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基于TCS230的新型双路颜色传感器的研制 (1)


测控技术与仪器仪表

Me a s ure me nt Control Te chnology a nd Ins trume nts

基于 TCS230 的新型双路颜色传感器的研制
陆 徐 平 1, 徐 耀 良 2, 李 渝 曾 1, 陆 明 1 ( 1. 上 海 大 学 自 动 化 系 , 上 海 200072 ; 2. 上

海 电 力 学 院 信 控 系 , 上 海 200090 )
摘 要 : 介 绍 了 一 种 基 于 C8051F300 单 片 机 和 TCS230 的 智 能 高 速 双 路 颜 色 传 感 器 , 讨 论 了 它 的 工作原理, 并给出了系统的实现方案、 件结构和测试程序。 硬 关 键 词 : C8051F300 TCS230 颜 色 传 感 器

Development of a new double- path color sensor based on TCS230
LU Xu Ping1 , XU Yao Liang2 , LI Yu Zeng1 , LU Ming1
(1. Department of Automation, Shang Hai University, Shanghai 200072, China; 2. Department of Information and Control Engineering, Shanghai Univresity of Electric Power, Shanghai 200090,China) Abs tract : An intelligent double - path high speed color sensor based on the C8051F300 and TCS230 is introduced in the pa- per. The working principle is discussed. The hardware and software implementation of the system are explained in detail. Key words : C8051F300; TCS230; color sensor 随着现代工业生产向高速化、自动化方向的发展, 生产过程中长期以来由人眼起主导作用的颜色识别工 作将越来越多地被相应的颜色传感器所替代。 前的颜 目 色传感器通常是在独立的光电二极管上覆盖经过修正 的红、 、 滤光片, 然后对输出信号进行相应的处理, 绿 蓝 才能将颜色信号识别出来, 但是输出的是模拟信号, 需 要 一 个 A/D 电 路 进 行 采 样 , 再 对 信 号 进 一 步 处 理 才 能 进行识别, 增加了电路的复杂性, 并且存在较大的识别 误差, 影响了识别的效果。 本 文 介 绍 的 基 于 TCS230 的 新 型 颜 色 传 感 器 比 传 统 的颜色传感器具有优良的新特性, 主要应用于线、 、 边 图 案的印刷纠偏系统中, 实现颜色的识别与检测。主要特 色是采 用双 路传感 器, 不 但 可 以 知 道 存 在 图 像 的 偏 移 , 而 且 能 辨 别 偏 移 的 方 向 。 另 外 , TCS230 的 反 应 速 度 快 , 达 到 10!s , 为 实 现 快 速 的 纠 偏 控 制 提 供 了 保 障 。同 时 可 用软件设置来改变对颜色的选择, 非常实用方便, 输出 可以为二路数字信号, 有较强的抗干扰能力。
直射光线 反射光线 高亮度 凸透镜 1 半透镜 凸透镜 2 物体 凸透镜 3

传感器

LED 灯

图 1 传感器光路图

一块半透镜, 在凸透镜 2 处聚焦至物体, 即产生图像, 以 上即为光直线传播的过程。当光照射至物体之后, 从物 体上会产生反射光, 经过凸透镜 2 聚焦至半透镜, 由于 使用的是半透镜, 因而光无法直线穿透, 只能反射至凸 透 镜 3, 此 时 从 凸 透 镜 3 传 出 的 光 就 是 送 到 颜 色 传 感 器 的信号。 传感器接收到了光的信号, 输出频率会随之发生变 化, 控制单片机对频率进行采集, 并进行适当的判断及 计算, 就可以由单片机输出了。 由 于 传 感 器 本 身 的 特 性 , 在 单 一 芯 片 上 集 成 有 64 个光电二极管, 这些二极管共分为四种类型, 分别是红 色、 色、 色和白色滤波器, 这样只要在软件设计之中 绿 蓝

1 颜色传感器的工作原理
系统的基本工作原理为控制单片机来向传感器发 送指令, 并读取传感器所接收的信息, 然后经过计算, 将 结 果 送 至 LED 灯 或 进 行 脉 宽 调 制 输 出 。 图 1 是 系 统 的 光 路 图 。从 图 上 可 以 看 到 , 从 高 亮 度 的 LED 等 光 源 发 出 的 光 , 通 过 凸 透 镜 1 直 线 传 播 至 凸 透 镜 2, 其 中 还 经 过

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进行选择, 就可以方便地实现 对于各种色彩的检测, 对于高 速印刷以及有关的产业来说 这点是非常简单而且实际的, 并且对于产品的扩展和改进 也是十分方便的, 只需在软件 之中进行调整即可。

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2 基 于 C8051F300 和 TCS 230
的实现方案 C8051F300 器 件 是 完 全 集 成 的 混 合 信 号 系 统 级 的 MCU 芯 片 , C8051F300 器 件 使 用 Silicon Labs 的 专 利 CIP- 51 微 控 制 器 内 核 。它
具有高速、非侵入式的在系统调 试 接 口 、 通 道 ADC 、 带 PGA 和 11 模 拟 多 路 器 、在 系 统 编 程 的

FLASH 存 储 器 、 个 通 用 的 16 位 定 时 器 、 个 可 编 程 计 3 3
数 器/定时 器阵 列等 特性。

只 需 简 单 的 调 节 接 线 就 可 以 实 现 不 同 的 功 能 。 TCS230 的 S2 和 S3 这 两 个 引 脚 作 为 光 电 二 极 管 的 类 型 选 择 的 引 脚 , 现 在 与 C8051F300 单 片 机 P0.0 与 P0.1 相 连 , 单 片 机就是通过这两个引脚来对传感器进行选择控制, 而对 传 感 信 号 的 接 收 则 通 过 P0.4 和 P0.5 与 TCS230 的 两 个 OUT 引 脚 的 连 接 来 实 现 。 设 计 中 采 用 2 个 Taos 公 司 的 传 感 器 TCS230 , 可 用 于移动图像的检测。 所以采用 2 个传感器作为设计之 之 中的检测元件, 其主要原因就是单个传感器只能判断图 像发生偏移, 但不知偏移的方向。当采用了 2 个传感器 作为检测元件, 那么不仅可以知道存在偏移, 更可以检 测出偏移的方向, 这即为本设计相对于当今市场上相关 产品的改进之处。

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 到 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到频率转换器,

TCS230 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, 使电路更简单。 本 文 采 用 高 速 CPU 即 C8051F300 和 传 感 器 TCS230 共同组合构成颜色传感器, 它集合了这 2 个器件的特 点, 完成了以下的功能:

(1) TCS230 能 够 根 据 不 同 的 光 照 , 产 生 不 同 的 频 率
输出;

3 . 2 C8051F300 输 出 设 计
本 文 设 计 了 单 片 机 的 两 种 输 出 , 第 一 种 即 用 LED 灯 显 示 光 的 情 况 。 第 二 种 输 出 脉 宽 调 制 (PWM) 信 号 , PWM 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式

(2) 高 速 CPU 可 以 读 取 与 传 感 器 相 连 的 端 口 , 读 取
传感器输出的频率, 并暂放在相关寄存器之中;

(3) 当 单 片 机 接 收 到 频 率 信 号 后 , 根 据 采 样 点 时 间
的设定能够判断高低电平, 此时可将单片机转换后的信 号 传 送 至 LED 灯 来 显 示 , 由 此 可 以 看 出 光 的 变 换 情 况 ;

(4) 当 单 片 机 将 输 出 送 到 LED 灯 显 示 的 同
时 以 PWM 脉 宽 调 制 的 方 式 输 出 信 号 , 用 于 后 续的纠偏控制。

3 颜色传感器的硬件部分设计
3 . 1 C8051F300 与 TCS 230 的 连 接 设 计
本传感器设计的核心部分就是单片机与

TCS230 的 连 接 , 如 图 2 所 示 。 将 TCS230 的 S0 以 及 S1 两 个 引 脚 全 部 与
电源相连, 这样连接将会使颜色传感器输出占 空 比 约 为 50% 、 率 值 为 100% 的 方 波 , 这 样 给 频 最终调试时带来方便, 在不同的设计要求时,

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的 , 无 需 进 行 数 模 转 换 。对 噪 声 抵 抗 能 力 的 增 强 是 PWM 相 对 于模拟控制的另外一个优点, 让信号保持为数字形式可将噪 声影响降到最小。噪声只有在 强到足以将逻辑 1 改变为逻辑


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开始

选择, 读取信号, 以及调理输出, 完成颜色的识别。 本 文 讨 论 了 颜 色 传 感 器 设 计 中 的 关 键 技 术 。目 前 该 颜色传感器已被应用于实际的印刷系统中, 经过了运行 检验, 具有识别效果好、 度快、 本低、 靠性高等优 速 成 可 点, 具有广泛的应用前景。 参考文献 [1] Texas Advanced Optoelectronic Solutions Inc. TCS230 programmable color light to frequency converter.2003. [2] 刘 笃 仁 , 韩 保 君 . 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 [M]. 西 安 : 西 安
电 子 科 技 大 学 出 版 社 , 2003.

系统初始化

有颜色识别?

0 或将逻辑 0 改变为逻辑 1 时,
才能对数字信号产生影响。 具体输出电路图如图 3 所示。


颜色选择

4 测试程序
测试程序流程如图 4 所示。 系 统 初 始 化 负 责 设 置 F300 的 各 个工作寄存器、 置晶振和工作 设 参数等等。初始化完成后, 如需 要颜色识别, 就进行具体颜色的

读取传感器信号

[3] 林 伸 茂 . 8051 单 片 机 彻 底 研 究 实 习 篇 [M]. 北 京 : 人 民 邮
识别及调理输出

电 出 版 社 , 2004.

[4] 童 长 飞 . C8051F 系 列 单 片 机 开 发 与 C 语 言 编 程 [M].
返回 图 4 测试流程图

北 京 : 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 , 2005. ( 收 稿 日 期 : 2007- 03- 25 )

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( 上 接 第 85 页 ) 本 文 采 用 SOPC 技 术 将 任 意 波 形 发 生 器 的 DDS 模 块 与 控 制 模 块 集 成 到 单 片 FPGA 芯 片 中 。 结 果 表 明 , 设 计的任意波形发生器实现了系统所要求的功能, 技术指 标 也 达 到 了 要 求 。 因 此 , 在 单 片 FPGA 上 实 现 任 意 波 形 发 生 器 是 可 行 的 。与 传 统 的 采 用 控 制 器 与 FPGA 结 合 的 设计方法相比, 它有效地简化了系统电路结构, 提高了 集成度。 参考文献 [1] 潘 松 , 黄 继 业 , 曾 毓 .SOPC 技 术 实 用 教 程 [M]. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 , 2005 : 1- 328. [2] 吴 继 华 , 王 城 . Altera FPGA/CPLD 设 计 ( 基 础 篇 ) [M]. 北 京 : 人 民 邮 电 出 版 社 , 2005 : 1- 236. [3] 张 福 贵 , 姚 振 东 . 基 于 DDS 的 高 性 能 信 号 发 生 器 的 实 现 [J]. 成 都 信 息 工 程 学 院 学 报 , 2006 , 21(1) : 12- 17. [4] 崔 建 鹏 , 赵 敏 , 江 帆 . 采 用 DDS 技 术 实 现 的 虚 拟 任 意 波 形 发 生 器 [J]. 计 算 机测量与控制, 2003 , 11(7): 533- 555.
( 收 稿 日 期 : 2007- 03- 22 )

图 9 鼠标绘制界面

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行 业 聚 焦

Focus on Industry

HOLTEK 发 布 超 低 启 动 电 压 的 升 压 型 —— DC /DC 转 换 器 — HT77XXA

HT77XXA 为 HOLTEK 最 新 推 出 的 高 效 率 升 压 型 DC/DC 转 换 器 , 利 用 CMOS 制 程 以 及 PFM (Pulse Frequency Modulation)
技 术 , 呈 现 低 功 耗 及 低 噪 音 的 理 想 特 性 。通 过 整 合 一 低 阻 抗 的 功 率 晶 体 管 , HT77XXA 仅 需 外 接 电 感 、 容 及 二 极 管 等 少 电 数 组 件 , 就 可 以 组 成 一 个 效 率 高 达 85% 的 DC/DC 转 换 电 路 , 是 低 成 本 及 省 面 积 的 升 压 解 决 方 案 。 本 系 列 产 品 提 供 2.7V、 、 3V 3.3V 及 5V 等 四 种 输 出 电 压 , 最 大 特 色 是 启 动 电 压 低 至 0.7V, 再 加 上 仅 5!A 的 消 耗 电 流 锂 (IDD2), 使 得 HT77XXA 可 以 有 效 地 延 长 电 池 寿 命 , 广 泛 地 应 用 于 单 颗 或 多 颗 碱 性 、 离 子 及 镍 氢 电 池 供 电 的 手 持 式 装 置 。 在 封 装 方 面 提 供 有 小 巧 的 TO- 92 、 SOT- 89 、 SOT- 23 及 SOT- 25 , 其 中 SOT- 25 封 装 更 增 加 关 机 功 能 , 在 此 省 电 模 式 下 , 静 态 电 流 可 进 一 步 降 至 0.5!A。 HOLTEK 提 供 两 种 不 同 输 出 电 流 的 升 压 型 DC/DC 转 换 器 , 分 别 为 200mA 的 HT77XXA 与 100mA 的 HT77XX 。 两 颗 ( 盛扬半导体公司供稿) IC 的 PIN 脚 定 义 相 同 。 客 户 可 依 不 同 的 应 用 范 围 选 择 适 合 的 IC 。

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