基于51单片机控制TCS230传感器分拣物体系统设计

□□ 程 琦 (山西职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

智能化、大数据的科技技术正在逐步改变着人们的生活，如智能电子制造、智能机械、智能自动化等。智能电子物品检测随着智能物流的发展得到人们的广泛关注。快速、准确、高效地将待传输的物品有序分配是人们关注的重点。人们利用单片机智能化控制系统，模仿人类的思维、感知、认知、推理、判断等能力来应对科技发展而产生的图像识别、物流分拣等问题。将物体在流通过程中所提供的颜色、形状、条形码等信息通过图像识别技术有效提取，通过RFID、传感器、通信技术等使得配送货物自动化、信息化、网络化和智能化。

在人工智能发展的技术中，图像识别与处理技术已成为一个重要领域。同时随着电子技术的发展，光学与软件相结合的应用针对基于颜色识别所研发的传感器也发挥了巨大作用。当前颜色识别功能作为图像识别及处理技术基础，已广泛应用在生产生活当中。通常情况下基本颜色传感器均含有一个高强度白光LED，通过搜索-锁定将目标物体反射回的数据进行图像数字化调制，再根据数据成分中含有的红、绿、蓝(RGB)值进行分析，以确定目标物体强度、对比度等数值。通过检测结果与原始数据比对，达到正确分拣或组装目标物体的目的[1]。

TCS230颜色传感器是由美国陶氏公司(TAOS)推出的一种可编程彩色光到频率的转换器。在单一芯片上集成有64个光电二极管。这些二极管被分成4个类型，包括红光滤波器、绿光滤波器、蓝光滤波器和不带任何光的滤波器。按照这种分发，人们可以获得所需的所有光信息，保证光源信息的完整性。同时在芯片内部光电二极管采用交叉排列的方式，可有效解决入射光源不均匀等问题，最大限度地提高对颜色的识别速度和准确性。该传感器将4组16个光电二极管并联并均匀分布于内部阵列中，且16个二极管颜色相同，这对于颜色因位置而产生的误差有很好的消除作用[2]。另一方面，其输出端设定三档比例因子，目的是为了增大输出端的测量范围，自然环境下颜色的变化千奇百怪，提升颜色传感器的适应能力是比较头疼的问题，设定比例因子是很好的解决方案，也是选择该传感器的一个重要原因。

1 系统设计论证

此次设计采用我国自主研发的宏晶STC51系列单片机。此款单片机具有低功耗、高稳定性的特点，其采用MCS51为核心，RAM、ROM具有足够的运算空间且指令周期短，同时其低廉的价格也是市场上从业者的首选。在此基础上STC8951系列单片机继续改进使芯片的功能更加强大，是目前国内使用最为广泛的一种单片机类型。此次设计是通过单片机的控制传感器识别物体颜色，从而达到准确分拣的目的[3]。输出3路脉冲信号到驱动直流稳压电机，1号电机将区域内的物体推送到2号电机驱动的传送带上，经过传送带运输将其运到3号电机驱动传送带上，再通过颜色识别传感器与推杆结合将识别的颜色推送到指定位置，其他物体将会被传送带送到另一指定位置，所以在颜色传感器的选择上重点是将物体的表面颜色转换成相应的电压或频率输出，应用在彩色监视器的校准装置[4]。TCS230颜色传感器是第一个具有数字兼容接口的RGB彩色传感器，把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一起，可以驱动标准的TTL或CMOS，无需增设A/D转化器，可直接将传感器输出给单片机等微处理器，使得电路排版简单明了，输出数字信号与输出模拟信号相比较，前者提高了系统的抗干扰和降噪能力，同时减小了颜色传感器的远程测量误差。

2 硬件设计与实现

基于51单片机控制TCS230传感器分拣物体系统结构如图1所示。

图1 系统结构总体框图

电源部分采用直流稳压电源，为负载电路提供整块板所需电源，其原理是将市电220 V通过变压器转换为12 V电压，经整流、滤波将电压转化为直流，再通过三端集成稳压器7812及7912将电压稳定至±12 V，再将+12 V经过7805稳至+5 V。利用+12 V电源与LM317做一个5～12 V的可调直流电源。以STC89C51单片机最小系统作为核心，控制颜色识别、电机驱动，通过对信号的处理来实现物体感应。电机控制方面采用继电器，其运转动作快、工作稳定、成本低和体积小，且高寿命、灵敏度高、控制率小、兼容性好及电磁干扰相对较小。

TCS230颜色识别传感器通过光源传出信号，其中SO被设定为选择电源通、断两个状态，S1引脚被设定为比例因子输出端，4中滤波器通过S2、S3引脚变换不同档位来实现。当确定物体后S2、S3两个引脚的组合选项选定某种颜色滤波器的光电二极管，传感器只允许此种颜色的色光通过，阻止其他颜色通过。OE引脚是控制输出状态为频率输出使能端，当微处理器同时控制多个芯片时，OE引脚可作为芯片的片选信号[5]。依次选同三种带不同颜色滤光器的光电二极管，分别测量出所测颜色的三原色RGB值，利用仿真软件或RGB颜色对照表得到所测物体的颜色，最终由OUT端口输出频率。系统提前设定参考颜色，在颜色信息采集后，传感器将待确定物体颜色与参考颜色值进行分析、对比，当两种颜色相同或在允许的误差范围之内则认为找到匹配颜色并进行结果输出。在检测过程中因为被检测的物体过于分散，如果采用机械手先分拣后搬送，太过于浪费时间。因此，利用推杆的技术来对物品进行先集中后分拣，简单方便、利于操作，大大缩短了分拣时间。

3 程序设计

基于51单片机控制TCS230传感器分拣物体系统程序设计如图2所示。

图2 程序设计流程

4 测试过程

4.1 测试方法

通过测量输出信号，对比数码管以及光学测速仪显示的误差来调节精度，测试电动机转速，看小轮是否能同时启动，测试所制作的推杆与木框架之间的摩擦力是否减少至可以将小木块推到传送带上，测试传送带是否能正常进行，工作中是否存在阻扰。

4.2 测试数据

测试场地如图3所示。

图3 测试场地图

测试数据如下：

(1)分3次，从A区域搬运12个黑色正方体(位置随机)顺利搬运到B区域，所用时间分别为17 s、15 s、18 s。

(2)分3次，从A区域搬运12个黑色正方体(位置随机)可顺利搬运到C区域，所用时间分别为23 s、27 s、25 s。

(3)分3次，从A区域橘色、黑色总和为12个正方体(位置随机)中，搬运橘色正方体(位置随机)到达C区域。其中：第1次搬运橘色4个用时87 s，第2次搬运橘色3个用时83 s，第3次搬运橘色6个用时90 s。3次均顺利完成且分拣无错误。

(4)分3次，从A区域橘色、黑色总和为12只乒乓球(位置随机)中，搬运橘色乒乓球(位置随机)到达C区域。其中，第1次搬运橘色5只用时88 s，第2次搬运橘色6个用时90 s，第3次搬运橘色3个用时84 s。3次均顺利完成且分拣无错误。

4.3 数据分析

此次设计的物品分拣装置结构新颖，不同于传统的定位分拣。可以满足在较短时间内对搬送物体进行颜色识别并搬送至指定位置，充分证明该装置的效率、准确度、实用性。该系统硬件结构采用电机横向、纵向识别扫描平台来实现物品的搬运，简单高效。需要注意的是，首先，采集颜色进行识别时应避免其他光线的干扰，为了解决这一问题可以将设备放置在密封性较好的装置中；其次，在第1次使用芯片时，应进行识别功能的重启工作，以此来调整光线平衡。

5 结语

智能化的科技产品正在逐步改变着人们的生活，为了适应快速发展的创新技术，解放人的双眼来完成更多的工作。设计由单片机控制颜色传感器对不同物体进行分拣、归类，克服了传统物品分拣装置只能识别规定物体、运行速度低等特点，使物品集中在一条直线上，然后运送到指定区域进行分拣处理。该设计是对于电机控制技术与颜色识别技术的良好结合，在一定程度上具有进步意义。今后，人类将会更大范围的将移动互联网、大数据分析、传感器物联网等先进技术融合在一起，不断地满足人们各方面的需求。