基于TCS230的顏色法測溫系統設計

趙光藝，湯代斌，趙光興

（1.安徽機電職業技術學院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽工業大學 電氣信息學院，安徽 馬鞍山243002）

物體在高溫狀態會發出可見光，這種可見光可通過顏色傳感器記錄下來.根據描述物體輻射的Planck定律，物體輻射的光譜成分與物體的溫度存在非線性關系,而物體的光譜分布在可見光范圍即表現為顏色，可見彩色光的色彩與物體的溫度有著直接的關聯[1～2]，因此可以把高溫物體的顏色作為一種測溫依據.由于物體顏色的某些信息是不隨外界環境改變的,則根據高溫物體的顏色來測量溫度的方法還可以克服輻射測溫受環境影響大的缺點.本文設計了一種基于數字式顏色傳感器和低功耗單片機的顏色法測溫系統，并簡要地介紹了系統硬軟件的設計方法.最后，對測溫系統進行實驗并給出了測試的結果.

1 溫度測量原理

TCS230是TAOS(Texas Advanced Optoelectronic Solutions)公司于最新推出的可編程RGB彩色光/頻率轉換器[3].當入射光投射到TCS230上時，通過兩個引腳S2、S3的不同組合，依次選通R、G、B三種濾波器，從而得到三種不同頻率的方波，三個頻率值對應RGB三基色的三個光強.通過這三個值，就可以分析投射到TCS230傳感器上光的顏色.根據彩色三基色測溫原理[4]，在一定的測試距離和光學系統中，若高溫體的輻射能譜為ET（λ），則R,G,B三個通道是輸出為：

式中：ελ為單色輻射率；T為絕對溫度；λ為波長；c1和c2為物理常數.式（2）說明，高溫體因自身輻射所表現出來的色彩，取決于物體的輻射光譜，通過TCS230測量輻射體的三基色信號RGB值，求解上述方程組，可以計算出物體的溫度值.

2 系統硬件結構設計

系統數據采集裝置的核心是MSP430單片機，設計的系統硬件如圖1所示.顏色數據的采集、處理與傳輸是本系統的核心，由高精度數字顏色傳感器TCS230、MSP430系列的單片機、RS232電平轉換器MAX232和電源部分組成.單片機與上位機之間是通過RS232總線來傳遞數據.

圖1 系統總體結構圖

2.1 單片機的硬件實現

選用美國TI公司的MSP430系列的單片機作為顏色測量電路的核心處理器.MSP430系列單片機是一種16位超低功耗的混合信號處理器，采用了精簡指令集（RISC）結構，電源電壓采用的是1.8-3.6V低電壓，RAM數據保持方式下耗電僅為0.1A，活動模式耗電250A/MIPS[5].MSP430系列的單片機種類繁多，在保證系統要求的前提下，考慮成本因素，選用MSP430系列中的MSP430F1121A型號單片機，3.6V電池供電，主頻為8M.

2.2 集成顏色傳感器的硬件實現

集成顏色傳感器采用的是TAOS公司最新推出的可編程顏色傳感器TCS230.它把硅光電二極管陣列與電流頻率轉換器集成在單一的CMOS電路上，其輸出頻率和光強度成線性關系.

TCS230在單一芯片上集成了紅、綠、藍三種顏色濾波器.當入射光投射到TCS230上時，通過兩個引腳S2、S3的不同組合，可依次選通R、G、B三種濾波器，從而獲得三種不同頻率的方波，三個頻率值分別對應RGB三基色的三個光強.通過這三個值，就可以分析投射到TCS230傳感器上光的顏色.

TCS230與以前的顏色傳感器相比具有許多優良的新特性，比如其將信號采集、放大、A/D接口集于一身，故可直接微處理器.由于TCS230不再經過A/D轉換電路直接與單片機相連，這樣大大減少了檢測電路，使成本降低同時，還免去由于A/D轉換而引起的測量誤差.

2.3 通訊部分的硬件實現

單片機采用RS-232與PC機之間進行通訊.RS-232C是美國電子工業協會EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行通信接口標準.RS232鏈路可以將通訊雙方在15米以內有效連接.RS-232C總線標準規定了21個信號和25個引腳，包括一個主通道和一個輔助通道.完整的RS-232C接口采用標準的25芯插頭，對于一般的雙工通信，常用9芯插頭，只需幾條信號線就能實現，最簡單的通訊方式僅需3條信號引線，分別為接收線(RXD)、發送線(TXD)和地線(GND).單片機應用系統中一般采用三線連接方式[6].

PC串行口采用的EIA-RS-232C標準的電平和邏輯關系與單片機的TTL電平和邏輯關系是不同的，并且互不兼容，因此RS-232與TTL電路接口時需進行電平轉換.MAX232是MAXIM公司的一種RS232接口芯片，用其可實現TTL和RS232種電平之間的轉換，采用單電源供電，電壓范圍為+3.0～+5.5V，額定電流為300μA，外部電路簡單，只需4個0.1μF的電容就能達到120KBPS的數據傳輸速率，是單片機應用系統中最常用的RS-232電平轉換芯片.

3 系統的軟件設計

本系統的軟件采用適用于MSP430系列的C語言編寫，選用的開發環境是IAR公司專為MSP430系列提供的開發調試環境-IAR Embedded Workbench及調試器C-SPY[7].

從圖2可以看出，電路上電或系統復位后，MSP430芯片首先對系統進行初始化，包括時鐘、通用I/O口設置、外部中斷設置、通信接口設置以及定時器初始化等.接著對顏色傳感器進行初始化，然后進入低功耗模式等待中斷信號.當接收到中斷信號時，單片機就進入中斷模式，進行相應的操作，一旦中斷處理完成后，就立即回到低功耗模式，以便進行下一次的處理.

主程序及信號采集中斷程序流程圖如圖2所示.

圖2 主程序及采集信號中斷子程序

4 實驗結果及分析

為了驗證測溫系統的精度，用本測溫裝置和光學高溫計對自制的溫度可控電爐同一部位進行測溫，并將兩種測量結果進行比較.表1列出了不同的溫度狀態下的兩種測量結果.比較兩組數據，最大相差52.9K，最大相對誤差為3.29%,優于一般工業精度5%要求[1].可見本文的基于TCS230設計的測溫系統具有較高測量精度.

表1 兩種測量結果比較

5 結束語

本測溫系統以低功耗16位單片機MSP430F1121A為控制核心，使用新型顏色傳感器TCS230采集顏色信號.MSP430F1121A豐富的片上資源及TCS230數字量輸出特點使整個硬件電路得到大大的簡化.實驗結果表明，該系統簡單可行，精度較高，在工程上具有一定的應用情景.

〔1〕李宏光，吳寶寧，施浣芳，等.幾種顏色測量方法的比較[J].應用光學，2005，26（3）：60-63.

〔2〕袁野，仲崇權，等.基于神經網絡的圖像顏色測溫方法[J].紅外與激光工程，2003，32（5）：527-530.

〔3〕張松燦，肖本賢.高分辯率顏色傳感器TCS230的原理和應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2005（3）：44-46.

〔4〕程曉舫，周洲.彩色三基色溫度測量原理的研究[J].中國科學[E 輯]，1997（4）：342-345.

〔5〕沈建華,楊艷琴,翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

〔6〕王英杰，林怡青，彭美春，聶一彪.基于 VC++6.0的 PC機和單片機串口通信[J].電腦應用技術，2006（67）：36～40.

〔7〕秦龍.MSP430單片機C語言應用程序設計實例精講[M].北京：電子工業出版社，2006.