基于TCS3200的顏色檢測裝置設計及光路優化

許 超，李 佳，林軼凡

（遼寧大學物理學院，沈陽110036）

基于TCS3200的顏色檢測裝置設計及光路優化

許 超，李 佳，林軼凡

（遼寧大學物理學院，沈陽110036）

在生產生活中顏色檢測自動化已經逐步取代了傳統的人眼識別。通過對顏色傳感器原理的研究，設計了一種可直接讀取顏色信息的檢測裝置，以STC89C52作為控制器、TCS3200用于檢測顏色信號、LCD1602顯示結果，實現快速顏色檢測。并根據測試數據分析在不同光源影響下對測量結果造成的偏差，提出光路改進方法。實驗表明，該設計裝置電路簡單、體積小巧，具有一定的工業實用價值。

RGB原理；單片機；傳感器；顏色檢測；光路；測量環境

1 引言

顏色檢測自動化已經在生產、生活中得到了廣泛應用，如遙感技術、質量監測等領域[1-3]。這種技術手段也逐漸取代了傳統靠人眼來識別顏色的工業生產活動，用來達到減少因人為主觀因素或生理原因造成不必要誤差的目的，同時節約成本和時間，達到利益最大化。

基于TCS3200的顏色檢測裝置，通過顏色傳感器采集到被測物體的顏色信號，經由內部信號轉換電路送至微控制器進行信號分析控制處理，再與存儲模塊中的顏色庫匹配，最后將顏色檢測RGB值和匹配結果送至顯示屏顯示[4-6]。

2 顏色傳感器TCS3200工作原理

目前顏色傳感器主要包括RGB顏色傳感器和色差傳感器兩種類型。其中，RGB顏色傳感器原理如下：傳感器可以將反射光依次經過三次過濾，濾出反射光信號的紅光、藍光、綠光成分，并換算成相應的可以直接被處理器識別的頻率信號。依照三基色原理，當過濾一種光時，其他頻率段的光不能通過，因此傳感器能夠檢測被測物體的RGB值。通過查閱文獻，選用TAOS公司的顏色傳感器TCS3200，隸屬于RGB彩色傳感器類[7-10]。

顏色傳感器TCS3200能輸出穩定的數字信號，可以通過編程控制，把被測物體的光顏色信號轉換成微控制器可以識別的頻率。其顏色檢測芯片上一共集成了64個光電二極管，其中具備紅色、藍色和綠色濾波器的光電二極管各16個，另外16個二極管沒有濾波器。固定顏色的濾波器只能讓這種特定的顏色通過，沒有濾波器的光電二極管可以通過任何顏色。64個光電二極管交錯排列，可以減少光輻射的不均勻性，并且它們是并聯的，這樣可以最大限度的消除顏色位置的誤差。傳感器TCS3200中有2個可編程引腳S0、S1為輸出比例因子選擇,2個可編程引腳S2、S3為濾波器類型選擇，4個可編程引腳的功能如表1所示。

表1 TCS3200的S0、S1、S2、S3的功能分配

3 硬件電路設計

裝置采用STC89C52單片機、LCD1602顯示模塊與顏色傳感器TCS3200搭建顏色檢測電路。其電路結構簡單，STC89C52單片機作為控制器，接收顏色傳感器TCS3200發送的頻率信號，及時將顏色檢測結果在LCD1602顯示屏上顯示。TC89C52是宏晶公司生產的8位單片機，采用非常典型的MCS-51內核，擁有靈活的CPU和可編程Flash。LCD1602顯示模塊物理外形尺寸為80×36×14（單位毫米),顯示字符為16字符2行。圖1為顏色檢測裝置硬件電路圖，顯示了STC89C52、LCD1602與TCS3200之間的連線情況。其中，STC89C52與TCS3200之間的連接如下：地線接地線，VCC互相連接，TCS3200OUT口接單片機P3.5引腳，S2接P1.1口，S3接P1.0口；STC89C52與LCD1602之間的接線如下：RS接P2.0，RW接P2.1，E接單片機P2.2；D0到D7依次接單片機P0.0至P0.7口。

圖1 顏色檢測裝置硬件電路圖

關于硬件電路需要特殊說明的是：GY-31模塊即是顏色傳感器TCS3200，其2個電源引腳（VCC）、2個接地線引腳（GND） 均任意選擇其一與STC89C52單片機共+5V電源、共同在一個地線回路；S0接頭、S1接頭可以懸空不用連線，因為在GY-31模塊內，這2個接口是默認上拉的，使用不到它們的其他功能，即不用進行任何操作；S2、S3分別接P1.1、P1.0，P1.1、P1.0的高低電組合平用來實現選擇是紅色、藍色還是綠色濾波器來進行工作；OUT口接P3.5，單片機接收并記錄一共有多少個脈沖從TCS3200上傳輸過來。

4 軟件設計

顏色檢測系統是以STC89C52單片機作為核心控制器件,其控制語言采用Keil C51編寫，可以實現對硬件系統的直接操作。顏色檢測的軟件程序主要包括三部分:第一，白平衡校定程序。顏色傳感器TCS3200的驅動設計主要是白平衡校定程序，在顏色采集之前一定完成白平衡的調整。第二，顏色采集程序。通過白平衡校對后，在顏色采集過程中，可以對兩個可編程引腳S2和S3進行編程，通過四種組合方式選擇濾波器的工作。第三，顏色顯示程序。獲取RGB值后，執行相應的顏色顯示程序，將結果發送到LCD顯示屏。

5 測試實驗

顏色檢測裝置使用時滿足條件之一為穩定的5V直流電源，精度范圍在±0.1%以內，以此減小電源電壓的波動從而造成照明燈亮度的變化和A/D轉換的不準確。同時，顏色傳感器TCS3200控制最佳檢測距離為1厘米。

實驗一，選取白色、黑色和藍色為基準。經多次測試，顏色檢測裝置可準確識別白、黑、藍3種顏色，初步實現了裝置對不同顏色快速、有效辨識的功能，測試結果如表2所示。

表2 顏色檢測測試

實驗二，改變測量環境進行測試。為測試外界光線的干擾，選取同一種顏色，在如表3所示的不同測量環境測試，對所測數據進行分析發現，把顏色傳感器TCS3200、光源等放置在一個密閉且反射光的空間可提高檢測精度[11-12]。

實驗三，同一種顏色在不同光照射下測量。為了比較光源對檢測結果的影響，測量環境分別選取了無光照射、LED白光、太陽光照射三種。由表4所示數據可以看出，在有雜光的環境下，RGB值是劇烈變化的，這是因為顏色傳感器光電二極管感受到的光有劇烈變化，導致原顏色光很難傳送到光電二極管的濾波器，造成失真。

表3 改變測量環境進行測量

表4 三種光源影響下同一顏色RGB值

綜合以上測試結果得出，要保證顏色檢測結果達到最高精度，測量環境應選擇在密閉不漏的容器里。光源照射到被測物體時被測物體會有光反射到顏色傳感器上，顏色傳感器再識別顏色，且內部用同種材料將LED光源和顏色傳感器分割開，其光路優化改進示意圖如圖2所示。為了保障光源照射物體反射后，其反射光譜與被測物體一致，照射物體的光應選擇發光穩定、亮度適中的白光，測試實驗選取的是白光LED燈。

圖2 光路優化改進示意圖

6 結束語

基于三基色原理以STC89C52作為控制器、TCS3200用于檢測顏色信號、LCD1602顯示結果的裝置設計，實現了單路顏色檢測。通過多次測試實驗可知，在不同光源影響下對測量結果造成的偏差并提出光路改進方法，從而達到了設計裝置對顏色快速、準確的識別功能。因此，基于TCS3200的顏色檢測裝置個體小巧、電路簡單，尤其適用于狹小空間，具有一定的工業實用價值。

[1]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):60-63. XIE Fazhong,ZOU Huadong,WU Nianxiang.A color detection device based on the TCS230 and its application on the intelligent assembly robot for obstacle avoidance[J].Chinese Journal of Engineering Design,2013,20(1):60-63.

[2]段志偉,高丙坤,宋金波.基于RGB顏色傳感器的油品顏色檢測系統設計 [J].化工自動化及儀表,2013,40(8): 982-985．DU Zhiwei,GAO Bingkun,SONG Jinbo.Design of color detection system based on RGB color sensor[J].Control and Instruments in Chemical Industry,2013,40(8):982-985．

[3]王安敏,尚緒超,趙龍.基于顏色傳感器TCS230的油水界面檢測儀的設計[J].機械設計與制造,2010,21(9):21-22. WANG Anmin，SHANG Xuchao，ZHAO Long.Design of the measurement of oil-water interface based on TCS230[J].Machinery Design＆Manufacture,2010,21(9):21-22.

[4]李梅花.多路顏色采集系統的設計[D].杭州:浙江工業大學，2014. LI Meihua.Design of multi-color collection system[D]. Hangzhou:Zhejiang University of Technology，2014.

[5]任天威.基于stm32微處理器的顏色采集與分析[D].哈爾濱:黑龍江大學,2015. REN Tianwei.The color detection and analyzer research based on the microprocessor control chip STM32[D].Harbin: Heilongjiang University,2015.

[6]陳曦，趙辰雪.顏色檢測系統的設計與實現[J].自動化儀表,2011,32(11):23-24. Chen Xi，Zhao Chenxue.Design and implementation of the color detection system[J].Process Automation Instrumentation,2011,32(11):23-24.

[7]馬文秀,時維鐸,丁小田等.基于TCS3200D數字式顏色測試儀的研究[J].微型機與應用,2016,35(5):87-90. Ma Wenxiu，Shi Weiduo，Ding Xiaotian,et al.Study on the digital color test instrument based on TCS3200D[J].Microcomputer&Its Applications,2016,35(5):87-90.

[8]金雪塵,黃亮,呂游.利用TCS3200D實現顏色信號的采集、識別和還原[J].常州工學院學報,2016,28(3):19-22. JIN Xuechen，HUANG Liang，LYU You.Realization of color signal collection，identification and reduction with TCS320-0D[J].Journal of Changzhou Institute of Technology,2016,28 (3):19-22.

[9]蔣寅國,鄧燕妮.基于TCS3200的多點顏色檢測裝置的設計[J].儀表技術,2011(3):54-55. JIANG Yinguo,DENG Yanni.Design of multipoint color measuring device based on TCS3200[J].Instrumentation Technology,2011(3):54-55.

[10]高富強,李嶺,安康.基于RGB的顏色辨識系統設計[J].傳感器與微系統,2012,31(10):84-87. GAO Fuqiang，LI Ling,AN Kang.Design of color identification system based on RGB[J].Transducer and Microsystem Technologies,2012,31(10):84-87.

[11]宋曉亮,蘇來曼·艾,朱江等.基于LED的色度學實驗研究[J].大學物理實驗,2011(5):35-38. SONG Xiaoliang,SU Laiman·ai，ZHU Jiang,et al.Chromaticity experiments based on LEDs[J].Physical Experiment of College,2011(5):35-38.

[12]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. LI Hongguang,WU Baoning,SHI Huanfang,et al.The comparison of multicolor measurement methods[J].Journal of Applied Optics,2005,26(3):60-63.

Design of Color Detection Device Based on TCS3200 and Optical Path Optimization

Xu Chao,Li Jia,Lin Yifan
（College of Physics,Liaoning University,Shenyang 110036，China）

In production and daily life,the color detection automation has gradually replaced the traditional recognition with human eyes.Through the study of the color sensor principle,a kind of color detection device is designed,which can directly read the color information,using STC89C52 as the controller,TCS3200 as the detection of color signals and LCD1602 as the results display to realize the fast color detection.According to the test data,this paper analyses the measurement results caused by the deviation under the influence of different light source,and proposes an improved method for optical path.The experimental results show that the device is small,the circuitry is simple,and has a certain industrial practical value.

RGB color theory；Single chip microcomputer；Sensor；Color detection；Optical path；Measure environment

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.01.020

TP23

A

1002-2279-（2017）01-0079-04

許超（1981-），男，遼寧省義縣人，碩士研究生，實驗師，主研方向：信號處理和單片機技術。

2016-06-15