便携式智能辨色仪的设计与实现

2011-07-26周炯亮陈青华郑安平姜利英

自动化仪表 2011年10期

周炯亮陈青华郑安平姜利英

(河南职业技术学院机电系1，河南郑州 450002;郑州轻工业学院电气信息工程学院2，河南郑州 450046)

0 引言

随着现代工业生产向高速化、自动化方向的发展，颜色检测装置被越来越广泛地应用于颜色测量、颜色变化的识别、打印控制、颜色校正、食品安全、农业生产和机器人安全监控等领域。早期的颜色传感器识别电路复杂，在确定颜色隶属度上，只是在RGB颜色空间上按照两个点的颜色距离进行隶属度的划分，颜色的归类识别效果并不理想［1］。近几年，部分颜色识别基于图像处理技术，采用CCD摄像机对目标图像进行采集和还原，以达到颜色识别的目的［2－4］。然而该方法成本较高，这在很大程度上限制了检测的便捷性。

本设计采用高分辨率颜色传感器TCS3200D进行颜色识别和转换，结合16位低功耗单片机MSP430F149为核心控制芯片进行计算、标定与控制，并配合外围芯片设计了便携式智能辨色仪，其不仅能实现颜色的识别与检测，还具有许多优良特性。试验验证该辨色仪测量结果同人眼的颜色感觉基本一致，在残疾人辅助工具、农业和食品加工行业具有较好的应用前景。

1 系统硬件设计

系统由三组光源、颜色传感器、微处理器、语音模块、时钟模块、电源管理模块、存储模块和按键等组成，如图1所示。系统的具体功能为系统上电后，自动打开外加辅助照明光源，自动测白平衡后获得白平衡参数，在语音提示测量的状态下按下测量按钮，颜色传感器读取被测物体的颜色信息，产生的信号传送给MSP430F149进行计算、标定与控制。可编程分段的低成本OTP系列语音模块预先烧写相关语音数据，结合MSP430F149可实现实时颜色与当前时间播报。电源充电管理模块可进行低电压语音提示和智能充电等多种功能。

图1 辨色仪系统结构图Fig.1 The structure of the color discriminator system

1.1 颜色传感器TCS3200D

TCS3200D是TAOS公司推出的带数字兼容接口的彩色光/频率转换器，其内部集成了可配置的硅光电二极管阵列和1个电流/频率转换器。芯片上集成有红、绿、蓝(RGB)3种滤光器，上面有1个数字兼容接口，输出的是数字量，可以直接驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，特别是能够直接与微处理器连接而不需A/D转换，实现每个彩色信道10位以上的转换精度。芯片内含1个交叉连接的8×8光电二极管阵列，其中每16个二极管提供一种色彩类型，共有红、蓝、绿和清除全部光信息4种类型，可最大限度地降低入射光幅射的不均匀性。所有相同颜色的16个光电二极管都是并联连接，工作时通过可编程的引脚来动态选择色彩，以增加精确度、简化光学电路。该芯片采用8引脚SOIC表面贴封装，适用于色度计的测量应用。

TCS3200D具有可完成高分辨率的光照度/频率转换、色彩和满度输出频率可编程调整、可直接与微处理器通信等特点。当入射光投射到TCS3200D上时，TCS3200D通过内部光电二极管控制引脚S2、S3的不同组合，选择不同滤波器的类型，经电流频率转换器转换后输出不同频率的方波(占空比为50%，不同的颜色和光强对应不同频率的方波)。该转换器对光响应范围为1 Hz～250 kHz，典型输出频率范围为2 Hz～500 kHz，用户可通过2个可编程引脚S0和S1来选择100%、20%或2%不同的输出比例因子，对输出频率范围进行调整，以适应不同的需求。TCS3200D的输入输出引脚可直接与微处理器或其他逻辑电路连接，通过输出使能端OE将输出置于高阻状态，可使多个器件共享一条微处理器输入线。与TCS230相比，TCS3200D性能更稳定，工作环境温度可低至－40℃，功耗和成本均更低。TCS3200D颜色传感器应用范围广泛，适用于色彩测量、打印控制、显示颜色校正、人工视觉和光线检测等领域［5］。

1.2 照明光源的选择

颜色检测系统对照明光源的要求十分严格:既要使光线照射在物体上能够实现反射，又要使这些光源对颜色测量的影响尽可能小，且照明光源必须满足照明寿命长、明亮、广谱、体积小和发热量低等要求。TCS3200D自身不带光源，在实际应用中必须考虑光源补偿。由于白色光是各种颜色光光谱的叠加，因此，用白色LED光源作为试验测定的标准光源，可避免试验中的人为误差。试验时把一组白色LED灯排成圆形分布在颜色传感器周围，从而使光源发出的光尽量均匀地照在被测物上。

1.3 硬件电路部分的设计

微控制器部分采用业界公认的超低功耗TI公司的16位RISC混合信号处理器的MSP430F149单片机，它具有集成度高、外围设备丰富、功耗超低等优点，在便携式仪表的设计领域得到了广泛的应用。MSP430F149具有较强的计算能力，针对设备小型化、移动化的要求，在功耗方面作了相应的优化［6－8］。智能辨色仪电路图如图2所示。

图2 智能辨色仪电路图Fig.2 Circuitry of the intelligent color discriminator

颜色传感器部分共占用5 个管脚(P1.0～ P1.4)。P1.1和 P1.2控制输出比例因子，P1.3和 P1.4控制滤波器的选择。转换后的频率输出端接微控制器的定时器外部输入TACLK端，MSP430的定时器设置为外部计数方式。计数器寄存器的值对应的即为TCS3200D的输出频率，则结合相应的算法，可以得到R、G、B的颜色和强度，再对比存储区的标准模库表，即可得到实际的颜色。

语音模块采用OTP语音芯AC8040，支持DAC和PWM输出，内置电阻，应用电路非常简单，可编程分段时长达40 s，音质效果好、成本极低。为了实现可编程分段式播放，控制方式选择为串行模式，通过单片机与语音芯片进行串行通信播放相应的段。与单片机连接时占用单片机 2 个管脚(P6.0和 P6.1)，使用时 P6.0先发复位脉冲(宽度2 ms)，延时1 ms后，由触发口 P6.1发触发脉冲，以触发语音播放，由发出的脉冲个数确定识别第几段语音信息。

按键单元共占用 3 个管脚，分别为 P1.5、P1.6、P1.7，分别对应测试键、向上查询键和向下查询键3种状态。按键模块采用中断方式，方便系统软件设计，可实现中断控制进入正常颜色测试，向上或向下查询历史记录。

基于E2PROM掉电时数据不丢失的特性，存储模块采用 AT24C512，共占用 P4.0(SCL 时钟线)和 P4.1(SDA数据线)两个引脚。单片机内部没有自带的I2C接口，这里使用GPIO模拟I2C总线协议时序进行数据的读写，实现测量数据及测量时的时间存储。试验中，每次测量数据和当前时间共需至少10 bit来保存，因此，AT24C512芯片512 kB的容量，最多可以存储6000组数据。

LED 光源模块占用 6 个管脚(P5.2～ P5.7)。在白光照射下RGB颜色传感器的输出并不相等，可根据实际环境光线适时调整补偿光源的强度并进行白平衡补偿。

实时时钟模块的主要功能是实时记录当前时间，每次测量时的时间亦与颜色值为一组，在微控制器的控制下自动存储。时钟模块共占用MCU三个管脚，分别为 P4.2、P4.3、P4.4。该模块接有备电，断电时不会停止或丢失，且只需在设备第一次使用时设置一次时间即可。

1.4 电源模块

针对便携式仪表低功耗设计的要求，智能辨色仪的电源系统采用了MAX1674升压芯片和TP4054电源充电管理模块，如图3、图4所示。MAX1674在提供了系统电源的同时又通过LBO接单片机的 P5.1引脚，实现了电池欠压检测的功能。TP4054芯片结合USB电源接口和电池供电的双通道供电模式，实现智能充电和管理，从而为系统进行供电和充电，方便用户使用。

2 软件部分

软件部分主要包括微控制器MSP430F149与颜色传感器TCS3200D测频接口模块、白平衡校正子程序、颜色比较子程序、语音模块、E2PROM读写模块和时钟模块等。

系统上电进入测试时，首先自动进入白平衡校正模块，当前RGB值被存储到E2PROM存储器中，利用堆栈的原理更新校正值，建立白平衡校正值库;然后进入测频模块，根据简化后的最小笛卡尔距离的原理，把颜色比较子程序中对被测物的RGB值和事先存储在E2PROM中的36种颜色识别库中的值相比较，得到最接近的颜色代码，通过调用语音模块实现颜色和时间的播报、存储和查询等多种功能［9－11］。