颜色传感器的应用

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1、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。例如：图书馆使用颜色区分对 文献进行分类，能够极大地提高排架管理和统计等工作：在包装行业，产品包装利用不同的 颜色或装潢来表示其不同的性质或用途。目前的颜色传感器通常是在独立的光电二极管上覆 盖经过修正的红、绿、蓝滤光片，然后对输出信号进行相应的处理，才能将颜色信号识别出 来；有的将两者集合起来，但是输出模拟信号，需要一个A/D电路进行采样，对该信号进 一步处理，才能进行识别，增加l电路的复杂性，并且存在较大的识别误差，影响了识别 的效果。美国TAOs公司最新推出

2、的颜色传感器TCS23O。它能够实现颜色的识别与检测，同 时与其它的颜色传感器相比，还具有许多优良的新特性。这种可编程的彩色光到频率转换器 适合于色度计测量应用领域，如彩色打印、医疗诊断、计算机彩色监视器校准以及油漆、纺 织品、化妆品、印刷材料的过程控制和色彩配合。1 TCS23O芯片的结构框图与特点：TCS230 是TAOS (TexaS Advanced Optoelec口onicSolutions)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，同时在单一芯片上还集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器，是业界第一个有数字兼容接

3、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TrL或CMOS逻辑输入，因此可 直接与微处理器或其它逻辑电路相连接。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，使电路变得更简单。图1是TCS230的 引脚封装和功能框图。OUTVCC*,光电二扱皆阵列加人图1 Tcs23O的引肢封装和功能框图图1中，TCS23O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个光电二极管带有蓝色滤波器，其余16

4、个不带有任何滤波器，可以透过全 部的光信息。这些光电二极管在片内是交叉排列的，能够最大限度地减少入射光幅射的不 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个光电二极管足并联连接的, 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扶2H 500kHz，用户还可以通过两个 可编程引脚来选择1。0%、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，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

5、相匹配。从功能框图可知：当入射光投射到TCS230上时，通过光电二极管控制引脚S2、s3的不同 组合，可以选择不同的滤波器；经过电流到频率转换器后输出不同频率的方波（占空比是 50%）,不同的颜色和光强对应不同频率的方波；还可以通过输出定标控制引脚SO、S1选择 不同的输出比例因子，对输出频率范围进行调整，以适应不同的需求。下面简要介绍Tcs230芯片各个引脚的功能及它的一些组合选项。s0、si用于选择输出比例因子或电源关断模式；s2、S3用于选择滤波器的类型；0E是频 率输出使能引脚，可以控制输出的状态，当有多个芯片引脚共用微处理器的输入引脚时，也 可以作为片选信号；OUT是频率输出引脚，G

6、ND是芯片的接地引脚，vcc为芯片提供工作电压。 图2是SO、S1及S2、S3的可用组合。SOsiLLr猫电滦1 LHHL20%UlHS23慮逆畛型LLLHKL无K图2 s0、si及S2、s3的组合选项2 TCS230识别颜色的原理2.1三原色的感应原理通常所看到的物体颜色，实际上是物体表面吸收了照射到它上面的白光（日光）中的一部 分有色成分，而反射出的另一部分有色光在人眼中的反应。白色是由各种频率的可见光混合 在一起构成的，也就是说自光中包含着各种颜色的色光（如红R、黄Y、绿G、青v、蓝B、紫P）。 根据德国物理学家赫姆霍兹（Helinhol tz）的三原色理论可知，各种颜色是由不同比例的三

7、原 色（红、绿、蓝）混合而成的。2. 2 TCS230识别颜色的原理由上面的三原色感应原理可知，如果知道构成各种颜色的三原色的值，就能够知道所测 试物体的颜色。对于Tcs230来说，当选定一个颜色滤波器时，它只允许某种特定的原色通过， 阻止其它原色的通过。例如：当选择红色滤波器时，入射光中只有红色可以通过，蓝色和绿 色都被阻止，这样就可以得到红色光的光强；同理，选择其它的滤波器，就可以得到蓝色光 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。2. 3白平衡和颜色识别原理白平衡就是告诉系统什么是白色。从理论上讲，白色是由等量的红色、绿色和蓝色混 合而成的；但实际上

8、，白色中的三原色并不完全相等，并且对于1Cs230的光传感器来说， 它对这三种基本色的敏感性是不相同的，导致TCS230的RGB输出并不相等，因此在测试前必 须进行白平衡调整，使得TCS230对所检测的“白色”中的三原色是相等的。进行白平衡调整 是为后续的颜色识别作准备。在本装置中，白平衡调整的具体步骤和方法如下：将空的试管 放置在传感器的上方，试管的上方放置一个白色的光源，使入射光能够穿过试管照射到 TCS230上；根据前面所介绍的方法，依次选通红色、绿色和蓝色滤波器，分别测得红色、绿 色和蓝色的值，然后就可计算出需要的三个调整参数。当用TCS230识别颜色时，就用这三个 参数对所测颜色的R

9、、G和B进行调整。这里有两种方法来计算调整参数：依次选通三种颜 色的滤波器，然后对TCS230的输出脉冲依次进行计数。当计数到255时停止计数，分别计算 每个通道所用的时间。这些时间对应于实际测试时TCS230每种滤波器所采用的时间基准，在 这段时间内所测得的脉冲数就是所对应的R、G和B的值。设置定时器为一固定时间（例如 10ms），然后选通三种颜色的滤波器，计算这段时间内TCS230的输出脉冲数，计算出一个比例因子，通过这个比例因子可以把这些脉冲数变为255。在实际测试时，使用同样的时间进 行计数，把测得的脉冲数再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所对应的R、G和B的值。3TCS230的应用

10、基于上述分析，采用89C51和TCS230设计了一个医用液体颜色识别装置。该装 置具有结构简单、识别精度和效率高的特点，并且能够和上位机通信，以将识别的结果实时 传送给上位机。由于是说明TCS230的使用情况，下面仅给出其中的TCs230识别电路，如图3 所示。图3中用89C51的P1 口的几个引脚来控制TCS230的各个控制引脚，而TCS23O的输出引脚 被连接到89C51的定时器，计数器1的输入端(P3. 5)。设置89C51定时器/计数器为相应的工 作方式，初始化89C51定时器为一个定值，再选择TCs230的输出比例因子，并使能输出引脚。 实际使用中通过读取89c51计数器的值，就可以

11、分别计算出Tcs230的三种输出频率，进而确 定R、G、B值及颜色。现结合上述分析给出相应的软件流程，如图4所示。r-uJlg- 口T1T71T17I1!图3 Tcs230颜色识别技口电路图4软件流程在程序流程中：系统初始化负责设置89C51的定时器，计数器的工作方式，选择TCS230 的输出比例因子，使能输出引脚以及通信参数的设置。初始化完成后，检测是否需要进行白 平衡调整。如有，调用白平衡子程序；否则，转到下一步，检测是否需要进行颜色识别。如 没有，返回；如需要颜色识别，调用颜色识别子程序，直到颜色识别完毕。4应用中需要注意的问题41颜色识别时要避免外界光线的干扰，否则会影响颜色识别的结果，最好把传感器、 光源等放置在一个密闭、无反射的箱子中进行测试；42对光源没有特殊的要求，但是光源发出的光要尽量集中，否则会造成传感器之间的 相互干扰；4. 3当第一次使用TCs230时，或TCS230识别模块重启、更换光源等情况时，都需要进行 白平衡调整。