楊俊茹，郭 坤，宋傳娟，劉欽冉

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266590）

0 引言

顏色傳感器的結(jié)構(gòu)主要包括光電二極管與彩色濾光器。其工作原理是，通過(guò)彩色濾光器將所測(cè)得的顏色分解成紅（red）、綠（green）、藍(lán)（blue）三種原色，然后通過(guò)光電二極管分別檢測(cè)各色的強(qiáng)度。隨著檢測(cè)技術(shù)水平的不斷提高，基于顏色傳感器技術(shù)的顏色檢測(cè)技術(shù)以其靈敏度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。李喜鵬等人基于顏色傳感器設(shè)計(jì)的綠色識(shí)別系統(tǒng)，用于自動(dòng)噴藥裝置，為快速、準(zhǔn)確識(shí)別作物進(jìn)行噴藥提供了技術(shù)支持[1]；一種用于石油產(chǎn)品顏色檢測(cè)的測(cè)量系統(tǒng)，不僅可以對(duì)成品油樣本的顏色進(jìn)行識(shí)別,還可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果初步分析油品的膠質(zhì)含量[2]；王晴等提出了一種基于顏色傳感器的新生兒黃疸檢測(cè)方法，根據(jù)RGB分量的值確定皮膚顏色，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新生兒黃疸進(jìn)行連續(xù)的檢測(cè)[3]。

TCS230是美國(guó)TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器。它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)單一的CMOS電路上，同時(shí)在芯片上還集成了紅、綠、藍(lán)（RGB）3種原色的濾光器，是業(yè)界第一個(gè)有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器。輸出為數(shù)字量，可直接與微處理器連接，不需要外接A/D轉(zhuǎn)換電路，使用方便，且分辨率高，響應(yīng)速度塊，有較強(qiáng)的抗干擾能力，使用范圍廣泛[4]。

在工業(yè)生產(chǎn)中，由于各種因素的作用，經(jīng)常需要將待加工的工件按照一定要求排列成特定順序，而由于自動(dòng)生產(chǎn)的特點(diǎn)，這些工件的初始順序往往是雜亂無(wú)章的。這時(shí)就涉及到工件的自動(dòng)排序問(wèn)題。例如：在焊接串行接口時(shí)，對(duì)接頭與導(dǎo)線之間的焊接就有一定的順序要求，即不同顏色的導(dǎo)線需焊接到不同的接頭位置，因此在串口的自動(dòng)焊接之前，需要將待焊接的無(wú)序?qū)Ь€按照一定的順序排列起來(lái)，以便于后續(xù)焊接。以往的導(dǎo)線排序往往由人工進(jìn)行，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不符合自動(dòng)化生產(chǎn)的需要。針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)線顏色檢測(cè)及順序調(diào)整控制系統(tǒng)，并給出了顏色識(shí)別及順序調(diào)整的控制方法與控制程序，實(shí)現(xiàn)了串口焊接中導(dǎo)線的自動(dòng)化排序，控制方法簡(jiǎn)潔，實(shí)用性較高。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分為兩部分，分別為導(dǎo)線的顏色識(shí)別與導(dǎo)線的順序調(diào)整，其中，顏色識(shí)別部分采用顏色傳感器TCS230，將檢測(cè)到的顏色RGB值傳輸給單片機(jī)，并記錄當(dāng)前顏色所對(duì)應(yīng)的位置信息，經(jīng)過(guò)與預(yù)存顏色信息進(jìn)行一系列的比較計(jì)算后，得出每根導(dǎo)線調(diào)整所需的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)距離（電機(jī)進(jìn)給步數(shù)）；順序調(diào)整部分由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手機(jī)構(gòu)根據(jù)之前計(jì)算結(jié)果，按照一定流程進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)線的抓取及其順序調(diào)整。系統(tǒng)中導(dǎo)線數(shù)量為13，預(yù)存顏色信息即為這些導(dǎo)線的顏色RGB值，如表1所示。預(yù)存顏色信息存放在數(shù)組rgb1[13][3]中。

系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

2 顏色檢測(cè)與比較

TCS230將紅、綠、藍(lán)（RGB）3種原色的濾光器集成在單一芯片上，當(dāng)控制單片機(jī)選定某一原色的濾光器時(shí)，它只允許該原色通過(guò)，而阻止其他兩種原色的通過(guò)。使用時(shí)依次選通紅色、綠色和藍(lán)色濾光器，得到所測(cè)顏色的三種原色的光強(qiáng)。不同的光強(qiáng)對(duì)應(yīng)不同頻率的輸出方波。通過(guò)測(cè)量輸出方波的個(gè)數(shù)，并進(jìn)行相應(yīng)的比例換算，即可獲得該顏色的RGB值[4]。

表1 系統(tǒng)預(yù)存顏色的RGB值（十六進(jìn)制）

在本系統(tǒng)中，TCS230輸出（OUT）直接接入單片機(jī)中，由單片機(jī)計(jì)數(shù)器對(duì)輸出方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而確定所檢測(cè)到的顏色的RGB值，并記錄每種顏色所對(duì)應(yīng)的位置，以便進(jìn)行下一步處理。最終檢測(cè)出的顏色RGB值賦值給數(shù)組變量rgb[3]，其中rgb[0]=R，rgb[1]=G，rgb[2]=B，對(duì)應(yīng)的位置信息放在數(shù)組weizhi[13]中。

采集到顏色的RGB之后，經(jīng)過(guò)與預(yù)存顏色的RGB值進(jìn)行比較，即可確定所檢測(cè)的顏色?？紤]檢測(cè)誤差，檢測(cè)到的RGB值與預(yù)存的RGB值不可避免的會(huì)存在一定出入，故在比較過(guò)程中，采用笛卡爾距離法來(lái)比較兩種不同的顏色，這種通過(guò)計(jì)算兩種顏色RGB值的笛卡爾距離來(lái)確定導(dǎo)線顏色的方式，計(jì)算方便，控制程序簡(jiǎn)潔，有很高的實(shí)用性。其表達(dá)式為[5]：

實(shí)際應(yīng)用中，考慮到式(1)中運(yùn)算較為復(fù)雜，故其可簡(jiǎn)化為[5]：

其中 R、G、B是檢測(cè)的顏色值，R0、G0、B0是預(yù)存的顏色值。當(dāng)計(jì)算出的d值小于設(shè)定值時(shí)，即可認(rèn)為所比較的兩種顏色為同一顏色。

顏色檢測(cè)與比較的控制流程如圖2所示。

圖2 顏色檢測(cè)與比較流程圖

3 順序調(diào)整方法

在確定導(dǎo)線的顏色及位置信息后，系統(tǒng)即開(kāi)始對(duì)導(dǎo)線的順序進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，調(diào)整方法如下：機(jī)械手初始位置為I=0，根據(jù)表1所列導(dǎo)線排列順序，需要將紅色的導(dǎo)線調(diào)整到I=0的位置上來(lái)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，紅色的導(dǎo)線所處的位置為I=I1，則將紅色導(dǎo)線從I1調(diào)整到0位置，需要正向移動(dòng)I1-0個(gè)單位的距離。紅色導(dǎo)線調(diào)整到位后，機(jī)械手前進(jìn)一個(gè)單位距離，來(lái)到I=1位置，需要將黃色的導(dǎo)線調(diào)整到I=1的位置上來(lái)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，黃色的導(dǎo)線所處的位置為I=I2，則將紅色導(dǎo)線從I2調(diào)整到1位置，需要正向移動(dòng)I2-1個(gè)單位的距離。若I2-1<0，則反向移動(dòng)。黃色導(dǎo)線調(diào)整到位后，機(jī)械手前進(jìn)一個(gè)單位距離，來(lái)到I=2位置……直至最后一個(gè)導(dǎo)線調(diào)整到位。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)在數(shù)組weizhi[13]中的位置信息，將weizhi[13]與所需要的排列順序中各顏色對(duì)應(yīng)的位置信息（順序排列0,1,2,3,…）相比較，得出調(diào)整每種顏色的導(dǎo)線所需運(yùn)動(dòng)的步數(shù)step，并判斷其運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)正傳或者反轉(zhuǎn)相應(yīng)的步數(shù)，同時(shí)控制機(jī)械手機(jī)構(gòu)依次抓取待調(diào)整的各導(dǎo)線，將其運(yùn)送到指定位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)線順序的調(diào)整。具體控制流程如圖3所示。

圖3 順序調(diào)整程序流程圖

為了實(shí)現(xiàn)將隨機(jī)排列的導(dǎo)線調(diào)整成特定順序的排列方式這一功能，即實(shí)現(xiàn)圖3所示流程圖中的“執(zhí)行抓取、運(yùn)輸、放置動(dòng)作”這一步驟，機(jī)械手共需三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)待調(diào)整的對(duì)象沿橫向（X軸）、縱向（Y軸）及豎直方向（Z軸）的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)均由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，抓取導(dǎo)線所用的機(jī)械手為電磁鐵夾緊機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)流程如圖4所示。

圖4 機(jī)械手機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)流程圖

4 系統(tǒng)控制程序開(kāi)發(fā)

本系統(tǒng)中，顏色檢測(cè)、計(jì)算比較及順序調(diào)整均由80C52單片機(jī)控制，根據(jù)圖1～圖4所示的系統(tǒng)工作流程，采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)控制程序，包括主程序與子程序兩部分。在主程序中，所調(diào)用的各子程序類(lèi)型需在主程序前予以定義。主程序如下：

其中，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)程序只給出了X正向轉(zhuǎn)動(dòng)子程序，其他5個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)程序與之類(lèi)似，只是輸出接口不同，此處不再一一列舉。

5 結(jié)論

由于TCS230輸出為數(shù)字量，可以接入單片機(jī)，故基于TCS230的顏色檢測(cè)系統(tǒng)的連接電路都相對(duì)比較簡(jiǎn)單，且控制方便。本文利用TCS230的檢測(cè)作用，設(shè)計(jì)了導(dǎo)線顏色檢測(cè)及順序調(diào)整控制系統(tǒng)，采用笛卡爾距離比較法確定待檢測(cè)導(dǎo)線的顏色RGB值，并記錄相應(yīng)的位置信息；根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)導(dǎo)線的順序進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，設(shè)計(jì)了導(dǎo)線順序的調(diào)整方法與系統(tǒng)的工作流程圖；采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)控制程序。這種基于顏色識(shí)別的導(dǎo)線順序調(diào)整控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了串口自動(dòng)焊接時(shí)導(dǎo)線順序的自動(dòng)調(diào)整，經(jīng)相應(yīng)改動(dòng)后也適用于其他工業(yè)生產(chǎn)中相關(guān)工件位置的自動(dòng)調(diào)整，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

[1] 李喜朋,姚傳安,李明剛,等.基于顏色傳感器的綠色識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(27):13136-13138,13141．

[2] 段志偉,高丙坤,宋金波.基于RGB顏色傳感器旳油品顏色檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2013,40(8):982-985.

[3] 王晴,尹志勇.基于顏色傳感器TCS230的新型經(jīng)皮測(cè)疸儀的設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2008,27(9):100-102.

[4] 胡建民.顏色傳感器TCS230及顏色識(shí)別電路[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2006,53(4):40-41,53．

[5] 盧川英,于浩成,孫敬輝,等.基于TCS230傳感器的顏色檢測(cè)系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2008,26(6):621-625．

[6] 鄭鋒,王巧藝,等.51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)典型模塊開(kāi)發(fā)大全(修訂版)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2013.

[7] 劉志海.C程序設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.