馬文秀， 時(shí)維鐸， 丁小田， 沈東偉
?。暇┝謽I(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037）
摘要：介紹了一種基于數(shù)字式顏色傳感器TCS3200D與MSP430單片機(jī)相結(jié)合的顏色測(cè)試儀。該測(cè)試儀應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，可以方便快捷地檢測(cè)被測(cè)物體顏色，并通過(guò)12864液晶屏顯示對(duì)應(yīng)的顏色和RGB值。實(shí)驗(yàn)表明，TCS3200D傳感器在不同溫度下，測(cè)量精度高、工作可靠，適用于在整個(gè)染色過(guò)程中顏色的在線檢測(cè)以及高溫、高濕環(huán)境的顏色監(jiān)測(cè)。
關(guān)鍵詞：TCS3200D；MSP430；顏色識(shí)別
0引言
我國(guó)是一個(gè)紡織大國(guó)，隨著社會(huì)的快速發(fā)展，染色行業(yè)已成為我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著新技術(shù)、新工藝的發(fā)展，采用信息技術(shù)提高生產(chǎn)力具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)印染生產(chǎn)能力迅速擴(kuò)大，然而，在產(chǎn)量、產(chǎn)值大幅增長(zhǎng)的同時(shí)，印染行業(yè)的發(fā)展也越來(lái)越受到資源和環(huán)境的制約。當(dāng)前我國(guó)印染行業(yè)的整體水平（即品種結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品質(zhì)量、制造技術(shù)、應(yīng)用服務(wù)等）與國(guó)際先進(jìn)水平相比存在一定差距，與我國(guó)作為世界紡織印染生產(chǎn)大國(guó)的地位極不相稱。當(dāng)前國(guó)內(nèi)印染企業(yè)存在的問(wèn)題：（1）設(shè)備落后，區(qū)分出的顏色的暗度/亮度級(jí)、顏色飽和度存在一定的誤差，無(wú)法生產(chǎn)符合市場(chǎng)高要求的流行產(chǎn)品；（2）雖然投入大量的資金購(gòu)進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，但生產(chǎn)技術(shù)和管理水平跟不上，不能生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，質(zhì)量問(wèn)題集中在穩(wěn)定性、色差、色窂度、疵點(diǎn)、縮水率等。此外，也存在布邊處理不好、不能適應(yīng)服裝CAD/CAM排料生產(chǎn)的需要、幅寬不一致等問(wèn)題。本文將TCS3200D顏色傳感器與溫度傳感器相結(jié)合進(jìn)行顏色在線檢測(cè)，并通過(guò)液晶顯示直接觀察到布匹染色過(guò)程中表面顏色的RGB值，當(dāng)布匹的顏色達(dá)到設(shè)定值時(shí)，印染完成，可以進(jìn)行服裝的加工。從而可以節(jié)省時(shí)間，提高印染的質(zhì)量和生產(chǎn)的效率。
1顏色方程
把三原色R*、G*、B*以及任意顏色C*看成是一色向量，每一向量各有相應(yīng)的單位向量［R］、［G］、［B］以及［C］。于是把色向量寫(xiě)成R［R］、G［G］、B［B］以及C［C］形式時(shí)，R、G、B、C分別代表相應(yīng)的顏色強(qiáng)度和色量［1］，得出顏色方程：
C［C］= R［R］+G［G］+B［B］（1）
其中，R、G、B為顏色C*的三刺激值。
其中φ(λ)是帶測(cè)光的光譜分布函數(shù)值，積分的波長(zhǎng)范圍為可見(jiàn)光波段，一般為380～780 nm［2］。把三原色各自占R+G+B總量的相對(duì)比值稱作三維色度坐標(biāo),分別為：
r=RR+G+B
g=GR+G+B
b=BR+G+B（3）
且r+g+b=1
則顏色C*的單位值為：
C［C］= r［R］+g［G］+b［B］（4）
顏色C*的色量C為C=R+G+B。
顯然r、g、b的數(shù)值與R*、G*、B*采用的單位光亮度有關(guān)。則標(biāo)準(zhǔn)白光（W）的三刺激值為R=G=B=1,色品坐標(biāo)為［3］:
由圖1可以看出，標(biāo)準(zhǔn)白光在色品圖上的位置是r=0.33，g=0.33。只需給出r和g兩個(gè)坐標(biāo)值就可以確定任意顏色在色品圖的位置。
2顏色測(cè)量原理
由圖2可知，當(dāng)入射光投射到TCS3200D上時(shí)，通過(guò)光電二極管控制引腳S2、S3的高低電平組合，可以選擇不同的濾波器，經(jīng)過(guò)電流頻率轉(zhuǎn)換器輸出不同頻率的方波（占空比是50％）［4］，由于不同的顏色RGB值不同以及光照強(qiáng)度高低不同，因此輸出的方波頻率不同，可以通過(guò)控制引腳S0、S1，選擇不同的輸出比例因子，來(lái)調(diào)節(jié)頻率的輸出范圍，滿足更多方面的需求。當(dāng)S0和S1都為低電平時(shí)，關(guān)閉電源；當(dāng)S0為低電平、S1為高電平時(shí)，OUT輸出脈沖長(zhǎng)度為最大輸出頻率的2%；當(dāng)S0為高電平、S1為低電平時(shí)，OUT輸出脈沖長(zhǎng)度為最大輸出頻率的20%；當(dāng)S0、S1均為高電平時(shí)，OUT輸出脈沖長(zhǎng)度為最大輸出頻率的100%［5］。S0、S1引腳功能分配圖如表1所示。
S2、S3用于選擇濾波器的類型；OE低電平有效，可以控制輸出的狀態(tài)，當(dāng)有多個(gè)芯片引腳共同輸出時(shí)，此引腳也可以作為片選信號(hào)。當(dāng)S2和S3都為低電平時(shí)，選擇紅色濾波器；當(dāng)S2為低電平、S3為高電平時(shí)，選擇藍(lán)色濾波器；當(dāng)S2為高電平、S3為低電平時(shí)，可以透過(guò)全部的光信號(hào)；當(dāng)S2、S3都為高電平時(shí)，選擇綠色濾波器［6］。S2、S3引腳功能分配圖如表2所示。表1S0、S1引腳功能分配圖S0S1輸出頻率比例系數(shù)LL關(guān)斷LH2%HL20%HH100%表2S2、S3引腳功能分配圖S2S3光電二極管類型LL紅色LH藍(lán)色HL無(wú)HH綠色
3總體方案設(shè)計(jì)
3.1總體原理框圖的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)以MSP430作為控制器，MSP430是一種16位超低功耗的單片機(jī)，具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的片內(nèi)外圍模塊，系統(tǒng)工作穩(wěn)定［6］。本設(shè)計(jì)采用的供電電源為3.3 V，特別適合應(yīng)用于電池長(zhǎng)時(shí)間工作的場(chǎng)合［7］。利用單片機(jī)與顏色傳感器進(jìn)行傳輸處理，并通過(guò)LCD12864進(jìn)行顯示，其總體原理框圖如圖3所示。
3.2TCS3200D模塊圖
圖4中TCS3200D顏色采集模塊由4個(gè)白色的LED燈和64個(gè)光電二極管組成。4個(gè)LED燈作為照明光源，用來(lái)檢測(cè)不發(fā)光的物體［8］。64個(gè)光電二極管中，16個(gè)帶有紅色濾波器,只能通過(guò)紅色；16個(gè)帶有綠色濾波器，只能通過(guò)綠色；16個(gè)帶有藍(lán)色濾波器，只能通過(guò)藍(lán)色；其余16個(gè)不帶有任何濾波器，可以透過(guò)全部的光信號(hào)。這些光電二極管在芯片內(nèi)交叉排列，能夠最大限度地減少入射光輻射的不均勻性，從而增加顏色識(shí)別的精確度。另一方面，相同顏色的16個(gè)光電二極管是并聯(lián)連接的，均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差［4］，提高了它的適應(yīng)能力。
4硬件電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用MSP430［9］作為主控制器，為了降低功耗，采用+3.3 V供電，選用LM117-3.3芯片，將+5 V電壓轉(zhuǎn)換為+3.3 V電壓。整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，數(shù)據(jù)的采集、處理與傳輸是由TCS3200D顏色傳感器、MSP430和電源完成［10］，通過(guò)單片機(jī)對(duì)顏色傳感器進(jìn)行控制，輸出測(cè)量物體的RGB值，在LCD 12864上進(jìn)行顯示?？紤]到印染過(guò)程中布料表面面積比較大，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)TCS3200D三并聯(lián)形式感應(yīng)器［8］，由三個(gè)TCS3200D并排組合而成，S0、S1、S2、S3是選擇濾波器類型和輸出頻率的比例系數(shù)，OE使能端作片選，分別單獨(dú)使用，OE低電平有效。測(cè)量的最佳距離為10 mm，圖5是TCS3200D與MSP430連接圖，實(shí)際上圖5TCS3200D與MSP430連接圖MSP430還有很多I/O口可以實(shí)現(xiàn)更多傳感器的控制,實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)采集［7］。
5軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)上電以后，軟件部分主要是對(duì)MSP430、TCS3200D顏色傳感器和12864液晶顯示器進(jìn)行初始化，并在測(cè)圖6系統(tǒng)總體流程圖試顏色之前一定要對(duì)TCS3200D進(jìn)行白平衡。如果白平衡按鍵沒(méi)有按下，則判斷是否有顏色識(shí)別，若有顏色識(shí)別則調(diào)用測(cè)量子程序，否則返回，等待下一次測(cè)量；如果白平衡按鍵按下則調(diào)用白平衡子程序，然后進(jìn)行顏色識(shí)別，并通過(guò)LCD12864液晶顯示屏顯示RGB值，測(cè)試完畢則返回。系統(tǒng)的總體流程圖如圖6所示［11］。
在顏色識(shí)別過(guò)程中要注意以下兩點(diǎn)：（1）在顏色測(cè)試之前一定要進(jìn)行白平衡。由于人的肉眼分辨出的白色并不是完全的純白色，因此對(duì)測(cè)試結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的影響，所以進(jìn)行白平衡很有必要。（2）在測(cè)試過(guò)程中要避免外界光線的干擾，否則對(duì)測(cè)試結(jié)果會(huì)有一定的影響。
6測(cè)試結(jié)果及分析
在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中要避免外界光線的干擾，否則測(cè)試的RGB值與實(shí)際值相差很大，本次設(shè)計(jì)采用一個(gè)避光小木盒來(lái)提高傳感器測(cè)量的精度。本次測(cè)試主要對(duì)紅色、粉色、藍(lán)色、淺藍(lán)、黃綠、黃色和白色進(jìn)行10次測(cè)試并且記錄數(shù)據(jù)，求得RGB的平均值，如表3所示［12］。以粉色為例觀察RGB值與時(shí)間的關(guān)系來(lái)判斷TCS3200D顏色傳感器的穩(wěn)定性，如圖7所示。
對(duì)以上所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與實(shí)際RGB值進(jìn)行對(duì)比，最大絕對(duì)誤差為10，最小絕對(duì)誤差為0，最大相對(duì)誤差為5.8%，平均相對(duì)誤差為3.04%。通過(guò)圖7可以看出，TCS3200D顏色傳感器隨著時(shí)間的變化，測(cè)量值基本不變，說(shuō)明該傳感器具有識(shí)別速度快、測(cè)量精度高和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。
7結(jié)論
本設(shè)計(jì)使用了數(shù)字式TCS3200D顏色傳感器和低功耗的MSP430搭建的顏色識(shí)別電路，由于TCS3200D輸出的是數(shù)字量，簡(jiǎn)化了電路［13］，而且測(cè)量速度快，精度高，在印染行業(yè)具有一定的實(shí)用性。
參考文獻(xiàn)
?。?］ 何國(guó)興. 顏色科學(xué)［M］.上海：東華大學(xué)出版社，2004.
［2］ 徐海松.顏色信息工程［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2005.
?。?］ 薛朝華. 顏色科學(xué)與計(jì)算機(jī)測(cè)色配色實(shí)用技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.
［4］ 胡建民.顏色傳感器TCS230及顏色識(shí)別電路［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006（4）：4041.
?。?］ 李梅花，喻璽，周海波，等.基于TCS3200D的多路顏色采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.新技術(shù)新工藝，2014(12)：2629.
［6］ 何利民.單片機(jī)高級(jí)教程—應(yīng)用與設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.
［7］ 徐磊，時(shí)維鐸，王軍，等.用于生態(tài)環(huán)境微傳感節(jié)點(diǎn)的光電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014,33(7):8688.
［8］ 蔣寅國(guó)，鄧燕妮.基于TCS3200D的多點(diǎn)顏色檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)，2011(3):5455.
［9］ 沈建華, 楊艷琴, 翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)實(shí)踐與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.
［10］ 胡大可.MSP430系列單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.
?。?1］ 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)［M］.北京： 清華大學(xué)出版社，2005.
?。?2］ 張菁，楊應(yīng)平，章金敏，等.基于TCS3200D的顏色再現(xiàn)與分類［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2013,46（2）:257260.
?。?3］ 盧川英，于浩成，孫敬輝，等.基于TCS230傳感器的顏色檢測(cè)系統(tǒng)［J］.吉林大學(xué)學(xué)服（信息科學(xué)版），2008,26(6):621626.