在显示器上实现颜色信号的还原。该设计系统具有精度高、检测快、成本低、稳定性好等优点。

关键词：颜色传感器；数据采集；信号识别；信号还原

Realization of Color Signal Collection,Identification and Reduction with TCS3200DJIN Xuechen，HUANG Liang，LYU You

(School of Scierce,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002)

Abstract:This paper discusses the use of TCS3200D color sensor to collect color signal which is to be transferred to PC after being processed by SCM STC12C5608 and then reduced on the display by computer software.The system is of high precision,speedy detection,low cost and good stability,which can be widely applied in the field of color identification and reduction.

Key words:color sensor；data collection;signal identification；signal reduction

中图分类号：TP274.2

文献标志码：A

文章编号：1671-0436(2015)03-0019-04

作者简介：金雪尘(1963—)，男，副教授。

基金项目：江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目(201411055007Z)

收稿日期：2015-03-06

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2015.03.005