MAZET色彩傳感器MTCSiCS及顏色識別電路

        隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)向高速化、自動化方向的發(fā)展，生產(chǎn)過程中長期以來由人眼起主導(dǎo)作用的顏色識別工作將越來越多地被相應(yīng)的顏色傳感器所替代。例如：圖書館使 用顏色區(qū)分對文獻(xiàn)進(jìn)行分類，能夠極大地提高排架管理和統(tǒng)計等工作；在包裝行業(yè)，產(chǎn)品包裝利用不同的顏色或裝潢來表示其不同的性質(zhì)或用途。目前的顏色傳感器通常是在獨(dú)立的光電二極管上覆蓋經(jīng)過修正的紅、綠、籃濾光片，然后對輸出信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，才能將顏色信號識別出來；有的將兩者集合起來，但是輸出模擬信號，需要一個A/D電路進(jìn)行采樣，對該信號進(jìn)一步處理，才能進(jìn)行識別，增加了電路的復(fù)雜性，并且存在較大的識別誤差，影響了識別的效果。MAZET公司最新推出的顏色傳感器 MTCSiCS，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顏色的識別與檢測，與以前的顏色傳感器相比，還具有許多優(yōu)良的新特性。MAZET的色彩傳感器具有高精度的3色測量(CIE),是測量光源系統(tǒng)的最佳解決方案，其控制系統(tǒng)可以捕捉到目前的顏色狀況，然后根據(jù)圖像信號反饋的信息控制并達(dá)到相應(yīng)的Yxy值。相比起別的傳感器，在溫度變化的情況下，MAZET的傳感器性能不變，在溫度或者能量甚至是高溫的情況下，MAZET的傳感器也不會有任何老化。

MTCSiCS芯片的結(jié)構(gòu)框圖與特點(diǎn)

        MTCSiCS是MAZET公司推出的真彩色探測器,MTCSiCS的輸出信號是數(shù)字量，可以驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。由于輸出的是數(shù)字量，并且能夠?qū)?現(xiàn)每個彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使電路變得更簡單。圖1是MTCSiCS的引腳和功能框圖。

        從圖1可知：當(dāng)入射光投射到MTCSiCS上時，通過光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的濾波器；經(jīng)過電流到頻率轉(zhuǎn)換器后 輸出不同頻率的方波(占空比是50%)，不同的顏色和光強(qiáng)對應(yīng)不同頻率的方波；還可以通過輸出定標(biāo)控制引腳S0、S1，選擇不同的輸出比例因子，對輸出頻率范圍進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同的需求。

MTCSiCS識別顏色的原理

        由上面的介紹可知，這種可編程的彩色光到頻率轉(zhuǎn)換器適合于色度計測量應(yīng)用領(lǐng)域，如彩色打 印、醫(yī)療診斷、計算機(jī)彩色監(jiān)視器校準(zhǔn)以及油漆、紡織品、化妝品和印刷材料的過程控制和色彩配合。下面以MTCSiCS在液體顏色識別中的應(yīng)用為例，介紹它的具體使用。首先了解一些光與顏色的知識。

(1)三原色的感應(yīng)原理 

        通常所看到的物體顏色，實(shí)際上是物體表面吸收了照射到它上面的白光(日光)中的一部分有色成分，而反射出的另一部分有色光在人眼中的反應(yīng)。白色是由各種頻率的可見光混合在一起構(gòu)成的，也就是說白光中包含著各種顏色的色光(如紅R、黃Y、綠G、青V、藍(lán)B、紫P)。根據(jù)德國物理學(xué)家赫姆霍茲(Helinholtz)的三原色理論可知，各種顏色是由不同比例的三原色(紅、綠、藍(lán))混合而成的。 

(2)MTCSiCS識別顏色的原理 

        由三原色感應(yīng)原理可知，如果知道構(gòu)成各種顏色的三原色的值，就能夠知道所測試物體的顏色。對于MTCSiCS來說，當(dāng)選定一個顏色濾波器時，它只允許某種特定的原色通過，阻止其他原色的通過。例如：當(dāng)選擇紅色濾波器時，入射光中只有紅色可以通過，藍(lán)色和綠色都被阻止，這樣就可以得到紅色光的光強(qiáng)；同理，選擇其他的濾波器，就可以得到藍(lán)色光和綠色光的光強(qiáng)。通過這三個值，就可以分析投射到MTCSiCS傳感器上的光的顏色。

(3)白平衡和顏色識別原理 

        白平衡就是告訴系統(tǒng)什么是白色。從理論上講，白色是由等量的紅色、綠色和藍(lán)色混合而成的；但實(shí)際上，白色中的三原色并不完全相等，并且對于MTCSiCS的光傳感器來說，它對這三種基本色的敏感性是不相同的，導(dǎo)致 MTCSiCS的RGB輸出并不相 等，因此在測試前必須進(jìn)行白平衡調(diào)整，使得MTCSiCS對所檢測的“白色”中的三原色是相等的。進(jìn)行白平衡調(diào)整是為后續(xù)的顏色識 別作準(zhǔn)備。在本裝置中，白平衡調(diào)整的具體步驟和方法如下：將空的試管放置在傳感器的上方，試管的上方放置一個白色的光源，使入射光能夠穿過試管照射到MTCSiCS上；根據(jù)前面所介紹的方法，依次選通紅色、綠色和藍(lán)色濾波器，分別測得紅色、綠色和藍(lán)色的值，然后就可計算出需要的3個調(diào)整參數(shù)。 

        當(dāng)用MTCSiCS識別顏色時，就用這3個參數(shù)對所測顏色的R、G和B進(jìn)行調(diào)整。這里有兩種方法來計算調(diào)整參數(shù)：① 依次選通三種顏色的濾波器，然后對 MTCSiCS的輸出脈沖依次進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)計數(shù)到255時停止計數(shù)，分別計算每個通道所用的時間。這些時間對應(yīng)于實(shí)際測試時 MTCSiCS每種濾波器所采用的時間基準(zhǔn)，在這段時間內(nèi)所測得的脈沖數(shù)就是所對應(yīng)的R、G和B的值。② 設(shè)置定時器為一固定時間(例如10 ms)，然后選通三種顏色的濾波器，計算這段時間內(nèi) MTCSiCS的輸出脈沖數(shù)，計算出一個比例因子，通過這個比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?55。在實(shí)際測試時，使用同樣的時間進(jìn)行計數(shù)，把測得的脈沖數(shù)再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所對應(yīng)的R、G和B的值。

MTCSiCS的應(yīng)用(顏色識別電路)

        基于上述分析，采用89C51和 MTCSiCS設(shè)計一個醫(yī)用液體顏色識別裝置。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、識別精度和效率高的特點(diǎn)，并且能夠和上位機(jī)通信，以將識別的結(jié)果實(shí)時傳送給上位機(jī)。由于是說明 MTCSiCS的使用情況，下面僅給出其中的MTCSiCS識別電路，如圖2所示。

        圖2中設(shè)置89C51定時器/計數(shù)器為相應(yīng)的工作方式，初始化89C51定時器為一個定值，再選擇MTCSiCS的輸出比例因子，并使能輸出引腳。實(shí)際使用中，通過讀取89C51計數(shù)器的值，就可以分別計算出MTCSiCS的3種輸出頻率，進(jìn)而確定R、G、B值及顏色。相應(yīng)的軟件流程如圖3所示。
在程序流程中：系統(tǒng)初始化負(fù)責(zé)設(shè)置89C51的定時器/計數(shù)器的工作方式，選擇MTCSiCS的輸出比例因子，使能輸出引腳以及通信參數(shù)的設(shè)置。初始化完成后，檢測是否需要進(jìn)行白平衡調(diào)整。如有，調(diào)整白平衡子程序；否則，轉(zhuǎn)到下一步，檢測是否需要進(jìn)行顏色識別。如不需要顏色識別，返回；如需要顏色識別，調(diào)用顏色識別子程序，直到顏色識別完畢。

應(yīng)用中需要注意的問題

①顏色識別時要避免外界光線的干擾，否則會影響顏色識別的結(jié)果。最好把傳感器、光源等放置在一個密閉、無反射的箱子中進(jìn)行測試。
②對光源沒有特殊的要求，但是光源發(fā)出的光要盡量集中，否則會造成傳感器之間的相互干擾。
③當(dāng)?shù)?次使用MTCSiCS時，或MTCSiCS識別模塊重啟、更換光源等情況時，都需要進(jìn)行白平衡調(diào)整。