張福軍　王曉超　郭偉　黃操軍

摘要：為實(shí)現(xiàn)果蔬農(nóng)藥殘留萃取液顏色識(shí)別，設(shè)計(jì)了以3塊TCS230顏色傳感器為核心的顏色數(shù)據(jù)采集器；由單片機(jī)C8051F023對(duì)數(shù)據(jù)采集器輸出的紅、綠、藍(lán)（RGB）三基色電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理，液晶顯示器HTG240160C顯示被測(cè)水果、蔬菜農(nóng)藥殘留度。在算法上采用BP小波基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，提高了顏色識(shí)別速度、精度和可靠性，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。

關(guān)鍵詞：農(nóng)藥殘留；顏色識(shí)別；TCS230顏色傳感器；數(shù)據(jù)采集器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）08-2111-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.08.050

Abstract： For how to implement color indentification problems of fruit and vegetable pesticide residues extracted liquid， designed a color data collector with three pieces of TCS230 color sensor； By MCU C8051F023 to data collector output of red， green， blue（RGB） three primary colors voltage signal data operation and processing， LCD HTG240160C display measured fruit， vegetable pesticide residues and whether to eat safe and reliable. Algorithm use BP wavelet basis function neural network， improve the color recognition speed， the system has simple structure， convenient operation.

Key words： pesticide residues； color identification； TCS230 color sensor； data collector

果蔬農(nóng)藥殘留測(cè)量往往是利用化學(xué)試紙或顯色劑進(jìn)行，測(cè)量周期較長(zhǎng)，工作效率低、測(cè)量數(shù)據(jù)不精確，無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究發(fā)展的要求。水果、蔬菜為普通市民長(zhǎng)期性、經(jīng)常性的消費(fèi)品，采用傳統(tǒng)方法很難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)檢測(cè)。因此，本研究提出一種基于美國(guó)TAOS公司推出的TCS230顏色傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)，采用1塊或2塊顏色傳感器TCS230來(lái)識(shí)別農(nóng)藥殘留萃取液的顏色，紅、綠、藍(lán)（RGB）三基色電壓信號(hào)由引腳輸出，采用BP小波基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法提高對(duì)農(nóng)藥殘留萃取液的顏色識(shí)別速度和增加識(shí)別的級(jí)數(shù)。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 顏色數(shù)據(jù)采集器

TCS230顏色傳感器是一種帶數(shù)字兼容接口的紅、綠、藍(lán)彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器，將可配置的硅光電二極管與頻率轉(zhuǎn)換集成在一個(gè)CMOS電路上，同時(shí)在芯片上集成了RGB 3種濾波器。TCS230的輸出信號(hào)是數(shù)字量，可以驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。由于輸出的是數(shù)字量，并且能實(shí)現(xiàn)每個(gè)彩色通道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，響應(yīng)頻率2～500 kHz，因而不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使電路變得更簡(jiǎn)單[1]。

該芯片內(nèi)含一個(gè)交叉連接的8×8光電二極管陣列，其中每16個(gè)二極管可提供一種色彩類(lèi)型，芯片共有紅、綠、藍(lán)和清除全部光信息等4種類(lèi)型。所以，數(shù)據(jù)采集器主要由3塊TCS320芯片和3個(gè)相互獨(dú)立的光學(xué)系統(tǒng)組成；3塊顏色傳感器上分別貼上紅色、綠色、藍(lán)色濾色片，能夠獲得獨(dú)立的三基色；為了避免3個(gè)獨(dú)立光學(xué)系統(tǒng)之間相互干擾，各自安裝了隔光板[2]?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 顏色識(shí)別電路

C8051F023是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，屬于Cygnal公司的C8051F系列，采用高速、流水線指令結(jié)構(gòu)，且與8051內(nèi)核兼容，速度高達(dá)25MIPS，且70%的指令可在1～2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期內(nèi)完成；內(nèi)含64字節(jié)可在系統(tǒng)編程FLASH存儲(chǔ)器和4 352（4 096+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM，包括多通道10位可編程ADC，且具有兩個(gè)可編程數(shù)據(jù)更新方式的12位ADC，在設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)無(wú)需擴(kuò)展A/D、D/A轉(zhuǎn)換器和外部存儲(chǔ)器，優(yōu)勢(shì)明顯[3]。

由圖1可知，系統(tǒng)分別由3個(gè)顏色傳感器TCS230獲得紅、綠、藍(lán)三基色（RGB），紅色電壓信號(hào)由C8051F023單片機(jī)的P0.0～P0.4、P1.0輸入，綠色電壓信號(hào)由P1.1～P1.6輸入，藍(lán)色電壓信號(hào)由P2.0～P2.5輸入，P0.5、P0.6、P0.7、P3.0～P3.7與HTG240160C液晶顯示器的AD、A0、WR、D0～D7引腳連接，如圖2所示。

1.3 顏色識(shí)別原理

由圖1和圖2可知，顏色數(shù)據(jù)采集器的原理：位于透鏡焦點(diǎn)上的白色光源發(fā)出的光，經(jīng)透鏡組后變成平行光束，經(jīng)過(guò)由折射率接近1的有機(jī)玻璃組成的矩形槽體（槽內(nèi)為農(nóng)藥殘留萃取液）后，射到紅、綠、藍(lán)3個(gè)濾色片上，再投射到對(duì)應(yīng)的TCS230顏色傳感器上，傳感器組輸出的三基色電壓信號(hào)由單片機(jī)C8051F023進(jìn)行運(yùn)算和處理，液晶顯示器HTG240160C顯示被測(cè)水果、蔬菜農(nóng)藥殘留度以及是否安全食用。

TCS230芯片各個(gè)引腳的功能：S0、S1用于選擇輸出比例因子或電源關(guān)斷模式；S2、S3用于選擇濾波器的類(lèi)型；OE是頻率輸出或多個(gè)芯片的片選信號(hào)使能端；OUT是頻率輸出引腳。表1為S0、S1和S2、S3的組合狀態(tài)表[4]。

2 顏色數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

2.1 三基色及混色原理

通常人們所看到的物體顏色，是物體表面吸收了照射在該物體上面的白光中的一部分有色成分，而人眼中看到的是該物體反射出的另一部分有色光。白色光包含著各種顏色的色光，是由各種頻率的可見(jiàn)光混合在一起構(gòu)成的。根據(jù)德國(guó)物理學(xué)家赫姆霍茲（Helinholtz）的三基色理論可知，各種顏色是由不同比例的三基色（紅、綠、藍(lán)）混合而成，如圖3所示[5]。

根據(jù)色譜學(xué)和配色原理，白光E的配色方程為

FLE=1[R]+1[G]+1[B] （1）

即一份[R]、一份[G]和一份[B]配出1份E白光；

任意一種彩色光的配色方程為：

FL=R[R]+G[G]+B[B] （2）

其中，R、G、B表示三基色的三色系數(shù)，其比值決定了待配彩色的色調(diào)。

色光的亮度等于各混合分量亮度之代數(shù)和，亮度方程：

YL=aR+bG+cB （3）

其中，a、b、c分別為紅、綠、藍(lán)的色度比例系數(shù)，其值可有試驗(yàn)測(cè)得。

2.2 白平衡校正

白色是由等量的紅色、綠色和藍(lán)色混合而成的，但實(shí)際上在白光照射下TCS320顏色傳感器輸出的R、G、B并不相等，通常綠色傳感器輸出會(huì)更大一些，因此白平衡校正是十分必要的。在顏色數(shù)據(jù)采集器中，進(jìn)行白平衡調(diào)整時(shí)將無(wú)色透明的蒸餾水裝入有機(jī)玻璃槽體內(nèi)，白色光源發(fā)出的光經(jīng)矩形槽體照射到傳感器組上，分別測(cè)得紅色、綠色和藍(lán)色的數(shù)值，然后就可計(jì)算出需要的3個(gè)調(diào)整參數(shù)。

白平衡校正的3個(gè)參數(shù)的計(jì)算方法為：當(dāng)白光照射在TCS230傳感器上時(shí)，對(duì)輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到255時(shí)停止計(jì)數(shù)，分別計(jì)算每個(gè)通道所用時(shí)間。這些時(shí)間對(duì)應(yīng)于實(shí)際測(cè)試時(shí)TCS230每種濾波器所采用的時(shí)間基準(zhǔn)，則脈沖數(shù)就是所對(duì)應(yīng)的R、G和B[6]。

2.3 顏色數(shù)據(jù)庫(kù)建立

首先要配出32種標(biāo)準(zhǔn)顏色的水，對(duì)每一種水進(jìn)行100次測(cè)量，獲取公式（3）中的值，從而得到水顏色的訓(xùn)練庫(kù)，不同水（農(nóng)藥殘留萃取液）顏色與果蔬農(nóng)藥殘留度有對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)單片機(jī)C8051F023的運(yùn)算和處理，實(shí)現(xiàn)果蔬農(nóng)藥殘留數(shù)據(jù)的顯示和無(wú)線遠(yuǎn)程收發(fā)等功能。32種標(biāo)準(zhǔn)顏色如表2所示。

3 樣本訓(xùn)練

1）初始化。將小波伸縮因子aj、平移因子bj、網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)重wjk和wij、閾值wj0和wi0賦予隨機(jī)初始值。

2）隨機(jī)選取一組輸入和目標(biāo)樣本xp=（xp1，xp2，…xpk，…xpm）、yp=（yp1，yp2，…ypk，…ypn）提供給網(wǎng)絡(luò)。

3）用輸入樣本xp=（xp1，xp2，…xpk，…xpm）、連接權(quán)wjk和閾值wj0、小波參數(shù)aj和bj計(jì)算中間層各單元的輸入netj，然后用netj通過(guò)小波函數(shù)？鬃（t）計(jì)算中間層各單元的輸出Bj。

7）重新從步驟（3）開(kāi)始學(xué)習(xí)，直到樣本總體誤差小于預(yù)先設(shè)定的一個(gè)極小值，即網(wǎng)絡(luò)收斂；或達(dá)到預(yù)先設(shè)定的最大訓(xùn)練次數(shù)，網(wǎng)絡(luò)就無(wú)法收斂。

8）訓(xùn)練結(jié)束[7]。

4 結(jié)論

該顏色識(shí)別系統(tǒng)利用3塊顏色傳感器TCS230分別獲得三基色的電壓信號(hào)，由單片機(jī)C8051F023存儲(chǔ)的顏色數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行識(shí)別，采用BP小波基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行模式訓(xùn)練和模式識(shí)別，提高了果蔬農(nóng)藥殘留萃取液顏色數(shù)據(jù)采集的速度和準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)具有成本低、體積小、檢測(cè)快、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，因此還可以用于其他液體顏色的識(shí)別，如用來(lái)監(jiān)測(cè)海洋、江河、湖泊水的污染，也可用于涂料、印刷、紡織等行業(yè)顏色的識(shí)別。因此，該系統(tǒng)具有可開(kāi)發(fā)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)用前景廣闊[8]。

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