颜色传感器在汽车烤漆房中的应用与研究

马文秀，时维铎，徐 磊，丁小田

(南京林业大学，江苏 南京 210037)

随着社会的快速发展，中国汽车行业已成为我国的支柱产业。随着国内汽车总量的不断增加而不断发展，在整个规模上，人们对烤漆房的需求，也在不断增长，而质量好、要求高的专用型烤漆房市场份额越来越占市场更大的比例。现在人们不仅对汽车的质量要求高，而且对汽车外观颜色的要求也越来越高，因此烤漆房成为人们关注的焦点。烤漆房是一种给设备表面进行喷漆染色并烘干的设备，它不仅能对设备起到美观的作用，而且还能保护物品;既可以防止物体在潮湿和灰尘的恶劣环境中遭到腐蚀，又可以防止金属件被侵蚀。但是国内大多数烤漆房还存在一些弊端。第一，大多数调漆工都是用自己的眼睛来识别颜色，区分出颜色的暗度或亮度级，颜色的鲜艳或饱和度。由于人的眼睛最多可以分辨出约180 种不同的颜色，利用人的眼睛对辨别颜色不仅花费的时间长，而且也不精确;第二，烤漆房烤漆时预定的干燥温度是(55 ℃～60 ℃)在整个烤漆过程没有颜色的在线检测。又由于颜色传感器TCS3200D 工作温度范围是(－40 ℃～+85 ℃)，因此本文将通过TCS3200D 颜色传感器与温度传感器相结合进行颜色在线检测，并通过液晶显示直接观察到烤漆房内汽车表面颜色，当颜色达到设定值时，烤漆房自动关机，烤漆结束。从而可以节省时间，提高喷涂、烤漆的质量和生产的效率。

1 CIE 标准色度系列

1.1 颜色匹配实验

色光混合颜色匹配实验是通过红(R)、绿(G)、蓝(B)三种平行色光照射在左边黑档屏上，并且映在白屏幕上的光斑重合在一起。被匹配色光(C)照在黑档屏的另一边。人眼通过黑屏上的小孔可同时看到黑档屏的两边，并且观察视场限制在2°范围之内。在整个实验过程中，调节红、绿、蓝色光的强度，直到黑档屏两边的视场呈现相同颜色，就完成了颜色匹配［1］。实验证明，颜色匹配不受背景颜色的影响，即颜色匹配遵守颜色匹配恒常定律。但是由于人的眼睛受到强光刺激时，此定律也会失效。

1.2 光的三原色

光的三原色:红、绿、蓝，这三种颜色产生一种表示方法，英文缩写为RGB。如果用图1 所示的颜色立方体来表示1个单位量的三原色混合，那么R、G、B 混色后可能形成的所有颜色都将包含在该空间中，颜色空间以红、绿、蓝为轴，红、绿、蓝的坐标就像x、y、z 的坐标［2］。在坐标(0，0，0)处就代表所红、绿、蓝颜色的强度都为0，即黑色。在坐标(255，255，255)红、绿、蓝颜色的强度达到最大值，为白色。不同的灰色值，就分布在(0，0，0)到(255，255，255)这条立方体的对角线上。由于三种颜色的最大值相加为白色，我们称RGB 为加色模式。即三色相交一起，产生白光。如发光管它有多少种颜色呢，我们知道红色的值分为0～255，故红色有256 种色值，所以红绿蓝三色叠加，就是256 的三次方，一共能产生1678 万种颜色(俗称“真彩”)，这就是显示器所能显示的最大颜色数。故RGB 对应的媒介为光束。当RGB值均为0 时，该部分为黑色，当RGB 值均为255 时若RGB 三色值相等时无色相，是灰值，其值越小颜色越深。如RGB 值为10，10，10 为深灰，RGB 值240，240，240 为浅灰。

图1 颜色空间立方体

1.3 颜色测量原理

当入射光投射TCS3200D 上时，通过光电二极管控制引脚S2、S3 的高低电平组合，我们可以选择不同的滤波器;经过电流-频率转换器输出不同频率的方波(占空比是50%)［3］，由于不同的颜色RGB 值不同和光照强度高低，因此输出不同频率的方波;我们还可以通过控制引脚S0、S1，选择不同的输出比例因子，来调节频率的输出范围，来满足更多方面的需求。当S0 和S1 都为低电平时，关闭电源;当S0 为低电平，S1 为高电平时，OUT 输出脉冲长度为最大输出频率的2%;S0 为高电平，S1 为低电平时，OUT 输出脉冲长度为最大输出频率的20%;S0 为高电平，S1 为高电平时，OUT 输出脉冲长度为最大输出频率的100%［4］;S2、S3 用于选择滤波器的类型;OE 低电平有效，可以控制输出的状态，当有多个芯片引脚共同输出时，此引脚也可以作为片选信号。当S2 和S3 都为低电平时，选择红色滤波器;当S2 为低电平，S3 为高电平时，选择蓝色滤波器;S2 为高电平，S3 为低电平时，可以透过全部的光信号;S2 为高电平，S3 为高电平时，选择绿色滤波器［5］;S0、S1、S2、S3 引脚功能分配图如表1 所示。

表1 S0、S1、S2、S3 脚功能分配图

2 总体方案设计

2.1 总体原理框图的设计

本次设计以STC12C5A60S2 作为控制器，本次设计采用的是5 V 电源。利用单片机与颜色传感器进行传输处理，并通过LCD12864 进行显示，其总体原理框图如图2 所示。

图2 总体原理框图

2.2 TCS3200D 模块图

图3 中TCS3200D 颜色采集模块是有4 个白色的LED灯和64 个光电二极管组成。4 个LED 灯作为照明光源，用来检测不发光的物体［6］。64 个光电二极管中，其中16 个光电二极管带有红色滤波器，只能通过红色;16 个光电二极管带有绿色滤波器，只能通过绿色;16 个光电二极管带有蓝色滤波器，只能通过蓝色，其余16 个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信号，这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能够最大限度地减少入射光辐射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度;另一方面，相同颜色的16 个光电二极管是并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的位置误差［2］，提高了它的适应能力。

图3 TCS3200D 颜色采集模块

3 硬件电路设计

本次设计采用STC12C5A60S2 作为主控制器，整个测试过程中数据的采集，处理与传输，是由TCS3200D 颜色传感器、STC12C5A60S2 和电源组成，通过单片机对颜色传感器进行控制，输出测量物体RGB 值，在12864 上显示，又由于汽车表面比较大，本实验设计TCS3200D 三并联形式感应器［6］，由三个TCS3200D 并排组合，S0、S1、S2、S3 是选择滤波器类型和输出频率的比例系数，OE 使能端作片选，分别单独使用，OE 低电平有效，实现更多传感器的控制和多点采集。并且测量的最佳距离为10 mm。

4 软件设计

系统上电以后，软件部分主要是对STC12C5A60S2、TCS3200D 颜色传感器和12864 液晶显示进行初始化，并在测试颜色之前一定要对TCS3200D 进行白平衡，如果白平衡按键没有按下，则判断是否有颜色识别，若有颜色识别则调测量子程序，否则返回，等待下一次测量，白平衡按键按下则调白平衡子程序，然后进行颜色识别，并通过12864 液晶显示屏显示RGB 值，测试完毕则返回。系统的总体流程图如图4 所示［7］。

图4 系统总体流程图

在颜色识别过程中一定要注意以下两点:首先，在颜色测试之前一定要进行白平衡，由于人的肉眼分辨出的白色并不是完全的纯白色，因此对测试结果也会产生一定的影响，所以我们一定要进行白平衡。其次，在测试过程中要避免外界光线的干扰，否则对测试结果会有一定的影响。

5 测试结果及分析

1)在整个测试过程中要避免外界光线的干扰，否则测试的RGB 值与实际值相差很大，本次设计采用一个避光小木头盒子来提高传感器测量的精度。本次主要对红色、粉色、蓝色、浅蓝、黄绿、黄色和白色进行颜色测试如图5 所示。

图5 颜色测试图

对以上所测结果进行分析，通过测量的RGB 值输入到word 文档里的绘图工具的调色板中与实际值显示的RGB 值颜色基本相同，本TCS3200D 的测试精度还是相对比较高的。

图6 温度与电流的关系

通过图6 电流与温度的曲线关系可知，随着温度的升高电流也会随着增加，电流与温度成线性关系，由于TCS3200D在a 小于等于700 nm 时，工作温度范围是－25 ℃～+70 ℃，而烤漆房的温度在+20 ℃～+60 ℃正好满足烤漆房的调温，以提高烤漆房汽车表面颜色的质量。

6 结论

本次设计使用了数字式TCS3200D 颜色传感器和低功耗的MSP430 搭建的颜色识别电路，由于TCS3200D 输出的是数字量，简化了电路［8］，测量速度快，精度高。在汽车烤漆房具有一定的实用性。

［1］徐海松.颜色信息工程［M］.杭州：浙江大学出版社，2005：10－49.

［2］张菁，杨应平，章金敏，等.基于TCS3200D 的颜色在现与分类［J］.2013，46(4) ：257－260.

［3］胡建民.颜色传感器TCS230 及颜色识别电路［J］.2004(4) ：40－41.

［4］李梅花，喻玺，周海波，等.基于TCS3200D 的多路颜色采集系统设计［J］.2014(12) ：26－29.

［5］何利民.单片机高级教程—应用与设计［M］.北京.北京航天航空大学，2007.

［6］蒋寅国，邓燕妮.基于TCS3200D 的多点颜色检测装置的设计［J］.2011(3) ：54－57.

［7］谭浩强.C 程序设计［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［8］卢川英，于浩成，孙敬辉，等.基于TCS230 传感器的颜色检测系统［J］.2008，26(6) ：621－626.