基于TCS230颜色识别的餐盘自动计价系统研制

基于TCS230颜色识别的餐盘自动计价系统研制
杨顺;郭燚;刘洋;刘卓;田达奇
【摘要】采用颜色传感器TCS230、单片机AT89S52以及普通红外传感器,研制了快捷方便的餐盘自动计价系统.红外传感器感受到物体后激活颜色传感器,颜色传感器再将颜色信号处理后传达给单片机进而通过程序转化为一种相应的价格信号显示出来.经实验验证,该计价系统颜色获取较迅速、系统工作较稳定.
【期刊名称】《通信电源技术》
【年(卷),期】2017(034)001
【总页数】3页(P77-79)
【关键词】颜色传感器;红外传感器;单片机;颜色识别;自助餐产业;自动计价
【作者】杨顺;郭燚;刘洋;刘卓;田达奇
【作者单位】中船第九设计研究院工程有限公司,上海200063;上海海事大学电气自动化系,上海201306;上海海事大学电气自动化系,上海201306;上海海事大学电气自动化系,上海201306;上海海事大学电气自动化系,上海201306
【正文语种】中文
对物体的颜色进行辨别是人类的本能反应。

随着科学技术的发展，人们已经能够制造出颜色传感器。

颜色传感技术涉及机电和光学等领域，利用该技术我们可以实现自助餐产业向着更加便捷、高效的方向发展。

颜色传感技术出现之后，将有颜色的光照到光电二极管上，再对输出信号进行处理，便能识别出颜色信号，但这种方法需要增加相应的放大电路和A/D转换电路[1]，不仅繁琐，而且效果欠佳。

颜色传
感器TCS230将这些技术集成在一起，借助它可以实现算法简单、精确度高的识
别方式，人们利用该方式研究出颜色识别系统、试纸测试技术等，然而，这些技术均是直接采集和显示颜色信号[2,3]。

本文将描述一个将盘子颜色信号转化为电信号，再转化为不同价格信号的便于收银的餐盘自动计价系统，从而将传感器采集颜色信号与自助餐产业发展紧密联系起来。

基于颜色识别的餐盘自动计价系统主要由颜色传感器TCS230、单片机AT89S52、显示屏LCD1602A、单红外反射式传感器组成，如图1所示。

工作时，给单片机供5 V直流电，并将设备置于无其它颜色干扰的环境中，此时TCS230上的4只LED灯会发白光，经过短暂的白平衡后设备就能正常工作了。

假定不同盘子的颜色与所装食物的价格是对应的，LED灯照在一种盘子上会反射
出对应颜色的光，红、绿、蓝等不同颜色的光有着不同的波长和频率， TCS230
接受到某种色光信号时其中的光电二极管会将之转换成对应强度的电流，此电流将会被TCS230中的转换器转换成对应频率的脉冲信号[4]，与之相连的单片机
AT89S52会接收到这样的脉冲信号，其中的计数器会计量出一定时间内该信号的
脉冲个数。

因而不同色光所产生的脉冲个数也就不一样，利用编程可将脉冲个数转换成对应颜色的RGB值，RGB颜色标准目前是一种普遍的选型模式，是通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三种色彩的改变以及它们之间的相互叠加从而得到各种各样颜
色的，单片机AT89S52利用采集的RGB值即可计算出该种颜色盘子所装食物的
价格，再将价格数值显示在所连接的LCD1602A显示屏上面，这样便初步完成了
基于颜色识别的餐盘自动计价步骤。

但由于考虑到实际操作中设备的运作可能会受到来自盘子以外的物体颜色干扰，为此增设了一个单红外式传感器(可调节距离参数)，以佐证只有当盘子放在距离红外线传感器足够近时，TCS230开始工作。

基于颜色识别的餐盘自动计价系统软件设计主要包括：白平衡调整、信号获取、信
号转换和传输、RGB采集、价格计算及显示等环节。

系统通电工作时颜色传感器首先快速进行白平衡，白平衡的调整将在后面进行介绍。

接下来当一种颜色的盘子放在基于颜色识别的餐盘自动计价系统设备上时，红外传感器感知到之后通过信号的转换与传输告知颜色传感器，颜色传感器得知后便立刻采集颜色转交单片机AT89S52处理变成RGB值，只需编程,使得经过程序运算出
相应盘子的价格显示在显示屏上便结束了一轮计价，倘若再次放盘子就进行新一轮计价。

在此基础上如果设计一种透明的饭菜托盘，那么在系统中增加几组红外传感器与颜色传感器进行分别探测，然后计价求和，便可利用程序实现多盘饭菜的综合计价以提高效率，计价完成后顾客刷卡进行消费便实现一次复位清零，具体的软件流程图如图2所示。

3.1 TCS230白平衡调整
白平衡的调整是整个设计过程开始的第一步，由于TCS230颜色传感器对光的三
原色反应是不同的，那么输出脉冲个数、RGB值也不相同。

使用该设备之前必须
先进行白平衡调整使得TCS230所识别的白色是三原色相等的。

因此，其它色光
相对白光的对比过程将会正常，白光的RGB值均为255，而其它色光成分中各颜色因子所占比重的多少将会通过对比白光(RGB255)的方式显示。

3.2 颜色识别技术
白平衡过程将定时器设置为一固定时间(例如10 ms)，然后选通三种颜色滤波器，计数器计算出这段时间内颜色传感器的输出脉冲数，用正常白光时颜色分量值的255除以白平衡时每种滤波器的脉冲数，便计算出一个比例因子。

实际测试颜色时，在该颜色光线的环境下用同样的定时器进行计数，把测得的脉冲数再乘以求得的比例因子，可以得到所对应的R、G和B的值。

例如：一定时间内白光三种颜
色滤波器输出的脉冲数都是180，如果某种颜色的盘子由TCS230输出三种颜色
滤波器脉冲数为20、50、100，那么该菜盘的颜色各分量值分别为：
G=(255/180)×50
B=(255/180)×100
式中，R、G、B为红绿蓝三种颜色分量参考值。

3.3 价格计算原理
目前，自助餐产业逐渐使用不同颜色的盘子区分价格种类繁多的菜肴，然而人工计算难免出错，据此，根据之前提到的颜色识别技术，可将不同颜色餐盘的颜色频率测算出来，采用单片机编程方法经过运算得到RGB值并最终转换成价格。

本文主要讨论颜色差别非常明显的红色、绿色、蓝色，显然这几种颜色对应的的R值、G 值、B值分别接近255，如红色：R=24，G=15,B=22。

那么经过多次测量可以将三个值分别处于某一区间定义为红色，编程时可在这种情况下输出红色盘子菜肴的价格，例如：5元。

其他颜色盘子菜肴的计价原理类似，但是当颜色种类繁多时，就得经过仔细测量，定义出更多精确的价格区间以保证各种颜色盘子菜肴的价格都正确显示。

由于不同价值传感器在颜色识别精度的局限性方面存在差异，所以特地建议食堂或自助餐厅避免选用颜色过于接近的餐盘，以防时间久了餐盘自身颜色稍微变化就会导致与别的餐盘测量结果混淆。

本文阐述的是每盘菜逐一计价过程，倘若设计一款透明托盘，托盘上有相应数量呈放餐盘的凹槽，顾客将打好菜的菜盘放在托盘上，计价系统中的数个TCS230颜色传感器便可一次性将托盘中所有餐盘的价格测算出来，再通过累加显示在显示LCD1602A上。

单片机AT89S52上的复位管脚可与刷卡扣费系统连接，更可以实现刷卡一次设备清零一次，方便下一位顾客使用。

在基于颜色识别的餐盘自动计价系统中，颜色识别环节至关重要，一旦颜色识别环节受到扰动而产生误差，那么最终显示的价格就会受到影响。

实验初期，发现每测20组数据总会有几组显示不正确，经反复比较发现，不正常情况下测得的RGB值并非该颜色应有的RGB值。

因此，在颜色识别环节需增设延时反复识别程序，确
认测得的RGB值正确。

另外，设置好相应距离参数的单红外反射式传感器可以确保所计颜色是餐盘放在设备上计得的，而并非其他有色物体扫过设备上方产生干扰计得的。

经校正后，测得红绿蓝三种颜色物体的各颜色因子分量的值如图3所示。

图3中所显示的颜色因子分量值越大，代表RGB值中与之对应的分量值越大。

这样就可以保证利用该RGB值运算出的价格信号是正确无误的。

图3肯定了该设计原理的可行性，同时验证了前面所提计价设想的正确性。

此外，在高校食堂调研发现，每日食物的价格种类一般不超过15个，而调整程序中颜色区间后对15种颜色盘子进行实验测量，该系统完全能准确辨认出每种颜色并给出价格，因此该系统对自助餐产业有一定使用价值。

5.1 自然光情况下的白平衡
上述实验均是在自然光情况下进行的，结果发现，白平衡过程正常完成，实验结果也较为准确，并未受到外界环境的干扰[5]。

5.2 无光情况下(室内黑暗)的白平衡
实验发现，所测结果与上述相似，并未产生太大变化，说明LED灯所发出的白光足以提供白平衡。

5.3 红光情况下的白平衡
实验发现，结果数据紊乱，所测RGB值并非相应颜色应有RGB值，说明白平衡过程不能有色光干扰，一旦色光产生干扰，白平衡就会失去正常效果，而且其他颜色对比白光所得出的结果也会相应发生较大偏差。

综上所述，设备进行正常白平衡是结果准确的前提，一般情况下，只要颜色识别过程正常完成，实验结果都是符合要求的。

本研究的创新之处在于利用颜色特征，采集颜色信号，并用程序实现计价，与常见刷卡系统相关联，容易被推广；较传统收银方式有方便快捷的优势，比起现有的在
餐盘上设置条形码、芯片进行计价，更加简捷、便宜，更重要的是相比它们，餐盘的颜色不易因为洗涤或是温度改变而发生变化，使用起来不仅灵活而且绿色环保；此外系统可实现无人管理，运行高效、准确。

这在一定程度上给自助餐计价环节提供了参考方案，将会大大提高自助餐产业的工作效率。

【相关文献】
[1] 潘海鸿,陈琳，黄炳琼，等.基于TCS230传感器的高精度颜色识别系统设计[J].微计算机信息,2009,25(16):159-161.
[2] 覃志松，黄廷磊，白雪.基于RGB三波长LED和TCS230D颜色识别系统的研制[C].中国控制与决策会议,桂林,2009.
[3] 张波,陆瑶成，陈宵燕，尤丽华.基于颜色传感器TCS230的氯离子和PH检测仪设计[J].电子设计工程,2013,21(1):85-88.
[4] 谢发忠,邹华东，陈年祥.基于TCS230的颜色监测装置及其在只能装配机器人避障中的应用[J].工程设计学报,2013,20(1):60-64.
[5] 纪滨，许正华，胡学刚，童宝宏.基于颜色的食品品质检测技术现状及展望[J].食品与机
械,2013,29(4):229-236.。