張春光

(黑河學(xué)院,黑龍江黑河 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顏色傳感器、擁有高頻率且運(yùn)行速度很快的AT89 C51單片機(jī)、顯示作用的LCD1602以及實現(xiàn)提示作用的蜂鳴報警器等,在他們的共同作用下,該系統(tǒng)實現(xiàn)了人們對細(xì)微色彩變化的觀察研究。

1 顏色識別系統(tǒng)分析

顏色識別系統(tǒng)在我們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用越來越深入,以往我們在遇到需要進(jìn)行顏色識別的步驟,都是通過人為肉眼進(jìn)行觀察的,然而這種觀察方式會因為外部環(huán)境變化而發(fā)生一定改變,例如周圍環(huán)境、光照強(qiáng)度、甚至是觀察人員主觀上的差異等,因而直接使用肉眼對物體顏色進(jìn)行觀察產(chǎn)生的結(jié)果會與真實的結(jié)果存在一些差異。一些研究人員為了減少這個誤差努力研究,現(xiàn)在人們設(shè)計出了多種檢測顏色的儀器。

如RGB 顏色傳感器、色差傳感器、硅雙結(jié)型顏色傳感器、光纖顏色傳感器、機(jī)器視覺顏色檢測系統(tǒng)等。RGB 顏色傳感器。RGB三個字母就是Red紅色,Green綠色,Blue藍(lán)色的首字母縮寫,僅僅憑借著這三種顏色就可以創(chuàng)造出無數(shù)的新的色彩。RGB 顏色傳感器就是利用這三種顏色的濾波片進(jìn)行工作的,它的具體工作內(nèi)容就是利用三種顏色的濾波片將三種顏色分開,對每種顏色單獨進(jìn)行光強(qiáng)檢測,所以這種顏色傳感器測試出的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn),誤差小,且使用方便。RGB顏色傳感器的另一種工作模式同樣是依據(jù)的紅、綠、藍(lán)三種顏色,不同于之前的直接疊加,而是通過光強(qiáng)的反射來完成檢測的。這種測試方法的優(yōu)點是可以識別出很細(xì)小的顏色。但是應(yīng)用反射的原理,會對外界的環(huán)境要求比較大?？傮w來說,RGB 顏色傳感器是易于操作、精準(zhǔn)度較強(qiáng)的。

2 顏色識別系統(tǒng)的基本原理

本文研制的基于顏色識別的糧食安全檢測系統(tǒng)是采用TCS230顏色傳感器來實現(xiàn)對色彩進(jìn)行采集的。本文研制的這個顏色識別系統(tǒng)主要作用就是像人眼一樣可以對物體進(jìn)行觀察,不僅如此,他還要擁有更加強(qiáng)大的功能也就是需要他觀察到人們?nèi)庋鄄荒軌蜃R別出差異的顏色[1]。物體不同顏色的產(chǎn)生大多數(shù)都是因為包含了各種不同顏色的光照射到物體表面,物體卻選擇性的只吸收了其中一部分光而形成的。而不同種顏色的產(chǎn)生則是因為紅、綠、藍(lán)三種顏色混合的比例不同造成的。

色差傳感器。在生活中并不是每一個領(lǐng)域都需要對顏色進(jìn)行精準(zhǔn)且細(xì)微的區(qū)分,在很多時候只需要將顏色差異性很大的物體進(jìn)行簡單區(qū)分就可以,這樣就不需要使用那些復(fù)雜的設(shè)備,色差傳感器就是應(yīng)用在這些需求簡單的檢測中。色差傳感器主要應(yīng)用在物體的區(qū)分篩選、質(zhì)量檢測等不需要識別具體顏色,只需要區(qū)別色彩的行業(yè)領(lǐng)域。目前,色差傳感器的發(fā)展很迅速,種類也很多,而且他們都具有價格低廉的特點。所以,色差傳感器廣泛的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。

硅雙結(jié)型顏色傳感器。這種顏色傳感器主要是利用硅的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行工作的,它的組成結(jié)構(gòu)是由兩個P-N 結(jié)構(gòu)成。具體的工作原理是待測物的光線照射到P-N 結(jié)上,硅可以對入射到兩個P-N 上的不同顏色的光進(jìn)行吸收,繼而獲取到一些信息,經(jīng)過科學(xué)的分析計算處理,從而得到我們需要的數(shù)據(jù)。硅雙結(jié)型顏色傳感器的結(jié)構(gòu)非常簡單,易于操作及完成。

光纖顏色傳感器。光纖傳感是一門新的傳感技術(shù),光纖傳感器對外界的感知十分敏感,所以他在工作過程中往往會隨著檢測物體的一些微小變化甚至是外界環(huán)境變化而使檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)生改變。不僅如此,光纖傳感器還有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力,它可以在很多惡劣的條件下進(jìn)行工作。

機(jī)器視覺顏色檢測系統(tǒng),機(jī)器視覺的工作原理主要是利用光源照射到待測物體上,再利用圖像捕捉系統(tǒng)對被照射的待測物體進(jìn)行圖案獲取,再將所得的圖案進(jìn)行處理,將模擬圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,再對其進(jìn)行各種處理,以得到我們想要的顏色、大小等數(shù)據(jù)信息。

2.1 TCS230顏色傳感器的工作原理

由于顏色的差異在于紅、綠、藍(lán)三種顏色的混合比率不同,因此待測物體的顏色確認(rèn)可以通過紅、綠、藍(lán)三種顏色的混合比率確定。TCS230彩色傳感器使用的是針對一種顏色識別的原則。TCS230顏色傳感器在進(jìn)行工作時選擇的方法就是分別篩選出三種顏色的光強(qiáng),采用的方法是當(dāng)它對某一種顏色的光進(jìn)行篩選時,它會只針對這一種顏色的光進(jìn)行工作,忽視其他顏色的光從而確定其光強(qiáng),然后再針對另外兩種顏色的光線采取相同的方法進(jìn)行檢測[2]。

2.2 白平衡原理

在使用本文的基于顏色識別的糧食安全檢測系統(tǒng)對物體進(jìn)行顏色識別時,為了測試的準(zhǔn)確性,需要提前對TCS230顏色傳感器進(jìn)行白平衡校正,白平衡就是用來確定系統(tǒng)白色標(biāo)準(zhǔn)的。將紅、綠、藍(lán)三種不同顏色的光線按照不同的比例進(jìn)行混合時會得到各種各樣不同的顏色,而白平衡調(diào)試時所使用的白色就是將紅、綠、藍(lán)三種顏色的光以相同的比例混合在一起時產(chǎn)生的顏色。因為在實際檢測中白色與理論上是存在差異的,在生活中因為各種因素的影響白色并不是由完全相同比例的紅、綠、藍(lán)三種光線組成,所以在進(jìn)行檢測前需要對TCS230顏色傳感器進(jìn)行白平衡調(diào)試[3]。在調(diào)試前需要確定一個載物臺將顏色傳感器放置在上面,還要選取一個空的試管,并將其放置于TCS230顏色傳感器的上側(cè),最重要的是還要在放置好的試管上側(cè)放置一個可發(fā)白光的光源。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,在進(jìn)行白平衡調(diào)試時,需要讓白色的光源穿過試管并照射到TCS230顏色傳感器上,當(dāng)TCS230顏色傳感器接收到光照時,將開始進(jìn)行工作,它會分別篩選出三種顏色并得到相應(yīng)的光照值,根據(jù)測得的結(jié)果與理論值之間的差異再分別對三種顏色進(jìn)行調(diào)整。影響系統(tǒng)識別準(zhǔn)確性的因素不只是這一個,TCS230顏色傳感器自身對于三種顏色識別時敏感性的不同也同樣影響著系統(tǒng)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 白平衡裝置圖Fig.1 White balance device

2.3 主程序流程

在對顏色識別的糧食安全檢測系統(tǒng)研究中,為了各功能更好的實現(xiàn)采用了分解的方式進(jìn)行研究,主要包括一個整體的主程序、顏色采集的子程序和蜂鳴報警的子程序三部分共同組成。

2.4 子程序流程圖

想要利用該系統(tǒng)完成對糧食安全的檢測,除了上述的主程序外還有兩個子程序。首先是系統(tǒng)對待測物體顏色信息收集的顏色采集模塊,使用的是三原色原理,具體流程為用TCS230顏色傳感器分別對紅、綠、藍(lán)三種光線進(jìn)行光強(qiáng)數(shù)據(jù)檢測,最后通過判斷三種顏色的混合比來確定顏色。

除了顏色采集程序外,還設(shè)置了一個報警程序,它的作用是當(dāng)我們檢測出的數(shù)據(jù)值不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時就鳴響,從而起到警示作用。

3 顏色識別系統(tǒng)的硬件介紹

3.1 TCS230芯片的結(jié)構(gòu)與特點

在本文研制的系統(tǒng)中,顏色傳感器選擇的是一款來自于美國公司的TCS230芯片,選擇TCS230顏色傳感器最大的原因在于使用起來簡單。因為該傳感器做到了將電流頻率轉(zhuǎn)換器與可配置的硅光電二極管集成在一個單一的CMOS 電路上,該顏色傳感器的這個單一的CMOS 電路上還包含了紅、綠、藍(lán)三種顏色的濾光器。另一個優(yōu)勢是它可以做到輸出信號是數(shù)字量信號,這種信號可以做到讓TTL或者是CMOS 邏輯輸入開始啟動,從而達(dá)到即使是在沒有A/D 轉(zhuǎn)換電路的情況下仍可以做到轉(zhuǎn)換精度在十位數(shù)以上。

3.2 TCS230顏色傳感器的引腳功能介紹

TCS230顏色傳感器有S0、S1、S2、S3、OE、OUT、GND、VCC八個引腳,其中S0、S1兩個引腳的作用是可以對輸出比例因子(例如100%、20%、2%)或電源關(guān)斷模式進(jìn)行選擇;S2、S3兩個引腳的作用是對于不同濾波使用濾波器類型的選擇;OE是頻率輸出使能引腳,可以控制輸出的狀態(tài),當(dāng)有多個芯片引腳共用微處理器的輸出引腳時,也可以作為片選信號,OUT 是頻率輸出引腳,GND 是芯片的接地引腳,VCC 為芯片提供工作電壓。

3.3 光源的選擇

在使用本文的系統(tǒng)對物體進(jìn)行顏色識別時,因為光線的因素會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響,所以我們采取了使用四個LED燈使之與TCS230 顏色傳感器相結(jié)合的方式。當(dāng)對物體進(jìn)行測試時,LED開啟照明功能,增加了光線的強(qiáng)度,進(jìn)而增加了測試結(jié)果的準(zhǔn)確程度。

3.4 TCS230與AT89C51單片機(jī)的連接

本文的糧食安全檢測系統(tǒng),主要就是由TCS230 顏色傳感器和AT89C51 單片機(jī)組成,將這兩個器件組合在一起時,需要將TCS230芯片的S0和S1兩個引腳的輸出頻率選擇為100%;OUT接口與單片機(jī)的P3端口連接用于計數(shù),這個接口可以接受到的信號頻率為500HZ;TCS230芯片的OE接口、S1接口和S2接口需要連接在單片機(jī)的P1口上。

3.5 LCD顯示模塊

為了更加明顯的了解到檢測結(jié)果,在對系統(tǒng)進(jìn)行研究時,增加了一個LCD顯示模塊,它的作用是將檢測出的結(jié)果直接展現(xiàn)在顯示屏上。本文的顯示模塊選取的是LCD1602。

3.6 蜂鳴報警器

在報警模塊中報警器選擇的是蜂鳴器,它根據(jù)結(jié)構(gòu)組成不同可以分為兩大類。一種是由壓電陶瓷材料制成并由多諧振蕩器、阻抗匹配器等多種部分組成的壓電式蜂鳴器;另一種則是由振蕩器、電磁線圈、磁鐵等多種器件組成的電磁式蜂鳴器。壓電蜂鳴器的工作原理是壓電效應(yīng),當(dāng)為其通電后,多諧振蕩器開始工作并輸出音頻信號給阻抗匹配器,阻抗匹配器接收到信號后就會推動壓電蜂鳴片發(fā)出聲音;電磁式蜂鳴器顧名思義就是利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行工作的,當(dāng)為其通電后,振蕩器開始工作并發(fā)送出信號電流,電流的作用使電磁圈產(chǎn)生了磁場,和電磁共同作用引起振片震動發(fā)聲。

3.7 蜂鳴報警器與AT89C51單片機(jī)連接

當(dāng)AT89C51單片機(jī)對P0.0端口發(fā)出邏輯“1”指令時,它會輸出+5V電壓,由于三極管的作用,蜂鳴器不能接受到端口發(fā)出的電源,蜂鳴器不鳴響;當(dāng)AT89C51 單片機(jī)對P0.0端口發(fā)出邏輯“0”指令時,它會輸出0V電壓,在三極管8550 的作用下,有電流作用于蜂鳴器,蜂鳴器就開始鳴響。

4 結(jié)論

本文研究這個系統(tǒng)的目的主要是幫助人們對食品進(jìn)行安全驗證,采用的是通過檢測食品顏色來鑒定的方法,而顏色檢測主要是利用單片機(jī)技術(shù)。