一种便携式通用试纸测试仪的设计

2013-11-06杨晓婧武汉工程大学电气信息学院湖北武汉430205

长江大学学报(自科版) 2013年25期

关键词：试纸测试仪彩色

杨晓婧 (武汉工程大学电气信息学院，湖北武汉 430205)

蒋国一 (深圳市育才中学，广东深圳 518067)

熊俊俏，黄紫青 (武汉工程大学电气信息学院，湖北武汉 430205)

一种便携式通用试纸测试仪的设计

杨晓婧 (武汉工程大学电气信息学院，湖北武汉 430205)

蒋国一 (深圳市育才中学，广东深圳 518067)

熊俊俏，黄紫青 (武汉工程大学电气信息学院，湖北武汉 430205)

针对试纸测试的人为误差较大、使用不便的缺点，提出一种基于MSP430的便携式通用试纸测试仪方案。采用颜色传感器TCS230采集试纸颜色RGB值，并进行HSV颜色模型转换，得到可用于颜色比对的色调参数，通过与数据库对应的标准试纸参数进行比对，获得试纸测试结果。实际测试表明，该方法可用于各种类型试纸的测试，具有较高的测试准确度和稳定性。

颜色传感器； RGB值；HSV转换算法

试纸是指用化学药品浸渍过的、可通过其颜色变化检验液体或气体中某些物质存在或含量的一类纸，被用于诸多领域，如酸碱试纸检测溶液的酸碱性，区间试纸检测水质硬度，生化试纸可测定血液、尿和其他体液中的生化物质，例如血清、血浆和尿中的胆红素、蛋白质、葡萄糖、血红素、酮体、亚硝酸盐、尿胆素原等，以及农药残留[1]、房屋装修的甲醛检测检测、早孕检测等。因此试纸的应用是非常广泛的，融入到人们生活的方方面面，但大部分试纸的阅读仍为传统的肉眼观察与比对，因此其准确性受到环境、人为认知因素的影响，同时广大色盲患者也无法较好使用，部分试纸则需要昂贵的专用设备，影响了其应用的范围。随着颜色传感器的出现，颜色检测和颜色变化的识别在工业、农业、医学应用中起着重要作用[2]，基于颜色传感器的试纸自动阅读将走进千家万户，进一步方便生活，如机器人视觉等。颜色传感器大多直接采集试纸的RGB值(R:red；G:green；B:blue)，无法进行自动阅读和比对，需要进一步进行颜色空间的变换，选择比较对象，文献[3]将RGB转换到SVM颜色空间，求取最小色差，但该方法需要经过两次颜色空间变化，算法稍复杂。笔者结合数据库与低功耗技术，直接将RGB转换为HSV颜色空间，依据标准试纸的色调确定判决区门限，其算法简单。

1 系统总体结构与硬件设计

图1 pH测试仪框图

系统由颜色传感器、控制器、显示器以及试纸运送机构构成，如图1所示。颜色传感器选用TAOS公司的TCS230数字传感器，控制器选用MSP430低功耗单片机系统。颜色传感器处于密闭的空间内，并配有无影高亮白色LED光源辅助，颜色传感器前配有透镜，用于试纸测试光线聚焦，控制器步进控制电机传送试纸，将试纸所有颜色样本读入，与所选测试项目的标准试纸颜色库进行比对，获得所测对象的参数或范围。

图2 TCS230的引脚和功能框图

颜色传感器是将采集的物体颜色与参考颜色进行比较来检测颜色，若2个颜色在一定的误差范围内相吻合时，输出检测结果[4]。颜色传感器TCS230实际上为可编程彩色光到频率的转换器，将硅光电二极管与电流频率转换器集成，同时集成了红绿蓝3种滤光器，输出为对应三基色R、G、B的方波信号，以方波频率对应三基色成分大小，不同的颜色和光强对应不同频率的方波，范围从2Hz到500kHz。TCS230的引脚和功能框图如图2所示[5]。

2 系统软件设计

2.1颜色模型

颜色是一种对光的视觉效应，通常采用颜色空间描述，也称彩色模型。常用的彩色模型有RGB、CMY、HSV、HSI等。RGB模型是依据人眼识别的颜色定义的空间，可表示大部分颜色，但由于其细节难以进行数字化的调整，如将色调、亮度、饱和度3个量置于一起，则很难分开，主要用于彩色监视器和彩色视频摄像。CMY是工业印刷采用的彩色模型，与RGB不同，CMY是依据反射光得到的，常用于彩色打印机，如四色墨盒。HSV、HIS 2类彩色模型是为了更好的数字化处理颜色而提出来的，色调H代表色相角，S代表饱和度即色彩的纯度，V代表明度，L代表亮度，I代表强度，H取值0～360°，为色相角，红色对应于0°，绿色对应于120°，蓝色对应于240°。

TCS230颜色传感器采集的颜色为RGB彩色模型，这里需要采用HSV颜色模型进行颜色处理，即采用HSV模型的色相H的阈值参数来识别。

2.2颜色空间变换

该系统中，TCS230颜色传感器采集样本的颜色RGB值为(r，g，b)，分别代表颜色的红、绿和蓝值，设max、min分别为r、g、b中的最大值和最小值。

从RGB到HSV颜色空间转换，对应关系为[6]:

(1)

(2)

v=max

(3)

RGB模型的颜色值r，g，b均为0～255。依据式(1)，可得到HSV颜色空间中几种特殊颜色的阈值H，如表1所示。

2.3信号处理

颜色测试前，一般需要进行白平衡处理，即对RGB参数进行调整，使TCS230对所检测的“白色”中的三基色相等，准备后续的颜色识别。白平衡调整的具体步骤和方法如下：打开电源，将一张白纸送入测试仪内，程序依次选通3种颜色的滤波器，测量红、绿、蓝3种颜色对应的频率值，经过系数处理，使其均为255。所确定的系数对后续的测试有效，并对所测量的r、g、b值分别进行处理。

表1 几种特殊颜色的阈值表

2.4程序流程

图3 便携式试纸测试仪程序流程图

便携式试纸测试仪的程序流程图如图3所示。系统初始化，包括白平衡校对，接着根据按键值，实现功能扩展和试纸检测等功能，若按键值为0，则进行标准试纸的检测，计算相应的阈值参数并储存，扩展测试功能；若按键值为N，则选择对应编号的阈值参数，检测待检试纸，读取相应的RGB值，并进行HSV彩色模型转换，并与阈值参数比较，获得相应的检测结果。