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1、色彩传感器及其应用 南京农业大学 朱冲【摘要】颜色传感器在工业、生产自动化和办公自动化中都有很大用处，介绍了影响颜色检测准确度的几个参数，阐述了颜色传感器发展的难点。还介绍了目前传感器发展的两个主要方向，显示了颜色传感器在工业自动化进步中所发挥的积极作用。【关键词】:颜色识别;颜色传感器;信号处理 Color sensor and its applicationThe color sensor is very useful in industrial automation,Introduces several parameters influencing the accuracy of col
2、or detection,This paper expounds the difficulties in the development of color sensor.This paper introduces the current two main direction of sensor development.Display the positive role of color sensor in industrial automation in progress.【Key word 】:color discrimination Color sensor signal processi
3、ng1. 引言在色彩电子设备出现以前，人类是靠眼睛来感知色彩的。人眼睛能辨别物象本体的明暗看到物件的立体程度。慢慢出现了色彩传感器电子设备，它能代替人眼感知色彩，而且鄙人更能区分非常细微的色彩差异，色彩传感器电设备可以辨别达到1000万种的色彩差异。颜色检测和颜色变化的识别在终端设备上起着极其重要的作用，比如色彩监视器的校准装置，彩色打印机和绘图仪，涂料、纺织品和化妆品制造，以及医疗方面的应用，如血液诊断、尿样分析和牙齿整形；也在工业应用中起着重要作用，例如，在工业方面可用来监测生产流程及产品质量；在电子翻印方面可用于实现颜色的真实复制而不受环境温度、湿度、纸张以及调色剂的影响；在商品包装中，
4、通过对一包装纸两相邻标签颜色的探测可实现自动控制，在自动颜色计数中可自动统计各种颜色的数目。色彩传感器系统的复杂性在很大程度上取决于其确定色彩的波长谱带或信号通道的数量。此类系统从相对简单的三通道色度计到多频带频谱仪种类繁多。本文就某一色彩传感器谈论其原理及应用。2.色彩传感器的工作原理色彩传感器分为三种不同类型:光到光电流转换，光到模拟电压转换，光到数字转换。前者通常只代表实际色彩传感器的输入部分，因为原始光电流的幅度非常低，总是要求放大，以将光电流转换成可用的水平。所以，最实用的模拟输出色彩传感器至少会有一个跨阻抗放大器，并提供电压输出。2.1光到光电流转换器原理光到光电流转换器由光电二极
5、管或具有色彩滤波器的光电二极管组成，光电二极管和发光二极管相似，核心也是p- n结，但光电二极管是把光能转为电能的转换器。 在光电二极管外壳上有一个能让光照射到光敏区的窗口，光电二极管工作在反向电压下。无光照时，反向偏置的p- n结中只有微弱的反向漏电流一暗电流通过。当有光子能量大于p- n结半导体材料禁带宽度的光波照射时，p- n结各区域中的价电子吸收光子能量后，将挣脱束缚而成为自由电子，同时产生一个空穴，这些由光照产生的自由电子和空穴称为光生载流子。在远离耗尽层的p区和n区中，因电场强度弱，光生载流子只能作扩散运动，在扩散过程中因复合而消失，不可能形成光电流。而耗尽层中由于电场强度大，光生
6、自由电子和空穴将在电场力作用下以很大速度分别向n区和p区运动，并到达电极沿外电路运动，形成光电流。方向由光电二极管的负极到正极。将光转换成光电流。可以使用外部电路，将光电流转换成成比例的电压输出，然后可以通过模拟数字转换器将电压转换成数字格式，输送到微控制器中。感测色彩的传统做法是采用把三至四个光电二极管组合在一块芯片上的结构，而将红、绿、蓝滤色器置于光电二极管的表面(通常将两个蓝滤色器组合在一起以补偿硅片对于蓝光的低灵敏度)。独立的跨阻抗放大器将每个光电二极管的输出馈送到具有8t2位典型分辨率的A/D转换器中。所以光到光电流转换器适合要求响应时间短、定制增益和速度调节及在光线变化条件下工作的
7、应用。 2.2光到模拟电压转换器原理光到模拟电压转换器由搭配色彩滤波器的光电二极管阵列组成，并整合一个跨阻抗放大器。要求使用外部电路，将模拟电压转换成数字输出，然后才能输送到数字信号处理器。光到模拟电压色彩传感器由色彩滤波器后面的光电二极管阵列与整合的电流到电压转换电路(通常是跨阻抗放大器)组成，落在每个光电二极管上的光转换成光电流，其幅度取决于亮度及入射光的波长(由于色彩滤波器)。如果没有色彩滤波器，典型的硅光电二极管会对从超紫色区域直到可视区域的波长作出响应，在光谱接近红外线的部分，峰值响应区域位于800nm和950nm之间。红色、绿色和蓝色透射色彩滤波器将重塑和优化光电二极管的光谱响应。
8、正确设计的滤波器将对模仿人眼的滤波后的光电二极管阵列提供光谱响应。三个光电二极管中的每个光电二极管的光电流会使用电流到电压转换器，转换成VRout. VCout和VBout。所以光到模拟电压转换器适合要求设计周期较短、产品开发周期更快、光线条件和空间利用率设计精良的应用 图I2采用光到模拟电压转换的色彩传感器2.3光到数字电压转换器由捂配滤波器的光电二极管阵列、模似数字转换器及用于通信和灵敏度控制的数字核心组成。输出允许直接接口微控制器或其它逻辑控制通路，如2线串行接口.以进一步处理信号.而不需额外的器件。 以RGB色彩传感器的装饰照明为实例: 1)使用色彩传感器测量LED亮度随时间变化情况，
9、提供光学反馈，控制光源的色彩点 2)可与色彩控制器技术结合使用，形成闭环色彩管理系统所以这种方法所需的元件数量比分立型光电二极管的要少，由于对噪声敏感的模拟电路位于芯片之上，因此压缩了电路板的占用空间，降低了安装成本，并且简化了设计和电路板布局。2.4 结论 随着现代工业生产向高速化、自动化方向的发展，生产过程中长期以来由人眼起主导作用的颜色识别工作将越来越多地被相应的颜色传感器所替代。颜色传感器在工业、生产自动化和办公自动化中都有很大用处，在工业自动化进步中所发挥的积极作用越来越大。3. 色彩传感器的应用3.1 TCS230简介TCS230是一款可编程彩色光到频率的转换器。他把可配置的硅光电
10、二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上集成了红绿蓝（RGB）三种滤光器，是第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器。TCS230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。由于输出的是数字量，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，使电路变得简单。3.2 TCS230的内部结构与工作原理TCS230采用8引脚的SOIC表面贴装式封装，在单一芯片上集成有64个光电二极管。这些二极管共分为四种类型。其中16个光电二极管带有红色滤波器；16个光电二极管带有绿色滤波器；16个光电二
11、极管带有蓝色滤波器；其余16个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信息。（a）TCS230封装形式（b）TCS230内部结构方框图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。工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器。 该传感器的典型输出频率范围从2 Hz500 kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100%、20%或2%的输出比例因子，或电源关断模式。输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。例如，
12、当使用低速的频率计数器时，就可以选择小的定标值，使TCS230的输出频率和计数器相匹配。 3.3 基于TCS230的颜色识别模块基于TCS230的颜色识别模块如下图，尺寸为72*16*12立方毫米，配置4只大功率白色LED灯，可识别R,G,B三原色的分量，通过这三原色分量，通过这三原色的混合，可以识别颜色，工作电压5V，电流0.12V。输出引脚可直接与微控制器的I/O口连接。 TCS230模组具有3个颜色滤波器，有三原色理论可知：各种颜色是由不同比例的三原色混合而成的。该模组具有三个颜色滤波器，当选择其中一个颜色滤波器时，它只允许某个特定的原色通过，阻止其他颜色通过，例如：当选择蓝色滤波器时，
13、入射光中只有蓝色可以通过，红色和绿色都阻止，而此时TCS230的脉冲输出脚会输出一定频率的脉冲，由脉冲数就可以得到蓝色光的强度；同理，选择其他滤波器时，就可以得到红色光和绿色光的光强，通过这三个值，就可以分析投射到TCS230传感器上的光的颜色。而颜色滤波器的选择由模组S2脚和S3脚决定。 因此，将模组S2和S3与控制器的I/O口相连接，就可以方便的控制对滤波器的选择；同时，将模组的脉冲输出脚与控制器的外部中断相连接，控制器就可以通过外部中断的方式获得模组脉冲输出数，从而得到三原色的成分，分析出物体的颜色。 【参考文献】1全国大学生电子设计竞赛ARM嵌入式系统应用设计与实践 黄志玮 主编 北京
14、航空航天大学出版社2认识RGB色彩传感器 安华高科技供文3 徐艳霞 岳超磊 浅谈常用色彩传感器 中国海洋大学计算机系4刘增辉 颜色传感器技术研究进展 北京轻工职业技术学院5夏建弘 光电池和颜色传感器 清华大学 致谢 首先感谢老师，他将本门课程知识以我最易理解的方式教给我，并且给我们足够多的时间做完本门课程的实验，因此让我获得了更多的基本功能完成本次大作业也就是本篇色彩传感器及其应用的论文完成。老师知识渊博，治学态度严谨，对我们的谆谆教诲我们将终生难忘，也感谢老师在课堂上以更切合实际的方式教给我们要怎样学习知识才能更好的便于以后找工作和获得本领，。其次感谢几位同学，他们知识丰富，为人诚恳，在他们的帮助下我学会了很多有关传感器的知识，对我的论文完成也起了很大的作用。最后，谨向在百忙之中抽出时间评阅这么多论文的老师表达我最真诚的感谢!责任编辑：朱冲
