TS230顏色傳感器識(shí)別的單片機(jī)源程序

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)向高速化、自動(dòng)化方向的發(fā)展，生產(chǎn)過程中長期以來由人眼起主導(dǎo)作用的顏色識(shí)別工作將越來越多地被相應(yīng)的顏色傳感器所替代。例如：圖書館使用顏色區(qū)分對文獻(xiàn)進(jìn)行分類，能夠極大地提高排架管理和統(tǒng)計(jì)等工作；在包裝行業(yè)，產(chǎn)品包裝利用不同的顏色或裝潢來表示其不同的性質(zhì)或用途。目前的顏色傳感器通常是在獨(dú)立的光電二極管上覆蓋經(jīng)過修正的紅、綠、籃濾光片，然后對輸出信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，才能將顏色信號識(shí)別出來；有的將兩者集合起來，但是輸出模擬信號，需要一個(gè)A/D電路進(jìn)行采樣，對該信號進(jìn)一步處理，才能進(jìn)行識(shí)別，增加了電路的復(fù)雜性，并且存在較大的識(shí)別誤差，影響了識(shí)別的效果。TAOS(Texas Advanced Optoelectronic Solutions)公司最新推出的顏色傳感器TCS230，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顏色的識(shí)別與檢測，與以前的顏色傳感器相比，還具有許多優(yōu)良的新特性。

TCS230是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器。它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)單一的CMOS電路上，同時(shí)在單一芯片上集成了紅綠藍(lán)(RGB)三種濾光器，是業(yè)界第一個(gè)有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器。TCS230的輸出信號是數(shù)字量，可以驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。由于輸出的是數(shù)字量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使電路變得更簡單。圖1是TCS230的引腳和功能框圖。

圖1中，TCS230采用8引腳的SOIC表面貼裝式封裝，在單一芯片上集成有64個(gè)光電二極管。這些二極管共分為四種類型。其中16個(gè)光電二極管帶有紅色濾波器；16個(gè)光電二極管帶有綠色濾波器；16個(gè)光電二極管帶有藍(lán)色濾波器；其余16個(gè)不帶有任何濾波器，可以透過全部的光信息。這些光電二極管在芯片內(nèi)是交叉排列的，能夠最大限度地減少入射光輻射的不均勻性，從而增加顏色識(shí)別的精確度；另一方面，相同顏色的16個(gè)光電二極管是并聯(lián)連接的，均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差。工作時(shí)，通過兩個(gè)可編程的引腳來動(dòng)態(tài)選擇所需要的濾波器。該傳感器的典型輸出頻率范圍從2 Hz~500 kHz，用戶還可以通過兩個(gè)可編程引腳來選擇100%、20%或2%的輸出比例因子，或電源關(guān)斷模式。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠適應(yīng)不同的測量范圍，提高了它的適應(yīng)能力。例如，當(dāng)使用低速的頻率計(jì)數(shù)器時(shí)，就可以選擇小的定標(biāo)值，使TCS230的輸出頻率和計(jì)數(shù)器相匹配。

　　從圖1可知：當(dāng)入射光投射到TCS230上時(shí)，通過光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的濾波器；經(jīng)過電流到頻率轉(zhuǎn)換器后輸出不同頻率的方波(占空比是50%)，不同的顏色和光強(qiáng)對應(yīng)不同頻率的方波；還可以通過輸出定標(biāo)控制引腳S0、S1，選擇不同的輸出比例因子，對輸出頻率范圍進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同的需求。

file:///C:/Users/DZ/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image001.gif
圖1   TCS230的引腳和功能框圖

　　下面簡要介紹TCS230芯片各個(gè)引腳的功能及它的一些組合選項(xiàng)。

　　S0、S1用于選擇輸出比例因子或電源關(guān)斷模式；S2、S3用于選擇濾波器的類型；OE是頻率輸出使能引腳，可以控制輸出的狀態(tài)，當(dāng)有多個(gè)芯片引腳共用微處理器的輸入引腳時(shí)，也可以作為片選信號；OUT是頻率輸出引腳，GND是芯片的接地引腳，VCC為芯片提供工作電壓。表1是S0、S1及S2、S3的可用組合。

表1   S0、S1及S2、S3的組合選項(xiàng)
file:///C:/Users/DZ/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.gif

　　由上面的介紹可知，這種可編程的彩色光到頻率轉(zhuǎn)換器適合于色度計(jì)測量應(yīng)用領(lǐng)域，如彩色打印、醫(yī)療診斷、計(jì)算機(jī)彩色監(jiān)視器校準(zhǔn)以及油漆、紡織品、化妝品和印刷材料的過程控制和色彩配合。下面以TCS230在液體顏色識(shí)別中的應(yīng)用為例，介紹它的具體使用。首先了解一些光與顏色的知識(shí)。

　　（1）   三原色的感應(yīng)原理
　　通常所看到的物體顏色，實(shí)際上是物體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應(yīng)。白色是由各種頻率的可見光混合在一起構(gòu)成的，也就是說白光中包含著各種顏色的色光(如紅R、黃Y、綠G、青V、藍(lán)B、紫P)。根據(jù)德國物理學(xué)家赫姆霍茲(Helinholtz)的三原色理論可知，各種顏色是由不同比例的三原色(紅、綠、藍(lán))混合而成的。

　�。�2）   TCS230識(shí)別顏色的原理
　　由三原色感應(yīng)原理可知，如果知道構(gòu)成各種顏色的三原色的值，就能夠知道所測試物體的顏色。對于TCS230來說，當(dāng)選定一個(gè)顏色濾波器時(shí)，它只允許某種特定的原色通過，阻止其他原色的通過。例如：當(dāng)選擇紅色濾波器時(shí)，入射光中只有紅色可以通過，藍(lán)色和綠色都被阻止，這樣就可以得到紅色光的光強(qiáng)；同理，選擇其他的濾波器，就可以得到藍(lán)色光和綠色光的光強(qiáng)。通過這三個(gè)值，就可以分析投射到TCS230傳感器上的光的顏色。

　　（3）   白平衡和顏色識(shí)別原理
　　白平衡就是告訴系統(tǒng)什么是白色。從理論上講，白色是由等量的紅色、綠色和藍(lán)色混合而成的；但實(shí)際上，白色中的三原色并不完全相等，并且對于TCS230的光傳感器來說，它對這三種基本色的敏感性是不相同的，導(dǎo)致TCS230的RGB輸出并不相等，因此在測試前必須進(jìn)行白平衡調(diào)整，使得TCS230對所檢測的“白色”中的三原色是相等的。進(jìn)行白平衡調(diào)整是為后續(xù)的顏色識(shí)別作準(zhǔn)備。在本裝置中，白平衡調(diào)整的具體步驟和方法如下：將空的試管放置在傳感器的上方，試管的上方放置一個(gè)白色的光源，使入射光能夠穿過試管照射到TCS230上；根據(jù)前面所介紹的方法，依次選通紅色、綠色和藍(lán)色濾波器，分別測得紅色、綠色和藍(lán)色的值，然后就可計(jì)算出需要的3個(gè)調(diào)整參數(shù)。
　　當(dāng)用TCS230識(shí)別顏色時(shí)，就用這3個(gè)參數(shù)對所測顏色的R、G和B進(jìn)行調(diào)整。這里有兩種方法來計(jì)算調(diào)整參數(shù)：① 依次選通三種顏色的濾波器，然后對TCS230的輸出脈沖依次進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)到255時(shí)停止計(jì)數(shù)，分別計(jì)算每個(gè)通道所用的時(shí)間。這些時(shí)間對應(yīng)于實(shí)際測試時(shí)TCS230每種濾波器所采用的時(shí)間基準(zhǔn)，在這段時(shí)間內(nèi)所測得的脈沖數(shù)就是所對應(yīng)的R、G和B的值。② 設(shè)置定時(shí)器為一固定時(shí)間(例如10 ms)，然后選通三種顏色的濾波器，計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)TCS230的輸出脈沖數(shù)，計(jì)算出一個(gè)比例因子，通過這個(gè)比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?55。在實(shí)際測試時(shí)，使用同樣的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，把測得的脈沖數(shù)再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所對應(yīng)的R、G和B的值。

　　基于上述分析，采用89C51和TCS230設(shè)計(jì)一個(gè)醫(yī)用液體顏色識(shí)別裝置。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、識(shí)別精度和效率高的特點(diǎn)，并且能夠和上位機(jī)通信，以將識(shí)別的結(jié)果實(shí)時(shí)傳送給上位機(jī)。由于是說明TCS230的使用情況，下面僅給出其中的TCS230識(shí)別電路，如圖2所示。圖2中用89C51的P1口的幾圖3軟件流程個(gè)引腳來控制TCS230的各個(gè)控制引腳，而TCS230的輸出引腳連接到89C51的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的輸入端(P35)。設(shè)置89C51定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為相應(yīng)的工作方式，初始化89C51定時(shí)器為一個(gè)定值，再選擇TCS230的輸出比例因子，并使能輸出引腳。實(shí)際使用中，通過讀取89C51計(jì)數(shù)器的值，就可以分別計(jì)算出TCS230的3種輸出頻率，進(jìn)而確定R、G、B值及顏色。相應(yīng)的軟件流程如圖3所示。

file:///C:/Users/DZ/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image003.gif
圖2   TCS230顏色識(shí)別接口電路

　　在程序流程中：系統(tǒng)初始化負(fù)責(zé)設(shè)置89C51的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作方式，選擇TCS230的輸出比例因子，使能輸出引腳以及通信參數(shù)的設(shè)置。初始化完成后，檢測是否需要進(jìn)行白平衡調(diào)整。如有，調(diào)整白平衡子程序；否則，轉(zhuǎn)到下一步，檢測是否需要進(jìn)行顏色識(shí)別。如不需要顏色識(shí)別，返回；如需要顏色識(shí)別，調(diào)用顏色識(shí)別子程序，直到顏色識(shí)別完畢。

file:///C:/Users/DZ/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.gif
圖3   軟件流程

　　①   顏色識(shí)別時(shí)要避免外界光線的干擾，否則會(huì)影響顏色識(shí)別的結(jié)果。最好把傳感器、光源等放置在一個(gè)密閉、無反射的箱子中進(jìn)行測試。

　�、�   對光源沒有特殊的要求，但是光源發(fā)出的光要盡量集中，否則會(huì)造成傳感器之間的相互干擾。

　　③   當(dāng)?shù)?次使用TCS230時(shí)，或TCS230識(shí)別模塊重啟、更換光源等情況時(shí)，都需要進(jìn)行白平衡調(diào)整。

摘要：TCS230可編程彩色光／頻率轉(zhuǎn)換器是為高分辨率彩色傳感器提供PWM數(shù)字接口的首款集成器件，該器件在單芯片上集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個(gè)電流／頻率轉(zhuǎn)換器。文中詳細(xì)介紹了TCS230的基本結(jié)構(gòu)、主要性能及應(yīng)用信息。

關(guān)鍵詞：TCS230；光／頻率轉(zhuǎn)換器；可編程；彩色傳感器

１　概述

ＴＣＳ２３０ 是ＴＡＯＳ公司最新推出的業(yè)界首款帶數(shù)字兼容接口的ＲＧＢ彩色光／頻率轉(zhuǎn)換器，它內(nèi)部集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個(gè)電流／頻率轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。ＴＣＳ２３０輸出為占空比５０％的方波，且輸出頻率與光強(qiáng)度成線性關(guān)系。該轉(zhuǎn)換器對光響應(yīng)范圍為２５００００～１，典型輸出頻率范圍為２Ｈｚ～５００ｋＨｚ，用戶可通過兩個(gè)可編程引腳來選擇１００％、２０％或２％的輸出比例因子。ＴＣＳ２３０的輸入輸出引腳可直接與微處理器或其他邏輯電路連接。通過輸出使能端ＯＥ將輸出置于高阻狀態(tài)可使多個(gè)器件共享一條微處理器輸入線。

ＴＣＳ２３０可編程彩色光／頻率轉(zhuǎn)換器將紅、綠和藍(lán)濾波器集成在單芯片上，因此無需ＡＤＣ就可實(shí)現(xiàn)每彩色信道１０位以上的分辨率。芯片內(nèi)含一個(gè)交叉連接的８×８光電二極管陣列，其中每１６個(gè)二極管提供一種色彩類型，共有紅、藍(lán)、綠和清除全部光信息四種類型，可最大限度地降低入射光幅射的不均勻性。所有同顏色的１６個(gè)光電二極管都是并聯(lián)連接，工作時(shí)通過可編程的引腳來動(dòng)態(tài)選擇色彩，以此來增加精確度和簡化光學(xué)電路。該芯片采用８引腳ＳＯＩＣ表面貼封裝，適用于色度計(jì)的測量應(yīng)用。

file:///C:/Users/DZ/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image005.gif

ＴＣＳ２３０的主要特點(diǎn)如下：

●可完成高分辨率的光照度／頻率轉(zhuǎn)換；

●色彩和滿度輸出頻率可編程調(diào)整；

●可直接與微處理器通訊；

●單電源工作，工作電壓范圍：２．７Ｖ～５．５Ｖ；

●具備掉電恢復(fù)功能；

●５０ｋＨｚ時(shí)非線性誤差的典型值為０．２％；

●穩(wěn)定的２００ｐｐｍ／℃的溫度系數(shù)。
２ ＴＣＳ２３０的引腳功能

ＴＣＳ２３０的引腳排列如圖２所示，各管腳的功能描述見表１所列。
file:///C:/Users/DZ/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image007.gif
表1 TCS230管腳功能

３．１ 電學(xué)特性參數(shù)

ＴＣＳ２３０在ＴＡ ＝２５℃ＶＤＤ＝５Ｖ條件下的電學(xué)特性如表２所列。其中，滿度輸出頻率是指傳感器在沒有飽和時(shí)的最大輸出頻率。

３．２ 工作特性參數(shù)

ＴＣＳ２３０的工作特性參數(shù)如表３所列。其中，飽和度是指滿度輸出頻率與光靈敏度之比；照明響應(yīng)度Ｒｖ可通過發(fā)光功率值由光靈敏度計(jì)算得出；非線性度定義為輸出頻率ｆＯ偏離０和滿度頻率之間直線的程度，可表示為滿度頻率的百分比。所有測試均采用發(fā)光二極管做光源，以小角度入射輻射光進(jìn)行測量。

４．１ 光電二極管的選擇

光電二極管的類型（藍(lán)色、綠色、紅色、清除）選擇可通過控制兩個(gè)邏輯輸入Ｓ２ 和Ｓ３來實(shí)現(xiàn)，具體方法如表４所列。

４．２ 輸出頻率分頻設(shè)定

輸出頻率分頻比由兩個(gè)邏輯輸入Ｓ０和Ｓ１控制，如表５所列。內(nèi)部光／頻率轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)固定脈沖寬度的脈沖串。輸出頻率的分頻通過將轉(zhuǎn)換器脈沖串輸出連接到一連串的分頻器來實(shí)現(xiàn)，從而使輸出為占空比５０％相應(yīng)頻率值為１００％，２０％和２％的方波。由于輸出頻率的分頻由主內(nèi)部計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖來完成，所以最終輸出周期為多個(gè)主頻率周期的平均值。

在任一Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３和ＯＥ線轉(zhuǎn)換之后，輸出分頻計(jì)數(shù)寄存器都將在下一個(gè)主頻率脈沖出現(xiàn)時(shí)被清零。隨后在主頻率脈沖上輸出變?yōu)楦唠娖剑蚤_始新的有效周期。這樣一來將縮小輸入線上變換之間的時(shí)間延遲，并產(chǎn)生新的輸出周期。一個(gè)輸入編程變化或一個(gè)光階變化的響應(yīng)時(shí)間等于一個(gè)新的頻率周期加１μｓ。分頻輸出通過選定的分頻系數(shù)來改變滿度頻率和暗頻率。傳感器對輸出頻率的分頻功能使輸出范圍在采用多種測量方法時(shí)都可達(dá)到最佳。采用小分頻系數(shù)的輸出可用于僅需低頻計(jì)數(shù)的場合（如低成本微處理器）或使用周期測量技術(shù)的場合。

４．３ 頻率測量

在設(shè)計(jì)頻率測量電路時(shí)，接口和測量技術(shù)的選擇取決于期望的分辨率和數(shù)據(jù)采集速率。采用周期測量技術(shù)可獲得最大的數(shù)據(jù)采集速率。輸出數(shù)據(jù)以兩倍輸出頻率的速率進(jìn)行采集，對滿量程輸出可以每毫秒一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的速率進(jìn)行采集。周期測量要求使用快速參考時(shí)鐘，此參考時(shí)鐘帶有與其速率直接相關(guān)的可用分辨率。對于特定的時(shí)鐘速率，輸出分頻可用于提高分辨率，或在光輸入改變時(shí)使分辨率最大化。周期測量用于快速測量變化的光電平或進(jìn)行連續(xù)光源的測量。

使用頻率測量、脈沖計(jì)數(shù)或綜合技術(shù)可獲得最大的分辨率和精度。頻率測量具有更多的優(yōu)點(diǎn)，如對平均隨機(jī)輸出和光信號中的噪聲與電源噪聲導(dǎo)致的高頻變化的測量。分辨率主要受可用計(jì)數(shù)寄存器和允許測量時(shí)間的限制。頻率測量非常適于緩慢變化或連續(xù)的光信息，并且適于讀取超過短周期定時(shí)的平均光信息。綜合技術(shù)用于測量暴露物和出現(xiàn)在超過給定定時(shí)周期區(qū)域的光脈沖的數(shù)量。

選用ＴＳＣ２３０光／頻轉(zhuǎn)換器與微控制器組成的光子計(jì)數(shù)器電路連接圖如圖３所示。圖中將彩色光／頻轉(zhuǎn)換器與微控制器連接在一起，其光電二極管類型（藍(lán)色、綠色、紅色、清除）的選擇與分頻輸出則可由微控制器編程設(shè)定。file:///C:/Users/DZ/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.gif

４．４ 應(yīng)用中需注意的問題

（１）電源線必須采用０．０１μＦ～０．１μＦ的電容退耦，且電容應(yīng)盡可能靠近芯片。

（２）芯片的ＯＥ引腳和ＧＮＤ引腳之間需采用低阻抗連接，以提高抗噪聲能力。

（３）芯片的輸出設(shè)計(jì)為短距離驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)ＴＴＬ或ＣＭＯＳ邏輯輸入電平。若輸出線超過１２英寸，則建議使用緩沖器或線驅(qū)動(dòng)器。

ＴＣＳ２３０使用硅光電二極管來測量光強(qiáng)，因而具有響應(yīng)快、重復(fù)性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，特別適用于彩色打印機(jī)、醫(yī)療診斷、計(jì)算機(jī)彩色監(jiān)視器校正、過程控制以及顏料、紡織品、化裝品和印刷材料的配色等應(yīng)用方面。