传感器tcs3200 基于TCS3200D数字式颜色测试仪的研究

发布时间：2024-10-07 04:10:16

基于TCS3200D数字式颜色测试仪的研究

马文秀，时维铎，丁小田，沈东伟

（南京林业大学，江苏南京 210037）

摘要：介绍了一种基于数字式颜色传感器TCS3200D与MSP430单片机相结合的颜色测试仪。该测试仪应用电路简单，可以方便快捷地检测被测物体颜色，并通过12864液晶屏显示对应的颜色和RGB值。实验表明，TCS3200D传感器在不同温度下，测量精度高、工作可靠，适用于在整个染色过程中颜色的在线检测以及高温、高湿环境的颜色监测。

0引言

我国是一个纺织大国，随着社会的快速发展，染色行业已成为我国的支柱产业。随着新技术、新工艺的发展，采用信息技术提高生产力具有重要意义。目前，国内印染生产能力迅速扩大，然而，在产量、产值大幅增长的同时，印染行业的发展也越来越受到资源和环境的制约。当前我国印染行业的整体水平（即品种结构、产品质量、制造技术、应用服务等）与国际先进水平相比存在一定差距，与我国作为世界纺织印染生产大国的地位极不相称。当前国内印染企业存在的问题：（1）设备落后，区分出的颜色的暗度/亮度级、颜色饱和度存在一定的误差，无法生产符合市场高要求的流行产品；（2）虽然投入大量的资金购进先进设备，但生产技术和管理水平跟不上，不能生产出高质量的产品，质量问题集中在稳定性、色差、色窂度、疵点、缩水率等。此外，也存在布边处理不好、不能适应服装CAD/CAM排料生产的需要、幅宽不一致等问题。本文将TCS3200D颜色传感器与温度传感器相结合进行颜色在线检测，并通过液晶显示直接观察到布匹染色过程中表面颜色的RGB值，当布匹的颜色达到设定值时，印染完成，可以进行服装的加工。从而可以节省时间，提高印染的质量和生产的效率。

1颜色方程

把三原色R*、G*、B*以及任意颜色C*看成是一色向量，每一向量各有相应的单位向量［R］、［G］、［B］以及［C］。于是把色向量写成R［R］、G［G］、B［B］以及C［C］形式时，R、G、B、C分别代表相应的颜色强度和色量［1］，得出颜色方程：

C［C］= R［R］+G［G］+B［B］（1）

其中，R、G、B为颜色C*的三刺激值。

其中φ(λ)是带测光的光谱分布函数值，积分的波长范围为可见光波段，一般为380～780 nm［2］。把三原色各自占R+G+B总量的相对比值称作三维色度坐标,分别为：

r=RR+G+B

g=GR+G+B

b=BR+G+B（3）

且r+g+b=1

则颜色C*的单位值为：

C［C］= r［R］+g［G］+b［B］（4）

颜色C*的色量C为C=R+G+B。

显然r、g、b的数值与R*、G*、B*采用的单位光亮度有关。则标准白光（W）的三刺激值为R=G=B=1,色品坐标为［3］:

由图1可以看出，标准白光在色品图上的位置是r=0.33，g=0.33。只需给出r和g两个坐标值就可以确定任意颜色在色品图的位置。

2颜色测量原理

由图2可知，当入射光投射到TCS3200D上时，通过光电二极管控制引脚S2、S3的高低电平组合，可以选择不同的滤波器，经过电流频率转换器输出不同频率的方波（占空比是50％）［4］，由于不同的颜色RGB值不同以及光照强度高低不同，因此输出的方波频率不同，可以通过控制引脚S0、S1，选择不同的输出比例因子，来调节频率的输出范围，满足更多方面的需求。当S0和S1都为低电平时，关闭电源；当S0为低电平、S1为高电平时，OUT输出脉冲长度为最大输出频率的2%；当S0为高电平、S1为低电平时，OUT输出脉冲长度为最大输出频率的20%；当S0、S1均为高电平时，OUT输出脉冲长度为最大输出频率的100%［5］。S0、S1引脚功能分配图如表1所示。

S2、S3用于选择滤波器的类型；OE低电平有效，可以控制输出的状态，当有多个芯片引脚共同输出时，此引脚也可以作为片选信号。当S2和S3都为低电平时，选择红色滤波器；当S2为低电平、S3为高电平时，选择蓝色滤波器；当S2为高电平、S3为低电平时，可以透过全部的光信号；当S2、S3都为高电平时，选择绿色滤波器［6］。S2、S3引脚功能分配图如表2所示。表1S0、S1引脚功能分配图S0S1输出频率比例系数LL关断LH2%HL20%HH100%表2S2、S3引脚功能分配图S2S3光电二极管类型LL红色LH蓝色HL无HH绿色

3总体方案设计

3.1总体原理框图的设计

本设计以MSP430作为控制器，MSP430是一种16位超低功耗的单片机，具有强大的处理能力和丰富的片内外围模块，系统工作稳定［6］。本设计采用的供电电源为3.3 V，特别适合应用于电池长时间工作的场合［7］。利用单片机与颜色传感器进行传输处理，并通过LCD12864进行显示，其总体原理框图如图3所示。

3.2TCS3200D模块图

图4中TCS3200D颜色采集模块由4个白色的LED灯和64个光电二极管组成。4个LED灯作为照明光源，用来检测不发光的物体［8］。64个光电二极管中，16个带有红色滤波器,只能通过红色；16个带有绿色滤波器，只能通过绿色；16个带有蓝色滤波器，只能通过蓝色；其余16个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信号。这些光电二极管在芯片内交叉排列，能够最大限度地减少入射光辐射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度。另一方面，相同颜色的16个光电二极管是并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的位置误差［4］，提高了它的适应能力。

4硬件电路设计

本设计采用MSP430［9］作为主控制器，为了降低功耗，采用+3.3 V供电，选用LM117-3.3芯片，将+5 V电压转换为+3.3 V电压。整个测试过程中，数据的采集、处理与传输是由TCS3200D颜色传感器、MSP430和电源完成［10］，通过单片机对颜色传感器进行控制，输出测量物体的RGB值，在LCD 12864上进行显示。考虑到印染过程中布料表面面积比较大，本实验设计TCS3200D三并联形式感应器［8］，由三个TCS3200D并排组合而成，S0、S1、S2、S3是选择滤波器类型和输出频率的比例系数，OE使能端作片选，分别单独使用，OE低电平有效。测量的最佳距离为10 mm，图5是TCS3200D与MSP430连接图，实际上图5TCS3200D与MSP430连接图MSP430还有很多I/O口可以实现更多传感器的控制,实现多点采集［7］。

5软件设计

系统上电以后，软件部分主要是对MSP430、TCS3200D颜色传感器和12864液晶显示器进行初始化，并在测图6系统总体流程图试颜色之前一定要对TCS3200D进行白平衡。如果白平衡按键没有按下，则判断是否有颜色识别，若有颜色识别则调用测量子程序，否则返回，等待下一次测量；如果白平衡按键按下则调用白平衡子程序，然后进行颜色识别，并通过LCD12864液晶显示屏显示RGB值，测试完毕则返回。系统的总体流程图如图6所示［11］。

在颜色识别过程中要注意以下两点：（1）在颜色测试之前一定要进行白平衡。由于人的肉眼分辨出的白色并不是完全的纯白色，因此对测试结果会产生一定的影响，所以进行白平衡很有必要。（2）在测试过程中要避免外界光线的干扰，否则对测试结果会有一定的影响。

6测试结果及分析

在整个测试过程中要避免外界光线的干扰，否则测试的RGB值与实际值相差很大，本次设计采用一个避光小木盒来提高传感器测量的精度。本次测试主要对红色、粉色、蓝色、浅蓝、黄绿、黄色和白色进行10次测试并且记录数据，求得RGB的平均值，如表3所示［12］。以粉色为例观察RGB值与时间的关系来判断TCS3200D颜色传感器的稳定性，如图7所示。

对以上所测数据进行分析，并与实际RGB值进行对比，最大绝对误差为10，最小绝对误差为0，最大相对误差为5.8%，平均相对误差为3.04%。通过图7可以看出，TCS3200D颜色传感器随着时间的变化，测量值基本不变，说明该传感器具有识别速度快、测量精度高和稳定性好的特点。

7结论

本设计使用了数字式TCS3200D颜色传感器和低功耗的MSP430搭建的颜色识别电路，由于TCS3200D输出的是数字量，简化了电路［13］，而且测量速度快，精度高，在印染行业具有一定的实用性。

参考文献

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［4］胡建民.颜色传感器TCS230及颜色识别电路［J］.单片机与嵌入式系统应用，2006（4）：4041.

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［6］何利民.单片机高级教程—应用与设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

［7］徐磊，时维铎，王军，等.用于生态环境微传感节点的光电能量转换系统设计［J］.传感器与微系统，2014,33(7):8688.

［8］蒋寅国，邓燕妮.基于TCS3200D的多点颜色检测装置的设计［J］.仪表技术，2011(3):5455.

［9］沈建华, 杨艳琴, 翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计［M］.北京：清华大学出版社，2005.

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［11］谭浩强.C程序设计［M］.北京：清华大学出版社，2005.

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［13］卢川英，于浩成，孙敬辉，等.基于TCS230传感器的颜色检测系统［J］.吉林大学学服（信息科学版），2008,26(6):621626.

识别色彩只靠RGB吗？有8通道的传感器？看看AS7341的性能

用于色彩识别的传感器有多种，如TCS230、TCS3200及VEML6040等，见图1所示，但这些色彩传感器多是基于RGB来识别色彩的。

图1 色彩传感器

此次介绍的主角AS7341可见光传感器却之有较大的区别，它提供8个可见光检测通道，该传感器的功能模块如图2所示。 这8个检测通道的波长分布期间如图3所示。

图2 AS7341传感器模块

图3 8个检测通道的波长分布

为有一个感性的认识，从图4可以了解到传感器所检测的色彩波长区间。

图4 色彩的波长区间

以黄色为例，RGB色彩传感器和AS7341可见光传感器的对比如下表所示。

该可见光传感器是基于ams公司推出的新一代AS7341光谱传感IC，该传感器有8个可见光通道、1个闪烁通道、1个NIR通道和1个未加滤光片的通道。它拥有6个独立的16位ADC通道，且可以并行处理数据。此外，该传感器板载了两颗高亮LED，可在暗光环境下进行补光。

该传感器的技术参数如下：

供电电压：3.3V~5V 可见光测量范围：F1(405-425nm)、F2(435-455nm)、F3(470-490nm)、F4(505-525nm)、F5(545-565nm)、F6(580-600nm)、F7(620-640nm)、F8(670-690nm) 工作电流（不打开LED）：<5mA LED驱动电流：1-20等级（4-42mA） I2C地址：0x39 工作温度范围：-30℃~85℃ 工作湿度范围：5%RH~85%RH 产品尺寸：18*14mm

其主要的应用方向为：

高准度色彩检测与匹配 颜色混合效果检测 灯光色温调节 灯光氛围控制 植物养殖

该传感器的引脚功能如下表所示：

了解了该传感器的性能，那我们该如何使用它呢？

我们这里介绍的方法是为它配上一块FireBeetle-ESP32开发板，它与传感器的连接情况如图5所示，即除电源引脚连接到3.3V电源外，其它2个引脚是直接连接到I2C接口的对应引脚上。

图5 连接关系

要进行色彩的检测，其实现起来也极为方便，具体的步骤是：

1.以Arduino IDE为开发工具（版本为1.8.5），选取“项目”菜单下“加载库”的“添加一个ZIP库”选项；

2.在文件下载对话框，选取“DFRobot_AS7341-master.ZIP”；

图6加载ZIP库

3.在完成后，在“项目”菜单 “加载库”下即可见到“DFRobot_AS7341-master”选项。有了DFRobot_AS7341库，就可以编写相应的控制程序了。

4选取“文件”菜单下的“新建”选项；

5.录入对应的程序；

6.编译并下载程序后，通过串口监视器即可见到图8和图9的检测结果。

图7 检测程序及程序下载

图8 自然光检测值

图9 弱光检测值

相应的检测程序为：

#include"DFRobot_AS7341.h"

DFRobot_AS7341as7341;

void setup(void)

{

Serial.begin(115200);

while (as7341.begin() != 0) {

Serial.println("IIC init failed,please check if the wire connection is correct");

delay(1000);

}

void loop(void)

{

DFRobot_AS7341::sModeOneData_t data1;

DFRobot_AS7341::sModeTwoData_t data2;

as7341.startMeasure(as7341.eF1F4ClearNIR);

data1 = as7341.readSpectralDataOne();

Serial.print("F1(405-425nm):");

Serial.println(data1.ADF1);

Serial.print("F2(435-455nm):");

Serial.println(data1.ADF2);

Serial.print("F3(470-490nm):");

Serial.println(data1.ADF3);

Serial.print("F4(505-525nm):");

Serial.println(data1.ADF4);

as7341.startMeasure(as7341.eF5F8ClearNIR);

data2 = as7341.readSpectralDataTwo();

Serial.print("F5(545-565nm):");

Serial.println(data2.ADF5);

Serial.print("F6(580-600nm):");

Serial.println(data2.ADF6);

Serial.print("F7(620-640nm):");

Serial.println(data2.ADF7);

Serial.print("F8(670-690nm):");

Serial.println(data2.ADF8);

Serial.print("Clear:");

Serial.println(data2.ADCLEAR);

Serial.print("NIR:");

Serial.println(data2.ADNIR);

delay(1000);

}

若通过粉红色的吹塑纸来提供检测的样本，则其检测结果如图11 所示，说明在各色彩通道中F8通道的色彩成分最突出。

图10 粉红色检测

图11粉红色检测值

除了色彩检测外，该传感器还能对指定频率的光进行检测，其程序如图12所示。

图12 光频率检测程序及下载

在自然光的条件下，其检测值如图13所示；在打开白纸灯的情况下，其检测如图14所示，这是由于市电的工频为50Hz，故其结果如此。

图13自然光检测结果

图14 开灯后的检测值

有了可见光传感器AS7341 ，我们在进行色彩的识别是不是方便了很多！

原标题：识别色彩只靠RGB吗？有8通道的传感器？看看AS7341的性...

原作者：jinglixixi

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