基于顏色識別的糧食檢測系統

張春光

(黑河學院,黑龍江黑河 164300)

0 前言

采用的主要硬件包括具有高度色彩分析能力的TCS230顏色傳感器、擁有高頻率且運行速度很快的AT89 C51單片機、顯示作用的LCD1602以及實現提示作用的蜂鳴報警器等,在他們的共同作用下,該系統實現了人們對細微色彩變化的觀察研究。

1 顏色識別系統分析

顏色識別系統在我們日常生活中的應用越來越深入,以往我們在遇到需要進行顏色識別的步驟,都是通過人為肉眼進行觀察的,然而這種觀察方式會因為外部環境變化而發生一定改變,例如周圍環境、光照強度、甚至是觀察人員主觀上的差異等,因而直接使用肉眼對物體顏色進行觀察產生的結果會與真實的結果存在一些差異。一些研究人員為了減少這個誤差努力研究,現在人們設計出了多種檢測顏色的儀器。

如RGB 顏色傳感器、色差傳感器、硅雙結型顏色傳感器、光纖顏色傳感器、機器視覺顏色檢測系統等。RGB 顏色傳感器。RGB三個字母就是Red紅色,Green綠色,Blue藍色的首字母縮寫,僅僅憑借著這三種顏色就可以創造出無數的新的色彩。RGB 顏色傳感器就是利用這三種顏色的濾波片進行工作的,它的具體工作內容就是利用三種顏色的濾波片將三種顏色分開,對每種顏色單獨進行光強檢測,所以這種顏色傳感器測試出的數據更加精準,誤差小,且使用方便。RGB顏色傳感器的另一種工作模式同樣是依據的紅、綠、藍三種顏色,不同于之前的直接疊加,而是通過光強的反射來完成檢測的。這種測試方法的優點是可以識別出很細小的顏色。但是應用反射的原理,會對外界的環境要求比較大?？傮w來說,RGB 顏色傳感器是易于操作、精準度較強的。

2 顏色識別系統的基本原理

本文研制的基于顏色識別的糧食安全檢測系統是采用TCS230顏色傳感器來實現對色彩進行采集的。本文研制的這個顏色識別系統主要作用就是像人眼一樣可以對物體進行觀察,不僅如此,他還要擁有更加強大的功能也就是需要他觀察到人們肉眼不能夠識別出差異的顏色[1]。物體不同顏色的產生大多數都是因為包含了各種不同顏色的光照射到物體表面,物體卻選擇性的只吸收了其中一部分光而形成的。而不同種顏色的產生則是因為紅、綠、藍三種顏色混合的比例不同造成的。

色差傳感器。在生活中并不是每一個領域都需要對顏色進行精準且細微的區分,在很多時候只需要將顏色差異性很大的物體進行簡單區分就可以,這樣就不需要使用那些復雜的設備,色差傳感器就是應用在這些需求簡單的檢測中。色差傳感器主要應用在物體的區分篩選、質量檢測等不需要識別具體顏色,只需要區別色彩的行業領域。目前,色差傳感器的發展很迅速,種類也很多,而且他們都具有價格低廉的特點。所以,色差傳感器廣泛的應用在工業生產中。

硅雙結型顏色傳感器。這種顏色傳感器主要是利用硅的光學性質進行工作的,它的組成結構是由兩個P-N 結構成。具體的工作原理是待測物的光線照射到P-N 結上,硅可以對入射到兩個P-N 上的不同顏色的光進行吸收,繼而獲取到一些信息,經過科學的分析計算處理,從而得到我們需要的數據。硅雙結型顏色傳感器的結構非常簡單,易于操作及完成。

光纖顏色傳感器。光纖傳感是一門新的傳感技術,光纖傳感器對外界的感知十分敏感,所以他在工作過程中往往會隨著檢測物體的一些微小變化甚至是外界環境變化而使檢測到的數據發生改變。不僅如此,光纖傳感器還有很強的環境適應能力,它可以在很多惡劣的條件下進行工作。

機器視覺顏色檢測系統,機器視覺的工作原理主要是利用光源照射到待測物體上,再利用圖像捕捉系統對被照射的待測物體進行圖案獲取,再將所得的圖案進行處理,將模擬圖像轉換成數字信號,再對其進行各種處理,以得到我們想要的顏色、大小等數據信息。

2.1 TCS230顏色傳感器的工作原理

由于顏色的差異在于紅、綠、藍三種顏色的混合比率不同,因此待測物體的顏色確認可以通過紅、綠、藍三種顏色的混合比率確定。TCS230彩色傳感器使用的是針對一種顏色識別的原則。TCS230顏色傳感器在進行工作時選擇的方法就是分別篩選出三種顏色的光強,采用的方法是當它對某一種顏色的光進行篩選時,它會只針對這一種顏色的光進行工作,忽視其他顏色的光從而確定其光強,然后再針對另外兩種顏色的光線采取相同的方法進行檢測[2]。

2.2 白平衡原理

在使用本文的基于顏色識別的糧食安全檢測系統對物體進行顏色識別時,為了測試的準確性,需要提前對TCS230顏色傳感器進行白平衡校正,白平衡就是用來確定系統白色標準的。將紅、綠、藍三種不同顏色的光線按照不同的比例進行混合時會得到各種各樣不同的顏色,而白平衡調試時所使用的白色就是將紅、綠、藍三種顏色的光以相同的比例混合在一起時產生的顏色。因為在實際檢測中白色與理論上是存在差異的,在生活中因為各種因素的影響白色并不是由完全相同比例的紅、綠、藍三種光線組成,所以在進行檢測前需要對TCS230顏色傳感器進行白平衡調試[3]。在調試前需要確定一個載物臺將顏色傳感器放置在上面,還要選取一個空的試管,并將其放置于TCS230顏色傳感器的上側,最重要的是還要在放置好的試管上側放置一個可發白光的光源。其結構圖如圖1所示,在進行白平衡調試時,需要讓白色的光源穿過試管并照射到TCS230顏色傳感器上,當TCS230顏色傳感器接收到光照時,將開始進行工作,它會分別篩選出三種顏色并得到相應的光照值,根據測得的結果與理論值之間的差異再分別對三種顏色進行調整。影響系統識別準確性的因素不只是這一個,TCS230顏色傳感器自身對于三種顏色識別時敏感性的不同也同樣影響著系統檢測結果的準確性。

圖1 白平衡裝置圖Fig.1 White balance device

2.3 主程序流程

在對顏色識別的糧食安全檢測系統研究中,為了各功能更好的實現采用了分解的方式進行研究,主要包括一個整體的主程序、顏色采集的子程序和蜂鳴報警的子程序三部分共同組成。

2.4 子程序流程圖

想要利用該系統完成對糧食安全的檢測,除了上述的主程序外還有兩個子程序。首先是系統對待測物體顏色信息收集的顏色采集模塊,使用的是三原色原理,具體流程為用TCS230顏色傳感器分別對紅、綠、藍三種光線進行光強數據檢測,最后通過判斷三種顏色的混合比來確定顏色。

除了顏色采集程序外,還設置了一個報警程序,它的作用是當我們檢測出的數據值不在標準范圍內時就鳴響,從而起到警示作用。

3 顏色識別系統的硬件介紹

3.1 TCS230芯片的結構與特點

在本文研制的系統中,顏色傳感器選擇的是一款來自于美國公司的TCS230芯片,選擇TCS230顏色傳感器最大的原因在于使用起來簡單。因為該傳感器做到了將電流頻率轉換器與可配置的硅光電二極管集成在一個單一的CMOS 電路上,該顏色傳感器的這個單一的CMOS 電路上還包含了紅、綠、藍三種顏色的濾光器。另一個優勢是它可以做到輸出信號是數字量信號,這種信號可以做到讓TTL或者是CMOS 邏輯輸入開始啟動,從而達到即使是在沒有A/D 轉換電路的情況下仍可以做到轉換精度在十位數以上。

3.2 TCS230顏色傳感器的引腳功能介紹

TCS230顏色傳感器有S0、S1、S2、S3、OE、OUT、GND、VCC八個引腳,其中S0、S1兩個引腳的作用是可以對輸出比例因子(例如100%、20%、2%)或電源關斷模式進行選擇;S2、S3兩個引腳的作用是對于不同濾波使用濾波器類型的選擇;OE是頻率輸出使能引腳,可以控制輸出的狀態,當有多個芯片引腳共用微處理器的輸出引腳時,也可以作為片選信號,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。

3.3 光源的選擇

在使用本文的系統對物體進行顏色識別時,因為光線的因素會對測試結果產生影響,所以我們采取了使用四個LED燈使之與TCS230 顏色傳感器相結合的方式。當對物體進行測試時,LED開啟照明功能,增加了光線的強度,進而增加了測試結果的準確程度。

3.4 TCS230與AT89C51單片機的連接

本文的糧食安全檢測系統,主要就是由TCS230 顏色傳感器和AT89C51 單片機組成,將這兩個器件組合在一起時,需要將TCS230芯片的S0和S1兩個引腳的輸出頻率選擇為100%;OUT接口與單片機的P3端口連接用于計數,這個接口可以接受到的信號頻率為500HZ;TCS230芯片的OE接口、S1接口和S2接口需要連接在單片機的P1口上。

3.5 LCD顯示模塊

為了更加明顯的了解到檢測結果,在對系統進行研究時,增加了一個LCD顯示模塊,它的作用是將檢測出的結果直接展現在顯示屏上。本文的顯示模塊選取的是LCD1602。

3.6 蜂鳴報警器

在報警模塊中報警器選擇的是蜂鳴器,它根據結構組成不同可以分為兩大類。一種是由壓電陶瓷材料制成并由多諧振蕩器、阻抗匹配器等多種部分組成的壓電式蜂鳴器;另一種則是由振蕩器、電磁線圈、磁鐵等多種器件組成的電磁式蜂鳴器。壓電蜂鳴器的工作原理是壓電效應,當為其通電后,多諧振蕩器開始工作并輸出音頻信號給阻抗匹配器,阻抗匹配器接收到信號后就會推動壓電蜂鳴片發出聲音;電磁式蜂鳴器顧名思義就是利用電磁感應原理進行工作的,當為其通電后,振蕩器開始工作并發送出信號電流,電流的作用使電磁圈產生了磁場,和電磁共同作用引起振片震動發聲。

3.7 蜂鳴報警器與AT89C51單片機連接

當AT89C51單片機對P0.0端口發出邏輯“1”指令時,它會輸出+5V電壓,由于三極管的作用,蜂鳴器不能接受到端口發出的電源,蜂鳴器不鳴響;當AT89C51 單片機對P0.0端口發出邏輯“0”指令時,它會輸出0V電壓,在三極管8550 的作用下,有電流作用于蜂鳴器,蜂鳴器就開始鳴響。

4 結論

本文研究這個系統的目的主要是幫助人們對食品進行安全驗證,采用的是通過檢測食品顏色來鑒定的方法,而顏色檢測主要是利用單片機技術。