木材颜色深度自动化分选系统设计

白军杰 蔡家斌

摘要：为改善木材颜色自动化分选现状，本文对木材表面颜色采集、色差等级及其算法进行研究。利用TCS3200D颜色感应器产生RGB三基色脉冲信号，通过STM32F407ZGT6芯片对其信号进行捕获，通过比例因子将颜色传感器芯片的输出信号转换对应RGB三基色数值，并通过灰度计算公式将RGB三基色转换成灰度值，该灰度值与已提供的10个颜色灰度色差区间对比筛选，LCD显示分选结果，只需加装分选机构，即可自动分选木材。通过实际测试表明，本设计响应速度快，分选精准，完全达到木材自动化分选加工要求。

关键词：木材表面颜色 颜色深度 图像采集 颜色分选

中图分类号：TD352 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）07-0171-02

目前国内对木材的材色均匀性要求严格的家具、木质装饰企业，多数采用人工的方式对存在色差的木材进行分选，存在分选精度不高、色差控制不准确、分选人员多、分选效率低下、生产成本高、流水线作业难、机械化程度低等突出问题。国内有些科研人员也对木材色差的自动分选方式进行了研究，结果与国外发达国家的自动化水平相比，依然存在着采集的木材表面颜色失真度高、自动分选准确性低等的问题。为提高我国木材加工企业的木材色差的分精确性和自动化水平，根据企业对木材色差自动分选的需求状况，本文针对性地开展了木材颜色分选智能系统的研究。经过对木材颜色的特点的研究，所研究的色选系统根据对木材颜色进行灰度单值化处理之后，再根据颜色分选区间，确定木材所属颜色等级。

1 总体设计方案

设计的木材表面颜色采集-色差高效自动分析系统由TCS3200D颜色感应器、STM32F407ZGT6微处理器、ILI9341液晶显示器及其相关电子辅助设备组成。各种设备间使用SPI、8080等通讯协议通讯，框架图如图1。STM32F407ZGT6捕获TCS3200D感应器输出的木材表面颜色RGB各分量脉冲信号，再根据人眼识别习惯将读取的RGB数据转换灰度值，与预先通过LCD显示器设置的10个灰度等级标准区间进行对比，得出分选结果并显示，从而实现智能操作、可根据色差范围要求进行分选。

2 颜色采集设计

颜色采集设计包括颜色感应器和软件设计。颜色感应部分核心硬件为TOAS公司生产的TCS3200D颜色感应器。该传感器工作在电压为2.7V-5.5V，50KHz工作状态下误差小于0.2%，并具有电源关闭功能，支持片选；可输出2%、20%、100%三种频率波段；输出频率占空比为50%；可直接输出对应RGB颜色脉冲，无需通过模拟-数字转换；最佳有效光源距离10mm，就木材表面颜色特性而言，采用TCS3200D颜色传感器足以胜任颜色采集任务。

TCS3200D感应芯片框架图如图2，当木材反射的光照射到TCS3200D颜色传感器上，不同颜色的反射光会导致其OUT输出频率不同，根据OUT输出频率即可分辨不同颜色。通过S2和S3引脚高低电平对颜色RGB分量进行选择，比如当S2和S3同时为低电平时，OUT引脚输出脉冲代表R值分量，具体组合见表1。通过S0和S1引脚高低电平对OUT输出脉冲频率进行选择，比如当S0为低电平，S1为高电平时，OUT输出脉冲频率为最大输出频率的2%，具体组合见表2。

2.1 感应装置硬件设计

考虑到木材板坯具有一定宽度，若采用单一TCS3200D颜色传感器，颜色采集区域非常狭窄，为扩大颜色采集区域的宽度，方便采集宽度幅面板坯表面的颜色数据，本实验设计初步选用三并联TCS3200D形式感应器，即由三个TCS3200D并排组合，中心间距15mm。其中公用输出频率选择引脚S0和S1、输出颜色选择引脚S2和S3、输出端OUT，而片选使能端OE分别独立使用，OE低电平有效，通过软件设计轮番对三个TCS3200D进行数据读取。TCS3200D硬件三并联连接原理图如3。本装置中还添加了8个0.2W白光LED灯，为TCS3200D传感器提供白色光源。

2.2 颜色感应器软件设计

根据上述颜色感应器硬件设计，软件轮番读取三个TCS3200D数据，并且在轮番读取过程中，分别对每一个感应器轮番读取RGB三基色分量。

软件开始，首先拉低TCS1的OE引脚，拉高TCS2和TCS3的OE引脚，只使能TCS1，进入子程序（子程序在MCU算法中表现），然后读取分别通过拉低或者拉高S2和S3引脚，OUT引脚输出对应RGB脉冲，读取TCS1的RGB分量，退出子程序后，转向对TCS2，使能TCS2输出，输出完成后，同样对TCS3使能输出。当读取完成TCS3之后，重新对TCS1进行读取。

3 MCU设计和相关算法

MCU（微型中央处理器）选择STM32F407ZGT6，该芯片为ST公司生产的Cortex-M4系列芯片，其运算频率高达168MHz，具有2个高级定时器、10个通用定时器和2个基本定时器。其中，通用定时器计数频率为84MHz，可以完成0-65535从上至下或从下至上计数。本程序使用定时器TIM2的通道1对TCS3200D的OUT引脚输出脉冲进行捕获，并计算不同颜色下脉冲输出值。

3.1 STM32F407ZGT6硬件连接设计

STM32F407ZGT6引脚众多，为了能方便说明其与TCS3200D的硬件连接方式，只列出以下几个引脚，分别是STM32F407ZGT6的GPIOF.5（以下简称PF5）连接TCS公用OUT引脚，为线号捕获线，PA4连接TCS公用S2引脚，PA7连接TCS公用S3引脚，PE5连接TCS公用S1引脚，PE6连接TCS公用S0引脚，PC6连接TCS1的OE1引脚，PC7连接TCS2的OE2引脚，PC8连接TCS3的OE3引脚。此外STM32F407ZGT6的其他基本功能引脚比如时钟线号线等，因为不作为本程序重点，故此不做详细陈述。STM32F407ZGT6和TCS3200D颜色感应器硬件连接图见图3。

3.2 STM32F407ZGT6数据捕获和颜色转换

使用STM32F407ZGT6的TIM2通道1进行OUT引脚频率捕获。首先初始化TIM2通用计时器，初始化采用21分频，因为TIM2计数时钟为84MHz，即1/84us计数1次，采用21分频时，即采用21/84us（0.25us）计数一次。因为TCS3200D输出为方波，占空比为50%，只需要连续捕获两次上升沿信号，即可完成一次周期采集。当捕获第一次上升沿信号时，清空TIM2计数器，等待捕获第二次上升沿，读取TIM2计数器数值N，即可算出一个输出周期时间T，T=TIM2计数器N*0.25us。

捕获到的具体RGB分量周期之后，还需与白光光照情况下的RGB数字进行比较，方能算出具体RGB数值。因此，在对不同颜色RGB进行捕获之前，需要先进行白平衡。白平衡的方法为，将有白光穿过的试管至于TCS3200D至上，分别得出RGB三基色分量周期，该三个周期即为标准白光RGB数值，与255进行对比，得出颜色系数。为了简化后期人员的相关操作，TCS3200D在出厂时已经标明具体RGB白平衡系数，所以，只需通过LCD电容屏对其进行相关设置即可。

3.3 颜色灰度值处理

读取到木材表面的RGB颜色分量分别是红、绿、蓝三数值，根据这三个数值是无法判断颜色深度，为了能够将三个数值转换成为一个数字产生可比性，并且结合人眼对颜色深度区分习惯，故选择灰度值比较方法。灰度即以黑色为基准色，用不同饱和度的黑色来显示图像。通常像素量化后用一个字节（8bit）来表示。如把由黑到灰到白的连续变化的灰度值量化为256个灰度级，则灰度值的范围为0～255，其表示亮度从深到浅，对应图像中的颜色为从黑到白，RGB 转为灰度值的心理学公式如公式1。

Gray=30%×R+59%×G+11%×B （1）

MCU通过上述公式即可完成度颜色-灰度值的转换，木材表面颜色将被转换成为0-255之间的量化数值，从而方便颜色深浅度的比较，得出色差等级。与其他颜色深浅度表示的方式比较，如LS-SVM等方法，灰度比较方法更加简单。

4 TFTLCD信息输出

TFTLCD液晶显示器作为人机交互的重要硬件设备，在自动化控制系统中必不可少。本系统直接利用ILI9341电容屏作为输出信息和相关操作设备。

5 流水线设计

根据系统设计要求，完成流水线基本装配，装配设计有SolidWorks设计。

6 结语

本设计使用STM32F407ZGT6作为核心处理器、TCS3200D颜色传感器为颜色采集芯片，两者协同工作，具有数据处理速度快、响应迅速、数据处理稳定、成本低等特点，同时因颜色感应芯片体积小，流水线作业产生的震动造成的图像噪音有很好的应对效果。优化后的灰度算法，更加适应于木材表面颜色深度分选。系统操作成熟，LCD液晶控制器使得控制和信息反馈方便，操作人员技术要求低，分选速度快，可以满足木材流水线加工需求，为木材颜色自动化分选提供了行之有效的解决方案。