[ 5]
第 6期
卢 川英 , 等 : 基于 TCS230 传感器的颜色检测系统
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2 2 消除镜面反射效果
在光学系统中通常有两种方式消除镜面反射的影响 : 多角度照明或偏光器。由于采用偏光器会减弱 照明效果, 光线经过一次偏光器会衰减 25 % , 经过两次偏光器会衰减 50% , 因此在颜色检测系统中通 常采用多角度照明消除镜面反射的影响。
C olori m eter Syste m Based on TCS230 Sensors
LU Chuan y ing , YU H ao cheng , S UN Jing hui , M ENG Zhong
2 . C ollege ofM echan ical S cien ce and E ngineering, J ilin U n iversity , Ch angchun 130022 ,
图 1 TCS230 引脚封装和功能框图 F ig 1 TCS230 p in t encapsulat io n and function 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 ; 还可通过输出定标控制引脚 S0 和 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 。 TCS230 各个引脚功能如表 1所示, 其中 L 表示低电平; H 表示高电平。 S0 和 S1 用于选 择输出 比例 因子或 电源 关断 模式 ; 表 1 TCS230引脚定义说明 S2 和 S3 用于选择滤 波器的类型; OE 是频率 输出使能引脚, 可控制输出状态。当有多个芯 片引脚共用微处理器的输入引脚时, 也可作为 片选信号 ; OUT 是 频率输出引脚, GND 是芯 片的接地引脚, VCC 为芯片提供工作电压。
பைடு நூலகம்
引 言
随着现代工业生产向高速化、自动化方向的发展, 颜色检测系统被越来越广泛地应用于颜色测量、 颜色变化的识别、打印控制、颜色校正和机器人安全监控等领域。目前 , 颜色传感器
[ 1]
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处理, 才能识别颜色信 号。其输出为模拟信号, 需要一个 A /D 电路进行采样 , 再对该信号进一步处理 , 才能进行识别 , 因此 增加了电路的复杂性 , 并且存在较大的识别误差 , 影响了识别效果。美国 TAOS ( T exasAdvanced Optoe lectron ic So lu tions) 公司最新推出的颜色传感器 TCS230 , 不仅能实现颜色的识别与检测, 与传统的颜 色传感器相比, 还具有许多优良特性。 TCS230 的反应速度快 , 可用软件设置改变对颜色的选择 , 输出 为数字信号 , 使用方便, 有较强的抗干扰能力。笔者将 TCS230 与单片机 89C2051 相结合设计了一种新
基于 TCS230传感器的颜色检测系统
卢川英 , 于浩成 , 孙敬辉 , 孟
(1 . 吉林交通职业技术学院 电子工程系 , 长春 130012 ; 1 2 3
中
3
2 . 吉林大学 机械科学与工程学院 , 长春 130022;
3. 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 , 长春 130033)
摘要 : 为了提高传统颜 色传 感 器颜 色识 别 的效 果与 速 度 , 减 少识 别误 差 , 简 化 电路 , 将美 国 TAO S 公司 的 TCS230 高分辨率可编程颜色传感 器与单片机 89C2051 相结合 , 设计了一种新型 颜色检测系 统 , 给出了该 检测 系统的硬件设计电路及 颜色识别测试流程。该 系统的 精度 可达 10 位 以上 , 响 应频率 2~ 500 kH z , 具有可 编 程、采用数字信号输出、抗干扰能力强等 特性 , 在 光强检测控制领域得到广泛应用。 关键词 : 颜色传感器 ; 颜色检测 ; T CS230 颜色传感 器 ; 89C2051 单片机 中图分类号 : TP212 文献标识码 : A
1 2 3 3
(1 . D epart m en t of E lectron ical Engin eer ing , J ilin V ocational and T echn ica l Co llege of Traff ic, Changchun 130012 , C h ina ; Ch ina;
S0 L L H S1 L H L
[ 3, 4]
T ab 1 TCS230 pint definitio n
输出频率定标 关掉电源 20% 20% S2 L L H S3 L H L 滤波器类型 红色 蓝色 无
H H 100% H H 绿色 TAOS公司还推 出了基于 TCS230 的可编 程颜色光强检测模块 , TCS230EVM 为其代表产品。其包含采用白 LED ( L igh t Em itt ing D io de) 照明光源
2 颜色检测系统的光学系统设计
2 1 照明光源的要求
颜色检测系统对照明光源 的要求十分严格。其照明光源必须满足照明寿命长、明亮、广谱、体 积小并且发热量低等要求。由 CarleyL a m ps公司生产的一种整合了光线反射镜的照明系统可满足上述要 求。该照明系统采用了 C arleyLam ps公司自行设计的氙灯 (# 880) 以及与该氙灯完美配合的平行光反射 3 镜 (# 1907)。具有高色差 ( 2 750 K )、寿命长 ( 1 000 h) 、体积小 ( 24 58 cm )、聚焦性好、价格低廉 和安装方便等特性。
的光学镜头模块、编程器 ( BOE: Board of Education) 、 BAS I C 通讯模块以及 PC 端应用软件。其中 BAS IC 通讯模块提供了 TCS230 与 PC 之间的串行通讯接口。通过使用 BASIC 通讯模块和 PC 端应用软件 , TCS230 采集的 RGB 数据可被实时地显示在 PC 端, 并且允许用户在 RGB 和 H SV ( H ue Saturation V alue) 色彩空间模式之间切换。 TCS230EVM 可编程颜色光强检测模块具有良好的 PC 接口和 PC 端应用软件 , 适合基于 PC 的数据采集卡等产品的设计。
收稿日期 : 2008 09 23 基金项目 : 科技型中小企业创新基金资助项目 ( 04C26212201072; 07C 262122000169 ) 作者简介 : 卢川英 ( 1975 ), 女 , 长 春人 , 吉 林 交 通职 业 技术 学 院 讲师 , 硕 士 , 主 要从 事 计 算机 应 用 与自 动 控制 研 究 , ( T el ) 86 13843192000 ( E m ail) chuany ing- lu @ s ina com。
2 3 光学系统结构设计
如图 2 所示, 在颜色采集系统的光学系统内部, 来 自点光源 ( 氙灯 ) 的光线通过抛物面反射镜形成平行光。 平行光穿过一块由半透明聚乙烯构成的散射片, 使光线 变得均匀柔和。光线经漫反射镜形成漫反射进入颜色传 感器光室。由于三原色的颜色传感器分散分布在光室底 部 , 为保证光 线可以均匀照射 在三原色 颜色传感 器上, 在光室中安装了另一块散射片以 及一块 I R ( Infra R ed) 滤镜 ( 1mm H oya CM 500 ), 以保证光线均匀分布在不同 [ 6] 的颜色传感器上 。 颜色传感器光室内部均匀染黑并密闭以保证其光密 性 , 避免在颜色传感器排列端漏光现象的发生, 并最大 图 2 颜色采集系统的光学系统内部结构图 F ig 2 T he structure of colori m e ter sensor 程度避免了内部的光线反射 , 从而使光线以小散射角通 过孔径后最大程度照射在颜色传感器上。 颜色传感器的光学系统另一重要组成部分是散热片。一块长 0 16 cm 由不规则形状铝片构成的散热 片被放置在颜色传感器的光学系统内 , 用来对反射镜以及 5 V 整流器散热。该散热片中部采用圆孔状结 构设计 , 5 V 整流器被安置于散热片中心的原孔中, 从而保证由 5 V 整流器产生的 2~ 3 W 热量及时被 散出。
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吉 林 大 学 学 报 (信 息 科 学 版 )
第 26 卷
型颜色检测系统 , 并给出该系统的硬件设计电路与软件测试流程。
1 颜色传感器 TCS230简介
TCS230 是美国 TAOS 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 ( Com plem en tary M etal Ox id e Sem iconductor) 电路上, 同时在单 一芯片上还集成了红、绿、蓝 ( RGB ) 3种滤光器, 是业界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 ( T ransistion T ransistor Log ic ) 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, 并且能实现每个彩色信道 10 位 以上的转换精度 , 响应频率 2~ 500 kH z , 因而不再需要 A /D 转换电路 , 使电路变得更简单, 并大大提 高了该芯片的抗噪声性能。TCS230 颜色传感器应用范围广泛, 适合于色彩测量、打印控制、显示颜色 校正、人工视觉以及光线检测等领域。图 1是 TCS230 的引脚封装和功能框图。
第 26 卷 第 6 期 2008 年 11月
吉 林 大 学 学 报 (信 息 科 学 版 ) Journa l o f Jilin U n ive rsity ( Info r ma tion Sc ience Ed ition)
V o. l 26 N o . 6 N ov . 2008