馬文秀，時維鐸，徐 磊，丁小田

(南京林業(yè)大學，江蘇 南京 210037)

隨著社會的快速發(fā)展，中國汽車行業(yè)已成為我國的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著國內(nèi)汽車總量的不斷增加而不斷發(fā)展，在整個規(guī)模上，人們對烤漆房的需求，也在不斷增長，而質量好、要求高的專用型烤漆房市場份額越來越占市場更大的比例?，F(xiàn)在人們不僅對汽車的質量要求高，而且對汽車外觀顏色的要求也越來越高，因此烤漆房成為人們關注的焦點。烤漆房是一種給設備表面進行噴漆染色并烘干的設備，它不僅能對設備起到美觀的作用，而且還能保護物品;既可以防止物體在潮濕和灰塵的惡劣環(huán)境中遭到腐蝕，又可以防止金屬件被侵蝕。但是國內(nèi)大多數(shù)烤漆房還存在一些弊端。第一，大多數(shù)調漆工都是用自己的眼睛來識別顏色，區(qū)分出顏色的暗度或亮度級，顏色的鮮艷或飽和度。由于人的眼睛最多可以分辨出約180 種不同的顏色，利用人的眼睛對辨別顏色不僅花費的時間長，而且也不精確;第二，烤漆房烤漆時預定的干燥溫度是(55 ℃～60 ℃)在整個烤漆過程沒有顏色的在線檢測。又由于顏色傳感器TCS3200D 工作溫度范圍是(－40 ℃～+85 ℃)，因此本文將通過TCS3200D 顏色傳感器與溫度傳感器相結合進行顏色在線檢測，并通過液晶顯示直接觀察到烤漆房內(nèi)汽車表面顏色，當顏色達到設定值時，烤漆房自動關機，烤漆結束。從而可以節(jié)省時間，提高噴涂、烤漆的質量和生產(chǎn)的效率。

1 CIE 標準色度系列

1.1 顏色匹配實驗

色光混合顏色匹配實驗是通過紅(R)、綠(G)、藍(B)三種平行色光照射在左邊黑檔屏上，并且映在白屏幕上的光斑重合在一起。被匹配色光(C)照在黑檔屏的另一邊。人眼通過黑屏上的小孔可同時看到黑檔屏的兩邊，并且觀察視場限制在2°范圍之內(nèi)。在整個實驗過程中，調節(jié)紅、綠、藍色光的強度，直到黑檔屏兩邊的視場呈現(xiàn)相同顏色，就完成了顏色匹配［1］。實驗證明，顏色匹配不受背景顏色的影響，即顏色匹配遵守顏色匹配恒常定律。但是由于人的眼睛受到強光刺激時，此定律也會失效。

1.2 光的三原色

光的三原色:紅、綠、藍，這三種顏色產(chǎn)生一種表示方法，英文縮寫為RGB。如果用圖1 所示的顏色立方體來表示1個單位量的三原色混合，那么R、G、B 混色后可能形成的所有顏色都將包含在該空間中，顏色空間以紅、綠、藍為軸，紅、綠、藍的坐標就像x、y、z 的坐標［2］。在坐標(0，0，0)處就代表所紅、綠、藍顏色的強度都為0，即黑色。在坐標(255，255，255)紅、綠、藍顏色的強度達到最大值，為白色。不同的灰色值，就分布在(0，0，0)到(255，255，255)這條立方體的對角線上。由于三種顏色的最大值相加為白色，我們稱RGB 為加色模式。即三色相交一起，產(chǎn)生白光。如發(fā)光管它有多少種顏色呢，我們知道紅色的值分為0～255，故紅色有256 種色值，所以紅綠藍三色疊加，就是256 的三次方，一共能產(chǎn)生1678 萬種顏色(俗稱“真彩”)，這就是顯示器所能顯示的最大顏色數(shù)。故RGB 對應的媒介為光束。當RGB值均為0 時，該部分為黑色，當RGB 值均為255 時若RGB 三色值相等時無色相，是灰值，其值越小顏色越深。如RGB 值為10，10，10 為深灰，RGB 值240，240，240 為淺灰。

圖1 顏色空間立方體

1.3 顏色測量原理

當入射光投射TCS3200D 上時，通過光電二極管控制引腳S2、S3 的高低電平組合，我們可以選擇不同的濾波器;經(jīng)過電流-頻率轉換器輸出不同頻率的方波(占空比是50%)［3］，由于不同的顏色RGB 值不同和光照強度高低，因此輸出不同頻率的方波;我們還可以通過控制引腳S0、S1，選擇不同的輸出比例因子，來調節(jié)頻率的輸出范圍，來滿足更多方面的需求。當S0 和S1 都為低電平時，關閉電源;當S0 為低電平，S1 為高電平時，OUT 輸出脈沖長度為最大輸出頻率的2%;S0 為高電平，S1 為低電平時，OUT 輸出脈沖長度為最大輸出頻率的20%;S0 為高電平，S1 為高電平時，OUT 輸出脈沖長度為最大輸出頻率的100%［4］;S2、S3 用于選擇濾波器的類型;OE 低電平有效，可以控制輸出的狀態(tài)，當有多個芯片引腳共同輸出時，此引腳也可以作為片選信號。當S2 和S3 都為低電平時，選擇紅色濾波器;當S2 為低電平，S3 為高電平時，選擇藍色濾波器;S2 為高電平，S3 為低電平時，可以透過全部的光信號;S2 為高電平，S3 為高電平時，選擇綠色濾波器［5］;S0、S1、S2、S3 引腳功能分配圖如表1 所示。

表1 S0、S1、S2、S3 腳功能分配圖

2 總體方案設計

2.1 總體原理框圖的設計

本次設計以STC12C5A60S2 作為控制器，本次設計采用的是5 V 電源。利用單片機與顏色傳感器進行傳輸處理，并通過LCD12864 進行顯示，其總體原理框圖如圖2 所示。

圖2 總體原理框圖

2.2 TCS3200D 模塊圖

圖3 中TCS3200D 顏色采集模塊是有4 個白色的LED燈和64 個光電二極管組成。4 個LED 燈作為照明光源，用來檢測不發(fā)光的物體［6］。64 個光電二極管中，其中16 個光電二極管帶有紅色濾波器，只能通過紅色;16 個光電二極管帶有綠色濾波器，只能通過綠色;16 個光電二極管帶有藍色濾波器，只能通過藍色，其余16 個不帶有任何濾波器，可以透過全部的光信號，這些光電二極管在芯片內(nèi)是交叉排列的，能夠最大限度地減少入射光輻射的不均勻性，從而增加顏色識別的精確度;另一方面，相同顏色的16 個光電二極管是并聯(lián)連接的，均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差［2］，提高了它的適應能力。

圖3 TCS3200D 顏色采集模塊

3 硬件電路設計

本次設計采用STC12C5A60S2 作為主控制器，整個測試過程中數(shù)據(jù)的采集，處理與傳輸，是由TCS3200D 顏色傳感器、STC12C5A60S2 和電源組成，通過單片機對顏色傳感器進行控制，輸出測量物體RGB 值，在12864 上顯示，又由于汽車表面比較大，本實驗設計TCS3200D 三并聯(lián)形式感應器［6］，由三個TCS3200D 并排組合，S0、S1、S2、S3 是選擇濾波器類型和輸出頻率的比例系數(shù)，OE 使能端作片選，分別單獨使用，OE 低電平有效，實現(xiàn)更多傳感器的控制和多點采集。并且測量的最佳距離為10 mm。

4 軟件設計

系統(tǒng)上電以后，軟件部分主要是對STC12C5A60S2、TCS3200D 顏色傳感器和12864 液晶顯示進行初始化，并在測試顏色之前一定要對TCS3200D 進行白平衡，如果白平衡按鍵沒有按下，則判斷是否有顏色識別，若有顏色識別則調測量子程序，否則返回，等待下一次測量，白平衡按鍵按下則調白平衡子程序，然后進行顏色識別，并通過12864 液晶顯示屏顯示RGB 值，測試完畢則返回。系統(tǒng)的總體流程圖如圖4 所示［7］。

圖4 系統(tǒng)總體流程圖

在顏色識別過程中一定要注意以下兩點:首先，在顏色測試之前一定要進行白平衡，由于人的肉眼分辨出的白色并不是完全的純白色，因此對測試結果也會產(chǎn)生一定的影響，所以我們一定要進行白平衡。其次，在測試過程中要避免外界光線的干擾，否則對測試結果會有一定的影響。

5 測試結果及分析

1)在整個測試過程中要避免外界光線的干擾，否則測試的RGB 值與實際值相差很大，本次設計采用一個避光小木頭盒子來提高傳感器測量的精度。本次主要對紅色、粉色、藍色、淺藍、黃綠、黃色和白色進行顏色測試如圖5 所示。

圖5 顏色測試圖

對以上所測結果進行分析，通過測量的RGB 值輸入到word 文檔里的繪圖工具的調色板中與實際值顯示的RGB 值顏色基本相同，本TCS3200D 的測試精度還是相對比較高的。

圖6 溫度與電流的關系

通過圖6 電流與溫度的曲線關系可知，隨著溫度的升高電流也會隨著增加，電流與溫度成線性關系，由于TCS3200D在a 小于等于700 nm 時，工作溫度范圍是－25 ℃～+70 ℃，而烤漆房的溫度在+20 ℃～+60 ℃正好滿足烤漆房的調溫，以提高烤漆房汽車表面顏色的質量。

6 結論

本次設計使用了數(shù)字式TCS3200D 顏色傳感器和低功耗的MSP430 搭建的顏色識別電路，由于TCS3200D 輸出的是數(shù)字量，簡化了電路［8］，測量速度快，精度高。在汽車烤漆房具有一定的實用性。

［1］徐海松.顏色信息工程［M］.杭州：浙江大學出版社，2005：10－49.

［2］張菁，楊應平，章金敏，等.基于TCS3200D 的顏色在現(xiàn)與分類［J］.2013，46(4) ：257－260.

［3］胡建民.顏色傳感器TCS230 及顏色識別電路［J］.2004(4) ：40－41.

［4］李梅花，喻璽，周海波，等.基于TCS3200D 的多路顏色采集系統(tǒng)設計［J］.2014(12) ：26－29.

［5］何利民.單片機高級教程—應用與設計［M］.北京.北京航天航空大學，2007.

［6］蔣寅國，鄧燕妮.基于TCS3200D 的多點顏色檢測裝置的設計［J］.2011(3) ：54－57.

［7］譚浩強.C 程序設計［M］.北京：清華大學出版社，2005.

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