摘 要： 介绍了一种基于C8051F300单片机和TCS230的智能高速双路" title="双路">双路传感器" title="颜色传感器">颜色传感器, 讨论了它的工作原理" title="工作原理">工作原理, 并给出了系统的实现方案、硬件结构和测试程序" title="测试程序">测试程序。
    关键词： C8051F300  TCS230  颜色传感器

    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。目前的颜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、绿、蓝滤光片，然后对输出信号进行相应的处理，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10μs，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。
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" title="脉宽调制">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、绿色、蓝色和白色滤波器，这样只要在软件设计之中进行选择，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。

2 基于C8051F300和TCS230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、11通道ADC、带PGA和模拟多路器、在系统编程的FLASH存储器、3个通用的16位定时器、3个可编程计数器/定时器阵列等特性。
    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；
    (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TCS230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%、频率值为100%的方波，这样给最终调试时带来方便，在不同的设计要求时，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。之所以采用2个传感器作为设计之中的检测元件，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。

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。

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、设置晶振和工作参数等等。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、速度快、成本低、可靠性高等优点，具有广泛的应用前景。
参考文献
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