木材顏色深度自動化分選系統設計

白軍杰 蔡家斌

摘要：為改善木材顏色自動化分選現狀，本文對木材表面顏色采集、色差等級及其算法進行研究。利用TCS3200D顏色感應器產生RGB三基色脈沖信號，通過STM32F407ZGT6芯片對其信號進行捕獲，通過比例因子將顏色傳感器芯片的輸出信號轉換對應RGB三基色數值，并通過灰度計算公式將RGB三基色轉換成灰度值，該灰度值與已提供的10個顏色灰度色差區間對比篩選，LCD顯示分選結果，只需加裝分選機構，即可自動分選木材。通過實際測試表明，本設計響應速度快，分選精準，完全達到木材自動化分選加工要求。

關鍵詞：木材表面顏色 顏色深度 圖像采集 顏色分選

中圖分類號：TD352 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0171-02

目前國內對木材的材色均勻性要求嚴格的家具、木質裝飾企業，多數采用人工的方式對存在色差的木材進行分選，存在分選精度不高、色差控制不準確、分選人員多、分選效率低下、生產成本高、流水線作業難、機械化程度低等突出問題。國內有些科研人員也對木材色差的自動分選方式進行了研究，結果與國外發達國家的自動化水平相比，依然存在著采集的木材表面顏色失真度高、自動分選準確性低等的問題。為提高我國木材加工企業的木材色差的分精確性和自動化水平，根據企業對木材色差自動分選的需求狀況，本文針對性地開展了木材顏色分選智能系統的研究。經過對木材顏色的特點的研究，所研究的色選系統根據對木材顏色進行灰度單值化處理之后，再根據顏色分選區間，確定木材所屬顏色等級。

1 總體設計方案

設計的木材表面顏色采集-色差高效自動分析系統由TCS3200D顏色感應器、STM32F407ZGT6微處理器、ILI9341液晶顯示器及其相關電子輔助設備組成。各種設備間使用SPI、8080等通訊協議通訊，框架圖如圖1。STM32F407ZGT6捕獲TCS3200D感應器輸出的木材表面顏色RGB各分量脈沖信號，再根據人眼識別習慣將讀取的RGB數據轉換灰度值，與預先通過LCD顯示器設置的10個灰度等級標準區間進行對比，得出分選結果并顯示，從而實現智能操作、可根據色差范圍要求進行分選。

2 顏色采集設計

顏色采集設計包括顏色感應器和軟件設計。顏色感應部分核心硬件為TOAS公司生產的TCS3200D顏色感應器。該傳感器工作在電壓為2.7V-5.5V，50KHz工作狀態下誤差小于0.2%，并具有電源關閉功能，支持片選；可輸出2%、20%、100%三種頻率波段；輸出頻率占空比為50%；可直接輸出對應RGB顏色脈沖，無需通過模擬-數字轉換；最佳有效光源距離10mm，就木材表面顏色特性而言，采用TCS3200D顏色傳感器足以勝任顏色采集任務。

TCS3200D感應芯片框架圖如圖2，當木材反射的光照射到TCS3200D顏色傳感器上，不同顏色的反射光會導致其OUT輸出頻率不同，根據OUT輸出頻率即可分辨不同顏色。通過S2和S3引腳高低電平對顏色RGB分量進行選擇，比如當S2和S3同時為低電平時，OUT引腳輸出脈沖代表R值分量，具體組合見表1。通過S0和S1引腳高低電平對OUT輸出脈沖頻率進行選擇，比如當S0為低電平，S1為高電平時，OUT輸出脈沖頻率為最大輸出頻率的2%，具體組合見表2。

2.1 感應裝置硬件設計

考慮到木材板坯具有一定寬度，若采用單一TCS3200D顏色傳感器，顏色采集區域非常狹窄，為擴大顏色采集區域的寬度，方便采集寬度幅面板坯表面的顏色數據，本實驗設計初步選用三并聯TCS3200D形式感應器，即由三個TCS3200D并排組合，中心間距15mm。其中公用輸出頻率選擇引腳S0和S1、輸出顏色選擇引腳S2和S3、輸出端OUT，而片選使能端OE分別獨立使用，OE低電平有效，通過軟件設計輪番對三個TCS3200D進行數據讀取。TCS3200D硬件三并聯連接原理圖如3。本裝置中還添加了8個0.2W白光LED燈，為TCS3200D傳感器提供白色光源。

2.2 顏色感應器軟件設計

根據上述顏色感應器硬件設計，軟件輪番讀取三個TCS3200D數據，并且在輪番讀取過程中，分別對每一個感應器輪番讀取RGB三基色分量。

軟件開始，首先拉低TCS1的OE引腳，拉高TCS2和TCS3的OE引腳，只使能TCS1，進入子程序（子程序在MCU算法中表現），然后讀取分別通過拉低或者拉高S2和S3引腳，OUT引腳輸出對應RGB脈沖，讀取TCS1的RGB分量，退出子程序后，轉向對TCS2，使能TCS2輸出，輸出完成后，同樣對TCS3使能輸出。當讀取完成TCS3之后，重新對TCS1進行讀取。

3 MCU設計和相關算法

MCU（微型中央處理器）選擇STM32F407ZGT6，該芯片為ST公司生產的Cortex-M4系列芯片，其運算頻率高達168MHz，具有2個高級定時器、10個通用定時器和2個基本定時器。其中，通用定時器計數頻率為84MHz，可以完成0-65535從上至下或從下至上計數。本程序使用定時器TIM2的通道1對TCS3200D的OUT引腳輸出脈沖進行捕獲，并計算不同顏色下脈沖輸出值。

3.1 STM32F407ZGT6硬件連接設計

STM32F407ZGT6引腳眾多，為了能方便說明其與TCS3200D的硬件連接方式，只列出以下幾個引腳，分別是STM32F407ZGT6的GPIOF.5（以下簡稱PF5）連接TCS公用OUT引腳，為線號捕獲線，PA4連接TCS公用S2引腳，PA7連接TCS公用S3引腳，PE5連接TCS公用S1引腳，PE6連接TCS公用S0引腳，PC6連接TCS1的OE1引腳，PC7連接TCS2的OE2引腳，PC8連接TCS3的OE3引腳。此外STM32F407ZGT6的其他基本功能引腳比如時鐘線號線等，因為不作為本程序重點，故此不做詳細陳述。STM32F407ZGT6和TCS3200D顏色感應器硬件連接圖見圖3。

3.2 STM32F407ZGT6數據捕獲和顏色轉換

使用STM32F407ZGT6的TIM2通道1進行OUT引腳頻率捕獲。首先初始化TIM2通用計時器，初始化采用21分頻，因為TIM2計數時鐘為84MHz，即1/84us計數1次，采用21分頻時，即采用21/84us（0.25us）計數一次。因為TCS3200D輸出為方波，占空比為50%，只需要連續捕獲兩次上升沿信號，即可完成一次周期采集。當捕獲第一次上升沿信號時，清空TIM2計數器，等待捕獲第二次上升沿，讀取TIM2計數器數值N，即可算出一個輸出周期時間T，T=TIM2計數器N*0.25us。

捕獲到的具體RGB分量周期之后，還需與白光光照情況下的RGB數字進行比較，方能算出具體RGB數值。因此，在對不同顏色RGB進行捕獲之前，需要先進行白平衡。白平衡的方法為，將有白光穿過的試管至于TCS3200D至上，分別得出RGB三基色分量周期，該三個周期即為標準白光RGB數值，與255進行對比，得出顏色系數。為了簡化后期人員的相關操作，TCS3200D在出廠時已經標明具體RGB白平衡系數，所以，只需通過LCD電容屏對其進行相關設置即可。

3.3 顏色灰度值處理

讀取到木材表面的RGB顏色分量分別是紅、綠、藍三數值，根據這三個數值是無法判斷顏色深度，為了能夠將三個數值轉換成為一個數字產生可比性，并且結合人眼對顏色深度區分習慣，故選擇灰度值比較方法。灰度即以黑色為基準色，用不同飽和度的黑色來顯示圖像。通常像素量化后用一個字節（8bit）來表示。如把由黑到灰到白的連續變化的灰度值量化為256個灰度級，則灰度值的范圍為0～255，其表示亮度從深到淺，對應圖像中的顏色為從黑到白，RGB 轉為灰度值的心理學公式如公式1。

Gray=30%×R+59%×G+11%×B （1）

MCU通過上述公式即可完成度顏色-灰度值的轉換，木材表面顏色將被轉換成為0-255之間的量化數值，從而方便顏色深淺度的比較，得出色差等級。與其他顏色深淺度表示的方式比較，如LS-SVM等方法，灰度比較方法更加簡單。

4 TFTLCD信息輸出

TFTLCD液晶顯示器作為人機交互的重要硬件設備，在自動化控制系統中必不可少。本系統直接利用ILI9341電容屏作為輸出信息和相關操作設備。

5 流水線設計

根據系統設計要求，完成流水線基本裝配，裝配設計有SolidWorks設計。

6 結語

本設計使用STM32F407ZGT6作為核心處理器、TCS3200D顏色傳感器為顏色采集芯片，兩者協同工作，具有數據處理速度快、響應迅速、數據處理穩定、成本低等特點，同時因顏色感應芯片體積小，流水線作業產生的震動造成的圖像噪音有很好的應對效果。優化后的灰度算法，更加適應于木材表面顏色深度分選。系統操作成熟，LCD液晶控制器使得控制和信息反饋方便，操作人員技術要求低，分選速度快，可以滿足木材流水線加工需求，為木材顏色自動化分選提供了行之有效的解決方案。