??? 摘 要： 介紹了一種基于C8051F300單片機和TCS230的智能高速雙路" title="雙路">雙路傳感器" title="顏色傳感器">顏色傳感器, 討論了它的工作原理" title="工作原理">工作原理, 并給出了系統(tǒng)的實現(xiàn)方案、硬件結(jié)構(gòu)和測試程序" title="測試程序">測試程序。
??? 關(guān)鍵詞： C8051F300? TCS230? 顏色傳感器
?
??? 隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)向高速化、自動化方向的發(fā)展，生產(chǎn)過程中長期以來由人眼起主導(dǎo)作用的顏色識別工作將越來越多地被相應(yīng)的顏色傳感器所替代。目前的顏色傳感器通常是在獨立的光電二極管上覆蓋經(jīng)過修正的紅、綠、藍(lán)濾光片，然后對輸出信號進行相應(yīng)的處理，才能將顏色信號識別出來，但是輸出的是模擬信號，需要一個A/D電路進行采樣，再對信號進一步處理才能進行識別，增加了電路的復(fù)雜性，并且存在較大的識別誤差，影響了識別的效果。
??? 本文介紹的基于TCS230的新型顏色傳感器比傳統(tǒng)的顏色傳感器具有優(yōu)良的新特性，主要應(yīng)用于線、邊、圖案的印刷糾偏系統(tǒng)中，實現(xiàn)顏色的識別與檢測。主要特色是采用雙路傳感器,不但可以知道存在圖像的偏移，而且能辨別偏移的方向。另外，TCS230的反應(yīng)速度快，達(dá)到10μs，為實現(xiàn)快速的糾偏控制提供了保障。同時可用軟件設(shè)置來改變對顏色的選擇，非常實用方便，輸出可以為二路數(shù)字信號，有較強的抗干擾能力。
1 顏色傳感器的工作原理
??? 系統(tǒng)的基本工作原理為控制單片機來向傳感器發(fā)送指令，并讀取傳感器所接收的信息，然后經(jīng)過計算，將結(jié)果送至LED燈或進行脈寬調(diào)制" title="脈寬調(diào)制">脈寬調(diào)制輸出。圖1是系統(tǒng)的光路圖。從圖上可以看到，從高亮度的LED等光源發(fā)出的光，通過凸透鏡1直線傳播至凸透鏡2，其中還經(jīng)過一塊半透鏡，在凸透鏡2處聚焦至物體，即產(chǎn)生圖像，以上即為光直線傳播的過程。當(dāng)光照射至物體之后，從物體上會產(chǎn)生反射光，經(jīng)過凸透鏡2聚焦至半透鏡，由于使用的是半透鏡，因而光無法直線穿透，只能反射至凸透鏡3，此時從凸透鏡3傳出的光就是送到顏色傳感器的信號。
??? 傳感器接收到了光的信號，輸出頻率會隨之發(fā)生變化，控制單片機對頻率進行采集，并進行適當(dāng)?shù)呐袛嗉坝嬎?，就可以由單片機輸出了。
??? 由于傳感器本身的特性，在單一芯片上集成有64個光電二極管，這些二極管共分為四種類型，分別是紅色、綠色、藍(lán)色和白色濾波器，這樣只要在軟件設(shè)計之中進行選擇，就可以方便地實現(xiàn)對于各種色彩的檢測，對于高速印刷以及有關(guān)的產(chǎn)業(yè)來說這點是非常簡單而且實際的，并且對于產(chǎn)品的擴展和改進也是十分方便的，只需在軟件之中進行調(diào)整即可。
2 基于C8051F300和TCS230的實現(xiàn)方案
??? C8051F300器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級的MCU芯片，C8051F300器件使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。它具有高速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口、11通道ADC、帶PGA和模擬多路器、在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器、3個通用的16位定時器、3個可編程計數(shù)器/定時器陣列等特性。
??? TCS230是Taos公司最新推出的業(yè)界首款帶數(shù)字兼容接口的RGB彩色光到頻率轉(zhuǎn)換器。它內(nèi)部集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個電流到頻率轉(zhuǎn)換器，TCS230的輸出信號是數(shù)字量，可以驅(qū)動標(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，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每個彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使電路更簡單。
??? 本文采用高速CPU即C8051F300和傳感器TCS230共同組合構(gòu)成顏色傳感器，它集合了這2個器件的特點，完成了以下的功能：
??? (1) TCS230能夠根據(jù)不同的光照，產(chǎn)生不同的頻率輸出；
??? (2) 高速CPU可以讀取與傳感器相連的端口，讀取傳感器輸出的頻率，并暫放在相關(guān)寄存器之中；
??? (3) 當(dāng)單片機接收到頻率信號后，根據(jù)采樣點時間的設(shè)定能夠判斷高低電平，此時可將單片機轉(zhuǎn)換后的信號傳送至LED燈來顯示，由此可以看出光的變換情況；
??? ?(4) 當(dāng)單片機將輸出送到LED燈顯示的同時以PWM脈寬調(diào)制的方式輸出信號，用于后續(xù)的糾偏控制。
3 顏色傳感器的硬件部分設(shè)計
3.1 C8051F300與TCS230的連接設(shè)計
??? 本傳感器設(shè)計的核心部分就是單片機與TCS230的連接，如圖2所示。
??? 將TCS230的S0以及S1兩個引腳全部與電源相連，這樣連接將會使顏色傳感器輸出占空比約為50%、頻率值為100%的方波，這樣給最終調(diào)試時帶來方便，在不同的設(shè)計要求時，只需簡單的調(diào)節(jié)接線就可以實現(xiàn)不同的功能。TCS230的S2和S3這兩個引腳作為光電二極管的類型選擇的引腳，現(xiàn)在與C8051F300單片機P0.0與P0.1相連，單片機就是通過這兩個引腳來對傳感器進行選擇控制，而對傳感信號的接收則通過P0.4和P0.5與TCS230的兩個OUT引腳的連接來實現(xiàn)。
??? 設(shè)計中采用2個Taos公司的傳感器TCS230，可用于移動圖像的檢測。之所以采用2個傳感器作為設(shè)計之中的檢測元件，其主要原因就是單個傳感器只能判斷圖像發(fā)生偏移，但不知偏移的方向。當(dāng)采用了2個傳感器作為檢測元件，那么不僅可以知道存在偏移，更可以檢測出偏移的方向，這即為本設(shè)計相對于當(dāng)今市場上相關(guān)產(chǎn)品的改進之處。
3.2 C8051F300輸出設(shè)計
??? 本文設(shè)計了單片機的兩種輸出，第一種即用LED燈顯示光的情況。第二種輸出脈寬調(diào)制(PWM)信號，PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。 具體輸出電路圖如圖3所示。
4 測試程序
??? 測試程序流程如圖4所示。系統(tǒng)初始化負(fù)責(zé)設(shè)置F300的各個工作寄存器、設(shè)置晶振和工作參數(shù)等等。初始化完成后，如需要顏色識別，就進行具體顏色的選擇，讀取信號，以及調(diào)理輸出，完成顏色的識別。
??? 本文討論了顏色傳感器設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)。目前該顏色傳感器已被應(yīng)用于實際的印刷系統(tǒng)中，經(jīng)過了運行檢驗，具有識別效果好、速度快、成本低、可靠性高等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] ?Texas Advanced Optoelectronic Solutions Inc. TCS230 programmable color light to frequency converter.2003.
[2] ?劉篤仁,韓保君.傳感器原理及應(yīng)用技術(shù)[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2003.
[3] ?林伸茂. 8051單片機徹底研究實習(xí)篇[M].北京：人民郵電出版社，2004.
[4] ?童長飛. C8051F系列單片機開發(fā)與C語言編程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2005.