一種便攜式通用試紙測試儀的設計

楊曉婧 (武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205)

蔣國一 (深圳市育才中學，廣東 深圳 518067)

熊俊俏，黃紫青 (武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205)

一種便攜式通用試紙測試儀的設計

楊曉婧 (武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205)

蔣國一 (深圳市育才中學，廣東 深圳 518067)

熊俊俏，黃紫青 (武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205)

針對試紙測試的人為誤差較大、使用不便的缺點，提出一種基于MSP430的便攜式通用試紙測試儀方案。采用顏色傳感器TCS230采集試紙顏色RGB值，并進行HSV顏色模型轉換，得到可用于顏色比對的色調參數，通過與數據庫對應的標準試紙參數進行比對，獲得試紙測試結果。實際測試表明，該方法可用于各種類型試紙的測試，具有較高的測試準確度和穩定性。

顏色傳感器； RGB值；HSV轉換算法

試紙是指用化學藥品浸漬過的、可通過其顏色變化檢驗液體或氣體中某些物質存在或含量的一類紙，被用于諸多領域，如酸堿試紙檢測溶液的酸堿性，區間試紙檢測水質硬度，生化試紙可測定血液、尿和其他體液中的生化物質，例如血清、血漿和尿中的膽紅素、蛋白質、葡萄糖、血紅素、酮體、亞硝酸鹽、尿膽素原等，以及農藥殘留[1]、房屋裝修的甲醛檢測檢測、早孕檢測等。因此試紙的應用是非常廣泛的，融入到人們生活的方方面面，但大部分試紙的閱讀仍為傳統的肉眼觀察與比對，因此其準確性受到環境、人為認知因素的影響，同時廣大色盲患者也無法較好使用，部分試紙則需要昂貴的專用設備，影響了其應用的范圍。隨著顏色傳感器的出現，顏色檢測和顏色變化的識別在工業、農業、醫學應用中起著重要作用[2]，基于顏色傳感器的試紙自動閱讀將走進千家萬戶，進一步方便生活，如機器人視覺等。顏色傳感器大多直接采集試紙的RGB值(R:red；G:green；B:blue)，無法進行自動閱讀和比對，需要進一步進行顏色空間的變換，選擇比較對象，文獻[3]將RGB轉換到SVM顏色空間，求取最小色差，但該方法需要經過兩次顏色空間變化，算法稍復雜。筆者結合數據庫與低功耗技術，直接將RGB轉換為HSV顏色空間，依據標準試紙的色調確定判決區門限，其算法簡單。

1 系統總體結構與硬件設計

圖1 pH測試儀框圖

系統由顏色傳感器、控制器、顯示器以及試紙運送機構構成，如圖1所示。顏色傳感器選用TAOS公司的TCS230數字傳感器，控制器選用MSP430低功耗單片機系統。顏色傳感器處于密閉的空間內，并配有無影高亮白色LED光源輔助，顏色傳感器前配有透鏡，用于試紙測試光線聚焦，控制器步進控制電機傳送試紙，將試紙所有顏色樣本讀入，與所選測試項目的標準試紙顏色庫進行比對，獲得所測對象的參數或范圍。

圖2 TCS230的引腳和功能框圖

顏色傳感器是將采集的物體顏色與參考顏色進行比較來檢測顏色，若2個顏色在一定的誤差范圍內相吻合時，輸出檢測結果[4]。顏色傳感器TCS230實際上為可編程彩色光到頻率的轉換器，將硅光電二極管與電流頻率轉換器集成，同時集成了紅綠藍3種濾光器，輸出為對應三基色R、G、B的方波信號，以方波頻率對應三基色成分大小，不同的顏色和光強對應不同頻率的方波，范圍從2Hz到500kHz。TCS230的引腳和功能框圖如圖2所示[5]。

2 系統軟件設計

2.1顏色模型

顏色是一種對光的視覺效應，通常采用顏色空間描述，也稱彩色模型。常用的彩色模型有RGB、CMY、HSV、HSI等。RGB模型是依據人眼識別的顏色定義的空間，可表示大部分顏色，但由于其細節難以進行數字化的調整，如將色調、亮度、飽和度3個量置于一起，則很難分開，主要用于彩色監視器和彩色視頻攝像。CMY是工業印刷采用的彩色模型，與RGB不同，CMY是依據反射光得到的，常用于彩色打印機，如四色墨盒。HSV、HIS 2類彩色模型是為了更好的數字化處理顏色而提出來的，色調H代表色相角，S代表飽和度即色彩的純度，V代表明度，L代表亮度，I代表強度，H取值0～360°，為色相角，紅色對應于0°，綠色對應于120°，藍色對應于240°。

TCS230顏色傳感器采集的顏色為RGB彩色模型，這里需要采用HSV顏色模型進行顏色處理，即采用HSV模型的色相H的閾值參數來識別。

2.2顏色空間變換

該系統中，TCS230顏色傳感器采集樣本的顏色RGB值為(r，g，b)，分別代表顏色的紅、綠和藍值，設max、min分別為r、g、b中的最大值和最小值。

從RGB到HSV顏色空間轉換，對應關系為[6]:

(1)

(2)

v=max

(3)

RGB模型的顏色值r，g，b均為0～255。依據式(1)，可得到HSV顏色空間中幾種特殊顏色的閾值H，如表1所示。

2.3信號處理

顏色測試前，一般需要進行白平衡處理，即對RGB參數進行調整，使TCS230對所檢測的“白色”中的三基色相等，準備后續的顏色識別。白平衡調整的具體步驟和方法如下：打開電源，將一張白紙送入測試儀內，程序依次選通3種顏色的濾波器，測量紅、綠、藍3種顏色對應的頻率值，經過系數處理，使其均為255。所確定的系數對后續的測試有效，并對所測量的r、g、b值分別進行處理。

表1 幾種特殊顏色的閾值表

2.4程序流程

圖3 便攜式試紙測試儀程序流程圖

便攜式試紙測試儀的程序流程圖如圖3所示。系統初始化，包括白平衡校對，接著根據按鍵值，實現功能擴展和試紙檢測等功能，若按鍵值為0，則進行標準試紙的檢測，計算相應的閾值參數并儲存，擴展測試功能；若按鍵值為N，則選擇對應編號的閾值參數，檢測待檢試紙，讀取相應的RGB值，并進行HSV彩色模型轉換，并與閾值參數比較，獲得相應的檢測結果。

表2 黃色和藍色試紙測試值和理論值對比

3 系統測試

該測試儀以酸堿度試紙為例，進行了實際測試，并與理想的7種顏色的閾值參數進行比較，得到了表2所示的測試結果。

4 結 語

采用顏色傳感器TCS230測量試紙顏色，獲得RGB參數，根據HSV轉換算法，獲得可以進行顏色比較的H參數，從而實現了試紙檢測功能。根據實驗室模擬測試表明，該系統具有較高的準確度和穩定性，為進一步開展智能化試紙檢測提供了強有力的支撐。

[1]劉暢，路磊，李書謙.試紙法快速檢測果蔬中有機磷及氨基甲酸酯類農藥殘留[J].中國食品學報，2012，12(6):154-158.

[2]翟宏昌，李東陽，楊軍，等. 維也里試驗試紙顏色自動判讀研究[J].軍械工程學院學報，2009，21(3):30-32.

[3]增輝.顏色傳感器研究進展[J].傳感器技術，2003，22(4):1-4.

[4]王安敏，楊起.一種結合SVM的顏色識別系統研究[J].機械與電子，2012(4):15-17.

[5]謝發忠，鄒華東，吳年祥.基于TCS230的顏色檢測裝置及其在智能裝配機器人避障中的應用[J].工程設計學報，2013，20(1):60-64.

[6]阮秋琦.數字圖像處理學[M].北京:電子工業出版社，2001.

[編輯] 易國華

TP216

A

1673-1409(2013)25-0064-03

2013-06-27

湖北省教育廳科學技術研究項目(編號B20121501)。

楊曉婧(1987-)，女，碩士生，現主要從事無線傳感網絡方面的研究工作。

熊俊俏(1966-)，男，教授，博士生，現主要從事電子技術方面的教學與研究工作；E-mail:xiongjunqiao@sina.com。