基于顏色傳感器的紙幣面值識別系統設計

尤陽陽+王曉華

摘 要 本文主要介紹利用顏色傳感器TCS230與單片機AT89C51構成紙幣面值顏色識別系統.系統利用顏色傳感器的對不同面值紙幣的顏色進行檢測，將檢測的R、G、B值送入單片機中，單片機通過程序處理將R、G、B值轉化為HSL顏色空間數據，從而判斷紙幣的顏色，最終確定紙幣的面值。

【關鍵詞】紙幣面值識別 顏色傳感器 單片機

1 引言

本系統通過顏色傳感器與單片機的組合來判別紙幣面值。系統中采用TAOS推出的彩色光到頻率轉換的顏色傳感器TCS230，將光電二極管與電流頻率轉換器集成在一個單一的CMOS電路上，同時在單一的芯片上集成紅、綠、藍三種濾光器，將顏色傳感器直接與單片機進行連接，將傳感器輸出信號通過單片機進行數據處理，將處理結果與實際紙幣的顏色進行比對從而來判斷紙幣面值。

2 紙幣面值識別系統方案設計

2.1 方案總體設計

本系統以單片機AT89C51為控制核心，外部電路包括寬度檢測電路、顏色傳感器信號采集電路、液晶顯示電路，報警電路、電機驅動等。當紙幣到達顏色傳感器的檢測范圍時，顏色傳感器對所投入的紙幣進行面值識別，記錄紙幣的面值顏色所對應的R、G、B值，最終將各種傳感器的信號傳入單片機，單片機通過程序處理判斷紙幣面值大小。

2.2 紙幣顏色識別系統硬件設計

2.2.1 顏色傳感器識別原理

由三原色感應原理可知，如果知道構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，當選定一個顏色濾波器時，它只允許某種特定的原色通過，阻止其他原色的通過。當選擇紅色濾波器時，入射光中只有紅色可以通過，藍色和綠色都被阻止，這樣就可以得到紅色光的光強；同時，選擇其他的濾波器，就可以得到藍色光和綠色光的光強。通過這三個值，就可以分析投射到TCS230傳感器上的光的顏色。

2.2.2 顏色識別系統硬件設計

主電路設計中將顏色傳感器TCS230與單片機AT89C51進行連接，顏色傳感器的管腳S0、S1、S2、S3分別與單片機的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3管腳連接，顏色傳感器的輸出端把脈沖信號輸出到單片機的P1.5管腳，給顏色傳感器VCC端口接入5V電源，同時GND端口接地。

單片機通過管腳 P1.0、P1.1、P1.2、P1.3的高、低電平的輸出從而控制顏色傳感器的工作狀態。顏色識別時，單片機依次選擇顏色傳感器的紅色濾波器（S2=L、S3=L）、藍色濾波器（S2=L、S3=H）、綠色濾波器（S2=H、S3=H），并且通過計數器記錄下各種濾波器狀態下的脈沖個數，在通過白平衡時計算出的比例因子進行換算，換算后的結果即為此面值紙幣所對應的的R、G、B值。

2.3 紙幣顏色識別系統軟件設計

系統總體框圖2所示，系統總體包括兩大部分內容，一是通過顏色傳感器進行顏色識別，顏色識別前對顏色傳感器進行白平衡調整，通過顏色傳感器檢測出紙幣的R、G、B值；另一部分是數據處理，通過顏色傳感器傳來的R、G、B值在單片機內部進行程序處理，將R、G、B值轉換成我們眼睛比較直觀的HSL數據，將HSL數據進行顏色比對從容判斷出紙幣的面值。

2.3.1 顏色檢測

首先對顏色傳感器白平衡調整，在傳感器上方10mm左右正對放置白色物體，我們設置一個固定時間10ms。然后我們通過依次選通傳感器的檢測基色（每個通道都是10ms），分別得到三個脈沖個數的值，紅色為X個脈沖，綠色為Y個脈沖，藍色為Z個脈沖。然后A為紅色比例因子，B為綠色比例因子，C為藍色比例因子，那么A=255/X，B=255/Y，C=Z/255。 這樣我們就完成了比例因子的計算。 當檢測紙幣顏色的時候，（程序中的檢測時間也需要設置為10ms）。選擇不同的濾光鏡分別得到R、G、B后，再分別乘以上面計算的比例因子A、B、C就可以得到紙幣顏色所對應的R、G、B值。

2.3.2 數據處理

單片機將得到的R、G、B值裝換到顏色識別領域的HSL空間，其中H表示色相，S表示飽和度、L表示亮度，HSL空間可用模型表示。色相H的變化范圍對應0度到360度，S可用直徑表示，L可用高度表示。

物體顏色的差異主要取決于H值得大小。本系統中R、G、B值到HSL空間轉化算法如下：設max為R、G、B中的最大者，min為三個中的最小值，H的取值在 之間，S和L的取值在0～1之間。

根據大量10元紙幣、5元紙幣、1元紙幣投入實驗得到相應的R、G、B值，再將R、G、B轉換為相應的HSL空間數據，在這里主要考H值得大小，數據顯示各面值的紙幣對應色相值H的范圍，參照表1。

3 結論

本系統在實際的測試過程中基本可以滿足紙幣通過顏色來對面值的識別，對紙幣顏色相近的情況增加了紙幣寬度的識別，從而保證面值識別的準確定，基本可以滿足大多數場合的應用，同時系統結構簡單，成本較低，具有一定的實用價值。由于傳感器的自身原因，對于動態物體的顏色檢測存在一定的困難。

參考文獻

[1]尤佳，徐煒.流通人民幣紙幣的面值識別[J].儀器儀表學報，2003.

[2]張松燦，肖本賢.高分辨率顏色傳感器TCS230的原理和應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2005.

[3]何立民.單片機應用系統設計[J].北京：北京航空航天大學出版社，1990.

作者簡介

尤陽陽，現為陜西能源職業技術學院講師。研究方向為電氣自動化。

王曉華，現為咸陽師范學院講師。研究方向為財務管理。

作者單位

1.陜西能源職業技術學院 陜西省咸陽市 712000

2.咸陽師范學院 陜西省咸陽市 712000