色敏探测器教学实验仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种色敏探测器教学实验仪，包括颜色采集器、核心控制器和上位机，其中：颜色采集器设置在一密封盒内，颜色采集器包括光源、颜色探测器和聚光透镜，颜色探测器四周通过黑色柱形壁封闭，光源分布在黑色柱形壁的四个角，光源产生的光通过聚光透镜聚焦后照射到待测物上，经待测物反射后的光线再通过聚光透镜照射到颜色探测器上，颜色探测器将光信号转换成电信号输出；核心控制器与颜色探测器连接，上位机通过串口与核心控制器连接。本实用新型的色敏探测器教学实验仪结构简单，实现成本低。
【专利说明】色敏探测器教学实验仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及教学实验仪，尤其涉及一种色敏探测器教学实验仪。
【背景技术】
[0002]目前，光电信息科学与工程、测控技术与仪器、应用物理、电子科学与技术、电子信息科学与技术、电气工程及其自动化、通信工程、信息工程等专业的本科生专业实验课都设有光电技术实验课，光电技术实验课的目的是通过研究性学习巩固、加深、验证理论课所学内容，增加学生对学科前沿内容的认识与实践，培养学生在所学专业领域内分析问题、解决问题的能力。颜色检测仪器广泛的应用在纺织、印染、电子产品、印刷等行业的颜色管理领域中；而且，颜色检测在日常生活中的应用越来越广泛。但是，目前还没有教学用的色敏探测器教学实验仪，现有技术的颜色检测仪大都体积大，价格昂贵，以国外生产的颜色检测仪居多，因此在色敏探测器类光电子教学的过程中，教师只能以书面方式进行授课，无法通过实践进一步引导学生，不利于学生的进步。
【发明内容】
[0003]本实用新型要解决的技术问题在于针对现有技术中色敏探测器教学实验仪体积大，价格昂贵的缺陷，提供一种结构简单，实现成本低的色敏探测器教学实验仪。
[0004]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0005]提供一种色敏探测器教学实验仪，包括颜色采集器、核心控制器和上位机，其中:
[0006]颜色采集器设置在一密封盒内，颜色采集器包括光源、颜色探测器和聚光透镜，颜色探测器四周通过黑色柱形壁封闭，光源分布在黑色柱形壁的四个角，光源产生的光通过聚光透镜聚焦后照射到待测物体上，经待测物体反射后的光线再通过聚光透镜照射到颜色探测器上，颜色探测器将光信号转换成电信号输出；
[0007]核心控制器与颜色探测器连接，采集颜色探测器输出的电信号并转换为待测试物的RGB数据，然后输出给上位机；该核心控制器还包括参数设置按钮、扩展模块以及调试/下载接口 ；
[0008]上位机，通过串口与核心控制器连接，接收其输出的RGB数据并处理，最后将处理的结果进行显示。
[0009]本实用新型所述的色敏探测器教学实验仪中，颜色探测器采用TCS3200D色敏探测器芯片。
[0010]本实用新型所述的色敏探测器教学实验仪中，光源为四个白色LED。
[0011]本实用新型所述的色敏探测器教学实验仪中，核心控制器采用主控芯片STM32F103RBT6。
[0012]本实用新型所述的色敏探测器教学实验仪中，所述扩展模块为将主控芯片STM32F103RBT6剩余可使用的I/O 口引出的排阵。
[0013]本实用新型所述的色敏探测器教学实验仪中，所述颜色探测器和聚光透镜通过铁架台夹子固定在铁架台支架上。
[0014]本实用新型产生的有益效果是:本实用新型色敏探测器教学实验仪利用了颜色探测器可以直接将光转化为频率输出的特点，简化了电路，核心处理器将颜色探测器输出的数字信号进行处理，将进行处理后的RGB数据通过上位机进行校正和显示。本实用新型的色敏探测器教学实验仪结构简单，实现成本低，能够引导学生熟悉实验原理，锻炼学生的动手能力，启发学生创新精神，能使教师将书本知识与实践相结合，提高授课质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中:
[0016]图1是本实用新型实施例的结构示意图；
[0017]图2是色敏探测器教学实验仪的结构示意图；
[0018]图3是TCS3200D原理框架图；
[0019]图4是频率测量流程图；
[0020]图5是色敏探测器教学实验仪核心控制器的控制流程图。
【具体实施方式】
[0021]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0022]本实用新型实施例的色敏探测器教学实验仪实现结构简单，实现成本低，能够引导学生熟悉实验原理，锻炼学生的动手能力。主要包括颜色采集器、核心控制器和上位机。
[0023]颜色采集器设置在一密封盒26内，该密封盒26可使全部的白光照射到待测物体29上，避免了光线的损失，排除周围环境光线的干扰。
[0024]其中，颜色采集器包括光源21、颜色探测器22和聚光透镜25，颜色探测器22四周通过黑色柱形壁28封闭。光源21可使用5mm白光直插式led发光二极管，分布在黑色柱形壁28的四个角，光源21产生的光通过聚光透镜25聚焦后照射到待测物体29上，经待测物反射后的光线再通过聚光透镜25照射到颜色探测器22上，颜色探测器22将光信号转换成电信号输出；
[0025]用黑色柱形壁28将颜色探测器22周围封闭，颜色探测器22正对的那一面不封口，黑色柱形壁28用于降低四周光源21的干扰。
[0026]本实用新型的一个实施例中，颜色探测器22和聚光透镜25可利用铁架台夹子24固定在铁架台23支架上，其高度均可以进行调节。
[0027]核心控制器与颜色探测器22通过信号线连接，信号线接口 27包括地线、颜色探测器的5路信号以及为颜色探测器22和光源21提供工作电压的电源线，核心控制器采集颜色探测器22输出的电信号并转换为待测试物的RGB数据，然后输出给上位机；该核心控制器还包括参数设置按钮、扩展模块以及调试/下载接口 ；
[0028]上位机，通过串口与核心控制器连接，接收其输出的RGB数据并处理，最后将处理的结果进行显示。
[0029]本实用新型的一个实施例中，颜色探测器22采用TCS3200D芯片，其有效光敏面大小为1.98mm*1.98mm。芯片四角各设有I个白色LED，四个白色LED构成补光模块，可使四个LED均与黑色柱形壁28的开口处成30° — 60°的夹角。使用时，将黑色柱形壁28置于待测样品上方进行检测，4个LED光源在密封盒26内发出白光照射到待测样品，然后待测样品反射出的光线进入黑色柱形壁28内被TCS3200D接收，密封的空间使全部的白光照射到被测物体上，避免了光线的损失，TCS3200D周围的黑色柱壁，使得被测物体反射的光更好的被TCS3200D探测到，减少LED白光被TCS3200D探测到的可能，保证色敏探测器输出准确的频率，提高系统精确度。
[0030]颜色探测器22通过色敏探测器芯片TCS3200D将LED光源通过颜色测试样品反射后到达色敏探测器的光转换成占空比为50%的频率信号输出；如图2所示，核心控制器包括MCU模块1003、参数设置按钮1006、串口通信模块与电源模块1005、扩展模块1002、JTAG/SffD模块1004即调试/下载接口，将颜色探测器22中输出的频率信号进行采集并通过相关运算以得到颜色测试样品的RGB数据，并将得到的RGB数据传到上位机即数据处理与结果显示模块1007，其中参数设置按钮1006设置MCU模块1003进入白平衡程序或者样品颜色探测程序，MCU模块1003选用ST公司的STM32F103RBT6为主控芯片，控制与协调其它各模块完成各自的工作，其中，STM32F103RBT6的引脚PA5、PA6、PA7、PA8、PA0分别与颜色探测器的5路信号线相连，PA5、PA6、PA7、PA8控制与驱动颜色探测器22，PAO接收测量到的三路颜色频率信息。串口通信以及电源模块1005为核心控制器的所有模块以及颜色探测器22供电并实现上位机的通信，扩展模块1002与JTAG/SWD模块1004用于学生自主学习其它扩展实验，扩展模块1002为将主控芯片STM32F103RBT6剩余可使用的I/O 口引出的排阵；数据处理与结果显示模块1007是在计算机上由MATLAB编写出来的软件，将核心控制器输出的RGB数据进行计算、补偿并高精度地显示识别结果、复原颜色，计算并显示误差。
[0031]色敏探测器芯片TCS3200D是可编程彩色光/频率转换器，它是由可配置的硅光电二极管陈列2001和一个电流/频率转换器集2002成在一块单片COMS集成电路上构成，输出占空比为50%的方波，且输出频率与光强度成线性关系。TCS3200D的原理框架图如图3所示，S0、SI用于选择输出比例因子或电源关断模式；S2、S3用于选择滤波器的类型。
[0032]对于TCS3200D来说，当选定一个颜色滤波器时，例如选择蓝色滤波器时，入射光中只有蓝光可以通过，红光和绿光都被阻止，这样就可以得到蓝色光的光强；同理，选择其他的滤波器，就可以得到其他颜色的光的光强。通过这三个值，就可以分析投射到TCS3200D传感器上的光的颜色。
[0033]色敏探测器教学实验仪的核心控制器通过利用STM32的定时器和外部中断来实现频率的积累与计数。当使用TCS3200D识别颜色时，TCS3200输出的脉冲数连接STM32的外部中断。流程图如图4所示，首先步骤3001将定时器初始化，设置定时器为一固定时间，然后分别选通三种颜色的滤波器，步骤3003外部脉冲信号输入，步骤3004外部中断计数开始，步骤3002当定时器溢出时，提取计数器中的数值，步骤3005输出频率值，来确定R、G、B的份额比例。
[0034]所述色敏探测器教学实验仪在测量待测样品前必须进行白平衡调整。白平衡就是告诉系统什么是白色。从理论上讲，白色是由等量的红色、绿色和蓝色混合而成的；但实际上，白色中的三原色并不完全相等，并且对于TCS3200的光传感器来说，它对这三种基本色的敏感性是不相同的，导致TCS3200的RGB输出并不相等，进行白平衡调整能使TCS3200对所检测的“白色”中的三原色是相等的。首先需要测出基准光源的RGB光强值，再测量出在标准光源下物体所反映出的光强值，两者之比即物体的实际颜色，如真实的红色分量为:
[0035]Ji =
[0036]同理绿色分量为:
[0037]G=P^jP9.
[0038]同理蓝色分量为:
[0039]B = P_/P_
[0040]由于在RGB坐标下的颜色标准坐标为0-255之间，所以把所得结果乘以255，即得到标准的RGB值。
[0041 ] 同时，由于TCS3200D芯片自身的原因，其最快的采集速度为4ms采集数据一次，通过实验发现，一次性采集的数据准确率不好，误差比较大，于是采用在下位机将采集的数据进行10次平均后，再将数据传输给上位机进行处理，上位机再将收到的数据进行5次平均后显示出来，这样就需要200ms显示一次数据，而且采集的数据准确、平稳。
[0042]设计本新型的计算机软件主要用C语言编写而成，核心处理器主程序如图5所示。步骤4001程序开始进行系统初始化；随后步骤4002判断参数设置按钮1006中的keyO按键是否被按下；步骤4003若被按下，执行白平衡程序；步骤4004测量标准白卡后，向上位机传递白平衡时的RG B值；
[0043]执行步骤4005判断参数设置按钮1006中的keyl按键是否被按下；步骤4006首先判断白平衡程序是否执行；步骤4007若已经进行了白平衡的测量，即白平衡条件下的RGB值不为O时，执行颜色测量程序；最后执行步骤4008向上位机传递样品的RGB值。
[0044]所述色敏探测器教学实验仪的上位机程序是在计算机上由MATLAB编写出来的软件，将核心控制器输出的RGB数据进行计算、补偿并高精度地显示识别结果、复原颜色，并通过颜色空间转换算法将其转换至Lab颜色空间计算并显示误差。
[0045]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种色敏探测器教学实验仪，其特征在于，包括颜色采集器、核心控制器和上位机，其中: 颜色采集器设置在一密封盒内，颜色采集器包括光源、颜色探测器和聚光透镜，颜色探测器四周通过黑色柱形壁封闭，光源分布在黑色柱形壁的四个角，光源产生的光通过聚光透镜聚焦后照射到待测物体上，经待测物体反射后的光线再通过聚光透镜照射到颜色探测器上，颜色探测器将光信号转换成电信号输出； 核心控制器与颜色探测器连接，采集颜色探测器输出的电信号并转换为待测试物的RGB数据，然后输出给上位机；该核心控制器还包括参数设置按钮、扩展模块以及调试/下载接口 ； 上位机，通过串口与核心控制器连接，接收其输出的RGB数据并处理，最后将处理的结果进行显示。
2.根据权利要求1所述的色敏探测器教学实验仪，其特征在于，颜色探测器采用TCS3200D色敏探测器芯片。
3.根据权利要求2所述的色敏探测器教学实验仪，其特征在于，光源为四个白色LED。
4.根据权利要求1所述的色敏探测器教学实验仪，其特征在于，核心控制器采用主控芯片 STM32F103RBT6。
5.根据权利要求4所述的色敏探测器教学实验仪，其特征在于，所述扩展模块为将主控芯片STM32F103RBT6剩余可使用的I/O 口引出的排阵。
6.根据权利要求1所述的色敏探测器教学实验仪，其特征在于，所述颜色探测器和聚光透镜通过铁架台夹子固定在铁架台支架上。
【文档编号】G09B23/18GK203858795SQ201420219197
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】杨应平, 张菁, 陈梦苇, 胡昌奎, 贾信庭 申请人:武汉理工大学