基于TCS230的导线颜色检测及顺序调整控制系统设计

杨俊茹，郭 坤，宋传娟，刘钦冉

（山东科技大学 机械电子工程学院，青岛 266590）

0 引言

颜色传感器的结构主要包括光电二极管与彩色滤光器。其工作原理是，通过彩色滤光器将所测得的颜色分解成红（red）、绿（green）、蓝（blue）三种原色，然后通过光电二极管分别检测各色的强度。随着检测技术水平的不断提高，基于颜色传感器技术的颜色检测技术以其灵敏度高、响应速度快的优点，在实际生产中得到了广泛应用。李喜鹏等人基于颜色传感器设计的绿色识别系统，用于自动喷药装置，为快速、准确识别作物进行喷药提供了技术支持[1]；一种用于石油产品颜色检测的测量系统，不仅可以对成品油样本的颜色进行识别,还可以根据测量结果初步分析油品的胶质含量[2]；王晴等提出了一种基于颜色传感器的新生儿黄疸检测方法，根据RGB分量的值确定皮肤颜色，实现了对新生儿黄疸进行连续的检测[3]。

TCS230是美国TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器。它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在芯片上还集成了红、绿、蓝（RGB）3种原色的滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器。输出为数字量，可直接与微处理器连接，不需要外接A/D转换电路，使用方便，且分辨率高，响应速度块，有较强的抗干扰能力，使用范围广泛[4]。

在工业生产中，由于各种因素的作用，经常需要将待加工的工件按照一定要求排列成特定顺序，而由于自动生产的特点，这些工件的初始顺序往往是杂乱无章的。这时就涉及到工件的自动排序问题。例如：在焊接串行接口时，对接头与导线之间的焊接就有一定的顺序要求，即不同颜色的导线需焊接到不同的接头位置，因此在串口的自动焊接之前，需要将待焊接的无序导线按照一定的顺序排列起来，以便于后续焊接。以往的导线排序往往由人工进行，费时费力，不符合自动化生产的需要。针对这一问题，本文设计了一种导线颜色检测及顺序调整控制系统，并给出了颜色识别及顺序调整的控制方法与控制程序，实现了串口焊接中导线的自动化排序，控制方法简洁，实用性较高。

1 整体系统设计

本系统分为两部分，分别为导线的颜色识别与导线的顺序调整，其中，颜色识别部分采用颜色传感器TCS230，将检测到的颜色RGB值传输给单片机，并记录当前颜色所对应的位置信息，经过与预存颜色信息进行一系列的比较计算后，得出每根导线调整所需的运动方向和运动距离（电机进给步数）；顺序调整部分由步进电机带动机械手机构根据之前计算结果，按照一定流程进行三维运动，实现对导线的抓取及其顺序调整。系统中导线数量为13，预存颜色信息即为这些导线的颜色RGB值，如表1所示。预存颜色信息存放在数组rgb1[13][3]中。

系统工作流程如图1所示。

图1 系统工作流程图

2 颜色检测与比较

TCS230将红、绿、蓝（RGB）3种原色的滤光器集成在单一芯片上，当控制单片机选定某一原色的滤光器时，它只允许该原色通过，而阻止其他两种原色的通过。使用时依次选通红色、绿色和蓝色滤光器，得到所测颜色的三种原色的光强。不同的光强对应不同频率的输出方波。通过测量输出方波的个数，并进行相应的比例换算，即可获得该颜色的RGB值[4]。

表1 系统预存颜色的RGB值（十六进制）

在本系统中，TCS230输出（OUT）直接接入单片机中，由单片机计数器对输出方波进行计数，进而确定所检测到的颜色的RGB值，并记录每种颜色所对应的位置，以便进行下一步处理。最终检测出的颜色RGB值赋值给数组变量rgb[3]，其中rgb[0]=R，rgb[1]=G，rgb[2]=B，对应的位置信息放在数组weizhi[13]中。

采集到颜色的RGB之后，经过与预存颜色的RGB值进行比较，即可确定所检测的颜色。考虑检测误差，检测到的RGB值与预存的RGB值不可避免的会存在一定出入，故在比较过程中，采用笛卡尔距离法来比较两种不同的颜色，这种通过计算两种颜色RGB值的笛卡尔距离来确定导线颜色的方式，计算方便，控制程序简洁，有很高的实用性。其表达式为[5]：

实际应用中，考虑到式(1)中运算较为复杂，故其可简化为[5]：

其中 R、G、B是检测的颜色值，R0、G0、B0是预存的颜色值。当计算出的d值小于设定值时，即可认为所比较的两种颜色为同一颜色。

颜色检测与比较的控制流程如图2所示。

图2 颜色检测与比较流程图

3 顺序调整方法

在确定导线的颜色及位置信息后，系统即开始对导线的顺序进行自动调整，调整方法如下：机械手初始位置为I=0，根据表1所列导线排列顺序，需要将红色的导线调整到I=0的位置上来，根据检测结果，红色的导线所处的位置为I=I1，则将红色导线从I1调整到0位置，需要正向移动I1-0个单位的距离。红色导线调整到位后，机械手前进一个单位距离，来到I=1位置，需要将黄色的导线调整到I=1的位置上来，根据检测结果，黄色的导线所处的位置为I=I2，则将红色导线从I2调整到1位置，需要正向移动I2-1个单位的距离。若I2-1<0，则反向移动。黄色导线调整到位后，机械手前进一个单位距离，来到I=2位置……直至最后一个导线调整到位。

根据检测结果及对应的存储在数组weizhi[13]中的位置信息，将weizhi[13]与所需要的排列顺序中各颜色对应的位置信息（顺序排列0,1,2,3,…）相比较，得出调整每种颜色的导线所需运动的步数step，并判断其运动方向，进而控制步进电机正传或者反转相应的步数，同时控制机械手机构依次抓取待调整的各导线，将其运送到指定位置，实现对导线顺序的调整。具体控制流程如图3所示。

图3 顺序调整程序流程图

为了实现将随机排列的导线调整成特定顺序的排列方式这一功能，即实现图3所示流程图中的“执行抓取、运输、放置动作”这一步骤，机械手共需三个方向的运动，以实现待调整的对象沿横向（X轴）、纵向（Y轴）及竖直方向（Z轴）的进给运动。三个方向的运动均由步进电机带动，抓取导线所用的机械手为电磁铁夹紧机构，其运动流程如图4所示。

图4 机械手机构运动流程图

4 系统控制程序开发

本系统中，颜色检测、计算比较及顺序调整均由80C52单片机控制，根据图1～图4所示的系统工作流程，采用C语言开发了系统控制程序，包括主程序与子程序两部分。在主程序中，所调用的各子程序类型需在主程序前予以定义。主程序如下：

其中，电机转动程序只给出了X正向转动子程序，其他5个方向的转动程序与之类似，只是输出接口不同，此处不再一一列举。

5 结论

由于TCS230输出为数字量，可以接入单片机，故基于TCS230的颜色检测系统的连接电路都相对比较简单，且控制方便。本文利用TCS230的检测作用，设计了导线颜色检测及顺序调整控制系统，采用笛卡尔距离比较法确定待检测导线的颜色RGB值，并记录相应的位置信息；根据检测结果，对导线的顺序进行自动调整，设计了导线顺序的调整方法与系统的工作流程图；采用C语言开发了系统控制程序。这种基于颜色识别的导线顺序调整控制系统，实现了串口自动焊接时导线顺序的自动调整，经相应改动后也适用于其他工业生产中相关工件位置的自动调整，具有较高的实用价值。

[1] 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,2009,37(27):13136-13138,13141．

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

[3] 王晴,尹志勇.基于颜色传感器TCS230的新型经皮测疸仪的设计[J].传感器与微系统,2008,27(9):100-102.

[4] 胡建民.颜色传感器TCS230及颜色识别电路[J].单片机与嵌入式系统应用,2006,53(4):40-41,53．

[5] 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):621-625．

[6] 郑锋,王巧艺,等.51单片机应用系统典型模块开发大全(修订版)[M].北京:中国铁道出版社,2013.

[7] 刘志海.C程序设计[M].北京:电子工业出版社,2008.