【TCS3200颜色识别】 应用介绍

   Arduino-TCS3200颜色传感器

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。

这个测试实验，我把TCS3200传感器OUT引脚输出信号频率与其内置振荡器频率比率因子设为2%，有了输出频率比例因子，但是如何通过OUT引脚输出信号频率来换算出被测物体由三原色光强组成的RGB颜色值呢？这还需进行白平衡校正来得到RGB比例因子才行！
     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。
现在谈谈，如何进行TCS3200各控制引脚与Arduino控制器的硬件连线问题，下图分别是TCS3200传感器和其连线图。

 
 
 
上图中TCS3200传感器各控制引脚与Arduino控制器数字端口连线的对应关系，我设置为：
#define S0     6 
#define S1     5  
#define S2     4  
#define S3     3
#define OUT   2                      
#define LED   7
    当被测物体为不发光物体时，应该把TCS3200的LED引脚设置为高电平，以点亮TCS3200传感器电路板上的四个白光LED灯。
下文展示了一个带有白平衡的测试程序，把这个程序下载到Arduino控制器中，同时把一个白色物体放置在TCS3200颜色传感器之下，点亮传感器上的4个白光LED灯，再打开Arduino IDE的串口监视器，会出现下图监视画面，可以在该画面中找到白色物体RGB值255以及RGB比例因子。（可通过QQ截图来锁定画面，以便观察。）（双击图片，可以放大看！）

 把白平衡时放置在TCS3200颜色传感器之下白色物体拿走，放上另一个黄色物体，在Arduino IDE串口监视器看到的这个黄色物体RGB值为233、157、56，如下图所示。

打开电脑Windows操作系统自带的画图板，点击菜单栏“颜色”--->“编辑颜色”--->“规定自定义颜色”-->右下角输入RGB值，查看对应的颜色与实际测试的颜色是否相符。实际测试结果是测得的物体颜色与实际颜色有些偏色，但并不影响区分出被测物体是哪种颜色的物体。

 
介绍完TCS3200传感器颜色识别原理和其与Arduino控制器的硬件连线，以及如何利用串口监视器找到白平衡后的比例因子和被测物体的RGB值，此外我们还增加了一个三色LED，做了一个小实验，准备三张红黑黄的纸片，当颜色识别模块识别到其中某一个颜色的纸片时此时三色LED灯有对应的一个颜色亮起。三色LED的R引脚接arduino的数字7号引脚，G接8，B接9，GND对GND.
 
 
g_array[0] * g_SF[0]代表的是标准颜色R值，g_array[1] * g_SF[1]是G值，g_array[2] * g_SF[2]是B值，可以看到loop函数里面做了三个判断，RGB的值做了一个范围判断，这个判断值就是根据颜色传感器在白平衡后，检测出三个不同颜色的纸片的串口打印值得范围，为什么要这个范围，因为颜色传感器的检测值是一个波动的状态。程序让识别到不同的颜色的纸片时LED灯亮不同的颜色。
上面是带有白平衡的测试程序，对于具体项目的应用程序，要在此基础上加以变动。
如果TCS3200传感器与被测物体的检测距离以及周围环境光线没有发生大的变化，进行一次白平衡校正后，RGB比例因子就可以确定下来了。于是您一定要把得到的RGB比例因子直接替代掉红色字体标识程序段中的数组g_array[3]各元素变量。另外绿色字体标识的程序段也可以注释掉。
    在具体项目中，您所检测的是某种特定颜色的物体，可能就像文章的第一张图片展示的5个色块类似，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。