(SKU:RB-02S035)TCS3200 顏色傳感器
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產(chǎn)品概述
- Color Sensor是一款簡單易用、小巧請便、性價比較高的顏色識別、檢測模塊，與國外同類產(chǎn)品相比，不但體積小，功能強(qiáng)，而且設(shè)計(jì)巧妙具有以下特點(diǎn)：一、可完成分辨率的光照度/ 頻率轉(zhuǎn)換；二、色彩和滿度輸出頻率可編程調(diào)整；三、可以直接與微處理器或其他邏輯電路相連接，適合各種開發(fā)板、控制器等產(chǎn)品。
規(guī)格參數(shù)
- 顏色光到頻率轉(zhuǎn)換芯片：TCS3200D
- 輸出頻率范圍從10kHz～12kHz，占空比50%
- 工作電壓：+2.7V～+5.5V
- 工作電流：1.4mA
- 檢測狀態(tài)：靜態(tài)檢測
- 最佳檢測距離：10mm
- 工作溫度：-40°C～+85°C
- 尺寸大?。?5.56mmx 35.56mm x 1.60mm
- 重量大?。?.7g
- 固定孔直徑：3mm
- 對角固定孔間距：16.60mm
- 相鄰固定孔間距：11.74mm
TCS3200D 芯片介紹
- 目前的顏色傳感器通常是在獨(dú)立的光電二極管上覆蓋經(jīng)過修正的紅、綠、藍(lán)濾波片，然后對輸出信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，才能將顏色信號識別出來；有的將兩者集合起來，但是輸出模擬信號，需要一個A/D 電路進(jìn)行采集，對該信號進(jìn)一步處理，才能進(jìn)行識別，增加了電路的復(fù)雜性，并且存在較大的識別誤差，影響了識別的效果。TA OS（Texas Advanced Optoelectronic Solutions ）公司最新推出的顏色傳感器 TCS3200D（如下圖），不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顏色的識別與檢測，與以前的顏色傳感器相比，還具有許多優(yōu)良的新特性。
TCS3200D 芯片的結(jié)構(gòu)框圖與特點(diǎn)
- TCS3200D 是TAOS 公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器，它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個單一的CMOS 電路上，同時在單一芯片上集成了紅綠藍(lán)（RGB）三種濾光器，是業(yè)界第一個有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器，TCS3200D 的輸出信號是數(shù)字量，可以驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)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(shù)字量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每個彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要A/D 轉(zhuǎn)換電路，使電路變得更簡單。
- TCS3200D 采用8 引腳的SOIC 表面貼裝式封裝，在單一芯片上集成有64個光電二極管，這些二極管分為四種類型，其 16個光電二極管帶有紅色濾波器；16個光電二極管帶有綠色濾波器；16個光電二極管帶有藍(lán)色濾波器，其余16個不帶有任何濾波器，可以透過全部的光信息，這些光電二極管在芯片內(nèi)是交叉排列的，能夠最大限度地減少入射光輻射的不均勻性，從而增加顏色識別的精確度；另一方面，相同顏色的 16個光電二極管是并聯(lián)連接的，均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差。工作時，通過兩個可編程的引腳來動態(tài)選擇所需要的濾波器，該傳感器的典型輸出頻率范圍從2Hz －500kHz，用戶還可以通過兩個可編程引腳來選擇 100 ％、20％或2 ％的輸出比例因子，或電源關(guān)斷模式。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠適應(yīng)不同的測量范圍，提高了它的適應(yīng)能力。例如，當(dāng)使用低速的頻率計(jì)數(shù)器時，就可以選擇小的定標(biāo)值，使TCS3200D 的輸出頻率和計(jì)數(shù)器相匹配。 當(dāng)入射光投射到TCS3200D 上時，通過光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的濾波器；經(jīng)過電流到頻率轉(zhuǎn)換器后輸出不同頻率的方波（占空比是50％），不同的顏色和光強(qiáng)對應(yīng)不同頻率的方波；還可以通過輸出定標(biāo)控制引腳S0、S1，選擇不同的輸出比例因子，對輸出頻率范圍進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同的需求。 下面簡要介紹TCS3200D 芯片各個引腳的功能及它的一些組合選項(xiàng)。 S0、S1用于選擇輸出比例因子或電源關(guān)斷模式；S2、S3用于選擇濾波器的類型；OE反是頻率輸出使能引腳，可以控制輸出的狀態(tài)，當(dāng)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，下表是S0、S1及S2、S3的可用組合。
TCS3200D 識別顏色的原理
- 由上面的介紹可知，這種可編程的彩色光到頻率轉(zhuǎn)換器適合于色度計(jì)測量應(yīng)用領(lǐng)域，如彩色打印、醫(yī)療診斷、計(jì)算機(jī)彩色監(jiān)視器校準(zhǔn)以及油漆、紡織品、化妝品和印刷材料的過程控制和色彩配合。下面以TCS3200D 在色板顏色識別的應(yīng)用為例，介紹它的具體使用。首先了解一些光與顏色的知識。
三原色的感應(yīng)原理
- 通常所看到的物體顏色，實(shí)際上是物體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應(yīng)。白色是由各種頻率的可見光混合在一起構(gòu)成的，也就是說白光中包含著各種顏色的色光（如紅R、黃Y 、綠G、青V、藍(lán)B 、紫P ）。根據(jù)德國物理學(xué)家赫姆霍茲（Helinholtz）的三原色理論可知，各種顏色是由不同比例的三原色（紅、綠、藍(lán)）混合而成的。
TCS3200D 識別顏色的原理
- 由三原色感應(yīng)原理可知，如果知道構(gòu)成各種顏色的三原色的值，就能夠知道所測試物體的顏色。對于TCS3200D 來說，當(dāng)選定一個顏色濾波器時，它只允許某種特定的原色通過，阻止其他原色的通過。例如：當(dāng)選擇紅色濾波器時，入射光中只有紅色可以通過，藍(lán)色和綠色都被阻止，這樣就可以得到紅色光的光強(qiáng)；同時，選擇其他的濾波器，就可以得到藍(lán)色光和綠色光的光強(qiáng)。通過這三個值，就可以分析投射到TCS3200D 傳感器上的光的顏色。
白平衡和顏色識別原理
- 白平衡就是告訴系統(tǒng)什么是白色。從理論上講，白色是由等量的紅色、綠色和藍(lán)色混合而成的；但實(shí)際上，白色中的三原色并不完全相等，并且對于TCS3200D 的光傳感器來說，它對這三種基本色的敏感性是不相同的，導(dǎo)致 TCS3200D 的RGB輸出并不相等，因此在測試前必須進(jìn)行白平衡調(diào)整，使得TCS3200D 對所檢測的"白色"中的三原色是相等的。進(jìn)行白平衡調(diào)整是為后續(xù)的顏色識別作準(zhǔn)備。在本裝置中，白平衡調(diào)整的具體步驟和方法如下：將傳感器對準(zhǔn)色板的白色區(qū)域使其保持靜態(tài)并平行于色板，使入射光能夠良好的反射到TCS3200D 上；根據(jù)前面所介紹的方法，依次選通紅色、綠色和藍(lán)色濾波器，分別測得紅色、綠色和藍(lán)色的值，然后就可計(jì)算出需要的3 個調(diào)整參數(shù)。
- 當(dāng)TCS3200D 識別顏色時，就用這3 個參數(shù)對所測顏色的R、G 和B 進(jìn)行調(diào)整。這里有兩種方法來計(jì)算調(diào)整參數(shù)：1 、依次選通三顏色的濾波器，然后對 TCS3200D 的輸出脈沖依次進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)到255 時停止計(jì)數(shù)，分別計(jì)算每個通道所用的時間，這些時間對應(yīng)于實(shí)際測試時TCS3200D 每種濾波器所采用的時間基準(zhǔn)，在這段時間內(nèi)所測得的脈沖數(shù)就是所對應(yīng)的R、G 和B 的值。2 、設(shè)置定時器為一固定時間 （例如10ms），然后選通三種顏色的濾波器，計(jì)算這段時間內(nèi) TCS3200D 的輸出脈沖數(shù)，計(jì)算出一個比例因子，通過這個比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?255 。在實(shí)際測試時，室外同樣的時間進(jìn)行計(jì)數(shù)，把測得的脈沖數(shù)再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所對應(yīng)的R、G 和B 的值。
使用方法
硬件設(shè)備
- Carduino UNO R3 控制器×1
- Arduino 傳感器擴(kuò)展板V5.0×1
- Color Sensor顏色傳感器模塊×1
- 3P傳感器連接線×5
- 4P傳感器連接線×2
- IR&LED Modue×5 （紅、白、藍(lán)、黃、綠色各一個）
- USB 數(shù)據(jù)通信線×1
- 色板×1
試驗(yàn)接線圖
實(shí)驗(yàn)接線圖
- 使用杜邦線將Color Sensor 連接到Arduino傳感器擴(kuò)展板接口上，連接順序?yàn)镾0接數(shù)字口6 ，S1接數(shù)字口5 ，S2接數(shù)字口4 ，S3接數(shù)字口3 ，OUT接數(shù)字口2 ，OE、GND接GND，+5V 接+5V 。使用傳感器線將各種顏色食人魚燈連接到 Arduino傳感器擴(kuò)展板上，連接順序?yàn)榧t色食人魚燈接數(shù)字口 8 ，黃色燈接數(shù)字口 9 ，綠色燈接數(shù)字口10，藍(lán)色燈接數(shù)字口 11 ，白色燈接數(shù)字口 12。( 注：在使用傳感器線、杜邦線時，應(yīng)注意對應(yīng)連接，否則后果自負(fù)。) 完成硬件連接后，將 TimerOne庫文件粘貼到arduino軟件的libraries 中（如需庫文件請與我們聯(lián)系），無庫文件或?qū)煳募佩e位置代碼編譯可能將會出現(xiàn)錯誤提示。
將代碼編譯后下載到Arduino里。Arduino實(shí)驗(yàn)代碼如下。
例子程序
#include <TimerOne.h> // 引用 TimerOne.h 庫文件
#define S0 6 // 定義 S0為引腳6
#define S1 5 // 定義 S1為引腳5
#define S2 4 // 定義 S2為引腳4
#define S3 3 // 定義 S3為引腳3
#define OUT 2 // 定義 OUT為引腳2
#define Rs 8 // 定義 Rs為引腳8
#define Ys 9 // 定義 Ys為引腳9
#define Gs 10 // 定義 Gs為引腳10
#define Bs 11 // 定義 Bs為引腳11
#define Ws 12 // 定義 Ws為引腳12
int g_count = 0; //定義整型變量 g_count并賦初值為0，用于存儲計(jì)數(shù)頻率
int g_array[3]; //定義整型數(shù)組變量 g_array[3]，用于存儲RGB的值
int g_flag = 0; //定義整形變量 g_flag 并賦初值為0，用于過濾器排列
float g_SF[3]; //定義浮點(diǎn)型數(shù)組變量g_SF[3]，用于存儲RGB比例因子
int value[3]; //定義定義整型數(shù)組變量value[3]，用于判斷顏色
// 初始化tsc230 和設(shè)置頻率
void TSC_Init()
{
pinMode(S0, OUTPUT); // 定義S0為輸出狀態(tài)
pinMode(S1, OUTPUT); // 定義S1為輸出狀態(tài)
pinMode(S2, OUTPUT); // 定義S2為輸出狀態(tài)
pinMode(S3, OUTPUT); // 定義S3為輸出狀態(tài)
pinMode(OUT, INPUT); // 定義OUT為輸入狀態(tài)
digitalWrite(S0, LOW); //定義S0為低電平
digitalWrite(S1, HIGH); // 定義 S1為高電平
//輸出頻率縮放 2%
}
// 選擇過濾器的顏色
void TSC_FilterColor(int Level01, int Level02)
{
if(Level01 != 0) // 如果Level01 不等于0
Level01 = HIGH; //則Level01 為高電平
if(Level02 != 0) // 如果Level02 不等于0
Level02 = HIGH; //則Level02 為高電平
digitalWrite(S2, Level01); // 將Level01值送給S2
digitalWrite(S3, Level02); // 將Level02值送給S3
// 選擇過濾器顏色
}
void TSC_Count()
{
g_count ++ ; // 自動計(jì)算頻率
}
void TSC_Callback()
{
switch(g_flag)
{
case 0:
Serial.println("->WB Start"); // 串口打印字符串"->WB Start"
TSC_WB(LOW, LOW); // 沒有過濾紅色
break;
case 1:
Serial.print("->Frequency R="); // 串口打印字符串"->Frequency R="
Serial.println(g_count); // 串口打印 g_count變量值
g_array[0] = g_count;
TSC_WB(HIGH, HIGH); // 沒有過濾綠色
break;
case 2:
Serial.print("->Frequency G="); // 串口打印字符串"->Frequency G="
Serial.println(g_count); // 串口打印 g_count變量值
g_array[1] = g_count;
TSC_WB(LOW, HIGH); // 沒有過濾藍(lán)色
break;
case 3:
Serial.print("->Frequency B="); // 串口打印字符串"->Frequency B="
Serial.println(g_count); // 串口打印 g_count變量值
Serial.println("->WB End"); // 串口打印字符串"->WB End"
g_array[2] = g_count;
TSC_WB(HIGH, LOW); // 清除（無過濾）
break;
default:
g_count = 0;
break;
}
}
void TSC_WB(int Level0, int Level1) // 白平衡
{
g_count = 0;
g_flag ++;
TSC_FilterColor(Level0, Level1);
Timer1.setPeriod(1000000); //設(shè)置一秒周期
}
void setup()
{
pinMode(Rs,OUTPUT); //設(shè)定Rs引腳為輸出狀態(tài)
pinMode(Ys,OUTPUT); //設(shè)定Ys引腳為輸出狀態(tài)
pinMode(Gs,OUTPUT); //設(shè)定Gs引腳為輸出狀態(tài)
pinMode(Bs,OUTPUT); //設(shè)定Bs引腳為輸出狀態(tài)
pinMode(Ws,OUTPUT); //設(shè)定Ws引腳為輸出狀態(tài)
TSC_Init(); //初始化tcs230
Serial.begin(9600); //打開串口并設(shè)置通信波特率為 9600
Timer1.initialize(); //初始化默認(rèn)是一秒
Timer1.attachInterrupt(TSC_Callback); // 外部中斷為一秒
attachInterrupt(0, TSC_Count, RISING); //外部中斷口初始0
delay(4000); // 延遲4 秒
for(int i=0; i<3; i++)
Serial.println(g_array[i]); //串口打印 g_array[i] 變量值
g_SF[0] = 255.0/ g_array[0]; //紅色的比例因子
g_SF[1] = 255.0/ g_array[1] ; // 綠色的比例因子
g_SF[2] = 255.0/ g_array[2] ; // 藍(lán)色的比例因子
Serial.println(g_SF[0]); // 串口打印 g_SF[0]變量值
Serial.println(g_SF[1]); // 串口打印 g_SF[1]變量值
Serial.println(g_SF[2]); // 串口打印 g_SF[2]變量值
}
void loop()
{
g_flag = 0;
for(int i=0; i<3; i++)
{Serial.println(int(g_array[i] * g_SF[i])); //串口打印g_array[i] * g_SF[i]變量值
value[i]=int(g_array[i] * g_SF[i]); //將g_array[i] * g_SF[i]值賦值給value[i]
}
if (((value[0]>168) && (value[0]<208)) && ((value[1]>66) && (value[1]<106)) && ((value[2]>67) && (value[2]<107)))
// 如果變量 value[i]數(shù)值滿足為紅色值范圍則執(zhí)行下面語句
{
Serial.println("->Red"); //串口打印字符串"->Red"
digitalWrite(Rs,HIGH); //Rs定義為高電平
digitalWrite(Ys,LOW); //Ys定義為低電平
digitalWrite(Gs,LOW); //Gs定義為低電平
digitalWrite(Bs,LOW); //Bs 定義為低電平
digitalWrite(Ws,LOW); //Ws定義為低電平
}
else if (((value[0]>235) && (value[0]<275)) && ((value[1]> 198) && (value[1]<238)) && ((value[2]>96) && (value[2]<136)))
//如果變量 value[i]數(shù)值滿足為黃色值范圍則執(zhí)行下面語句
{
Serial.println("->Yellow"); //串口打印字符串"->Yellow"
digitalWrite(Rs,LOW); //Rs 定義為低電平
digitalWrite(Ys,HIGH); //Ys 定義為高電平
digitalWrite(Gs,LOW); //Gs 定義為低電平
digitalWrite(Bs,LOW); //Bs 定義為低電平
digitalWrite(Ws,LOW); //Ws 定義為低電平
}
else if (((value[0]>74) && (value[0]<114)) && ((value[1]>119) && (value[1]<159)) && ((value[2]>76) && (value[2]<116)))
//如果變量 value[i]數(shù)值滿足為綠色值范圍則執(zhí)行下面語句
{
Serial.println("->Green"); //串口打印字符串"->Green"
digitalWrite(Rs,LOW); //Rs 定義為低電平
digitalWrite(Ys,LOW); //Ys定義為低電平
digitalWrite(Gs,HIGH); //Gs 定義為高電平
digitalWrite(Bs,LOW); //Bs 定義為低電平
digitalWrite(Ws,LOW); //Ws 定義為低電平
}
else if(((value[0]>46) && (value[0]<86)) && ((value[1]>71) && (value[1]<111)) && ((value[2]>117) && (value[2]<157)))
//如果變量 value[i]數(shù)值滿足為藍(lán)色值范圍則執(zhí)行下面語句
{
Serial.println("->Blue"); //串口打印字符串"->Blue"
digitalWrite(Rs,LOW); //Rs 定義為低電平
digitalWrite(Ys,LOW); //Ys 定義為低電平
digitalWrite(Gs,LOW); //Gs 定義為低電平
digitalWrite(Bs,HIGH); //Bs定義為高電平
digitalWrite(Ws,LOW); //Ws定義為低電平
}
else if (((value[0]>230) && (value[0]<280)) && ((value[1]> 230) && (value[1]<280)) && ((value[2]>230) && (value[2]<280)))
//如果變量 value[i]數(shù)值滿足為白色值范圍則執(zhí)行下面語句
{
Serial.println("->White"); //串口打印字符串"->White"
digitalWrite(Rs,LOW); //Rs 定義為低電平
digitalWrite(Ys,LOW); //Ys定義為低電平
digitalWrite(Gs,LOW); //Gs 定義為低電平
digitalWrite(Bs,LOW); //Bs 定義為低電平
digitalWrite(Ws,HIGH); //Ws 定義為高電平
}
else if (value[0]>0 && value[1]>0 && value[2]>0)
//如果變量 value[i]數(shù)值不滿足上述顏色值范圍則執(zhí)行下面語句
{
Serial.println("->Other Color"); //串口打印字符串"->Other Color"
digitalWrite(Rs,LOW); //Rs 定義為低電平
digitalWrite(Ys,LOW); //Ys 定義為低電平
digitalWrite(Gs,LOW); //Gs 定義為低電平
digitalWrite(Bs,LOW); //Bs 定義為低電平
digitalWrite(Ws,LOW); //Ws 定義為低電平
}
delay(4000);} //延遲4 秒
程序效果
- 在以上步驟完成后，我們首先需要在其程序啟動后白平衡（白平衡在上文中已介紹），下圖為Arduino實(shí)驗(yàn)代碼的白平衡實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：
- 在完成白平衡后（上圖實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象即白色食人魚燈亮起，也是其系統(tǒng)在檢測到白色后的現(xiàn)象）就可以檢測其他顏色了。白平衡只是系統(tǒng)對白色的一種數(shù)值反饋（即告訴系統(tǒng)什么是白色），本模塊識別、檢測后讀出的只是 R 、G、B 的值，對應(yīng)其檢測到的顏色R、G、B 值，該測試程序編寫者特編寫了一段應(yīng)用五種顏色食人魚燈來顯示其檢測到的顏色。判斷語句中的范圍為程序編寫者在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下所測得的R 、G、B 值。更換環(huán)境后應(yīng)予以更改其對應(yīng)顏色判斷的R、G、B 值范圍。測試程序( 顏色檢測程序)中涉及到了紅、黃、綠、藍(lán)、白五種顏色，而色板上為六種顏色，多出一種顏色黑色是為了做出對比 ：在檢測中遇到非該檢測顏色時（即不滿足判斷語句的條件時）應(yīng)只在串口打印"->Other Color" ，而無其他現(xiàn)象產(chǎn)生。下圖為Arduino實(shí)驗(yàn)代碼在檢測到其他顏色時的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
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