基于TCS230的颜色识别系统设计
颜色识别
第1章绪论1.1论文的背景颜色识别兴起的时间较晚，但在实时检测系统及自动控制方面具有重要意义，单片机及微机的引入提高了颜色识别的速度及智能化程度。
国内与国外尚存在较大差距，识别的精度，灵敏度，颜色范围，快速性成为颜色识别的主要问题。
深入研究传统颜色识别系统十分必要，同时对国外先进的颜色识别仪器进行了解，可以在某种程度上给我们以启示。
1.2颜色识别的应用及意义颜色识别在现代生产中的应用越来越广泛，无论是遥感技术，工业过程控制，材料分拣识别，图像处理，产品质检，机器人视觉系统，还是某些模糊的探测系统都需要对颜色进行探测，而颜色传感器的飞速发展，生产过程中长期由人眼起主导作用的颜色识别工作将越来越多地被颜色传感器所替代。
为这上述应用的自动化实现提供了可能。
1.3 颜色识别的国内外研究现状及发展前景颜色识别是新兴的测控技术，普通的工业应用如材料分拣，商标识别等已广泛应用。
但高精密的颜色识别技术仍掌握在少数发达国家如美国,日本手中。
我国在机器人视觉系统方面已取得了举世瞩目的成就，但在摄取数码影像，高分辨率的颜色识别方面仍缺乏自主研发的能力。
随着颜色传感器的广泛应用，颜色识别技术已成为仪器自动化，智能化的重要组成部分，发展前景十分广阔。
1.4 论文的构成及研究内容本文首先在对传统的颜色识别技术的了解下，研究了以下内容：1. 颜色识别的基本原理及常识。
2. 色敏传感器的介绍及识别颜色的原理，并对现在市面上使用的颜色传感器进行分类。
3. 识别单色光的识别系统的精密放大器的模拟电路仿真及单通道A/D转换。
4. 识别全色光的识别系统的I-V变换设计及三通道数据采集显示的设计与仿真。
5. 自设计的利用电压比较器识别颜色的基本原理及相应仿真。
6. TCS230介绍及设计基于TCS230与51单片机的颜色识别系统与仿真。
第2章颜色识别的原理及常识2.1颜色识别的基本常识1．可见光一般来说，可见光波长在380—780nm之间，在光谱范围内，不同波长的辐射引起人的不同颜色感觉。
TCS230颜色传感器的中英文翻译
基于TAOS公司的TCS230的颜色感应TAOS公司的TCS230是一个小的、高度集成、8引脚、SOIC封装的色彩传感装置。
它以模拟频率的方式输出短波（蓝色）、中波（绿色）、长波（红色）、宽带（白）光功率的事件数量。
它可用于各种色彩感应应用领域。
该设备的详细资料中可以找到它的数据表。
我们将使用一个光学刺激方案的ColorChecker图表工作，通过检测的色彩数值例子。
下图，在图1所示，是由GretagMacbeth生产和分配。
图表长约13英寸，9英寸（330毫米×230毫米），它包含了64阵列安排24色斑。
到5背面图2显示了在图表的每一行四个补丁的光谱反射-即入射光被反射的那部分（相对于一个理想的漫反射）作为波长从350功能，纳米到750纳米。
图1 ColorChecker色补丁包含18个和6步灰色系列图2 ColorChecker谱，第一行图3 ColorChecker谱，第二排图4 ColorChecker光谱，第三行图5 ColorChecker谱，底排（中性系列）图6锥锥光感受器敏感性所示。
短波敏感的感光细胞远远低于其他两种类型的敏感。
中波和长波的感光细胞的反应有很大的重叠。
视觉是不敏感，准确的刺激波长：什么是光功率下atters每个响应曲线综合。
1. 色觉简介所谓感光细胞在视网膜视锥细胞是人类色彩视觉负责。
内有电磁频谱三种类型的视锥细胞，敏感的长波，中波，短波辐射及约400纳米之间和700纳米。
由于锥敏感性在频谱的部分出现红色，绿色和蓝色的很粗糙，色彩科学家记为ρ，γ，以及希腊字母为R，G细胞的类型，和b （为了表示对传感器的R，G，和B将错误建议更密切的对应关系。
）的圆锥体的谱反应的估计是在上面绘制图6。
在物理世界的光，其特征是光谱功率分布（结构化产品说明）。
彩色对象，其特征是反射光谱曲线，如在的ColorChecker的。
然而，视觉不敏感，对刺激精确波长：根据现代色彩科学理论，最重要的事情是在每个响应曲线光功率积分。
TCS230的功能
颜色识别是模式识别领域的一个重要研究方向，利用颜色识别技术能使传统依靠人眼进行颜色判别的方法发生根本变革。
这种新型技术采用颜色传感器获取外界的颜色信息，进而通过基于计算机的信号处理技术实现颜色的精确识别。
颜色识别技术经历了传统模拟识别方法和现代数字化识别两个阶段。
传统的颜色识别方法采用模拟颜色探测器件来进行外界颜色获取，这种探测器件通常是在独立的光电二极管上覆盖经过修正的红、绿、蓝滤光片，经过光电转换产生对应的模拟信号；如果用微控制器对这些模拟信号进行处理，就必须采用额外的AD转换电路才能实现和微控制器的接口，而AD转换电路的引入增加了信号的处理时间，对整个系统的速度有很大的影响；此外，由于一般的AD转换存在量化误差，系统的精度受到很大的限制，这些使得传统的颜色识别方法逐渐被现在的数字式化的颜色识别技术所替代。
随着半导体技术的发展，数字式的颜色传感器逐步取代了传统的光电二极管传感器，这种技术把颜色传感器所需的光学、机械、电子等信号处理集成在很小的芯片上极大地缩小了颜色传感器的体积。
由于这种传感器输出的是数字量，因此可以通过数字处理技术来提高探测速度并保持检测器输出信号的精度。
例如采用改进的动态检测方法来提高颜色探测的速度，采用数字电路来处理颜色数据等。
虽然数字传感器已经取得了一些成功，但其应用于市场的技术还不够成熟，随着美国TAOS（Texas Advanced Optoelectronic Solutions）公司最新推出的颜色传感器TCS230的面世，数字传感器才真正被工程师们采用。
这种颜色传感器具有分辨率高、可编程的颜色选择、数字输出等特点。
本文采用TCS230来作为系统的探测部分，基于该器件设计的颜色识别系统可以应用于军事领域，也可以应用于电致变色材料的变色研究以便获得材料的变色参数。
1 TCS230简介1.1 主要特性TCS230是美国TAOS公司推出的可编程光到频率的转换器。
它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS（Comple-mentary Metal Oxide Semiconductor）电路上，同时在单一芯片上还集成了红、绿、蓝（RGB）3种滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的RGB颜色传感器。
tcs230颜色传感器文档
TCS230D SOP8 颜色传感器１概述ＴＣＳ２３０是ＴＡＯＳ公司最新推出的业界首款带数字兼容接口的ＲＧＢ彩色光／频率转换器，它内部集成了可配置的硅光电二极管阵列和一个电流／频率转换器，其结构框图如图１所示。
ＴＣＳ２３０输出为占空比５０％的方波，且输出频率与光强度成线性关系。
该转换器对光响应范围为２５０ ０００～１，典型输出频率范围为２Ｈｚ～５００ｋＨｚ，用户可通过两个可编程引脚来选择１００％、２０％或２％的输出比例因子。
ＴＣＳ２３０的输入输出引脚可直接与微处理器或其他逻辑电路连接。
通过输出使能端ＯＥ将输出置于高阻状态可使多个器件共享一条微处理器输入线。
ＴＣＳ２３０可编程彩色光／频率转换器将红、绿和蓝滤波器集成在单芯片上，因此无需ＡＤＣ就可实现每彩色信道１０位以上的分辨率。
芯片内含一个交叉连接的８×８光电二极管阵列，其中每１６个二极管提供一种色彩类型，共有红、蓝、绿和清除全部光信息四种类型，可最大限度地降低入射光幅射的不均匀性。
所有同颜色的１６个光电二极管都是并联连接，工作时通过可编程的引脚来动态选择色彩，以此来增加精确度和简化光学电路。
该芯片采用８引脚ＳＯＩＣ表面贴封装，适用于色度计的测量应用。
ＴＣＳ２３０的主要特点如下：●可完成高分辨率的光照度／频率转换；●色彩和满度输出频率可编程调整；●可直接与微处理器通讯；●单电源工作，工作电压范围：２．７Ｖ～５．５Ｖ；●具备掉电恢复功能；●５０ｋＨｚ时非线性误差的典型值为０．２％；●稳定的２００ｐｐｍ／℃的温度系数。
２ＴＣＳ２３０的引脚功能ＴＣＳ２３０的引脚排列如图２所示，各管脚的功能描述见表１所列。
表1TCS230管脚功能引脚号符号类型功能说明1S0I输出频率分频系数选择输入端2S1I3OE I输入频率使能端。
低电平有效4GND电源地5VDD电源电压6OUT O输出频率（fo）7S2I光电二极管类型选择输入端8S3I３ＴＣＳ２３０的主要参数３．１电学特性参数ＴＣＳ２３０在ＴＡ＝２５℃ ＶＤＤ＝５Ｖ条件下的电学特性如表２所列。
Arduino 颜色传感器
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TCS230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TCS230的RGB输出并不相等，因此在测试前必须进行白平衡调整，使得TCS230对所检测的“白色”中的三原色是相等的。进行白平衡调整是为后续的颜色识别作准备。在本装置中，白平衡调整的具体步骤和方法如下：将空的试管放置在传感器的上方，试管的上方放置一个白色的光源，使入射光能够穿过试管照射到TCS230上；根据前面所介绍的方法，依次选通红色、绿色和蓝色滤波器，分别测得红色、绿色和蓝色的值，然后就可计算出需要的三个调整参数。
g_SF[1] = 255.0/ g_array[1] ; //G Scale factor
g_SF[2] = 255.0/ g_array[2] ; //B Scale factor
Serial.println(g_SF[0]);
Serial.println(g_SF[1]);
Serial.println(g_SF[2]);
{
if(Level01 != 0)
Level01 = HIGH;
if(Level02 != 0)
Level02 = HIGH;
digitalWrite(S2, Level01);
digitalWrite(S3, Level02);
}
void TSC_Count()
{
g_count ++ ;
}
void TSC_Callback()
#define S0 6 // Please notice the Pin's define
基于TCS230颜色传感器的颜色识别器设计
颜色别传感器又称作色彩传感器色。目前通用的颜色测量方法是采用通过测量待测颜色的三个基本颜色的频率输入到单片机等处理器中进行数据处理，得到三基色的值，通过仿真软件或RGB颜色对应表将三基色按所测数据合，从而成得到样品的颜色。
目前市面上常见的色颜色传感器大致有两种类型：一种是RGB(红、绿、蓝)三基色型颜色传感器，通过检测带测光的红、绿、蓝三基色刺激值来识别颜色； 另一种为色差传感器，主要通过测量待测物体颜色与基准颜色之间的色差来识别颜色。下边简要介绍三种常见的颜色传感器的设计方案：
1.2
颜色识别技术是新兴检测技术，在彩色打印、商标识别和材料分拣等方面已在我国拥有广泛应用。虽然我国在机器人视觉系统领域已取得举世瞩目的成就，但是在高分辨的颜色识别方面仍然缺乏自主研发能力。高精度的颜色识别技术仍然由少数发达国家掌控，我国高分辨率颜色传感器的研究工作任重而道远。
颜色识别系统提出的时间较晚，出现在自动控制系统之后。其作为一种新兴的检测技术也是控制理论的简单应用，经过几十年的发展，在工业控制中逐渐开始大范围的应用。颜色传感器在实时检测系统以及自动控制方面有着重要的意义，伴随着单片机等处理器技术的发展，颜色识别系统的效率也大大的增加。颜色识别在现代生产中的应用愈加广泛，特别是在遥感技术、工业过程控制、材料分拣、图像处理、机器人视觉系统等方面的起着重要的作用，颜色传感器的快速发展为上述生产应用自动化的实现提供了可能。随着颜色传感器的广泛应用，颜色识别技术已成为工业自动化必不可少的部分，发展前景十分广阔。
RGB颜色模型如下图2.1所示。由三基色原理可知自然界中所有色光都可由R、G、B三种基本颜色按照不同的比例叠加合成，当三基色分量都为0时，叠加出的光为黑色，对应于立方体坐标中的（0,0,0）点；当三基色分量都为255时，叠加出的光为白色光，对应于立体坐标中得（255,255,255）。以由黑到白为对角线的正方体的其他六个顶点分别为红（255,0,0），黄（255,255,0），绿（0,255,0），青（0,255,255），蓝（0,0,255）和品红（255,0,255）。每个颜色都有其独自RGB值。
植物叶片颜色及生态环境参数无线数据采集系统的设计
植物叶片颜色及生态环境参数无线数据采集系统的设计瞿文一;胡春奎【摘要】【Objective】 In this study,we designed a wireless instrument to monitor the color of plant leaves and parameters of environment of plants.By this device,researchers can monitor the change of conditions and environments of plants,furthermore evaluate the effectiveness of this change to plants.【Method】 Based on C8051F330 single chip computer system,we integrated TCS230 color sensor,temperature and humidity sensor,and a light sensor with nRF24L01＋wireless transceiver module to make up the wireless data acquisition node.We combined the wireless data receiving node with PC computer to construct the whole system.【Result】Using the above system,users can not only obtain the real-time data of the color of leaves and the environment of plants,but also transform the datato PC.Under open field conditions,the capability of communication distance of our system is 100 meters.In this range,users can arrange several monitoring points.With good data saving capability（about 6 400 sets data in each point）,the data can also be stored at monitoring points.【Conclusion】 Wireless data acquisition system can reliably obtain long term plant leaves color data,and the temperature,humidity and illumination of environment parameters of corresponding timepared with line laying systems,the wireless communication system is simple,flexible,economic and reliable.With this researchers canget multi-point data and improve the work efficiency significantly.%【目的】设计一套植物叶片颜色及生态环境参数无线数据采集系统,为研究生态环境参数变化对植物生长的影响提供技术支持。
颜色识别原理
51单片机和传感器的连接
S0 S1 E TCS230 S2 S3 OUT P1.0 P1.1 P1.2 P1.6 P1.接51单片机的P1.0管脚，S1管脚接 P1.1管脚，OE管脚接P1.2管脚，GND管脚接地，Vcc管脚接电 源，OUT管脚接P3.2管脚，S2管脚接P1.6管脚，S3管脚接P1.7管 脚。
显示器的原理简介
• 字符的显示： 在液晶显示器上显示字符的过程是首先要确定字符在显示器上显示位置 的地址，地址是根据RAM进行选择的，每个字符都是由矩阵组成的， 在矩阵中对应要显示的部分呈高亮状态，而不需要显示的部分呈现出 暗的状态即可。显示的字符相对比较简单，允许控制器在文本模式下 工作的基础上，对每行和列数的液晶显示开头的列数，找出相应的显 示RAM地址，建立一个光标，给出相应的代码字符即可。 • 汉字的显示： 汉字显示常用的方法是图形方式，通过计算机提取字符点阵代码（通常 是用矩阵提取软件），每个字符占32B，分左、右两半，各16B，左侧 为单数，右侧为双数。基于LCD显示屏上的行列号及每行的列数，能 识别显示RAM对应的地址，建立一个光标，送上汉字要显示部分的第 一个字节，光标位置加一，发送第二个字节，换行对齐，发送第三个 字节至32B显示完成则可以在液晶显示屏上一个完整的汉字。
系统结构图
TCS230驱动模块 MC-51 系列 单片 机
TCS230颜色采集
LCD1602液晶显示模块
四个白色LED补光模块
色彩识别系统是基于MCS-51系列单片机控制的基础上，添加了 TCS230颜色传感器采集模块，TCS230驱动模块，四个白色LED 补光模块，LCD1602液晶显示模块，在这些模块的基础上实现 的色彩识别系统。
颜色识别原理
1、TCS230原理介绍