周炯亮 陳青華 鄭安平 姜利英

(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系1，河南 鄭州 450002;鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院2，河南 鄭州 450046)

0 引言

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，顏色檢測(cè)裝置被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于顏色測(cè)量、顏色變化的識(shí)別、打印控制、顏色校正、食品安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和機(jī)器人安全監(jiān)控等領(lǐng)域。早期的顏色傳感器識(shí)別電路復(fù)雜，在確定顏色隸屬度上，只是在RGB顏色空間上按照兩個(gè)點(diǎn)的顏色距離進(jìn)行隸屬度的劃分，顏色的歸類(lèi)識(shí)別效果并不理想［1］。近幾年，部分顏色識(shí)別基于圖像處理技術(shù)，采用CCD攝像機(jī)對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行采集和還原，以達(dá)到顏色識(shí)別的目的［2－4］。然而該方法成本較高，這在很大程度上限制了檢測(cè)的便捷性。

本設(shè)計(jì)采用高分辨率顏色傳感器TCS3200D進(jìn)行顏色識(shí)別和轉(zhuǎn)換，結(jié)合16位低功耗單片機(jī)MSP430F149為核心控制芯片進(jìn)行計(jì)算、標(biāo)定與控制，并配合外圍芯片設(shè)計(jì)了便攜式智能辨色儀，其不僅能實(shí)現(xiàn)顏色的識(shí)別與檢測(cè)，還具有許多優(yōu)良特性。試驗(yàn)驗(yàn)證該辨色儀測(cè)量結(jié)果同人眼的顏色感覺(jué)基本一致，在殘疾人輔助工具、農(nóng)業(yè)和食品加工行業(yè)具有較好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由三組光源、顏色傳感器、微處理器、語(yǔ)音模塊、時(shí)鐘模塊、電源管理模塊、存儲(chǔ)模塊和按鍵等組成，如圖1所示。系統(tǒng)的具體功能為系統(tǒng)上電后，自動(dòng)打開(kāi)外加輔助照明光源，自動(dòng)測(cè)白平衡后獲得白平衡參數(shù)，在語(yǔ)音提示測(cè)量的狀態(tài)下按下測(cè)量按鈕，顏色傳感器讀取被測(cè)物體的顏色信息，產(chǎn)生的信號(hào)傳送給MSP430F149進(jìn)行計(jì)算、標(biāo)定與控制。可編程分段的低成本OTP系列語(yǔ)音模塊預(yù)先燒寫(xiě)相關(guān)語(yǔ)音數(shù)據(jù)，結(jié)合MSP430F149可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顏色與當(dāng)前時(shí)間播報(bào)。電源充電管理模塊可進(jìn)行低電壓語(yǔ)音提示和智能充電等多種功能。

圖1 辨色儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of the color discriminator system

1.1 顏色傳感器TCS3200D

TCS3200D是TAOS公司推出的帶數(shù)字兼容接口的彩色光/頻率轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部集成了可配置的硅光電二極管陣列和1個(gè)電流/頻率轉(zhuǎn)換器。芯片上集成有紅、綠、藍(lán)(RGB)3種濾光器，上面有1個(gè)數(shù)字兼容接口，輸出的是數(shù)字量，可以直接驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的TTL或CMOS邏輯輸入，特別是能夠直接與微處理器連接而不需A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)每個(gè)彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度。芯片內(nèi)含1個(gè)交叉連接的8×8光電二極管陣列，其中每16個(gè)二極管提供一種色彩類(lèi)型，共有紅、藍(lán)、綠和清除全部光信息4種類(lèi)型，可最大限度地降低入射光幅射的不均勻性。所有相同顏色的16個(gè)光電二極管都是并聯(lián)連接，工作時(shí)通過(guò)可編程的引腳來(lái)動(dòng)態(tài)選擇色彩，以增加精確度、簡(jiǎn)化光學(xué)電路。該芯片采用8引腳SOIC表面貼封裝，適用于色度計(jì)的測(cè)量應(yīng)用。

TCS3200D具有可完成高分辨率的光照度/頻率轉(zhuǎn)換、色彩和滿(mǎn)度輸出頻率可編程調(diào)整、可直接與微處理器通信等特點(diǎn)。當(dāng)入射光投射到TCS3200D上時(shí)，TCS3200D通過(guò)內(nèi)部光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，選擇不同濾波器的類(lèi)型，經(jīng)電流頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出不同頻率的方波(占空比為50%，不同的顏色和光強(qiáng)對(duì)應(yīng)不同頻率的方波)。該轉(zhuǎn)換器對(duì)光響應(yīng)范圍為1 Hz～250 kHz，典型輸出頻率范圍為2 Hz～500 kHz，用戶(hù)可通過(guò)2個(gè)可編程引腳S0和S1來(lái)選擇100%、20%或2%不同的輸出比例因子，對(duì)輸出頻率范圍進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同的需求。TCS3200D的輸入輸出引腳可直接與微處理器或其他邏輯電路連接，通過(guò)輸出使能端OE將輸出置于高阻狀態(tài)，可使多個(gè)器件共享一條微處理器輸入線。與TCS230相比，TCS3200D性能更穩(wěn)定，工作環(huán)境溫度可低至－40℃，功耗和成本均更低。TCS3200D顏色傳感器應(yīng)用范圍廣泛，適用于色彩測(cè)量、打印控制、顯示顏色校正、人工視覺(jué)和光線檢測(cè)等領(lǐng)域［5］。

1.2 照明光源的選擇

顏色檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)照明光源的要求十分嚴(yán)格:既要使光線照射在物體上能夠?qū)崿F(xiàn)反射，又要使這些光源對(duì)顏色測(cè)量的影響盡可能小，且照明光源必須滿(mǎn)足照明壽命長(zhǎng)、明亮、廣譜、體積小和發(fā)熱量低等要求。TCS3200D自身不帶光源，在實(shí)際應(yīng)用中必須考慮光源補(bǔ)償。由于白色光是各種顏色光光譜的疊加，因此，用白色LED光源作為試驗(yàn)測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)光源，可避免試驗(yàn)中的人為誤差。試驗(yàn)時(shí)把一組白色LED燈排成圓形分布在顏色傳感器周?chē)?，從而使光源發(fā)出的光盡量均勻地照在被測(cè)物上。

1.3 硬件電路部分的設(shè)計(jì)

微控制器部分采用業(yè)界公認(rèn)的超低功耗TI公司的16位RISC混合信號(hào)處理器的MSP430F149單片機(jī)，它具有集成度高、外圍設(shè)備豐富、功耗超低等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式儀表的設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。MSP430F149具有較強(qiáng)的計(jì)算能力，針對(duì)設(shè)備小型化、移動(dòng)化的要求，在功耗方面作了相應(yīng)的優(yōu)化［6－8］。智能辨色儀電路圖如圖2所示。

圖2 智能辨色儀電路圖Fig.2 Circuitry of the intelligent color discriminator

顏色傳感器部分共占用5 個(gè)管腳(P1.0～ P1.4)。P1.1和 P1.2控制輸出比例因子，P1.3和 P1.4控制濾波器的選擇。轉(zhuǎn)換后的頻率輸出端接微控制器的定時(shí)器外部輸入TACLK端，MSP430的定時(shí)器設(shè)置為外部計(jì)數(shù)方式。計(jì)數(shù)器寄存器的值對(duì)應(yīng)的即為T(mén)CS3200D的輸出頻率，則結(jié)合相應(yīng)的算法，可以得到R、G、B的顏色和強(qiáng)度，再對(duì)比存儲(chǔ)區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)模庫(kù)表，即可得到實(shí)際的顏色。

語(yǔ)音模塊采用OTP語(yǔ)音芯AC8040，支持DAC和PWM輸出，內(nèi)置電阻，應(yīng)用電路非常簡(jiǎn)單，可編程分段時(shí)長(zhǎng)達(dá)40 s，音質(zhì)效果好、成本極低。為了實(shí)現(xiàn)可編程分段式播放，控制方式選擇為串行模式，通過(guò)單片機(jī)與語(yǔ)音芯片進(jìn)行串行通信播放相應(yīng)的段。與單片機(jī)連接時(shí)占用單片機(jī) 2 個(gè)管腳(P6.0和 P6.1)，使用時(shí) P6.0先發(fā)復(fù)位脈沖(寬度2 ms)，延時(shí)1 ms后，由觸發(fā)口 P6.1發(fā)觸發(fā)脈沖，以觸發(fā)語(yǔ)音播放，由發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)確定識(shí)別第幾段語(yǔ)音信息。

按鍵單元共占用 3 個(gè)管腳，分別為 P1.5、P1.6、P1.7，分別對(duì)應(yīng)測(cè)試鍵、向上查詢(xún)鍵和向下查詢(xún)鍵3種狀態(tài)。按鍵模塊采用中斷方式，方便系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)中斷控制進(jìn)入正常顏色測(cè)試，向上或向下查詢(xún)歷史記錄。

基于E2PROM掉電時(shí)數(shù)據(jù)不丟失的特性，存儲(chǔ)模塊采用 AT24C512，共占用 P4.0(SCL 時(shí)鐘線)和 P4.1(SDA數(shù)據(jù)線)兩個(gè)引腳。單片機(jī)內(nèi)部沒(méi)有自帶的I2C接口，這里使用GPIO模擬I2C總線協(xié)議時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)及測(cè)量時(shí)的時(shí)間存儲(chǔ)。試驗(yàn)中，每次測(cè)量數(shù)據(jù)和當(dāng)前時(shí)間共需至少10 bit來(lái)保存，因此，AT24C512芯片512 kB的容量，最多可以存儲(chǔ)6000組數(shù)據(jù)。

LED 光源模塊占用 6 個(gè)管腳(P5.2～ P5.7)。在白光照射下RGB顏色傳感器的輸出并不相等，可根據(jù)實(shí)際環(huán)境光線適時(shí)調(diào)整補(bǔ)償光源的強(qiáng)度并進(jìn)行白平衡補(bǔ)償。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的主要功能是實(shí)時(shí)記錄當(dāng)前時(shí)間，每次測(cè)量時(shí)的時(shí)間亦與顏色值為一組，在微控制器的控制下自動(dòng)存儲(chǔ)。時(shí)鐘模塊共占用MCU三個(gè)管腳，分別為 P4.2、P4.3、P4.4。該模塊接有備電，斷電時(shí)不會(huì)停止或丟失，且只需在設(shè)備第一次使用時(shí)設(shè)置一次時(shí)間即可。

1.4 電源模塊

針對(duì)便攜式儀表低功耗設(shè)計(jì)的要求，智能辨色儀的電源系統(tǒng)采用了MAX1674升壓芯片和TP4054電源充電管理模塊，如圖3、圖4所示。MAX1674在提供了系統(tǒng)電源的同時(shí)又通過(guò)LBO接單片機(jī)的 P5.1引腳，實(shí)現(xiàn)了電池欠壓檢測(cè)的功能。TP4054芯片結(jié)合USB電源接口和電池供電的雙通道供電模式，實(shí)現(xiàn)智能充電和管理，從而為系統(tǒng)進(jìn)行供電和充電，方便用戶(hù)使用。

2 軟件部分

軟件部分主要包括微控制器MSP430F149與顏色傳感器TCS3200D測(cè)頻接口模塊、白平衡校正子程序、顏色比較子程序、語(yǔ)音模塊、E2PROM讀寫(xiě)模塊和時(shí)鐘模塊等。

系統(tǒng)上電進(jìn)入測(cè)試時(shí)，首先自動(dòng)進(jìn)入白平衡校正模塊，當(dāng)前RGB值被存儲(chǔ)到E2PROM存儲(chǔ)器中，利用堆棧的原理更新校正值，建立白平衡校正值庫(kù);然后進(jìn)入測(cè)頻模塊，根據(jù)簡(jiǎn)化后的最小笛卡爾距離的原理，把顏色比較子程序中對(duì)被測(cè)物的RGB值和事先存儲(chǔ)在E2PROM中的36種顏色識(shí)別庫(kù)中的值相比較，得到最接近的顏色代碼，通過(guò)調(diào)用語(yǔ)音模塊實(shí)現(xiàn)顏色和時(shí)間的播報(bào)、存儲(chǔ)和查詢(xún)等多種功能［9－11］。

3 測(cè)試結(jié)果

在實(shí)際測(cè)試中，為了避免外界光線的干擾，把傳感器、光源等放置在一個(gè)密閉、無(wú)反射的箱子中封裝起來(lái)進(jìn)行測(cè)試。采用該辨色儀測(cè)試不同衣物顏色樣本20份，得到的RGB頻率值如圖5所示。由圖5可以看出，測(cè)試結(jié)果同人眼的顏色感覺(jué)有較好的一致性。

4 結(jié)束語(yǔ)

辨色儀采用一鍵式操作，全程語(yǔ)音提示，具有成本低、體積小、檢測(cè)快、穩(wěn)定性高、功耗低和擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)。

由于本設(shè)計(jì)最初應(yīng)用于盲人輔助穿衣(相關(guān)產(chǎn)品正在申請(qǐng)專(zhuān)利)，采用的樣本是普通衣物和常見(jiàn)食物，結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)簡(jiǎn)單。如果在食品加工和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域進(jìn)行色彩辨識(shí)，則可以結(jié)合相應(yīng)的外圍電路擴(kuò)展多種功能，并針對(duì)實(shí)際使用要求作進(jìn)一步的綜合數(shù)據(jù)處理，分析建立專(zhuān)用的顏色庫(kù)，從而進(jìn)行更精確的分析。

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