便攜式智能辨色儀的設計與實現

周炯亮 陳青華 鄭安平 姜利英

(河南職業技術學院機電系1，河南 鄭州 450002;鄭州輕工業學院電氣信息工程學院2，河南 鄭州 450046)

0 引言

隨著現代工業生產向高速化、自動化方向的發展，顏色檢測裝置被越來越廣泛地應用于顏色測量、顏色變化的識別、打印控制、顏色校正、食品安全、農業生產和機器人安全監控等領域。早期的顏色傳感器識別電路復雜，在確定顏色隸屬度上，只是在RGB顏色空間上按照兩個點的顏色距離進行隸屬度的劃分，顏色的歸類識別效果并不理想［1］。近幾年，部分顏色識別基于圖像處理技術，采用CCD攝像機對目標圖像進行采集和還原，以達到顏色識別的目的［2－4］。然而該方法成本較高，這在很大程度上限制了檢測的便捷性。

本設計采用高分辨率顏色傳感器TCS3200D進行顏色識別和轉換，結合16位低功耗單片機MSP430F149為核心控制芯片進行計算、標定與控制，并配合外圍芯片設計了便攜式智能辨色儀，其不僅能實現顏色的識別與檢測，還具有許多優良特性。試驗驗證該辨色儀測量結果同人眼的顏色感覺基本一致，在殘疾人輔助工具、農業和食品加工行業具有較好的應用前景。

1 系統硬件設計

系統由三組光源、顏色傳感器、微處理器、語音模塊、時鐘模塊、電源管理模塊、存儲模塊和按鍵等組成，如圖1所示。系統的具體功能為系統上電后，自動打開外加輔助照明光源，自動測白平衡后獲得白平衡參數，在語音提示測量的狀態下按下測量按鈕，顏色傳感器讀取被測物體的顏色信息，產生的信號傳送給MSP430F149進行計算、標定與控制。可編程分段的低成本OTP系列語音模塊預先燒寫相關語音數據，結合MSP430F149可實現實時顏色與當前時間播報。電源充電管理模塊可進行低電壓語音提示和智能充電等多種功能。

圖1 辨色儀系統結構圖Fig.1 The structure of the color discriminator system

1.1 顏色傳感器TCS3200D

TCS3200D是TAOS公司推出的帶數字兼容接口的彩色光/頻率轉換器，其內部集成了可配置的硅光電二極管陣列和1個電流/頻率轉換器。芯片上集成有紅、綠、藍(RGB)3種濾光器，上面有1個數字兼容接口，輸出的是數字量，可以直接驅動標準的TTL或CMOS邏輯輸入，特別是能夠直接與微處理器連接而不需A/D轉換，實現每個彩色信道10位以上的轉換精度。芯片內含1個交叉連接的8×8光電二極管陣列，其中每16個二極管提供一種色彩類型，共有紅、藍、綠和清除全部光信息4種類型，可最大限度地降低入射光幅射的不均勻性。所有相同顏色的16個光電二極管都是并聯連接，工作時通過可編程的引腳來動態選擇色彩，以增加精確度、簡化光學電路。該芯片采用8引腳SOIC表面貼封裝，適用于色度計的測量應用。

TCS3200D具有可完成高分辨率的光照度/頻率轉換、色彩和滿度輸出頻率可編程調整、可直接與微處理器通信等特點。當入射光投射到TCS3200D上時，TCS3200D通過內部光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，選擇不同濾波器的類型，經電流頻率轉換器轉換后輸出不同頻率的方波(占空比為50%，不同的顏色和光強對應不同頻率的方波)。該轉換器對光響應范圍為1 Hz～250 kHz，典型輸出頻率范圍為2 Hz～500 kHz，用戶可通過2個可編程引腳S0和S1來選擇100%、20%或2%不同的輸出比例因子，對輸出頻率范圍進行調整，以適應不同的需求。TCS3200D的輸入輸出引腳可直接與微處理器或其他邏輯電路連接，通過輸出使能端OE將輸出置于高阻狀態，可使多個器件共享一條微處理器輸入線。與TCS230相比，TCS3200D性能更穩定，工作環境溫度可低至－40℃，功耗和成本均更低。TCS3200D顏色傳感器應用范圍廣泛，適用于色彩測量、打印控制、顯示顏色校正、人工視覺和光線檢測等領域［5］。

1.2 照明光源的選擇

顏色檢測系統對照明光源的要求十分嚴格:既要使光線照射在物體上能夠實現反射，又要使這些光源對顏色測量的影響盡可能小，且照明光源必須滿足照明壽命長、明亮、廣譜、體積小和發熱量低等要求。TCS3200D自身不帶光源，在實際應用中必須考慮光源補償。由于白色光是各種顏色光光譜的疊加，因此，用白色LED光源作為試驗測定的標準光源，可避免試驗中的人為誤差。試驗時把一組白色LED燈排成圓形分布在顏色傳感器周圍，從而使光源發出的光盡量均勻地照在被測物上。

1.3 硬件電路部分的設計

微控制器部分采用業界公認的超低功耗TI公司的16位RISC混合信號處理器的MSP430F149單片機，它具有集成度高、外圍設備豐富、功耗超低等優點，在便攜式儀表的設計領域得到了廣泛的應用。MSP430F149具有較強的計算能力，針對設備小型化、移動化的要求，在功耗方面作了相應的優化［6－8］。智能辨色儀電路圖如圖2所示。

圖2 智能辨色儀電路圖Fig.2 Circuitry of the intelligent color discriminator

顏色傳感器部分共占用5 個管腳(P1.0～ P1.4)。P1.1和 P1.2控制輸出比例因子，P1.3和 P1.4控制濾波器的選擇。轉換后的頻率輸出端接微控制器的定時器外部輸入TACLK端，MSP430的定時器設置為外部計數方式。計數器寄存器的值對應的即為TCS3200D的輸出頻率，則結合相應的算法，可以得到R、G、B的顏色和強度，再對比存儲區的標準模庫表，即可得到實際的顏色。

語音模塊采用OTP語音芯AC8040，支持DAC和PWM輸出，內置電阻，應用電路非常簡單，可編程分段時長達40 s，音質效果好、成本極低。為了實現可編程分段式播放，控制方式選擇為串行模式，通過單片機與語音芯片進行串行通信播放相應的段。與單片機連接時占用單片機 2 個管腳(P6.0和 P6.1)，使用時 P6.0先發復位脈沖(寬度2 ms)，延時1 ms后，由觸發口 P6.1發觸發脈沖，以觸發語音播放，由發出的脈沖個數確定識別第幾段語音信息。

按鍵單元共占用 3 個管腳，分別為 P1.5、P1.6、P1.7，分別對應測試鍵、向上查詢鍵和向下查詢鍵3種狀態。按鍵模塊采用中斷方式，方便系統軟件設計，可實現中斷控制進入正常顏色測試，向上或向下查詢歷史記錄。

基于E2PROM掉電時數據不丟失的特性，存儲模塊采用 AT24C512，共占用 P4.0(SCL 時鐘線)和 P4.1(SDA數據線)兩個引腳。單片機內部沒有自帶的I2C接口，這里使用GPIO模擬I2C總線協議時序進行數據的讀寫，實現測量數據及測量時的時間存儲。試驗中，每次測量數據和當前時間共需至少10 bit來保存，因此，AT24C512芯片512 kB的容量，最多可以存儲6000組數據。

LED 光源模塊占用 6 個管腳(P5.2～ P5.7)。在白光照射下RGB顏色傳感器的輸出并不相等，可根據實際環境光線適時調整補償光源的強度并進行白平衡補償。

實時時鐘模塊的主要功能是實時記錄當前時間，每次測量時的時間亦與顏色值為一組，在微控制器的控制下自動存儲。時鐘模塊共占用MCU三個管腳，分別為 P4.2、P4.3、P4.4。該模塊接有備電，斷電時不會停止或丟失，且只需在設備第一次使用時設置一次時間即可。

1.4 電源模塊

針對便攜式儀表低功耗設計的要求，智能辨色儀的電源系統采用了MAX1674升壓芯片和TP4054電源充電管理模塊，如圖3、圖4所示。MAX1674在提供了系統電源的同時又通過LBO接單片機的 P5.1引腳，實現了電池欠壓檢測的功能。TP4054芯片結合USB電源接口和電池供電的雙通道供電模式，實現智能充電和管理，從而為系統進行供電和充電，方便用戶使用。

2 軟件部分

軟件部分主要包括微控制器MSP430F149與顏色傳感器TCS3200D測頻接口模塊、白平衡校正子程序、顏色比較子程序、語音模塊、E2PROM讀寫模塊和時鐘模塊等。

系統上電進入測試時，首先自動進入白平衡校正模塊，當前RGB值被存儲到E2PROM存儲器中，利用堆棧的原理更新校正值，建立白平衡校正值庫;然后進入測頻模塊，根據簡化后的最小笛卡爾距離的原理，把顏色比較子程序中對被測物的RGB值和事先存儲在E2PROM中的36種顏色識別庫中的值相比較，得到最接近的顏色代碼，通過調用語音模塊實現顏色和時間的播報、存儲和查詢等多種功能［9－11］。

3 測試結果

在實際測試中，為了避免外界光線的干擾，把傳感器、光源等放置在一個密閉、無反射的箱子中封裝起來進行測試。采用該辨色儀測試不同衣物顏色樣本20份，得到的RGB頻率值如圖5所示。由圖5可以看出，測試結果同人眼的顏色感覺有較好的一致性。

4 結束語

辨色儀采用一鍵式操作，全程語音提示，具有成本低、體積小、檢測快、穩定性高、功耗低和擴展方便等優點。

由于本設計最初應用于盲人輔助穿衣(相關產品正在申請專利)，采用的樣本是普通衣物和常見食物，結構和功能相對簡單。如果在食品加工和農業生產或工業自動化領域進行色彩辨識，則可以結合相應的外圍電路擴展多種功能，并針對實際使用要求作進一步的綜合數據處理，分析建立專用的顏色庫，從而進行更精確的分析。

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