基于颜色识别的粮食检测系统

2021-06-29张春光

数字技术与应用 2021年5期

关键词：白平衡蜂鸣器色差

张春光

(黑河学院,黑龙江黑河 164300)

0 前言

采用的主要硬件包括具有高度色彩分析能力的TCS230颜色传感器、拥有高频率且运行速度很快的AT89 C51单片机、显示作用的LCD1602以及实现提示作用的蜂鸣报警器等,在他们的共同作用下,该系统实现了人们对细微色彩变化的观察研究。

1 颜色识别系统分析

颜色识别系统在我们日常生活中的应用越来越深入,以往我们在遇到需要进行颜色识别的步骤,都是通过人为肉眼进行观察的,然而这种观察方式会因为外部环境变化而发生一定改变,例如周围环境、光照强度、甚至是观察人员主观上的差异等,因而直接使用肉眼对物体颜色进行观察产生的结果会与真实的结果存在一些差异。一些研究人员为了减少这个误差努力研究,现在人们设计出了多种检测颜色的仪器。

如RGB 颜色传感器、色差传感器、硅双结型颜色传感器、光纤颜色传感器、机器视觉颜色检测系统等。RGB 颜色传感器。RGB三个字母就是Red红色,Green绿色,Blue蓝色的首字母缩写,仅仅凭借着这三种颜色就可以创造出无数的新的色彩。RGB 颜色传感器就是利用这三种颜色的滤波片进行工作的,它的具体工作内容就是利用三种颜色的滤波片将三种颜色分开,对每种颜色单独进行光强检测,所以这种颜色传感器测试出的数据更加精准,误差小,且使用方便。RGB颜色传感器的另一种工作模式同样是依据的红、绿、蓝三种颜色,不同于之前的直接叠加,而是通过光强的反射来完成检测的。这种测试方法的优点是可以识别出很细小的颜色。但是应用反射的原理,会对外界的环境要求比较大。总体来说,RGB 颜色传感器是易于操作、精准度较强的。

2 颜色识别系统的基本原理

本文研制的基于颜色识别的粮食安全检测系统是采用TCS230颜色传感器来实现对色彩进行采集的。本文研制的这个颜色识别系统主要作用就是像人眼一样可以对物体进行观察,不仅如此,他还要拥有更加强大的功能也就是需要他观察到人们肉眼不能够识别出差异的颜色[1]。物体不同颜色的产生大多数都是因为包含了各种不同颜色的光照射到物体表面,物体却选择性的只吸收了其中一部分光而形成的。而不同种颜色的产生则是因为红、绿、蓝三种颜色混合的比例不同造成的。

色差传感器。在生活中并不是每一个领域都需要对颜色进行精准且细微的区分,在很多时候只需要将颜色差异性很大的物体进行简单区分就可以,这样就不需要使用那些复杂的设备,色差传感器就是应用在这些需求简单的检测中。色差传感器主要应用在物体的区分筛选、质量检测等不需要识别具体颜色,只需要区别色彩的行业领域。目前,色差传感器的发展很迅速,种类也很多,而且他们都具有价格低廉的特点。所以,色差传感器广泛的应用在工业生产中。

硅双结型颜色传感器。这种颜色传感器主要是利用硅的光学性质进行工作的,它的组成结构是由两个P-N 结构成。具体的工作原理是待测物的光线照射到P-N 结上,硅可以对入射到两个P-N 上的不同颜色的光进行吸收,继而获取到一些信息,经过科学的分析计算处理,从而得到我们需要的数据。硅双结型颜色传感器的结构非常简单,易于操作及完成。

光纤颜色传感器。光纤传感是一门新的传感技术,光纤传感器对外界的感知十分敏感,所以他在工作过程中往往会随着检测物体的一些微小变化甚至是外界环境变化而使检测到的数据发生改变。不仅如此,光纤传感器还有很强的环境适应能力,它可以在很多恶劣的条件下进行工作。

机器视觉颜色检测系统,机器视觉的工作原理主要是利用光源照射到待测物体上,再利用图像捕捉系统对被照射的待测物体进行图案获取,再将所得的图案进行处理,将模拟图像转换成数字信号,再对其进行各种处理,以得到我们想要的颜色、大小等数据信息。

2.1 TCS230颜色传感器的工作原理

由于颜色的差异在于红、绿、蓝三种颜色的混合比率不同,因此待测物体的颜色确认可以通过红、绿、蓝三种颜色的混合比率确定。TCS230彩色传感器使用的是针对一种颜色识别的原则。TCS230颜色传感器在进行工作时选择的方法就是分别筛选出三种颜色的光强,采用的方法是当它对某一种颜色的光进行筛选时,它会只针对这一种颜色的光进行工作,忽视其他颜色的光从而确定其光强,然后再针对另外两种颜色的光线采取相同的方法进行检测[2]。

2.2 白平衡原理

在使用本文的基于颜色识别的粮食安全检测系统对物体进行颜色识别时,为了测试的准确性,需要提前对TCS230颜色传感器进行白平衡校正,白平衡就是用来确定系统白色标准的。将红、绿、蓝三种不同颜色的光线按照不同的比例进行混合时会得到各种各样不同的颜色,而白平衡调试时所使用的白色就是将红、绿、蓝三种颜色的光以相同的比例混合在一起时产生的颜色。因为在实际检测中白色与理论上是存在差异的,在生活中因为各种因素的影响白色并不是由完全相同比例的红、绿、蓝三种光线组成,所以在进行检测前需要对TCS230颜色传感器进行白平衡调试[3]。在调试前需要确定一个载物台将颜色传感器放置在上面,还要选取一个空的试管,并将其放置于TCS230颜色传感器的上侧,最重要的是还要在放置好的试管上侧放置一个可发白光的光源。其结构图如图1所示,在进行白平衡调试时,需要让白色的光源穿过试管并照射到TCS230颜色传感器上,当TCS230颜色传感器接收到光照时,将开始进行工作,它会分别筛选出三种颜色并得到相应的光照值,根据测得的结果与理论值之间的差异再分别对三种颜色进行调整。影响系统识别准确性的因素不只是这一个,TCS230颜色传感器自身对于三种颜色识别时敏感性的不同也同样影响着系统检测结果的准确性。

图1 白平衡装置图Fig.1 White balance device

2.3 主程序流程

在对颜色识别的粮食安全检测系统研究中,为了各功能更好的实现采用了分解的方式进行研究,主要包括一个整体的主程序、颜色采集的子程序和蜂鸣报警的子程序三部分共同组成。

2.4 子程序流程图

想要利用该系统完成对粮食安全的检测,除了上述的主程序外还有两个子程序。首先是系统对待测物体颜色信息收集的颜色采集模块,使用的是三原色原理,具体流程为用TCS230颜色传感器分别对红、绿、蓝三种光线进行光强数据检测,最后通过判断三种颜色的混合比来确定颜色。

除了颜色采集程序外,还设置了一个报警程序,它的作用是当我们检测出的数据值不在标准范围内时就鸣响,从而起到警示作用。

3 颜色识别系统的硬件介绍

3.1 TCS230芯片的结构与特点

在本文研制的系统中,颜色传感器选择的是一款来自于美国公司的TCS230芯片,选择TCS230颜色传感器最大的原因在于使用起来简单。因为该传感器做到了将电流频率转换器与可配置的硅光电二极管集成在一个单一的CMOS 电路上,该颜色传感器的这个单一的CMOS 电路上还包含了红、绿、蓝三种颜色的滤光器。另一个优势是它可以做到输出信号是数字量信号,这种信号可以做到让TTL或者是CMOS 逻辑输入开始启动,从而达到即使是在没有A/D 转换电路的情况下仍可以做到转换精度在十位数以上。

3.2 TCS230颜色传感器的引脚功能介绍

TCS230颜色传感器有S0、S1、S2、S3、OE、OUT、GND、VCC八个引脚,其中S0、S1两个引脚的作用是可以对输出比例因子(例如100%、20%、2%)或电源关断模式进行选择;S2、S3两个引脚的作用是对于不同滤波使用滤波器类型的选择;OE是频率输出使能引脚,可以控制输出的状态,当有多个芯片引脚共用微处理器的输出引脚时,也可以作为片选信号,OUT 是频率输出引脚,GND 是芯片的接地引脚,VCC 为芯片提供工作电压。

3.3 光源的选择

在使用本文的系统对物体进行颜色识别时,因为光线的因素会对测试结果产生影响,所以我们采取了使用四个LED灯使之与TCS230 颜色传感器相结合的方式。当对物体进行测试时,LED开启照明功能,增加了光线的强度,进而增加了测试结果的准确程度。

3.4 TCS230与AT89C51单片机的连接

本文的粮食安全检测系统,主要就是由TCS230 颜色传感器和AT89C51 单片机组成,将这两个器件组合在一起时,需要将TCS230芯片的S0和S1两个引脚的输出频率选择为100%;OUT接口与单片机的P3端口连接用于计数,这个接口可以接受到的信号频率为500HZ;TCS230芯片的OE接口、S1接口和S2接口需要连接在单片机的P1口上。

3.5 LCD显示模块

为了更加明显的了解到检测结果,在对系统进行研究时,增加了一个LCD显示模块,它的作用是将检测出的结果直接展现在显示屏上。本文的显示模块选取的是LCD1602。

3.6 蜂鸣报警器

在报警模块中报警器选择的是蜂鸣器,它根据结构组成不同可以分为两大类。一种是由压电陶瓷材料制成并由多谐振荡器、阻抗匹配器等多种部分组成的压电式蜂鸣器;另一种则是由振荡器、电磁线圈、磁铁等多种器件组成的电磁式蜂鸣器。压电蜂鸣器的工作原理是压电效应,当为其通电后,多谐振荡器开始工作并输出音频信号给阻抗匹配器,阻抗匹配器接收到信号后就会推动压电蜂鸣片发出声音;电磁式蜂鸣器顾名思义就是利用电磁感应原理进行工作的,当为其通电后,振荡器开始工作并发送出信号电流,电流的作用使电磁圈产生了磁场,和电磁共同作用引起振片震动发声。