??? 摘 要： 介紹了一種基于C8051F300單片機和TCS230的智能高速雙路" title="雙路">雙路傳感器" title="顏色傳感器">顏色傳感器, 討論了它的工作原理" title="工作原理">工作原理, 并給出了系統的實現方案、硬件結構和測試程序" title="測試程序">測試程序。
??? 關鍵詞： C8051F300? TCS230? 顏色傳感器
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??? 隨著現代工業生產向高速化、自動化方向的發展，生產過程中長期以來由人眼起主導作用的顏色識別工作將越來越多地被相應的顏色傳感器所替代。目前的顏色傳感器通常是在獨立的光電二極管上覆蓋經過修正的紅、綠、藍濾光片，然后對輸出信號進行相應的處理，才能將顏色信號識別出來，但是輸出的是模擬信號，需要一個A/D電路進行采樣，再對信號進一步處理才能進行識別，增加了電路的復雜性，并且存在較大的識別誤差，影響了識別的效果。
??? 本文介紹的基于TCS230的新型顏色傳感器比傳統的顏色傳感器具有優良的新特性，主要應用于線、邊、圖案的印刷糾偏系統中，實現顏色的識別與檢測。主要特色是采用雙路傳感器,不但可以知道存在圖像的偏移，而且能辨別偏移的方向。另外，TCS230的反應速度快，達到10μs，為實現快速的糾偏控制提供了保障。同時可用軟件設置來改變對顏色的選擇，非常實用方便，輸出可以為二路數字信號，有較強的抗干擾能力。
1 顏色傳感器的工作原理
??? 系統的基本工作原理為控制單片機來向傳感器發送指令，并讀取傳感器所接收的信息，然后經過計算，將結果送至LED燈或進行脈寬調制" title="脈寬調制">脈寬調制輸出。圖1是系統的光路圖。從圖上可以看到，從高亮度的LED等光源發出的光，通過凸透鏡1直線傳播至凸透鏡2，其中還經過一塊半透鏡，在凸透鏡2處聚焦至物體，即產生圖像，以上即為光直線傳播的過程。當光照射至物體之后，從物體上會產生反射光，經過凸透鏡2聚焦至半透鏡，由于使用的是半透鏡，因而光無法直線穿透，只能反射至凸透鏡3，此時從凸透鏡3傳出的光就是送到顏色傳感器的信號。
??? 傳感器接收到了光的信號，輸出頻率會隨之發生變化，控制單片機對頻率進行采集，并進行適當的判斷及計算，就可以由單片機輸出了。
??? 由于傳感器本身的特性，在單一芯片上集成有64個光電二極管，這些二極管共分為四種類型，分別是紅色、綠色、藍色和白色濾波器，這樣只要在軟件設計之中進行選擇，就可以方便地實現對于各種色彩的檢測，對于高速印刷以及有關的產業來說這點是非常簡單而且實際的，并且對于產品的擴展和改進也是十分方便的，只需在軟件之中進行調整即可。
2 基于C8051F300和TCS230的實現方案
??? C8051F300器件是完全集成的混合信號系統級的MCU芯片，C8051F300器件使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內核。它具有高速、非侵入式的在系統調試接口、11通道ADC、帶PGA和模擬多路器、在系統編程的FLASH存儲器、3個通用的16位定時器、3個可編程計數器/定時器陣列等特性。
??? TCS230是Taos公司最新推出的業界首款帶數字兼容接口的RGB彩色光到頻率轉換器。它內部集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個電流到頻率轉換器，TCS230的輸出信號是數字量，可以驅動標準的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。由于輸出的是數字量，并且能夠實現每個彩色信道10位以上的轉換精度，因而不再需要A/D轉換電路，使電路更簡單。
??? 本文采用高速CPU即C8051F300和傳感器TCS230共同組合構成顏色傳感器，它集合了這2個器件的特點，完成了以下的功能：
??? (1) TCS230能夠根據不同的光照，產生不同的頻率輸出；
??? (2) 高速CPU可以讀取與傳感器相連的端口，讀取傳感器輸出的頻率，并暫放在相關寄存器之中；
??? (3) 當單片機接收到頻率信號后，根據采樣點時間的設定能夠判斷高低電平，此時可將單片機轉換后的信號傳送至LED燈來顯示，由此可以看出光的變換情況；
??? ?(4) 當單片機將輸出送到LED燈顯示的同時以PWM脈寬調制的方式輸出信號，用于后續的糾偏控制。
3 顏色傳感器的硬件部分設計
3.1 C8051F300與TCS230的連接設計
??? 本傳感器設計的核心部分就是單片機與TCS230的連接，如圖2所示。
??? 將TCS230的S0以及S1兩個引腳全部與電源相連，這樣連接將會使顏色傳感器輸出占空比約為50%、頻率值為100%的方波，這樣給最終調試時帶來方便，在不同的設計要求時，只需簡單的調節接線就可以實現不同的功能。TCS230的S2和S3這兩個引腳作為光電二極管的類型選擇的引腳，現在與C8051F300單片機P0.0與P0.1相連，單片機就是通過這兩個引腳來對傳感器進行選擇控制，而對傳感信號的接收則通過P0.4和P0.5與TCS230的兩個OUT引腳的連接來實現。
??? 設計中采用2個Taos公司的傳感器TCS230，可用于移動圖像的檢測。之所以采用2個傳感器作為設計之中的檢測元件，其主要原因就是單個傳感器只能判斷圖像發生偏移，但不知偏移的方向。當采用了2個傳感器作為檢測元件，那么不僅可以知道存在偏移，更可以檢測出偏移的方向，這即為本設計相對于當今市場上相關產品的改進之處。
3.2 C8051F300輸出設計
??? 本文設計了單片機的兩種輸出，第一種即用LED燈顯示光的情況。第二種輸出脈寬調制(PWM)信號，PWM的一個優點是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，無需進行數模轉換。對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優點，讓信號保持為數字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變為邏輯0或將邏輯0改變為邏輯1時，才能對數字信號產生影響。 具體輸出電路圖如圖3所示。
4 測試程序
??? 測試程序流程如圖4所示。系統初始化負責設置F300的各個工作寄存器、設置晶振和工作參數等等。初始化完成后，如需要顏色識別，就進行具體顏色的選擇，讀取信號，以及調理輸出，完成顏色的識別。
??? 本文討論了顏色傳感器設計中的關鍵技術。目前該顏色傳感器已被應用于實際的印刷系統中，經過了運行檢驗，具有識別效果好、速度快、成本低、可靠性高等優點，具有廣泛的應用前景。
參考文獻
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