一种基于TCS3200D的四通道颜色识别系统的制作方法

本发明涉及一种颜色识别系统，尤其涉及一种基于tcs3200d的四通道颜色识别系统，属于颜色识别控制领域。

背景技术：

随着社会的不断进步，颜色识别在当今社会生活中得到越来越广泛的应用。各个不同领域的广泛应用使得颜色识别技术有了快速的发展，通过与其他技术有机结合，可为工业控制、产品制造与检测等众多行业提供更好的技术支持。

当前，颜色识别技术主要是通过结构简单、使用方便的单片机来实现。在社会的不断进步下，颜色识别在工农业生产与检测中作用越来越大，从而对颜色识别的要求逐渐提高，不仅要求控制成本，还要求实用性与精准性的提高。另外市场上颜色识别仪器主要是针对工业用的，而且其价格昂贵，适合中小企业和个人用户使用的颜色识别仪器很少，且精度不高。

例如申请号为“20120222489.8”的一种颜色识别系统及方法，其中颜色识别系统包括白色光源、颜色采集模块、单片机和lcd显示器，白色光源模块包括白色光源和与其连接的密封通道，白色光源的光通过该密封通道后照射在被测物体上；颜色采集模块包括颜色传感器和聚光透镜，聚光透镜安装在颜色传感器前，被测物体反射的光通过该聚光透镜被颜色传感器采集；颜色传感器将采集到的光信号转化为数字信号并发送给单片机进行数据处理，得到不同的颜色模式的hsi值和rgb值，并发送给lcd显示器进行数据显示。该发明的颜色识别系统结构简单，光学系统不完善，精度不高，如果进行实际应用，还需要有较大提升和优化空间。

又如申请号为“201510607998.6”的一种木材颜色识别系统，它包括白色发光光源、tcs3200d颜色传感器、可编程控制器、lcd液晶触摸屏，白色发光光源发出的光经木板反射进入颜色传感器，颜色传感器、白色发光光源、lcd液晶触摸屏均与可编程控制器连接。该木材颜色识别系统结构简单，但是由于缺少完整光学系统，颜色传感器与被测木材表面的距离需要保持在10mm短的长度才能正常工作，在移动过程中的传感器容易损坏，易发生事故。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足，设计出一种基于tcs3200d的四通道颜色识别系统。

本发明为了解决上述技术问题，设计了一套包含光源、透镜、偏振装置和光阑的光学系统以及基于tcs3200d的四通道颜色识别传感器模块。技术方案如下：

一种基于tcs3200d的四通道颜色识别系统，包括光学系统，数据采集系统，数据处理系统、显示系统等。

上述颜色识别系统，其光学系统包括白光led、反射镜、准直透镜、起偏器、入射光阑、反射面（待测物）、检偏器、反射光阑、会聚透镜。

上述颜色识别系统，其数据采集系统包括四片tcs3200d颜色传感器，在采集系统中放置于统一平面成田字排列。

上述颜色识别系统、其数据处理系统，采用了由阿尔特拉（altera）公司生产的cycloneⅳ系列fpga芯片ep4ce6e22作为数据处理系统的主控芯片。同时辅以同为该公司产品的epcs16配置芯片和其他外围电路组成整个数据处理系统。

上述颜色识别系统，其显示系统的显示器件为lcd1602液晶显示器。

上述四通道传感器，分别将s0、s1、s2、s3四个控制引脚在各个芯片对应处相连起来，再与主控芯片上的i/o口相连，四个使能oe相互连接后并连接至主控芯片的i/o口，四个out分别连接到i/o口，最后将四个传感器片的vcc与gnd之间并联八个104电容后接上电源的vcc与gnd。

本发明采取的以上技术方案与现有单片机与传感器组合的技术相比，具有以下技术特点：

1.本发明基于fpga处理器与四通道tcs3200d传感器进行颜色识别，识别精度高、拓展性强；

2.本发明所设计的光学系统在光信号进入传感器前对外界杂光及内部光源引入的噪声进行了控制和去除，降低了外界杂光和内部光源对测量结果的影响；

3.本发明所涉及的四通道传感器在同一物面内测得的四组数据进行平均处理，增大传感器受光面积的同时减小了偶然误差；

4.本发明的数据采集和处理部分以tcs3200d传感器为探测器，使用fpga作为运算、控制核心，其具有高性能、低成本、易于操作和维护等优点，同时体积小、开发能力强、使用方便能满足用户实际应用的要求。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作为进一步说明，附图中：

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的光学系统图；

图3是本发明的方法流程图；

图4是本发明系统工作的主程序流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及其优点更加清楚明白，以下结合附图及实施方案，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明的颜色识别系统包括白色光源模块20、四通道颜色采集模块30、fpga10、lcd显示器50和光学系统40，其中白色光源和与其光学系统的详细状况参见图2。白色光源采取高亮度白光led，在颜色识别系统还包括为其各部分供电的电源模块（图中未表示体现）

本发明中，fpga10采用高效率的数据处理器ep4ce6e22c8fpga芯片，对四通道传感器检测来的信号进行数据处理，得益于fpga器件的高性能，本设计在进行数据处理时使用了大量并行运算，提高了数据处理和响应速度。

本发明的颜色传感器采用tcs3200d，对于此传感器来说，采用8引脚的soic表面贴装式封装，在单一芯片上集成有64个光电二极管，这些光电二极管分为四种类型，其中16个二极管带有红色滤波器；16个二极管带有绿色滤波器；16个二极管带有蓝色滤波器；剩余16个不带有任何滤波器，这样可以透过全部的光信息。同时光电二极管在芯片内不按照顺序排列，采取交叉阵列的方式，这样能够减少入射光照射到传感器上不均匀，减少了颜色识别的难度；另一方面，颜色相同光电二极管是并联的，均匀的分布在芯片上，用来消除位置误差。该传感器的典型输出频率范围从2hz－500khz，通过可编程的两个引脚，根据需求选择不同颜色的滤波器，还可以通过两个可编程引脚来选用100％、20％或2％不同的输出比例因子，或电源关断模式，输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。

颜色采集模块30，是整合四片tcs3200d传感器并加入电容滤波去噪电路设计出的四通道传感器模块，主要目的是为了在同一平面内接受四处不同位置的信号光，为了消除系统中的偶然误差。从而可以保证颜色传感器输出准确的频率。

四通道颜色传感器通过fpga使能控制，将采集到的光信号转换为脉冲频率信号，并发送给fpga10进行数据处理，即是颜色识别，得到待测颜色的rgb值，并通过转换译码发送给lcd显示器50进行rgb三刺激值的显示。

本发明中，四通道tcs3200d颜色传感器输出的占空比为50%的不同频率的脉冲，所以用fpga设计实现了频率计电路，对其记录到达i/o口的四组脉冲数。有两种方法来计算rgb三分量的值。第一种：控制红色的滤波器，让其定时器以固定的时间计时，频率计开始工作，当定时器溢出时，提取计数器中的数值，得到红色计数值。按照上述操作可分别得到蓝色、绿色分量的数值，再通过白平衡调节，则可得到所测的待测颜色的rgb三刺激值。第二种方法：控制红色滤波器，让频率计工作，定时器同时开始计时，当频率计的数值达到255时，提取定时器中的时间，按照上述方法，可测得蓝色、绿色分量的时间，再通过白平衡调节，则可得到所测的待测颜色的rgb三刺激值。通过多次对比实验测试，得到第一种方法的偶然误差要小于第二种，所以本系统采用第一种方法计数。

本发明所选取的光源是cie标准光源d65,但是由于外界环境等因素会一定程度的影响测量结果，为了保证测量结果的准确性，减少由外界环境带来的偏移误差。在测量之前，首先对仪器进行白平衡定标。所谓的白平衡定标，可分为零点定标和标准白板定标两种，在本发明中，因为实现的是颜色的识别测量，所以采用白板定标作为白平衡定标方法，具体步骤如下：

在全黑环境下使用整套测色系统对标准白板进行颜色检测，从而得到三个数据值，记为,,。

将,,这三个值作为本系统的参考值。

在之后进行的颜色测量中，将得到的rgb三刺激值与参考值,,分别做商，将此作为测量的最终结果。

如图2所示，图中：s201为白光led；s202为准直透镜；s203为起偏器；s204为入射光阑；s205为待测物反射面；s206为检偏器；s207为反射光阑；s208为会聚透镜；s209为四通道tcs3200d传感器。

在颜色采集系统的光学系统内部，来自点光源led的光线通过抛物面反射镜形成平行光。平行光穿过一块准直透镜，使光线变得均匀柔和。光线经偏振片改变偏振方向。最后经过光阑照射在待测物上一定量的光完成入射光照射；根据反射原理，从待测物发射出携带颜色信息的光线进入反射通道，经过偏振片消除镜面反射的信号光，再次通过光阑遮挡多余的光，穿过汇聚透镜让光均匀汇聚在四通道传感器上。

如图3所示，本发明颜色识别系统，测量步骤如下：

s301、通过光学系统将白光均匀、柔和的照射在待测物上；

s302、通过fpga控制传感器使能，测得被测物体反射来的光信号；

s303、颜色传感器将采集而来的光信号转为数字信号，并传输给fpga数据处理中心；

s304、fpga对采集而来的数据进行处理；

s305、将数据处理后得到的rgb三刺激值，发送给lcd显示器进行数据显示；

本发明中，颜色识别系统工作的主程序流程图如图4所示，包括以下步骤：

s401、颜色识别系统的开始；

s402、颜色识别系统进行初始化，主要为传感器使能端、数据传输i/o口以及lcd显示器的8位数据i/o口的初始化；

s403、初始化完成后，进行系统白平衡调节；

s404、如果需要进行白平衡调节，启用白平衡模块，采集白平衡rgb分量，计算白平衡调节因子；如果不需要则直接进入s405；

s405、判断是否检测到颜色识别指令；

s406、如果检测到颜色识别指令则进行数据的读取和处理，如果没有检测到颜色识别指令则返回继续检测；

s407、判断rgb三刺激值是否处理结束；

s408、如果处理结束，进入lcd显示模块，显示测得的rgb三刺激值；如果处理未结束，则继续检测处理是否结束，直到处理结束为止；

本发明专利为一种基于tcs3200d的四通道颜色识别系统，整个系统是由以cycloneⅳfpga为核心的处理模块、四通道tcs3200d传感器、光学系统和lcd1602搭建起来的。采取高效率fpga数据处理芯片，相比传统单片机与传感器的颜色检测系统，具有高性能、低功耗、低成本、易于操作和维护等优点，同时体积小、开发能力强，能满足用户实际应用的要求。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解意义相同。

对于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属于本发明所附权利要求的保护范围。