基于TCS230颜色传感器的色彩识别器的设计 2

2 颜色识别及颜色传感器技术介绍

2.1 色彩识别

正如我们所知道的那样，色彩实际上是频率连续的电磁波，理论上色彩是无限的，但是人们能分辨的色彩是有限的，而且存在着个体差异。专业人士在设计一个色彩识别系统的时候，会很仔细地以5%甚至更小的区别来仔细调整色彩之间的比值。当这些类似色并排在一起时，即使是没有经过训练的普通人，除了色盲意外，都能够看出它们之间的区别。但是当一个色彩识别系统被确定并且单独展现时，普通人是无法区别出这5%什么更大的差异的。因此大多数人会简单的将他们所看到的某个色彩归类到他们能用简单语言描述的一类颜色，比如红、黄、白，或在这个基础上加以设当的区分，比如橘黄，有点发白的橘黄等。这种普通人感知的色彩可以被看作围绕着一个核心色的一个一个的区间，在这个区间中的所有颜色在色彩识别的时候，都会被看作是一种色彩。初中同一色彩识别区间的所有色彩尽管值不一样，但是对于受众而言是一样的。

2.2 色彩识别算法

2.2.1色彩识别的应用

在现今的工业化社会中，色彩识别被广泛的应用于各行各业之中，如：各种物体表面颜色识别（产品包装色标检测，产品外表特征颜色的检测，液体溶液颜色变化过程的检测与控制，等等）。又如：图书馆使用颜色区分对文献进行分类，能够极大的提高排架管理和统计等工作；在包装行业，产品包装利用不同的颜色或装磺来表示其不同的性质或用途；在品牌的形象设计和品牌推广的竞争中，色彩系统是一个比较重要的部分，设计师都会花费大量的时间细致地调整不同色彩搭配之间的组合关系，以达到更好的视觉效果。

2.2.2色彩识别一般算法

1). 色彩空间

通常所看到的物体的颜色, 实际上是物体表面吸收了照射到它上面的白光(日光)中的一部分有色成分,而反射出的另一部分有色光在人眼中的反应。任何一种颜色都可以用三种基本颜色按照不同的比例混合得到。

这里介绍一种最典型的颜色模型,即RGB模型。如图2.1所示,在这个颜色模型中,3个轴分别为R、G、B。原点对应的为黑色(0, 0, 0),离原点最远的顶点对应白色(255, 255, 255)。由黑到白的灰度分布在从原点到最远顶点间的连线上, 正方体的其他六个角点分别为红、黄、绿、青、蓝、和品红。需要注意的一点是,RGB颜色模型所覆盖的颜色域取决于显示设备因光电的颜色特性。每一种颜色都有唯一的RGB值与它对应。

R 红B

蓝

G 绿

品红

白

青

黑

黄

图2.1 RGB颜色模型

2). 白平衡算法

颜色实际就是物体对光的反射或投射而表现出来在人眼中的反映, 而TCS230就是通过分别检测一种颜色反映出来的光的红、绿、蓝分量, 通过把光强线性转换为频率信号, 量化出R、G、B值, 从而计算出颜色。值得注意的是, 不同的光线通过物体反映出来的光强是不同的, 而且非标准白光 (RGB三者不相等)在物体上反映出来的光强分量也是不同的。

为解决这个问题,就要进行白平衡, 即首先测量出基准光源的RGB光强值, 再测量出在标准光源下物体所反映出的光强值,两者之比就是物体的反射(或透射)性质, 即物体的实际颜色, 如公式(1), (2), (3)。

R=P物红/P源红(1)

G=P物绿/P源绿(2)

B=P物蓝/P源蓝(3)

由于在RGB坐标下的颜色标准坐标为0-255之间,所以把所得结果乘以255,即得到标准的RGB值。透明物体直接测量光源的光强-频率值,不透明物体需要用白纸测量反射光源。

3 基于TCS230的设计

3.1 MCS-51单片机简介

MCS-51系列单片机是美国Intel公司在1980年推出的高性能8位单片机，它包含51

和52两个子系列。

对于51子系列，主要有8031、8051、8751三种机型，它们的指令系统与芯片引脚完全兼容，仅片内程序存储器有所不同，8031芯片不带ROM，8051芯片待4KB的ROM，8751芯片待4KB的EPROM。51子系列单片机的主要特点为：

4k／8k字节程序存储器；

128／256字节数据存储器；

32条I／O口线；

111条指令，其中大多数是单字节指令；

21个专用寄存器：

2个可编程定时／计数器：

5个中断源，2个优先级；

一个全双工串行通信口；

外部数据存储器寻址空间为64k字节：

外部程序存储器寻址空间64k字节；

逻辑操作位寻址功能

MCS-51系列单片机应用十分广泛，各种教材和应用资料也很多。尽管INTEL公司本身没有在品种和功能上对MCS-51系列单片机作进一步的扩展，但是由于lNTEL公司开放了MCS-51系列单片机的核心技术，加之51系列单片机已经成为8位通用单片机的公认标准，因此，许多著名的半导体生产厂家。如Atmel、Philips、Cygnal、Dallas等纷纷推出以80C51为基核的各具特色、性能优异、功能强大的单片机，形成了庞大的80C51系列单片机家族，为熟悉51系列单片机的人们提供了最广泛的选择空间，也为51系列单片机注入了勃勃的生机。

图3.1 C51单片机管脚图图3.2 C51单片机实物图

3.2 颜色传感器及硬件电路的连接

3.2.1 颜色传感器

TCS230芯片的结构框图与特点:

TCS230是TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器，它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上集成了红绿蓝（RGB）三种滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器，TCS230的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接，由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得更简单，图3.3是TCS230的引脚和功能框图。

TCS230

图3.3 TCS230的引脚和功能图

图3.3中，TCS230采用8引脚的SOIC表面贴装式封装，在单一芯片上集成有64个光电二极管，这些二极管分为四种类型，其16个光电二极管带有红色滤波器；16个光电二极管带有绿色滤波器；16个光电二极管带有蓝色滤波器，其余16个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信息，这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能够最大限度地减少入射光辐射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度；另一方面，相同颜色的16个光电二极管是并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的位置误差。工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器，该传感器的典型输出频率范围从2Hz－500kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100％、20％或2％的输出比例因子，或电源关断模式。输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。例如，当使用低速的频率计数器时，就可以选择小的定标值，使TCS230的输出频率和计数器相匹配。

从图3.3可知：当入射光投射到TCS230上时，通过光电二极管控制引脚S2、S3的不同组合，可以选择不同的滤波器；经过电流到频率转换器后输出不同频率的方波（占空比是50％），不同的颜色和光强对应不同频率的方波；还可以通过输出定标控制引脚S0、