基于顏色識(shí)別的糧食檢測(cè)系統(tǒng)

張春光

(黑河學(xué)院,黑龍江黑河 164300)

0 前言

采用的主要硬件包括具有高度色彩分析能力的TCS230顏色傳感器、擁有高頻率且運(yùn)行速度很快的AT89 C51單片機(jī)、顯示作用的LCD1602以及實(shí)現(xiàn)提示作用的蜂鳴報(bào)警器等,在他們的共同作用下,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人們對(duì)細(xì)微色彩變化的觀察研究。

1 顏色識(shí)別系統(tǒng)分析

顏色識(shí)別系統(tǒng)在我們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用越來(lái)越深入,以往我們?cè)谟龅叫枰M(jìn)行顏色識(shí)別的步驟,都是通過(guò)人為肉眼進(jìn)行觀察的,然而這種觀察方式會(huì)因?yàn)橥獠凯h(huán)境變化而發(fā)生一定改變,例如周圍環(huán)境、光照強(qiáng)度、甚至是觀察人員主觀上的差異等,因而直接使用肉眼對(duì)物體顏色進(jìn)行觀察產(chǎn)生的結(jié)果會(huì)與真實(shí)的結(jié)果存在一些差異。一些研究人員為了減少這個(gè)誤差努力研究,現(xiàn)在人們?cè)O(shè)計(jì)出了多種檢測(cè)顏色的儀器。

如RGB 顏色傳感器、色差傳感器、硅雙結(jié)型顏色傳感器、光纖顏色傳感器、機(jī)器視覺(jué)顏色檢測(cè)系統(tǒng)等。RGB 顏色傳感器。RGB三個(gè)字母就是Red紅色,Green綠色,Blue藍(lán)色的首字母縮寫,僅僅憑借著這三種顏色就可以創(chuàng)造出無(wú)數(shù)的新的色彩。RGB 顏色傳感器就是利用這三種顏色的濾波片進(jìn)行工作的,它的具體工作內(nèi)容就是利用三種顏色的濾波片將三種顏色分開(kāi),對(duì)每種顏色單獨(dú)進(jìn)行光強(qiáng)檢測(cè),所以這種顏色傳感器測(cè)試出的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn),誤差小,且使用方便。RGB顏色傳感器的另一種工作模式同樣是依據(jù)的紅、綠、藍(lán)三種顏色,不同于之前的直接疊加,而是通過(guò)光強(qiáng)的反射來(lái)完成檢測(cè)的。這種測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn)是可以識(shí)別出很細(xì)小的顏色。但是應(yīng)用反射的原理,會(huì)對(duì)外界的環(huán)境要求比較大。總體來(lái)說(shuō),RGB 顏色傳感器是易于操作、精準(zhǔn)度較強(qiáng)的。

2 顏色識(shí)別系統(tǒng)的基本原理

本文研制的基于顏色識(shí)別的糧食安全檢測(cè)系統(tǒng)是采用TCS230顏色傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)色彩進(jìn)行采集的。本文研制的這個(gè)顏色識(shí)別系統(tǒng)主要作用就是像人眼一樣可以對(duì)物體進(jìn)行觀察,不僅如此,他還要擁有更加強(qiáng)大的功能也就是需要他觀察到人們?nèi)庋鄄荒軌蜃R(shí)別出差異的顏色[1]。物體不同顏色的產(chǎn)生大多數(shù)都是因?yàn)榘烁鞣N不同顏色的光照射到物體表面,物體卻選擇性的只吸收了其中一部分光而形成的。而不同種顏色的產(chǎn)生則是因?yàn)榧t、綠、藍(lán)三種顏色混合的比例不同造成的。

色差傳感器。在生活中并不是每一個(gè)領(lǐng)域都需要對(duì)顏色進(jìn)行精準(zhǔn)且細(xì)微的區(qū)分,在很多時(shí)候只需要將顏色差異性很大的物體進(jìn)行簡(jiǎn)單區(qū)分就可以,這樣就不需要使用那些復(fù)雜的設(shè)備,色差傳感器就是應(yīng)用在這些需求簡(jiǎn)單的檢測(cè)中。色差傳感器主要應(yīng)用在物體的區(qū)分篩選、質(zhì)量檢測(cè)等不需要識(shí)別具體顏色,只需要區(qū)別色彩的行業(yè)領(lǐng)域。目前,色差傳感器的發(fā)展很迅速,種類也很多,而且他們都具有價(jià)格低廉的特點(diǎn)。所以,色差傳感器廣泛的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。

硅雙結(jié)型顏色傳感器。這種顏色傳感器主要是利用硅的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行工作的,它的組成結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)P-N 結(jié)構(gòu)成。具體的工作原理是待測(cè)物的光線照射到P-N 結(jié)上,硅可以對(duì)入射到兩個(gè)P-N 上的不同顏色的光進(jìn)行吸收,繼而獲取到一些信息,經(jīng)過(guò)科學(xué)的分析計(jì)算處理,從而得到我們需要的數(shù)據(jù)。硅雙結(jié)型顏色傳感器的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,易于操作及完成。

光纖顏色傳感器。光纖傳感是一門新的傳感技術(shù),光纖傳感器對(duì)外界的感知十分敏感,所以他在工作過(guò)程中往往會(huì)隨著檢測(cè)物體的一些微小變化甚至是外界環(huán)境變化而使檢測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)生改變。不僅如此,光纖傳感器還有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力,它可以在很多惡劣的條件下進(jìn)行工作。

機(jī)器視覺(jué)顏色檢測(cè)系統(tǒng),機(jī)器視覺(jué)的工作原理主要是利用光源照射到待測(cè)物體上,再利用圖像捕捉系統(tǒng)對(duì)被照射的待測(cè)物體進(jìn)行圖案獲取,再將所得的圖案進(jìn)行處理,將模擬圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),再對(duì)其進(jìn)行各種處理,以得到我們想要的顏色、大小等數(shù)據(jù)信息。

2.1 TCS230顏色傳感器的工作原理

由于顏色的差異在于紅、綠、藍(lán)三種顏色的混合比率不同,因此待測(cè)物體的顏色確認(rèn)可以通過(guò)紅、綠、藍(lán)三種顏色的混合比率確定。TCS230彩色傳感器使用的是針對(duì)一種顏色識(shí)別的原則。TCS230顏色傳感器在進(jìn)行工作時(shí)選擇的方法就是分別篩選出三種顏色的光強(qiáng),采用的方法是當(dāng)它對(duì)某一種顏色的光進(jìn)行篩選時(shí),它會(huì)只針對(duì)這一種顏色的光進(jìn)行工作,忽視其他顏色的光從而確定其光強(qiáng),然后再針對(duì)另外兩種顏色的光線采取相同的方法進(jìn)行檢測(cè)[2]。

2.2 白平衡原理

在使用本文的基于顏色識(shí)別的糧食安全檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)物體進(jìn)行顏色識(shí)別時(shí),為了測(cè)試的準(zhǔn)確性,需要提前對(duì)TCS230顏色傳感器進(jìn)行白平衡校正,白平衡就是用來(lái)確定系統(tǒng)白色標(biāo)準(zhǔn)的。將紅、綠、藍(lán)三種不同顏色的光線按照不同的比例進(jìn)行混合時(shí)會(huì)得到各種各樣不同的顏色,而白平衡調(diào)試時(shí)所使用的白色就是將紅、綠、藍(lán)三種顏色的光以相同的比例混合在一起時(shí)產(chǎn)生的顏色。因?yàn)樵趯?shí)際檢測(cè)中白色與理論上是存在差異的,在生活中因?yàn)楦鞣N因素的影響白色并不是由完全相同比例的紅、綠、藍(lán)三種光線組成,所以在進(jìn)行檢測(cè)前需要對(duì)TCS230顏色傳感器進(jìn)行白平衡調(diào)試[3]。在調(diào)試前需要確定一個(gè)載物臺(tái)將顏色傳感器放置在上面,還要選取一個(gè)空的試管,并將其放置于TCS230顏色傳感器的上側(cè),最重要的是還要在放置好的試管上側(cè)放置一個(gè)可發(fā)白光的光源。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,在進(jìn)行白平衡調(diào)試時(shí),需要讓白色的光源穿過(guò)試管并照射到TCS230顏色傳感器上,當(dāng)TCS230顏色傳感器接收到光照時(shí),將開(kāi)始進(jìn)行工作,它會(huì)分別篩選出三種顏色并得到相應(yīng)的光照值,根據(jù)測(cè)得的結(jié)果與理論值之間的差異再分別對(duì)三種顏色進(jìn)行調(diào)整。影響系統(tǒng)識(shí)別準(zhǔn)確性的因素不只是這一個(gè),TCS230顏色傳感器自身對(duì)于三種顏色識(shí)別時(shí)敏感性的不同也同樣影響著系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 白平衡裝置圖Fig.1 White balance device

2.3 主程序流程

在對(duì)顏色識(shí)別的糧食安全檢測(cè)系統(tǒng)研究中,為了各功能更好的實(shí)現(xiàn)采用了分解的方式進(jìn)行研究,主要包括一個(gè)整體的主程序、顏色采集的子程序和蜂鳴報(bào)警的子程序三部分共同組成。

2.4 子程序流程圖

想要利用該系統(tǒng)完成對(duì)糧食安全的檢測(cè),除了上述的主程序外還有兩個(gè)子程序。首先是系統(tǒng)對(duì)待測(cè)物體顏色信息收集的顏色采集模塊,使用的是三原色原理,具體流程為用TCS230顏色傳感器分別對(duì)紅、綠、藍(lán)三種光線進(jìn)行光強(qiáng)數(shù)據(jù)檢測(cè),最后通過(guò)判斷三種顏色的混合比來(lái)確定顏色。

除了顏色采集程序外,還設(shè)置了一個(gè)報(bào)警程序,它的作用是當(dāng)我們檢測(cè)出的數(shù)據(jù)值不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時(shí)就鳴響,從而起到警示作用。

3 顏色識(shí)別系統(tǒng)的硬件介紹

3.1 TCS230芯片的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

在本文研制的系統(tǒng)中,顏色傳感器選擇的是一款來(lái)自于美國(guó)公司的TCS230芯片,選擇TCS230顏色傳感器最大的原因在于使用起來(lái)簡(jiǎn)單。因?yàn)樵搨鞲衅髯龅搅藢㈦娏黝l率轉(zhuǎn)換器與可配置的硅光電二極管集成在一個(gè)單一的CMOS 電路上,該顏色傳感器的這個(gè)單一的CMOS 電路上還包含了紅、綠、藍(lán)三種顏色的濾光器。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它可以做到輸出信號(hào)是數(shù)字量信號(hào),這種信號(hào)可以做到讓TTL或者是CMOS 邏輯輸入開(kāi)始啟動(dòng),從而達(dá)到即使是在沒(méi)有A/D 轉(zhuǎn)換電路的情況下仍可以做到轉(zhuǎn)換精度在十位數(shù)以上。

3.2 TCS230顏色傳感器的引腳功能介紹

TCS230顏色傳感器有S0、S1、S2、S3、OE、OUT、GND、VCC八個(gè)引腳,其中S0、S1兩個(gè)引腳的作用是可以對(duì)輸出比例因子(例如100%、20%、2%)或電源關(guān)斷模式進(jìn)行選擇;S2、S3兩個(gè)引腳的作用是對(duì)于不同濾波使用濾波器類型的選擇;OE是頻率輸出使能引腳,可以控制輸出的狀態(tài),當(dāng)有多個(gè)芯片引腳共用微處理器的輸出引腳時(shí),也可以作為片選信號(hào),OUT 是頻率輸出引腳,GND 是芯片的接地引腳,VCC 為芯片提供工作電壓。

3.3 光源的選擇

在使用本文的系統(tǒng)對(duì)物體進(jìn)行顏色識(shí)別時(shí),因?yàn)楣饩€的因素會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響,所以我們采取了使用四個(gè)LED燈使之與TCS230 顏色傳感器相結(jié)合的方式。當(dāng)對(duì)物體進(jìn)行測(cè)試時(shí),LED開(kāi)啟照明功能,增加了光線的強(qiáng)度,進(jìn)而增加了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確程度。

3.4 TCS230與AT89C51單片機(jī)的連接

本文的糧食安全檢測(cè)系統(tǒng),主要就是由TCS230 顏色傳感器和AT89C51 單片機(jī)組成,將這兩個(gè)器件組合在一起時(shí),需要將TCS230芯片的S0和S1兩個(gè)引腳的輸出頻率選擇為100%;OUT接口與單片機(jī)的P3端口連接用于計(jì)數(shù),這個(gè)接口可以接受到的信號(hào)頻率為500HZ;TCS230芯片的OE接口、S1接口和S2接口需要連接在單片機(jī)的P1口上。

3.5 LCD顯示模塊

為了更加明顯的了解到檢測(cè)結(jié)果,在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究時(shí),增加了一個(gè)LCD顯示模塊,它的作用是將檢測(cè)出的結(jié)果直接展現(xiàn)在顯示屏上。本文的顯示模塊選取的是LCD1602。

3.6 蜂鳴報(bào)警器

在報(bào)警模塊中報(bào)警器選擇的是蜂鳴器,它根據(jù)結(jié)構(gòu)組成不同可以分為兩大類。一種是由壓電陶瓷材料制成并由多諧振蕩器、阻抗匹配器等多種部分組成的壓電式蜂鳴器;另一種則是由振蕩器、電磁線圈、磁鐵等多種器件組成的電磁式蜂鳴器。壓電蜂鳴器的工作原理是壓電效應(yīng),當(dāng)為其通電后,多諧振蕩器開(kāi)始工作并輸出音頻信號(hào)給阻抗匹配器,阻抗匹配器接收到信號(hào)后就會(huì)推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)出聲音;電磁式蜂鳴器顧名思義就是利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行工作的,當(dāng)為其通電后,振蕩器開(kāi)始工作并發(fā)送出信號(hào)電流,電流的作用使電磁圈產(chǎn)生了磁場(chǎng),和電磁共同作用引起振片震動(dòng)發(fā)聲。

3.7 蜂鳴報(bào)警器與AT89C51單片機(jī)連接

當(dāng)AT89C51單片機(jī)對(duì)P0.0端口發(fā)出邏輯“1”指令時(shí),它會(huì)輸出+5V電壓,由于三極管的作用,蜂鳴器不能接受到端口發(fā)出的電源,蜂鳴器不鳴響;當(dāng)AT89C51 單片機(jī)對(duì)P0.0端口發(fā)出邏輯“0”指令時(shí),它會(huì)輸出0V電壓,在三極管8550 的作用下,有電流作用于蜂鳴器,蜂鳴器就開(kāi)始鳴響。

4 結(jié)論

本文研究這個(gè)系統(tǒng)的目的主要是幫助人們對(duì)食品進(jìn)行安全驗(yàn)證,采用的是通過(guò)檢測(cè)食品顏色來(lái)鑒定的方法,而顏色檢測(cè)主要是利用單片機(jī)技術(shù)。