基于TCS3200D数字式颜色测试仪的研究

马文秀， 时维铎， 丁小田， 沈东伟

(南京林业大学，江苏 南京 210037)

基于TCS3200D数字式颜色测试仪的研究

马文秀， 时维铎， 丁小田， 沈东伟

(南京林业大学，江苏 南京 210037)

介绍了一种基于数字式颜色传感器TCS3200D与MSP430单片机相结合的颜色测试仪。该测试仪应用电路简单，可以方便快捷地检测被测物体颜色，并通过12864液晶屏显示对应的颜色和RGB值。实验表明，TCS3200D传感器在不同温度下，测量精度高、工作可靠，适用于在整个染色过程中颜色的在线检测以及高温、高湿环境的颜色监测。

TCS3200D；MSP430；颜色识别

0 引言

我国是一个纺织大国，随着社会的快速发展，染色行业已成为我国的支柱产业。随着新技术、新工艺的发展，采用信息技术提高生产力具有重要意义。目前，国内印染生产能力迅速扩大，然而，在产量、产值大幅增长的同时，印染行业的发展也越来越受到资源和环境的制约。当前我国印染行业的整体水平(即品种结构、产品质量、制造技术、应用服务等)与国际先进水平相比存在一定差距，与我国作为世界纺织印染生产大国的地位极不相称。当前国内印染企业存在的问题：(1)设备落后，区分出的颜色的暗度/亮度级、颜色饱和度存在一定的误差，无法生产符合市场高要求的流行产品；(2)虽然投入大量的资金购进先进设备，但生产技术和管理水平跟不上，不能生产出高质量的产品，质量问题集中在稳定性、色差、色窂度、疵点、缩水率等。此外，也存在布边处理不好、不能适应服装CAD/CAM排料生产的需要、幅宽不一致等问题。本文将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布匹染色过程中表面颜色的RGB值，当布匹的颜色达到设定值时，印染完成，可以进行服装的加工。从而可以节省时间，提高印染的质量和生产的效率。

1 颜色方程

把三原色R*、G*、B*以及任意颜色C*看成是一色向量，每一向量各有相应的单位向量[R]、[G]、[B]以及[C]。于是把色向量写成R[R]、G[G]、B[B]以及C[C]形式时，R、G、B、C分别代表相应的颜色强度和色量[1]，得出颜色方程：

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

(1)

其中，R、G、B为颜色C*的三刺激值。

(2)

其中φ(λ)是带测光的光谱分布函数值，积分的波长范围为可见光波段，一般为380～780 nm[2]。把三原色各自占R+G+B总量的相对比值称作三维色度坐标,分别为：

(3)

且r+g+b=1

则颜色C*的单位值为：

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

(4)

颜色C*的色量C为C=R+G+B。

显然r、g、b的数值与R*、G*、B*采用的单位光亮度有关。则标准白光(W)的三刺激值为R=G=B=1,色品坐标为[3]:

(5)

由图1可以看出，标准白光在色品图上的位置是r=0.33，g=0.33。只需给出r和g两个坐标值就可以确定任意颜色在色品图的位置。

图1 色品图

2 颜色测量原理

由图2可知，当入射光投射到TCS3200D上时，通过光电二极管控制引脚S2、S3的高低电平组合，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%)[4]，由于不同的颜色RGB值不同以及光照强度高低不同，因此输出的方波频率不同，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，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%；当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%；当S0、S1均为高电平时，OUT输出脉冲长度为最大输出频率的100%[5]。S0、S1引脚功能分配图如表1所示。

图2 TCS3200D功能框图

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；当S2为高电平、S3为低电平时，可以透过全部的光信号；当S2、S3都为高电平时，选择绿色滤波器[6]。S2、S3引脚功能分配图如表2所示。

表1 S0、S1引脚功能分配图S0S1输出频率比例系数LL关断LH2%HL20%HH100%表2 S2、S3引脚功能分配图S2S3光电二极管类型LL红色LH蓝色HL无HH绿色

3 总体方案设计

3.1 总体原理框图的设计

图3 总体原理框图

本设计以MSP430作为控制器，MSP430是一种16位超低功耗的单片机，具有强大的处理能力和丰富的片内外围模块，系统工作稳定[6]。本设计采用的供电电源为3.3 V，特别适合应用于电池长时间工作的场合[7]。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3所示。

3.2 TCS3200D模块图

图4 TCS3200D颜色采集模块

图4中TCS3200D颜色采集模块由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[8]。64个光电二极管中，16个带有红色滤波器,只能通过红色；16个带有绿色滤波器，只能通过绿色；16个带有蓝色滤波器，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交叉排列，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[4]，提高了它的适应能力。

4 硬件电路设计

本设计采用MSP430[9]作为主控制器，为了降低功耗，采用+3.3 V供电，选用LM117-3.3芯片，将+5 V电压转换为+3.3 V电压。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、MSP430和电源完成[10]，通过单片机对颜色传感器进行控制，输出测量物体的RGB值，在LCD 12864上进行显示。考虑到印染过程中布料表面面积比较大，本实验设计TCS3200D三并联形式感应器[8]，由三个TCS3200D并排组合而成，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。测量的最佳距离为10 mm，图5是TCS3200D与MSP430连接图，实际上MSP430还有很多I/O口可以实现更多传感器的控制,实现多点采集[7]。

图5 TCS3200D与MSP430连接图

5 软件设计

图6 系统总体流程图

系统上电以后，软件部分主要是对MSP430、TCS3200D颜色传感器和12864液晶显示器进行初始化，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，若有颜色识别则调用测量子程序，否则返回，等待下一次测量；如果白平衡按键按下则调用白平衡子程序，然后进行颜色识别，并通过LCD12864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6所示[11]。

在颜色识别过程中要注意以下两点：(1)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，因此对测试结果会产生一定的影响，所以进行白平衡很有必要。(2)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。

6 测试结果及分析

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盒来提高传感器测量的精度。本次测试主要对红色、粉色、蓝色、浅蓝、黄绿、黄色和白色进行10次测试并且记录数据，求得RGB的平均值，如表3所示[12]。以粉色为例观察RGB值与时间的关系来判断TCS3200D颜色传感器的稳定性，如图7所示。

对以上所测数据进行分析，并与实际RGB值进行对比，最大绝对误差为10，最小绝对误差为0，最大相对误差为5.8%，平均相对误差为3.04%。通过图7可以看出，TCS3200D颜色传感器随着时间的变化，测量值基本不变，说明该传感器具有识别速度快、测量精度高和稳定性好的特点。

表3 测量不同颜色的RGB值

图7 RGB值与时间的关系

7 结论

本设计使用了数字式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[13]，而且测量速度快，精度高，在印染行业具有一定的实用性。

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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

马文秀，时维铎，丁小田，等. 基于TCS3200D数字式颜色测试仪的研究[J].微型机与应用，2016,35(5)：87-90.

2015-10-13)

马文秀(1990-)女，在读硕士研究生，主要研究方向：控制理论与控制工程。

时维铎(1959-)，通信作者，男，硕士研究生导师，副教授，主要研究方向：智能化仪器仪表及自动化控制设备。E-mail:mgydg@njfu.edu.cn。