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基于TCS3200D數(shù)字式顏色測試儀的研究

2016年微型機與應用第05期

馬文秀，時維鐸，丁小田，沈東偉

（南京林業(yè)大學，江蘇南京 210037）

摘要： 介紹了一種基于數(shù)字式顏色傳感器TCS3200D與MSP430單片機相結合的顏色測試儀。該測試儀應用電路簡單，可以方便快捷地檢測被測物體顏色，并通過12864液晶屏顯示對應的顏色和RGB值。實驗表明，TCS3200D傳感器在不同溫度下，測量精度高、工作可靠，適用于在整個染色過程中顏色的在線檢測以及高溫、高濕環(huán)境的顏色監(jiān)測。

關鍵詞： TCS3200D MSP430 顏色識別

Abstract：

Key words :

　　馬文秀，時維鐸，丁小田，沈東偉

　?。暇┝謽I(yè)大學，江蘇南京 210037）

　　摘要：介紹了一種基于數(shù)字式顏色傳感器TCS3200D與MSP430單片機相結合的顏色測試儀。該測試儀應用電路簡單，可以方便快捷地檢測被測物體顏色，并通過12864液晶屏顯示對應的顏色和RGB值。實驗表明，TCS3200D傳感器在不同溫度下，測量精度高、工作可靠，適用于在整個染色過程中顏色的在線檢測以及高溫、高濕環(huán)境的顏色監(jiān)測。

　　關鍵詞：TCS3200D；MSP430；顏色識別

0引言

　　我國是一個紡織大國，隨著社會的快速發(fā)展，染色行業(yè)已成為我國的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著新技術、新工藝的發(fā)展，采用信息技術提高生產(chǎn)力具有重要意義。目前，國內(nèi)印染生產(chǎn)能力迅速擴大，然而，在產(chǎn)量、產(chǎn)值大幅增長的同時，印染行業(yè)的發(fā)展也越來越受到資源和環(huán)境的制約。當前我國印染行業(yè)的整體水平（即品種結構、產(chǎn)品質(zhì)量、制造技術、應用服務等）與國際先進水平相比存在一定差距，與我國作為世界紡織印染生產(chǎn)大國的地位極不相稱。當前國內(nèi)印染企業(yè)存在的問題：（1）設備落后，區(qū)分出的顏色的暗度/亮度級、顏色飽和度存在一定的誤差，無法生產(chǎn)符合市場高要求的流行產(chǎn)品；（2）雖然投入大量的資金購進先進設備，但生產(chǎn)技術和管理水平跟不上，不能生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，質(zhì)量問題集中在穩(wěn)定性、色差、色窂度、疵點、縮水率等。此外，也存在布邊處理不好、不能適應服裝CAD/CAM排料生產(chǎn)的需要、幅寬不一致等問題。本文將TCS3200D顏色傳感器與溫度傳感器相結合進行顏色在線檢測，并通過液晶顯示直接觀察到布匹染色過程中表面顏色的RGB值，當布匹的顏色達到設定值時，印染完成，可以進行服裝的加工。從而可以節(jié)省時間，提高印染的質(zhì)量和生產(chǎn)的效率。

1顏色方程

　　把三原色R*、G*、B*以及任意顏色C*看成是一色向量，每一向量各有相應的單位向量［R］、［G］、［B］以及［C］。于是把色向量寫成R［R］、G［G］、B［B］以及C［C］形式時，R、G、B、C分別代表相應的顏色強度和色量［1］，得出顏色方程：

　　C［C］= R［R］+G［G］+B［B］（1）

　　其中，R、G、B為顏色C*的三刺激值。

　　其中φ(λ)是帶測光的光譜分布函數(shù)值，積分的波長范圍為可見光波段，一般為380～780 nm［2］。把三原色各自占R+G+B總量的相對比值稱作三維色度坐標,分別為：

　　r=RR+G+B

　　g=GR+G+B

　　b=BR+G+B（3）

　　且r+g+b=1

　　則顏色C*的單位值為：

　　C［C］= r［R］+g［G］+b［B］（4）

　　顏色C*的色量C為C=R+G+B。

　　顯然r、g、b的數(shù)值與R*、G*、B*采用的單位光亮度有關。則標準白光（W）的三刺激值為R=G=B=1,色品坐標為［3］:

　　由圖1可以看出，標準白光在色品圖上的位置是r=0.33，g=0.33。只需給出r和g兩個坐標值就可以確定任意顏色在色品圖的位置。

2顏色測量原理

　　由圖2可知，當入射光投射到TCS3200D上時，通過光電二極管控制引腳S2、S3的高低電平組合，可以選擇不同的濾波器，經(jīng)過電流頻率轉換器輸出不同頻率的方波（占空比是50％）［4］，由于不同的顏色RGB值不同以及光照強度高低不同，因此輸出的方波頻率不同，可以通過控制引腳S0、S1，選擇不同的輸出比例因子，來調(diào)節(jié)頻率的輸出范圍，滿足更多方面的需求。當S0和S1都為低電平時，關閉電源；當S0為低電平、S1為高電平時，OUT輸出脈沖長度為最大輸出頻率的2%；當S0為高電平、S1為低電平時，OUT輸出脈沖長度為最大輸出頻率的20%；當S0、S1均為高電平時，OUT輸出脈沖長度為最大輸出頻率的100%［5］。S0、S1引腳功能分配圖如表1所示。

　　S2、S3用于選擇濾波器的類型；OE低電平有效，可以控制輸出的狀態(tài)，當有多個芯片引腳共同輸出時，此引腳也可以作為片選信號。當S2和S3都為低電平時，選擇紅色濾波器；當S2為低電平、S3為高電平時，選擇藍色濾波器；當S2為高電平、S3為低電平時，可以透過全部的光信號；當S2、S3都為高電平時，選擇綠色濾波器［6］。S2、S3引腳功能分配圖如表2所示。表1S0、S1引腳功能分配圖S0S1輸出頻率比例系數(shù)LL關斷LH2%HL20%HH100%表2S2、S3引腳功能分配圖S2S3光電二極管類型LL紅色LH藍色HL無HH綠色

3總體方案設計

　　3.1總體原理框圖的設計

　　本設計以MSP430作為控制器，MSP430是一種16位超低功耗的單片機，具有強大的處理能力和豐富的片內(nèi)外圍模塊，系統(tǒng)工作穩(wěn)定［6］。本設計采用的供電電源為3.3 V，特別適合應用于電池長時間工作的場合［7］。利用單片機與顏色傳感器進行傳輸處理，并通過LCD12864進行顯示，其總體原理框圖如圖3所示。

　　3.2TCS3200D模塊圖

　　圖4中TCS3200D顏色采集模塊由4個白色的LED燈和64個光電二極管組成。4個LED燈作為照明光源，用來檢測不發(fā)光的物體［8］。64個光電二極管中，16個帶有紅色濾波器,只能通過紅色；16個帶有綠色濾波器，只能通過綠色；16個帶有藍色濾波器，只能通過藍色；其余16個不帶有任何濾波器，可以透過全部的光信號。這些光電二極管在芯片內(nèi)交叉排列，能夠最大限度地減少入射光輻射的不均勻性，從而增加顏色識別的精確度。另一方面，相同顏色的16個光電二極管是并聯(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［4］，提高了它的適應能力。

4硬件電路設計

　　本設計采用MSP430［9］作為主控制器，為了降低功耗，采用+3.3 V供電，選用LM117-3.3芯片，將+5 V電壓轉換為+3.3 V電壓。整個測試過程中，數(shù)據(jù)的采集、處理與傳輸是由TCS3200D顏色傳感器、MSP430和電源完成［10］，通過單片機對顏色傳感器進行控制，輸出測量物體的RGB值，在LCD 12864上進行顯示。考慮到印染過程中布料表面面積比較大，本實驗設計TCS3200D三并聯(lián)形式感應器［8］，由三個TCS3200D并排組合而成，S0、S1、S2、S3是選擇濾波器類型和輸出頻率的比例系數(shù)，OE使能端作片選，分別單獨使用，OE低電平有效。測量的最佳距離為10 mm，圖5是TCS3200D與MSP430連接圖，實際上圖5TCS3200D與MSP430連接圖MSP430還有很多I/O口可以實現(xiàn)更多傳感器的控制,實現(xiàn)多點采集［7］。

5軟件設計

　　系統(tǒng)上電以后，軟件部分主要是對MSP430、TCS3200D顏色傳感器和12864液晶顯示器進行初始化，并在測圖6系統(tǒng)總體流程圖試顏色之前一定要對TCS3200D進行白平衡。如果白平衡按鍵沒有按下，則判斷是否有顏色識別，若有顏色識別則調(diào)用測量子程序，否則返回，等待下一次測量；如果白平衡按鍵按下則調(diào)用白平衡子程序，然后進行顏色識別，并通過LCD12864液晶顯示屏顯示RGB值，測試完畢則返回。系統(tǒng)的總體流程圖如圖6所示［11］。

　　在顏色識別過程中要注意以下兩點：（1）在顏色測試之前一定要進行白平衡。由于人的肉眼分辨出的白色并不是完全的純白色，因此對測試結果會產(chǎn)生一定的影響，所以進行白平衡很有必要。（2）在測試過程中要避免外界光線的干擾，否則對測試結果會有一定的影響。

　　6測試結果及分析

　　在整個測試過程中要避免外界光線的干擾，否則測試的RGB值與實際值相差很大，本次設計采用一個避光小木盒來提高傳感器測量的精度。本次測試主要對紅色、粉色、藍色、淺藍、黃綠、黃色和白色進行10次測試并且記錄數(shù)據(jù)，求得RGB的平均值，如表3所示［12］。以粉色為例觀察RGB值與時間的關系來判斷TCS3200D顏色傳感器的穩(wěn)定性，如圖7所示。

　　對以上所測數(shù)據(jù)進行分析，并與實際RGB值進行對比，最大絕對誤差為10，最小絕對誤差為0，最大相對誤差為5.8%，平均相對誤差為3.04%。通過圖7可以看出，TCS3200D顏色傳感器隨著時間的變化，測量值基本不變，說明該傳感器具有識別速度快、測量精度高和穩(wěn)定性好的特點。