基于TCS3200的颜色检测装置设计及光路优化

基于TCS3200的颜色检测装置设计及光路优化
许超;李佳;林轶凡
【摘要】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.%在生产生活中颜色检测自动化已经逐步取代了传统的人眼识别.通过对颜色传感器原理的研究,设计了一种可直接读取颜色信息的检测装置,以STC89C52作为控制器、TCS3200用于检测颜色信号、LCD1602显示结果,实现快速颜色检测.并根据测试数据分析在不同光源影响下对测量结果造成的偏差,提出光路改进方法.实验表明,该设计装置电路简单、体积小巧,具有一定的工业实用价值.
【期刊名称】《微处理机》
【年(卷),期】2017(038)001
【总页数】4页(P79-82)
【关键词】RGB原理;单片机;传感器;颜色检测;光路;测量环境
【作者】许超;李佳;林轶凡
【作者单位】辽宁大学物理学院,沈阳110036;辽宁大学物理学院,沈阳110036;辽宁大学物理学院,沈阳110036
【正文语种】中文
【中图分类】TP23
颜色检测自动化已经在生产、生活中得到了广泛应用，如遥感技术、质量监测等领域[1-3]。

这种技术手段也逐渐取代了传统靠人眼来识别颜色的工业生产活动，用来达到减少因人为主观因素或生理原因造成不必要误差的目的，同时节约成本和时间，达到利益最大化。

基于TCS3200的颜色检测装置，通过颜色传感器采集到被测物体的颜色信号，经由内部信号转换电路送至微控制器进行信号分析控制处理，再与存储模块中的颜色库匹配，最后将颜色检测RGB值和匹配结果送至显示屏显示[4-6]。

目前颜色传感器主要包括RGB颜色传感器和色差传感器两种类型。

其中，RGB颜色传感器原理如下：传感器可以将反射光依次经过三次过滤，滤出反射光信号的红光、蓝光、绿光成分，并换算成相应的可以直接被处理器识别的频率信号。

依照三基色原理，当过滤一种光时，其他频率段的光不能通过，因此传感器能够检测被测物体的RGB值。

通过查阅文献，选用TAOS公司的颜色传感器TCS3200，隶属于RGB彩色传感器类[7-10]。

颜色传感器TCS3200能输出稳定的数字信号，可以通过编程控制，把被测物体的光颜色信号转换成微控制器可以识别的频率。

其颜色检测芯片上一共集成了64个光电二极管，其中具备红色、蓝色和绿色滤波器的光电二极管各16个，另外16个二极管没有滤波器。

固定颜色的滤波器只能让这种特定的颜色通过，没有滤波器
的光电二极管可以通过任何颜色。

64个光电二极管交错排列，可以减少光辐射的不均匀性，并且它们是并联的，这样可以最大限度的消除颜色位置的误差。

传感器TCS3200中有2个可编程引脚S0、S1为输出比例因子选择,2个可编程引脚S2、S3为滤波器类型选择，4个可编程引脚的功能如表1所示。

装置采用STC89C52单片机、LCD1602显示模块与颜色传感器TCS3200搭建颜色检测电路。

其电路结构简单，STC89C52单片机作为控制器，接收颜色传感器TCS3200发送的频率信号，及时将颜色检测结果在LCD1602显示屏上显示。

TC89C52是宏晶公司生产的8位单片机，采用非常典型的MCS-51内核，拥有灵活的CPU和可编程Flash。

LCD1602显示模块物理外形尺寸为80×36×14（单位毫米),显示字符为16字符2行。

图1为颜色检测装置硬件电路图，显示了
STC89C52、LCD1602与TCS3200之间的连线情况。

其中，STC89C52与TCS3200之间的连接如下：地线接地线，VCC互相连接，TCS3200OUT口接单片机P3.5引脚，S2接P1.1口，S3接P1.0口；STC89C52与LCD1602之间的接线如下：RS接P2.0，RW接P2.1，E接单片机P2.2；D0到D7依次接单片机P0.0至P0.7口。

关于硬件电路需要特殊说明的是：GY-31模块即是颜色传感器TCS3200，其2个电源引脚（VCC）、2个接地线引脚（GND）均任意选择其一与STC89C52单片机共+5V电源、共同在一个地线回路；S0接头、S1接头可以悬空不用连线，因为在GY-31模块内，这2个接口是默认上拉的，使用不到它们的其他功能，即不用进行任何操作；S2、S3分别接P1.1、P1.0，P1.1、P1.0的高低电组合平用来实现选择是红色、蓝色还是绿色滤波器来进行工作；OUT口接P3.5，单片机接收并记录一共有多少个脉冲从TCS3200上传输过来。

颜色检测系统是以STC89C52单片机作为核心控制器件,其控制语言采用Keil C51编写，可以实现对硬件系统的直接操作。

颜色检测的软件程序主要包括三部分:第
一，白平衡校定程序。

颜色传感器TCS3200的驱动设计主要是白平衡校定程序，在颜色采集之前一定完成白平衡的调整。

第二，颜色采集程序。

通过白平衡校对后，在颜色采集过程中，可以对两个可编程引脚S2和S3进行编程，通过四种组合方
式选择滤波器的工作。

第三，颜色显示程序。

获取RGB值后，执行相应的颜色显
示程序，将结果发送到LCD显示屏。

颜色检测装置使用时满足条件之一为稳定的5V直流电源，精度范围在±0.1%以内，以此减小电源电压的波动从而造成照明灯亮度的变化和A/D转换的不准确。

同时，颜色传感器TCS3200控制最佳检测距离为1厘米。

实验一，选取白色、黑色和蓝色为基准。

经多次测试，颜色检测装置可准确识别白、黑、蓝3种颜色，初步实现了装置对不同颜色快速、有效辨识的功能，测试结果
如表2所示。

实验二，改变测量环境进行测试。

为测试外界光线的干扰，选取同一种颜色，在如表3所示的不同测量环境测试，对所测数据进行分析发现，把颜色传感器
TCS3200、光源等放置在一个密闭且反射光的空间可提高检测精度[11-12]。

实验三，同一种颜色在不同光照射下测量。

为了比较光源对检测结果的影响，测量环境分别选取了无光照射、LED白光、太阳光照射三种。

由表4所示数据可以看出，在有杂光的环境下，RGB值是剧烈变化的，这是因为颜色传感器光电二极管
感受到的光有剧烈变化，导致原颜色光很难传送到光电二极管的滤波器，造成失真。

综合以上测试结果得出，要保证颜色检测结果达到最高精度，测量环境应选择在密闭不漏的容器里。

光源照射到被测物体时被测物体会有光反射到颜色传感器上，颜色传感器再识别颜色，且内部用同种材料将LED光源和颜色传感器分割开，其光
路优化改进示意图如图2所示。

为了保障光源照射物体反射后，其反射光谱与被
测物体一致，照射物体的光应选择发光稳定、亮度适中的白光，测试实验选取的是白光LED灯。

基于三基色原理以STC89C52作为控制器、TCS3200用于检测颜色信号、
LCD1602显示结果的装置设计，实现了单路颜色检测。

通过多次测试实验可知，在不同光源影响下对测量结果造成的偏差并提出光路改进方法，从而达到了设计装置对颜色快速、准确的识别功能。

因此，基于TCS3200的颜色检测装置个体小巧、电路简单，尤其适用于狭小空间，具有一定的工业实用价值。

【相关文献】
[1]谢发忠,邹华东,吴年祥.基于TCS230的颜色检测装置及其在智能装配机器人避障中的应用 [J].工
程设计学报,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]段志伟,高丙坤,宋金波.基于RGB颜色传感器的油品颜色检测系统设计 [J].化工自动化及仪
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,尚绪超,赵龙.基于颜色传感器TCS230的油水界面检测仪的设计[J].机械设计与制
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.多路颜色采集系统的设计[D].杭州:浙江工业大学，2014. LI Meihua.Design of multi-color collection system[D]. Hangzhou:Zhejiang University of Technology，2014.
[5]任天威.基于stm32微处理器的颜色采集与分析[D].哈尔滨:黑龙江大学,2015. REN Tianwei.The color detection and analyzer research based on the microprocessor control chip
STM32[D].Harbin: Heilongjiang University,2015.
[6]陈曦，赵辰雪.颜色检测系统的设计与实现[J].自动化仪表,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]马文秀,时维铎,丁小田等.基于TCS3200D数字式颜色测试仪的研究[J].微型机与应
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]金雪尘,黄亮,吕游.利用TCS3200D实现颜色信号的采集、识别和还原[J].常州工学院学
报,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]蒋寅国,邓燕妮.基于TCS3200的多点颜色检测装置的设计[J].仪表技术,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]高富强,李岭,安康.基于RGB的颜色辨识系统设计[J].传感器与微系统,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]宋晓亮,苏来曼·艾,朱江等.基于LED的色度学实验研究[J].大学物理实验,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,吴宝宁,施浣芳等.几种颜色测量方法的比较[J].应用光学,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.。