基于顏色傳感器TCS230的氯離子和PH檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

摘要：為了方便對(duì)日常用水氯離子和PH精確快速檢測(cè)，將單片機(jī)AT89S52與高分辨率可編程顏色傳感器TCS230相結(jié)合，提出了一種基于顏色傳感器TCS230的氯離子和PH檢測(cè)的新方法，給出了該儀器的硬件設(shè)計(jì)電路以及輸出檢測(cè)結(jié)果的程序流程。TCS230直接將PH試紙和氯離子試紙的顏色轉(zhuǎn)換成顏色分量，經(jīng)過單片機(jī)處理得到檢測(cè)結(jié)果。
關(guān)鍵詞：顏色傳感器TCS230；試紙；單片機(jī)；控制電路

水質(zhì)問題一直是人們較為關(guān)心的問題之一，水質(zhì)的好壞將會(huì)嚴(yán)重影響身體健康和工業(yè)生產(chǎn)。飲用水主要考慮對(duì)人體健康的影響，其水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)除有物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)外，還有微生物指標(biāo)；對(duì)工業(yè)用水則考慮是否影響產(chǎn)品質(zhì)量或易于損害容器及管道。但是不管是生活飲用水和工業(yè)用水的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，PH值和氯離子濃度都是比較重要參數(shù)。若飲用水氯離子含量達(dá)到250 mg／L，相應(yīng)的陽離子為鈉時(shí)，會(huì)感覺到咸味：水中氯化物含量較高時(shí)，會(huì)損害金屬管道和建筑物，并妨礙植物生長(zhǎng)。另外，我國(guó)自來水普遍采用氯化消毒，研究表明：經(jīng)過氯化消毒的水中，三氯、四氯甲烷等致癌有害物質(zhì)，已經(jīng)超過300種。因此對(duì)水中PH值和氯離子濃度的控制越來越得到人們的重視。要實(shí)現(xiàn)對(duì)水中PH值和氯離子濃度的精確控制，首先要對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，精確了解水樣中PH值和氯離子的濃度。所以PH值和氯離子的檢測(cè)在環(huán)保、供水、食品等行業(yè)應(yīng)用廣泛。當(dāng)今家庭對(duì)水的PH檢測(cè)主要通過半定量的人工試紙法。該方法但受人為因素太大，同一個(gè)樣品不同的分析人員可能會(huì)得到不同的檢測(cè)結(jié)果。也有采用比較電化學(xué)測(cè)定法。市場(chǎng)比較常見的PH便攜儀，此儀器由主機(jī)和電極組成，操作過程中需要添加緩沖劑等藥品。但此方法需要在水樣中添加緩沖劑等化學(xué)藥品，操作比較繁瑣；而且PH計(jì)探頭表面極為敏感，容易被水樣中油份等雜質(zhì)污染，從而影響檢測(cè)精度和分析質(zhì)量。為此，把高精度的顏色傳感器同單片機(jī)結(jié)合起來，在試紙法中，用計(jì)算機(jī)代替人眼去判斷顏色，從而提高精度，減少誤差，實(shí)現(xiàn)了水樣PH值快速、無污染、不需要添加藥品、減少人為因素影響的定量檢測(cè)。

1 TCS230顏色傳感器
TCS230是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器。它把可配置的硅光二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)單一的CMOS電路上，同時(shí)單一芯片上還集成了紅、綠、藍(lán)(簡(jiǎn)稱RGB)3種濾光器，其輸出為一列占空比為50％的方波，輸入的光強(qiáng)和方波的頻率線性相關(guān)，不同的濾光器只允許某種特定的原色通過，阻止其它原色的通過，例如：當(dāng)選擇紅色濾波器時(shí)，入射光中只有紅色光線可以通過，藍(lán)色和綠色都被阻隔，這樣就可以得到紅色光的光強(qiáng)；同理，選擇藍(lán)色和綠色濾波器，就可以得到藍(lán)光和綠色光的光強(qiáng)，通過檢測(cè)到的顏色分量3個(gè)值，就可以分析投射到TCS230傳感器上的光的顏色。本儀器是利用檢測(cè)到的顏色分量與標(biāo)準(zhǔn)的色卡進(jìn)行對(duì)比，然后輸出相應(yīng)的PH值或氯離子濃度。TCS 230的輸出信號(hào)是數(shù)字量，可以驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其它邏輯電路相連接。由于輸出的是數(shù)字量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)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(jiǎn)單。圖1是TCS230的引腳封裝和功能框圖。S2和S3用于選擇濾波器的類型；OE輸出使能引腳，可控制輸出狀態(tài)。當(dāng)有多個(gè)芯片引腳共用微處理器的輸入引腳時(shí)，也可作為片選信號(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。

圖2是S0、S1及S2、S3的有效組合。其中L和H分別表示低電平、高電平。S0和S1用于選著頻率輸出的比例因子或電源關(guān)斷模式；S2和S3用于選著可通濾波器的類型。

2 硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括4部分：1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要包括光源的選擇、傳感器的排布以及TCS230使用時(shí)的外界條件設(shè)置；2)以89S52單片機(jī)為核心的控制部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)試紙顏色信號(hào)輸出頻率的讀取以及與標(biāo)準(zhǔn)的比色卡對(duì)比，把RGB值轉(zhuǎn)化為氯離子濃度或PH值，3)控制面板模塊，主要包括數(shù)碼管、LED顯示以及按鍵；4)是電源模塊。
2．1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在自然環(huán)境下，季節(jié)變換、天氣狀況、空氣攪動(dòng)、外界遮蓋都會(huì)影響照明狀況。為此采用型號(hào)為ZX-35288W42-1的白色高亮LED燈，它的正向電壓為3．0～3．4 V；發(fā)光強(qiáng)度為1 500-2 000MCD；正向電流為20 mA；發(fā)光角度為120度；色溫為2700～25 000 K。不同的光照條件下，同一片試紙也會(huì)顯現(xiàn)不同的顏色。為了排除外界環(huán)境的干擾，并固定光源、被測(cè)試紙和RGB顏色傳感器，為本儀器設(shè)計(jì)了避光的采集探頭。光源和傳感器都安置于密閉空間內(nèi)如圖4所示。為了方便試紙的固定安裝設(shè)計(jì)了試紙槽。把光源和傳感器分別固定在兩塊獨(dú)立的PCB板上，方便密閉空間的安裝與調(diào)試，該采集探頭以5個(gè)TES230芯片為核心，配以相對(duì)應(yīng)的5只同樣的白色發(fā)光二極管，選用純白光源，以保證照光源的穩(wěn)定。圖3是我們檢測(cè)的原理，在密閉全黑的環(huán)境下，LED燈發(fā)出白光，照射到試紙上，試紙將自身的顏色的光反射給TCS230，不同顏色的光，波長(zhǎng)不同，頻率也不同，傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)，再輸出傳給單片機(jī)。

當(dāng)光源照射試紙的顏色顯示區(qū)域，通過控制濾波器選著引腳S2和S3，從而使TCS230芯片采集到反射回來的不同頻率的光線，從而可準(zhǔn)確的采集顏色分量RGB，通過單片機(jī)處理后輸出數(shù)據(jù)。如圖4所示，為試紙顏色采集探頭結(jié)構(gòu)示意圖。

2．2 以單片機(jī)為核心的控制部分
AT89S52具有8k字節(jié)的Flash，256字節(jié)的RAM，32位I／O口線，一個(gè)看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52可工作在0 Hz靜態(tài)邏輯下，支持2種軟件的可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM的內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)停止一切工作，直到下一個(gè)硬件復(fù)位或中斷為止，這樣就有利于儀器在野外電池供電情況下長(zhǎng)時(shí)間使用。以AT89S52單片機(jī)為核心的控制電路主要包括顏色識(shí)別電路和數(shù)碼管顯示電路，在顏色識(shí)別電路中，用AT89S52單片機(jī)的P0口通過鎖存器74H573分別對(duì)5個(gè)TCS230邏輯引腳OE進(jìn)行控制，讓5個(gè)傳感器依次工作，將輸出頻率分頻系數(shù)比例的控制引腳S0，S1分別接到P1．1和P1．3口，RGB顏色分量的選擇控制引腳S2，S3分別接到P1．5和P1．4口，通過對(duì)這幾個(gè)端口高低電平值的寫入編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)TCS230幾個(gè)邏輯引腳選擇的自動(dòng)控制。傳感器電路連接如圖5所示。

2．3 控制面板模塊
控制面板模塊主要包括數(shù)碼管、LED顯示以及按鍵。數(shù)碼管顯示部分通過兩個(gè)鎖存器74H573分別控制數(shù)碼管顯示的位選和段選，來實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示，用來顯示最終輸出的氯離子濃度或PH值。LED由紅綠黃3種顏色的燈組成，綠色代表氯離子濃度或PH值處于健康范圍內(nèi)；黃色代表氯離子濃度或PH值符合要求；紅色代表氯離子濃度或PH值超出飲用水標(biāo)準(zhǔn)。按鍵部分實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能，氯離子檢測(cè)、PH值檢測(cè)、白平衡。
2．4 電源電路的設(shè)計(jì)
顏色采樣系統(tǒng)必須采用穩(wěn)定的直流電源，并要求電源有很好的穩(wěn)定性。因?yàn)殡娫措妷旱牟▌?dòng)可造成LED燈亮度的不穩(wěn)定；雖然TCS230顏色傳感器的抗電源擾動(dòng)能力很強(qiáng)，但其內(nèi)部芯片對(duì)電源穩(wěn)定性的要求很高，電壓的波動(dòng)可造成A／D轉(zhuǎn)換的不穩(wěn)定。
本儀器為了適應(yīng)各種工作場(chǎng)所的需要，提供了3種電源供給方式：
1)用新英公司型號(hào)為XY-965K的220 V轉(zhuǎn)5 V的穩(wěn)壓電源；
2)可充電鋰電池通過MAX667調(diào)壓后可供野外供電，max667是低失穩(wěn)電壓線性正穩(wěn)壓器，最大輸出電流為250 mA，空載時(shí)靜態(tài)電流20 μA，輸出200 mA時(shí)典型失穩(wěn)電壓為150 mV，電路含有欠壓檢測(cè)器以檢測(cè)電源故障，關(guān)斷控制使輸出禁止，關(guān)斷狀態(tài)的靜態(tài)電流降為0．2μA。max 667具有2種工作模式，以選擇輸出電壓，可以內(nèi)部設(shè)定+5 V輸出，或由外部電阻設(shè)定+1．3～16 V可調(diào)輸出。本儀器設(shè)定為+5 V輸出。
3)通過24 V的開關(guān)電源通過以下電路得到穩(wěn)定的5 V電源如圖6所示，主要用于色卡數(shù)據(jù)庫的建立實(shí)驗(yàn)。

3 軟件設(shè)計(jì)
顏色檢測(cè)系統(tǒng)包括白平衡校正子程序、顏色采樣子程序與顏色比較子程序如圖7所示。其中白平衡校正子程序用于顏色標(biāo)定，顏色比較子程序又分為氯離子和PH檢測(cè)子程序。白平衡就是告訴系統(tǒng)什么是白色，理論上白光是由等量的紅色、綠色和藍(lán)色混合而成的，但是實(shí)際上白光照射下RGB顏色傳感器的顏色分量輸出并不相等，因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)3種基本色的敏感性是有差異的，因此白平衡校正是十分必要的，通過白平衡得到R、G和B的3個(gè)調(diào)整參數(shù)，當(dāng)用TCS230識(shí)別顏色時(shí)，就用這3個(gè)參數(shù)來調(diào)整采樣的三顏色分量RGB。然后通過單片用調(diào)整后的值通過顏色比較子程序查表得到對(duì)應(yīng)的氯離子濃度或PH值。程序流程圖如圖7所示。

4 結(jié)論
文中提出一種基于顏色傳感器試紙檢測(cè)的新方法，針對(duì)現(xiàn)有試紙檢測(cè)方法主要靠人眼觀察存在的不足，創(chuàng)造性的將顏色傳感器引入試紙檢測(cè)方法中，大大提高了試紙檢測(cè)精度，除了能檢測(cè)PH和氯離子外，還可以應(yīng)用到所有試紙檢測(cè)方法。整個(gè)儀器外觀漂亮、成本低廉、操作方便。經(jīng)過試驗(yàn)本儀器性能可靠，并能很好的實(shí)現(xiàn)家庭用水檢測(cè)。