??? 摘 要： 介紹了一種基于C8051F300單片機(jī)和TCS230的智能高速雙路" title="雙路">雙路傳感器" title="顏色傳感器">顏色傳感器, 討論了它的工作原理" title="工作原理">工作原理, 并給出了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案、硬件結(jié)構(gòu)和測試程序" title="測試程序">測試程序。
??? 關(guān)鍵詞： C8051F300? TCS230? 顏色傳感器
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??? 隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)向高速化、自動(dòng)化方向的發(fā)展，生產(chǎn)過程中長期以來由人眼起主導(dǎo)作用的顏色識別工作將越來越多地被相應(yīng)的顏色傳感器所替代。目前的顏色傳感器通常是在獨(dú)立的光電二極管上覆蓋經(jīng)過修正的紅、綠、藍(lán)濾光片，然后對輸出信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，才能將顏色信號識別出來，但是輸出的是模擬信號，需要一個(gè)A/D電路進(jìn)行采樣，再對信號進(jìn)一步處理才能進(jìn)行識別，增加了電路的復(fù)雜性，并且存在較大的識別誤差，影響了識別的效果。
??? 本文介紹的基于TCS230的新型顏色傳感器比傳統(tǒng)的顏色傳感器具有優(yōu)良的新特性，主要應(yīng)用于線、邊、圖案的印刷糾偏系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)顏色的識別與檢測。主要特色是采用雙路傳感器,不但可以知道存在圖像的偏移，而且能辨別偏移的方向。另外，TCS230的反應(yīng)速度快，達(dá)到10μs，為實(shí)現(xiàn)快速的糾偏控制提供了保障。同時(shí)可用軟件設(shè)置來改變對顏色的選擇，非常實(shí)用方便，輸出可以為二路數(shù)字信號，有較強(qiáng)的抗干擾能力。
1 顏色傳感器的工作原理
??? 系統(tǒng)的基本工作原理為控制單片機(jī)來向傳感器發(fā)送指令，并讀取傳感器所接收的信息，然后經(jīng)過計(jì)算，將結(jié)果送至LED燈或進(jìn)行脈寬調(diào)制" title="脈寬調(diào)制">脈寬調(diào)制輸出。圖1是系統(tǒng)的光路圖。從圖上可以看到，從高亮度的LED等光源發(fā)出的光，通過凸透鏡1直線傳播至凸透鏡2，其中還經(jīng)過一塊半透鏡，在凸透鏡2處聚焦至物體，即產(chǎn)生圖像，以上即為光直線傳播的過程。當(dāng)光照射至物體之后，從物體上會產(chǎn)生反射光，經(jīng)過凸透鏡2聚焦至半透鏡，由于使用的是半透鏡，因而光無法直線穿透，只能反射至凸透鏡3，此時(shí)從凸透鏡3傳出的光就是送到顏色傳感器的信號。
??? 傳感器接收到了光的信號，輸出頻率會隨之發(fā)生變化，控制單片機(jī)對頻率進(jìn)行采集，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐袛嗉坝?jì)算，就可以由單片機(jī)輸出了。
??? 由于傳感器本身的特性，在單一芯片上集成有64個(gè)光電二極管，這些二極管共分為四種類型，分別是紅色、綠色、藍(lán)色和白色濾波器，這樣只要在軟件設(shè)計(jì)之中進(jìn)行選擇，就可以方便地實(shí)現(xiàn)對于各種色彩的檢測，對于高速印刷以及有關(guān)的產(chǎn)業(yè)來說這點(diǎn)是非常簡單而且實(shí)際的，并且對于產(chǎn)品的擴(kuò)展和改進(jìn)也是十分方便的，只需在軟件之中進(jìn)行調(diào)整即可。
2 基于C8051F300和TCS230的實(shí)現(xiàn)方案
??? C8051F300器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級的MCU芯片，C8051F300器件使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。它具有高速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口、11通道ADC、帶PGA和模擬多路器、在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器、3個(gè)通用的16位定時(shí)器、3個(gè)可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列等特性。
??? TCS230是Taos公司最新推出的業(yè)界首款帶數(shù)字兼容接口的RGB彩色光到頻率轉(zhuǎn)換器。它內(nèi)部集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個(gè)電流到頻率轉(zhuǎn)換器，TCS230的輸出信號是數(shù)字量，可以驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。由于輸出的是數(shù)字量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使電路更簡單。
??? 本文采用高速CPU即C8051F300和傳感器TCS230共同組合構(gòu)成顏色傳感器，它集合了這2個(gè)器件的特點(diǎn)，完成了以下的功能：
??? (1) TCS230能夠根據(jù)不同的光照，產(chǎn)生不同的頻率輸出；
??? (2) 高速CPU可以讀取與傳感器相連的端口，讀取傳感器輸出的頻率，并暫放在相關(guān)寄存器之中；
??? (3) 當(dāng)單片機(jī)接收到頻率信號后，根據(jù)采樣點(diǎn)時(shí)間的設(shè)定能夠判斷高低電平，此時(shí)可將單片機(jī)轉(zhuǎn)換后的信號傳送至LED燈來顯示，由此可以看出光的變換情況；
??? ?(4) 當(dāng)單片機(jī)將輸出送到LED燈顯示的同時(shí)以PWM脈寬調(diào)制的方式輸出信號，用于后續(xù)的糾偏控制。
3 顏色傳感器的硬件部分設(shè)計(jì)
3.1 C8051F300與TCS230的連接設(shè)計(jì)
??? 本傳感器設(shè)計(jì)的核心部分就是單片機(jī)與TCS230的連接，如圖2所示。
??? 將TCS230的S0以及S1兩個(gè)引腳全部與電源相連，這樣連接將會使顏色傳感器輸出占空比約為50%、頻率值為100%的方波，這樣給最終調(diào)試時(shí)帶來方便，在不同的設(shè)計(jì)要求時(shí)，只需簡單的調(diào)節(jié)接線就可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。TCS230的S2和S3這兩個(gè)引腳作為光電二極管的類型選擇的引腳，現(xiàn)在與C8051F300單片機(jī)P0.0與P0.1相連，單片機(jī)就是通過這兩個(gè)引腳來對傳感器進(jìn)行選擇控制，而對傳感信號的接收則通過P0.4和P0.5與TCS230的兩個(gè)OUT引腳的連接來實(shí)現(xiàn)。
??? 設(shè)計(jì)中采用2個(gè)Taos公司的傳感器TCS230，可用于移動(dòng)圖像的檢測。之所以采用2個(gè)傳感器作為設(shè)計(jì)之中的檢測元件，其主要原因就是單個(gè)傳感器只能判斷圖像發(fā)生偏移，但不知偏移的方向。當(dāng)采用了2個(gè)傳感器作為檢測元件，那么不僅可以知道存在偏移，更可以檢測出偏移的方向，這即為本設(shè)計(jì)相對于當(dāng)今市場上相關(guān)產(chǎn)品的改進(jìn)之處。
3.2 C8051F300輸出設(shè)計(jì)
??? 本文設(shè)計(jì)了單片機(jī)的兩種輸出，第一種即用LED燈顯示光的情況。第二種輸出脈寬調(diào)制(PWM)信號，PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。對噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。 具體輸出電路圖如圖3所示。
4 測試程序
??? 測試程序流程如圖4所示。系統(tǒng)初始化負(fù)責(zé)設(shè)置F300的各個(gè)工作寄存器、設(shè)置晶振和工作參數(shù)等等。初始化完成后，如需要顏色識別，就進(jìn)行具體顏色的選擇，讀取信號，以及調(diào)理輸出，完成顏色的識別。
??? 本文討論了顏色傳感器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。目前該顏色傳感器已被應(yīng)用于實(shí)際的印刷系統(tǒng)中，經(jīng)過了運(yùn)行檢驗(yàn)，具有識別效果好、速度快、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
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