TCS3200颜色传感器使用说明资料.doc

(完整版)TCS3200颜色传感器使用说明资料
  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。下面展示的是Arduino测试程序。注意：下面的#include 《TimerOne.h〉 要改为单括号形式。
 Arduino程序：
＃include 《TimerOne.h> //申明库文件
//把TCS3200颜色传感器各控制引脚连到Arduino数字端口
#define S0    6   //物体表面的反射光越强，TCS3002D内置振荡器产生的方波频率越高，
＃define S1    5  //S0和S1的组合决定输出信号频率比例因子，比例因子为2％
                 //比率因子为TCS3200传感器OUT引脚输出信号频率与其内置振荡器频率之比
#define S2     4   //S2和S3的组合决定让红、绿、蓝，哪种光线通过滤波器
＃define S3     3
＃define OUT    2  //TCS3200颜色传感器输出信号连接到Arduino中断0引脚，并引发脉冲信号中断
                  //在中断函数中记录TCS3200输出信号的脉冲个数
＃define LED    7  //控制TCS3200颜色传感器是否点亮LED灯
float g_SF［3]；     //从TCS3200输出信号的脉冲数转换为RGB标准值的RGB比例因子
int   g_count = 0;  // 计算与反射光强相对应TCS3200颜色传感器输出信号的脉冲数
// 数组用于存储在1s内TCS3200输出信号的脉冲数，它乘以RGB比例因子就是RGB标准值
int   g_array［3];  
int   g_flag = 0;   // 滤波器模式选择顺序标志

// 初始化TSC3200各控制引脚的输入输出模式
//设置TCS3002D的内置振荡器方波频率与其输出信号频率的比例因子为2%
void TSC_Init(）
｛
  pinMode(S0， OUTPUT）;
  pinMode(S1， OUTPUT)；
  pinMode（S2, OUTPUT);
  pinMode（S3， OUTPUT);
  pinMode(OUT, INPUT）；
  pinMode(LED, OUTPUT）；
  digitalWrite(S0, LOW）； 
  digitalWrite(S1， HIGH）;
｝

//选择滤波器模式,决定让红、绿、蓝，哪种光线通过滤波器
void TSC_FilterColor(int Level01， int Level02)
｛
  if（Level01 != 0）
    Level01 = HIGH;
  if（Level02 != 0）
    Level02 = HIGH；
  digitalWrite（S2, Level01);
  digitalWrite(S3, Level02）;
}

//中断函数,计算TCS3200输出信号的脉冲数
void TSC_Count(）
｛
  g_count ++ ;
}

//定时器中断函数，每1s中断后,把该时间内的红、绿、蓝三种光线通过滤波器时,
//TCS3200输出信号脉冲个数分别存储到数组g_array［3］的相应元素变量中
void TSC_Callback（)
｛
  switch(g_flag)
  {
    case 0：
         Serial。println("—>WB Start”)；
         TSC_WB（LOW， LOW);   //选择让红色光线通过滤波器的模式
         break；
    case 1:
         Serial.print(”->Frequency R=”）;
         Serial.println（g_count);   //打印1s内的红光通过滤波器时，TCS3200输出的脉冲个数
         g_array［0] = g_count；    //存储1s内的红光通过滤波器时,TCS3200输出的脉冲个数
         TSC_WB(HIGH， HIGH）；  //选择让绿色光线通过滤波器的模式
         break;
    case 2:
         Serial。print（"—〉Frequency G=”);
         Serial。println（g_count）；   //打印1s内的绿光通过滤波器时，TCS3200输出的脉冲个数
         g_array［1] = g_count；    //存储1s内的绿光通过滤波器时，TCS3200输出的脉冲个数
         TSC_WB（LOW， HIGH)；  //选择让蓝色光线通过滤波器的模式
         break;

    case 3:
         Serial。print（”->Frequency B=”)；
         Serial。println(g_count);   //打印1s内的蓝光通过滤波器时，TCS3200输出的脉冲个数
         Serial。println（”—>WB End"）;
         g_array[2］ = g_count;     //存储1s内的蓝光通过滤波器时，TCS3200输出的脉冲个数
         TSC_WB（HIGH， LOW)；   //选择无滤波器的模式  
         break;
   default：
         g_count = 0;     //计数值清零
         break；
  }
}
//设置反射光中红、绿、蓝三色光分别通过滤波器时如何处理数据的标志
//该函数被TSC_Callback( ）调用
void TSC_WB(int Level0, int Level1)    
{
  g_count = 0;   //计数值清零
  g_flag ++;     //输出信号计数标志
  TSC_FilterColor（Level0， Level1); //滤波器模式
  Timer1.setPeriod（1000000);     //设置输出信号脉冲计数时长1s
｝
//初始化
void setup()
{
  TSC_Init();
  Serial。begin(9600); //启动串行通信
  Timer1。initialize（）；   // defaulte is 1s
  Timer1.attachInterrupt（TSC_Callback)； //设置定时器1的中断，中断调用函数为TSC_Callback（）
  //设置TCS3200输出信号的上跳沿触发中断,中断调用函数为TSC_Count（)
  attachInterrupt（0， TSC_Count, RISING）；
  digitalWrite（LED， HIGH）;//点亮LED灯
  delay(4000）; //延时4s，以等待被测物体红、绿、蓝三色在1s内的TCS3200输出信号脉冲计数
  //通过白平衡测试，计算得到白色物体RGB值255与1s内三色光脉冲数的RGB比例因子
  g_SF［0］ = 255.0/ g_array[0];     //红色光比例因子
  g_SF[1] = 255。0/ g_array[1］ ;    //绿色光比例因子
  g_SF［2］ = 255。0/ g_array［2] ;    //蓝色光比例因子
  //打印白平衡后的红、绿、蓝三色的RGB比例因子
  Serial.println（g_SF[0],5）;
  Serial.println(g_SF［1]，5);
  Serial。println（g_SF［2］,5);
  //红、绿、蓝三色光分别对应的1s内TCS3200输出脉冲数乘以相应的比例因子就是RGB标准值
  //打印被测物体的RGB值
  for（int i=0; i〈3; i++)
    Serial。println（int(g_array［i］ * g_SF［i]））；   
}
//主程序
void loop()
｛
   g_flag = 0;
   //每获得一次被测物体RGB颜色值需时4s
   delay（4000);
   //打印出被测物体RGB颜色值
   for(int i=0; i〈3； i++)
      Serial.println(int（g_array[i] * g_SF[i])）； 
}
    程序中的头文件TimerOne.h文件请下载：
    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。