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【雕爷学编程】Arduino动手做(63)---TCS3200D

【雕爷学编程】Arduino动手做(63)---TCS3200D

作者: 驴友花雕 | 来源:发表于2020-02-24 15:50 被阅读0次

    37款传感器与执行器的提法,在网络上广泛流传,其实Arduino能够兼容的传感器模块肯定是不止这37种的。鉴于本人手头积累了一些传感器和执行器模块,依照实践出真知(一定要动手做)的理念,以学习和交流为目的,这里准备逐一动手尝试系列实验,不管成功(程序走通)与否,都会记录下来---小小的进步或是搞不掂的问题,希望能够抛砖引玉。

    【Arduino】168种传感器模块系列实验(资料+代码+图形+仿真)

    实验六十三: TCS3200D颜色识别传感器(可编程彩色光频识别转换器模块)


    TCS3200D

    是TAOS(Texas Advanced Optoelectronic Solutions)公司推出的可编程彩色光到频率的转换器。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电路上,同时在单一芯片上还集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器,是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器。TCS3200D的输出信号是数字量,可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入,因此可直接与微处理器或其它逻辑电路相连接。由于输出的是数字量,并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度,因而不再需要A/D转换电路,使电路变得更简单。该颜色传感器主要可用于尿液分析仪,生化分析仪,验钞机等需要检测颜色的产品上。

    三原色

    三原色指色彩中不能再分解的三种基本颜色,我们通常说的三原色,即品红、黄、青(是青不是蓝,蓝是品红和青混合的颜色)  。三原色可以混合出所有的颜色,同时相加为黑色,黑白灰属于无色系。色光三原色是指红、绿、蓝三色,各自对应的波长分别为700nm,546.1nm,435.8nm,光的三原色和物体的三原色是不同的。光的三原色,按一定比例混合可以呈现各种光色。根据托马斯·杨和赫尔姆豪兹的研究结果.这三种原色确定为红、绿、蓝(相当于颜料中的大红、中绿、群青(紫蓝)的色彩感觉)。彩色电视屏幕就是由这红、绿、蓝三种发光的颜色小点组成的。由这三原色按照不同比例和强弱混合.可以产生自然界的各种色彩变化。颜料和其他不发光物体的三原色是品红(相当于玫瑰红、桃红)、品青(相当于较深的天蓝、湖蓝)、浅黄(相当于柠檬黄)。由英国化学家富勃斯特(1781—1868)研究选定的这三原色可以混合出多种多样的颜色,不过不能调配出黑色,只能混合出深灰色。

    色相

    是色彩的首要特征,是区别各种不同色彩的最准确的标准。事实上任何黑白灰以外的颜色都有色相的属性,而色相也就是由原色、间色和复色来构成的。色相,色彩可呈现出来的质地面貌。自然界中各个不同的色相是无限丰富的,如紫红、银灰、橙黄等。色相即各类色彩的相貌称谓。

    色相环(color circle)

    是指一种圆形排列的色相光谱(SPECTRUM),色彩是按照光谱在自然中出现的顺序来排列的。暖色(WARM COLOR)位于包含红色和黄色的半圆之内,冷色则包含在绿色和紫色的那个半圆内。互补色(COMPLEMENTARY COLOR)出现在彼此相对的位置上。

    三原色原理

    人眼对红、绿、蓝最为敏感,人的眼睛像一个三色接收器的体系,大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生。同样,绝大多数单色光也可以分解成红、绿、蓝三种色光,这是色度学的最基本的原理,也称三原色原理。白光通过棱镜后被分解成多种颜色逐渐过渡的色谱,颜色依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,这就是可见光谱。其中人眼对红、绿、蓝最为敏感,人的眼睛就像一个三色接收器的体系,大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生。同样绝大多数单色光也可以分解成红绿蓝三种色光。这是色度学的最基本原理,即三基色原理。三种基色是相互独立的,任何一种基色都不能有其它两种颜色合成。红绿蓝是三基色,这三种颜色合成的颜色范围最为广泛。红绿蓝三基色按照不同的比例相加合成混色称为相加混色。

    红色+绿色=黄色

    绿色+蓝色=青色

    红色+蓝色=品红

    红色+绿色+蓝色=白色

    TCS3200是TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器,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电路上,同时在单一芯片上集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器,是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器,TCS3200的输出信号是数字量,可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入,因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接,由于输出的是数字量,并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度,因而不再需要A/D转换电路,使电路变得更简单,TCS3200的引脚图

    TCS3200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,这些二极管分为四种类型,其16个光电二极管带有红色滤波器;16个光电二极管带有绿色滤波器;16个光电二极管带有蓝色滤波器,其余16个不带有任何滤波器,可以透过全部的光信息,这些光电二极管在芯片内是交叉排列的,能够最大限度地减少入射光辐射的不均匀性,从而增加颜色识别的精确度;另一方面,相同颜色的16个光电二极管是并联连接的,均匀分布在二极管阵列中,可以消除颜色的位置误差。工作时,通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器,该传感器的典型输出频率范围从2Hz-500kHz,用户还可以通过两个可编程引脚来选择100%、20%或2%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。例如,当使用低速的频率计数器时,就可以选择小的定标值,使TCS3200的输出频率和计数器相匹配。

    TCS3200识别颜色的原理

    由上面的三原色感应原理可知,如果知道构成各种颜色的三原色的值,就能够知道所测试物体的颜色。对于TCS3200 来说,当选定一个颜色滤波器时,它只允许某种特定的原色通过,阻止其它原色的通过。例如:当选择红色滤波器时,入射光中只有红色可以通过,蓝色和绿色都被阻止,这样就可以得到红色光的光强;同理,选择其它的滤波器,就可以得到蓝色光和绿色光的光强。通过这三个值,就可以分析投射到TCS3200 传感器上的光的颜色。TCS3200这种可编程的彩色光到频率转换器适合于色度计测量应用领域,如彩色打印、医疗诊断、计算机彩色监视器校准以及油漆、纺织品、化妆品和印刷材料的过程控制和色彩配合。

    白平衡和颜色识别原理

    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,因此在测试前必须进行白平衡调整,使得TCS3200 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TCS3200 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。

    TCS3200D颜色识别传感器(可编程彩色光频识别转换器模块)

    主要参数

    尺寸:37*37mm

    固定孔:3mm

    孔距:22.6*22.6mm

    电压:5V

    芯片:TCS3200D

    端口:数字量

    输出:10-12KHz,占空比50%

    检测距离:10mm

    平台:Arduino 单片机等

    主要特点

    输出占空比50%

    所有的引脚全部引出

    采用TCS3200D,性能优于TCS230D

    所有IO全部引出,可控式LED补光灯

    通过程序可以读取颜色的RGB值

    适用于静态物体颜色的检测

    注意:不能检测灯光的颜色

    检测距离1厘米最佳

    检测有效距离小于等于5厘米

    可直接和单片机连接

    采用高亮白色LED灯反射光

    静态识别物体颜色,不同颜色输出不同频率

    模块电原理图

    模块接线

    Arduino Uno   <----->   TSC3200颜色传感器

    Pin 6                <----->                  S0

    Pin 5                <----->                  S1                        

    Pin 4                <----->                  S2

    Pin 3                <----->                  S3

    Pin 2                <----->                 OUT

    5V                     <----->                 VCC

    GND                <----->                 GND

    TCS3200颜色传感器是一款全彩的颜色检测器,包括了一块TAOS TCS3200RGB感应芯片和4个白光LED灯,TCS3200能在一定的范围内检测和测量几乎所有的可见光。它适合于色度计测量应用领域。比如彩色打印、医疗诊断、计算机彩色监视器校准以及油漆、纺织品、化妆品和印刷材料的过程控制。

        通常所看到的物体颜色,实际上是物体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应。白色是由各种频率的可见光混合在一起构成的,也就是说白光中包含着各种颜色的色光(如红R、黄Y、绿G、青V、蓝B、紫P)。根据德国物理学家赫姆霍兹(Helinholtz)的三原色理论可知,各种颜色是由不同比例的三原色(红、绿、蓝)混合而成的。

        由上面的三原色感应原理可知,如果知道构成各种颜色的三原色的值,就能够知道所测试物体的颜色。对于TCS3200D 来说,当选定一个颜色滤波器时,它只允许某种特定的原色通过,阻止其它原色的通过。例如:当选择红色滤波器时,入射光中只有红色可以通过,蓝色和绿色都被阻止,这样就可以得到红色光的光强;同理,选择其它的滤波器,就可以得到蓝色光和绿色光的光强。通过这三个光强值,就可以分析出反射到TCS3200D传感器上的光的颜色。

       TCS3200D传感器有红绿蓝和清除4种滤光器,可以通过其引脚S2和S3的高低电平来选择滤波器模式,如下图。

         TCS3200D有可编程的彩色光到电信号频率的转换器,当被测物体反射光的红、绿、蓝三色光线分别透过相应滤波器到达TAOS TCS3200RGB感应芯片时,其内置的振荡器会输出方波,方波频率与所感应的光强成比例关系,光线越强,内置的振荡器方波频率越高。TCS3200传感器有一个OUT引脚,它输出信号的频率与内置振荡器的频率也成比例关系,它们的比率因子可以靠其引脚S0和S1的高低电平来选择,如下图。

    白平衡校正方法是:把一个白色物体放置在TCS3200颜色传感器之下,两者相距10mm左右,点亮传感器上的4个白光LED灯,用Arduino控制器的定时器设置一固定时间1s,然后选通三原色的滤波器,让被测物体反射光中红、绿、蓝三色光分别通过滤波器,计算1s时间内三色光对应的TCS3200传感器OUT输出信号脉冲数(单位时间的脉冲数包含了输出信号的频率信息),再通过正比算式得到白色物体RGB值255与三色光脉冲数的比例因子。有了白平衡校正得到的RGB比例因子,则其它颜色物体反射光中红、绿、蓝三色光对应的TCS3200输出信号1s内脉冲数乘以R、G、B比例因子,就可换算出了被测物体的RGB标准值了。

    安装程序中的TimerOne.h库文件的二种办法

    1、请下载:

    https://github.com/PaulStoffregen/TimerOne

    2、安装TimerOne库:IDE—工具—管理库—搜索TimerOne—安装

    /*

    【Arduino】168种传感器模块系列实验(63)

    实验六十三: TCS3200D颜色识别传感器(可编程彩色光频识别转换器模块)

    安装TimerOne库:IDE—工具—管理库—搜索TimerOne—安装

    */


    #include <TimerOne.h>//申明库文件

    //把TCS3200颜色识别传感器各控制引脚连到Arduino数字端口

    #define S0     6   //物体表面的反射光越强,TCS3200内置震荡器产生的方波频率越高,

    #define S1    5   //SO和S1的组合决定输出信号频率比例因子,比例因子为2%

    //比例因子为TCS3200传感器OUT引脚输出信号频率与其内置振荡器频率之比

    #define S2     4  //S2和S3的组合决定让红、绿、蓝,哪种光线通过滤波器

    #define S3     3

    #define OUT    2 //TCS3200颜色传感器输出信号

    //在中断函数中纪录TCS3200输出信号的脉冲个数

    int   g_count = 0;    // 计算与反射光相对应TCS3200颜色传感器输出信号的脉冲数

    int   g_array[3];     // 存储RGB值

    int   g_flag = 0;     // 滤波器模式选择顺序标志

    float g_SF[3];        // 从TCS3200输出信号的脉冲数转换为RGB标准值的RGB比例因子

    //初始化TSC3200各控制引脚的输入输出模式

    //设置TCS3200的内置振荡器方波频率与其输出信号频率的比例因子为2%

    void TSC_Init()

    {

       pinMode(S0, OUTPUT);

       pinMode(S1, OUTPUT);

       pinMode(S2, OUTPUT);

       pinMode(S3, OUTPUT);

       pinMode(OUT, INPUT);

       digitalWrite(S0, LOW);

      digitalWrite(S1, HIGH);

    }

    //选择滤波器模式,决定让红、绿、蓝,哪种光线通过滤波器

    void TSC_FilterColor(int Level01, int Level02)

    {

       if(Level01 != 0)

         Level01 = HIGH;

       if(Level02 != 0)

         Level02 = HIGH;

       digitalWrite(S2, Level01);

       digitalWrite(S3, Level02);

    }

    //中断函数,计算TCS3200输出信号的脉冲波

    void TSC_Count()

    {

       g_count ++ ;

    }

    //定时器中断函数,每1S中断后,把该时间内的红、绿、蓝三种光线通过滤波器时,

    //TCS3200输出信号脉冲个数分别存储到数组g_array[3]的相应元素变量中

    void TSC_Callback()

    {

       switch(g_flag)

       {

         case 0:

              Serial.println("->WB Start");

              TSC_WB(LOW, LOW);              //选择让红色光线通过滤波器的模式

              break;

         case 1:

              Serial.print("->Frequency R=");

              Serial.println(g_count);    //打印1s内的红光通过滤波器时,TCS3200输出的脉冲个数

              g_array[0] = g_count;       //存储1S内的红光通过滤波器时,TCS3200输出的脉冲个数

              TSC_WB(HIGH, HIGH);            //选择让绿色光线通过滤波器的模式

              break;

         case 2:

              Serial.print("->Frequency G=");

              Serial.println(g_count);  //打印1S内的绿光通过滤波器时,TCS3200输出的脉冲个数

              g_array[1] = g_count;  //存储1S内的绿光通过滤波器时,TCS3200输出的脉冲个数

              TSC_WB(LOW, HIGH);             //选择让蓝色光线通过滤波器的模式

              break;

         case 3:

              Serial.print("->Frequency B=");

              Serial.println(g_count);  //打印1s内的蓝光通过滤波器时,TCS3200输出的脉冲个数

              Serial.println("->WB End");

              g_array[2] = g_count;  //存储1s内的蓝光通过滤波器时,TCS3200输出的脉冲个数

              TSC_WB(HIGH, LOW);             //选择无滤波器的模式  

              break;

        default:

              g_count = 0;  //计数值清零

              break;

       }

    }

    //设置反射光中红、绿、蓝三色光分别通过滤波器时如何处理数据的标志

    //该函数被TSC_Callback()调用

    void TSC_WB(int Level0, int Level1)      //White Balance

    {

       g_count = 0; //计数值清零

       g_flag ++;  //输出信号计数标志

       TSC_FilterColor(Level0, Level1); //滤波器模式

       Timer1.setPeriod(1000000);             // 设置输出信号脉冲计数时长1s

    }

    //初始化

    void setup()

    {

       TSC_Init();

       Serial.begin(9600);  //启动串口通信

       Timer1.initialize();             // defaulte is 1s缺省是1秒

       Timer1.attachInterrupt(TSC_Callback);  //设置定时器1的中断,中断调用函数为TSC_Callbace()

    //设置TCS3200输出信号的上跳沿触发中断,中断调用函数为TSC_Count()

       attachInterrupt(0, TSC_Count, RISING);  

       delay(4000); //延时4s,以等待被测物体红、绿、蓝三色在1s内的TCS3200输出信号脉冲计数

    //通过白平衡测试,计算得到白色物体RGB值255与1s内三色光脉冲数的RGB比例因子

       for(int i=0; i<3; i++)

         Serial.println(g_array);

       g_SF[0] = 255.0/ g_array[0];     //红色光比例因子

       g_SF[1] = 255.0/ g_array[1] ;    //绿色光比例因子

       g_SF[2] = 255.0/ g_array[2] ;    //蓝色光比例因子

    //打印白平衡后的红、绿、蓝三色的RGB比例因子

       Serial.println(g_SF[0]);

       Serial.println(g_SF[1]);

       Serial.println(g_SF[2]);

    }

    //红、绿、蓝三色光分别对应的1s内TCS3200输出脉冲数乘以相应的比例因子就是RGB标准值

    //打印被测物体的RGB值

    void loop()

    {

        g_flag = 0;//每获得一次被测物体的RGB颜色值时需要4s

        for(int i=0; i<3; i++)      //打印被测物体的RGB值

         Serial.println(int(g_array * g_SF));

        delay(4000);

    }

    识别接近灰白色的串口输出数据

    白色的串口数据

    实验仿真编程(linkboy3.6)

    三种原色的波形,都是255一条线的是白色

    在具体项目中,您所检测的是某种特定颜色的物体,可能就像前面图片展示的几种颜色类似,绝不会有连续变化颜色的物体。于是,应该以上述程序获得的被测物体颜色R、G、B值为中心,设置一个距离中心值±20的范围值,在任何环境光条件下,再次检测被测物体的RGB值,只要RGB值落在范围内,就可以认为被测物体是那种特定颜色的物体。这样设定颜色值范围的方法,可以有效提高物体颜色的识别率。

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