齐齐哈尔大学计算机科学与技术系 何鹏 岳云峰

基本原理

    自然界有各种各样的颜色，在所有颜色中，除鸟类羽毛由于干涉而产生颜色外，物体对光的选择吸收是产生颜色的主要原因。在色料(包括颜料、染料、油漆等)制造业中，都是制造具有选择吸收性能的色素，色料本身不是光源，他们只能将入射光选择地吸收或选择地反射，使透射光或反射光带色彩。根据这一原理，人们在单晶硅或非晶硅材料上制造两个、三个甚至四个PN结,利用不同结深的PN结对不同颜色光吸收系数的差异进行颜色识别。其中，具有三个以上PN结的元件可以同时测得三刺激值,原则上可以得到所有待测色,称为全色色敏传感器。Texas Advanced Optoelectronic Solutions公司(Taos)的集成化光电传感器属于这种器件，这种传感器具有板上信号处理和颜色滤镜功能。所有三个传感器均建立在带沉积滤色镜的光-电压转换器平台上，每个传感器设计用于检测三基色中的一种：即红色、蓝色和绿色；在颜色测量应用中，可以把颜色分离成它的RGB成分；拥有两个PN结的元件是一种单色传感器,由两个纵向迭加、结深不同的PN结组成,以体材料为滤光片,不同波长的入射光在深、浅PN结所产生的两个光电流的比值与波长有近似的线性关系。这种色敏传感器不能同时测量颜色的三刺激值,但通过电流比可以探测单色光,也可以区分两个不同光谱组成的复色光,即色差辨别。日本Sharp公司的PD150和PD151以及国内武汉大学半导体厂生产的CS-1色敏传感器都属于这种传感器。

    硅色敏传感器的应用电路比一般光信号探测电路要复杂。对全色色敏传感器而言，应用电路模拟人眼的三刺激值特性，用光电积分效应直接测量颜色的三刺激值，由于用到滤光片，应该对其光谱响应进行修正，使它与国际照明委员会(CIE)标准观察者相一致，同时对照明光源进行滤色修正，使它符合标准照明体的相对光谱功率分布。应用电路总的光学条件应符合卢瑟(Luther)条件：

    KNS(λ)τN(λ)γ(λ)= S0(λ)N(λ)
    式中，NX、Y、Z;    

　　S(λ)?应用电路所用的标准光源光谱功率分布；S0(λ) ?选定的标准照明体光谱功率分布；τN?三种滤色修正器的光谱透射比；N(λ)?标准观察者光谱三刺激值；γ(λ)?应用电路的光谱灵敏度；KN?比例系数。

    双PN结色敏传感器常用于对两个物体的色差进行判断，它的信号处理电路常采用模拟放大电路，A/D转换以及单片机处理电路。倒罐”识别分拣系统设计

    在饮料包装行业(马口铁三片罐生产线)中，由于某种原因可能会产生所谓“倒罐”(饮料罐上下倒置)，为防止“倒罐”，可在马口铁三片罐生产线上加装分拣系统。下面简要介绍该分拣系统的开发过程。

    分拣系统的信号采集主要依靠色敏传感器，因为饮料罐上部与下部的颜色是不相同的，根据上部与下部的颜色值的变化能分清是否发生了“倒罐”。由于只要求分拣系统能分辨颜色值的变化，而对饮料罐真正的颜色标定没有具体要求。因此可采用双PN结色敏传感器对饮料罐进行颜色识别。色敏传感器选用了武汉大学半导体工厂生产的CS-1色敏传感器，具体的颜色测量方式有三种：直接式、透射式、反射式,考虑到系统用在马口铁三片罐生产线上，所以使用反射式测量方式。信号采集电路原理图如图1（略）所示。

    图中CS-1色敏传感器中的两个光敏部分PD1和PD2连接在两只运算放大器IC1、IC2的反相输入端，即将运算放大器做电流输入型使用。连接在IC1、IC2的反相输入端与输出端之间的D1和D2两只二极管用作对数变换元件，在工作时它们并不改变PD1和PD2的短路电流的性质，因此有可能在入射功率的宽广范围内稳定地测定光的波长，也即测知物体的颜色或光的颜色。IC3为一差动放大器，用于实现对两个输入电压(即IC1、IC2的输出电压)的减法运算。该信号采集电路的输出电压Vo(λ)与不同颜色的波长之间的关系可用下式表示

    Vo(λ)= Vo[lgISC2(λ)?lgISC1(λ)]R2/ R1

    式中Vo为常数，Isc1、Isc2分别为IC1、IC2输入电流。其中，测色电压Vo(λ)与波长的关系如图2所示，显然，只要测出输出电压Vo(λ)，就可根据输出电压与光的波长的对应值测定其颜色波长。

    系统总体设计

    分拣系统的核心是单片机系统的设计，它的结构如图3（略）所示。

    分拣系统电路由以下几部分组成：

    系统单片机?选用Intel8031，8位单片微型计算机,最小系统由EPROM和地址锁存器组成。EPROM采用2764,所有的检测程序均固化在其中，地址锁存器采用74LS373,它使EPROM与CPU之间地址总线与数据总线分时复用。

    A/D转换??使用7135A/D转换器，精密电压基准源采用MC1403。

    程序存储扩展?主要完成程序的存储和运行。

    通信?实现生产线中的可编程控制器与8031通信的中间媒介功能。

    扩展键盘、显示、输出控制电路?采用8155来扩展I/O接口,并能同时完成显示、编码键盘、输出控制功能。

    软件主要用汇编语言编写而成。由基本测色原理可知，单片机系统主要数据处理内容有线性化处理、光源发光率修正、颜色识别。颜色识别通过列颜色值表，然后，由查表程序查得实际颜色，送显示器显示(提交传送带可编程控制器、驱动气动执行机构)。软件可分为四个模块：

    主程序：主程序流程图如图4所示。程序开始对系统进行初始化，开中断后，由于采样为高级中断，所以先判断A/D转换结束与否，然后进行颜色识别的主要数据处理，即线性化处理，光源发光率修正，所得颜色数字量进入查表程序，最后将颜色值送显示或键盘处理程序。

    中断处理程序：包括采样程序和键处理程序。

    处理程序：包括线性化处理、光源发光率修正值查取、颜色值的判断与控制信号输出。

    附加程序：包括键处理程序，显示程序。

    结语

    现代化工业生产由于应用场合越来越多、越来越复杂，所以对更精密、更可靠的传感器的需求也越来越大，其中颜色检测和颜色变化的识别等就是其中比较复杂的应用之一。我们提出的解决方案采用8031单片机为主设计，硬件电路结构简单、软件设计灵活、速度快，电路设计采用了防震、屏蔽、合理布线等措施，经仿真调试证明系统硬、软件设计合理，运行稳定可靠。在应用方面，该系统除用在饮料包装行业(马口铁三片罐生产线)中检测“倒罐”外，其它如化妆品装瓶包装生产线、食品包装膜切割包装生产线等都可直接使用该系统。

顶、下

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齐齐哈尔大学计算机科学与技术系 何鹏 岳云峰

基本原理

    自然界有各种各样的颜色，在所有颜色中，除鸟类羽毛由于干涉而产生颜色外，物体对光的选择吸收是产生颜色的主要原因。在色料(包括颜料、染料、油漆等)制造业中，都是制造具有选择吸收性能的色素，色料本身不是光源，他们只能将入射光选择地吸收或选择地反射，使透射光或反射光带色彩。根据这一原理，人们在单晶硅或非晶硅材料上制造两个、三个甚至四个PN结,利用不同结深的PN结对不同颜色光吸收系数的差异进行颜色识别。其中，具有三个以上PN结的元件可以同时测得三刺激值,原则上可以得到所有待测色,称为全色色敏传感器。Texas Advanced Optoelectronic Solutions公司(Taos)的集成化光电传感器属于这种器件，这种传感器具有板上信号处理和颜色滤镜功能。所有三个传感器均建立在带沉积滤色镜的光-电压转换器平台上，每个传感器设计用于检测三基色中的一种：即红色、蓝色和绿色；在颜色测量应用中，可以把颜色分离成它的RGB成分；拥有两个PN结的元件是一种单色传感器,由两个纵向迭加、结深不同的PN结组成,以体材料为滤光片,不同波长的入射光在深、浅PN结所产生的两个光电流的比值与波长有近似的线性关系。这种色敏传感器不能同时测量颜色的三刺激值,但通过电流比可以探测单色光,也可以区分两个不同光谱组成的复色光,即色差辨别。日本Sharp公司的PD150和PD151以及国内武汉大学半导体厂生产的CS-1色敏传感器都属于这种传感器。

    硅色敏传感器的应用电路比一般光信号探测电路要复杂。对全色色敏传感器而言，应用电路模拟人眼的三刺激值特性，用光电积分效应直接测量颜色的三刺激值，由于用到滤光片，应该对其光谱响应进行修正，使它与国际照明委员会(CIE)标准观察者相一致，同时对照明光源进行滤色修正，使它符合标准照明体的相对光谱功率分布。应用电路总的光学条件应符合卢瑟(Luther)条件：

    KNS(λ)τN(λ)γ(λ)= S0(λ)N(λ)
    式中，NX、Y、Z;    

　　S(λ)?应用电路所用的标准光源光谱功率分布；S0(λ) ?选定的标准照明体光谱功率分布；τN?三种滤色修正器的光谱透射比；N(λ)?标准观察者光谱三刺激值；γ(λ)?应用电路的光谱灵敏度；KN?比例系数。

    双PN结色敏传感器常用于对两个物体的色差进行判断，它的信号处理电路常采用模拟放大电路，A/D转换以及单片机处理电路。倒罐”识别分拣系统设计

    在饮料包装行业(马口铁三片罐生产线)中，由于某种原因可能会产生所谓“倒罐”(饮料罐上下倒置)，为防止“倒罐”，可在马口铁三片罐生产线上加装分拣系统。下面简要介绍该分拣系统的开发过程。

    分拣系统的信号采集主要依靠色敏传感器，因为饮料罐上部与下部的颜色是不相同的，根据上部与下部的颜色值的变化能分清是否发生了“倒罐”。由于只要求分拣系统能分辨颜色值的变化，而对饮料罐真正的颜色标定没有具体要求。因此可采用双PN结色敏传感器对饮料罐进行颜色识别。色敏传感器选用了武汉大学半导体工厂生产的CS-1色敏传感器，具体的颜色测量方式有三种：直接式、透射式、反射式,考虑到系统用在马口铁三片罐生产线上，所以使用反射式测量方式。信号采集电路原理图如图1（略）所示。

    图中CS-1色敏传感器中的两个光敏部分PD1和PD2连接在两只运算放大器IC1、IC2的反相输入端，即将运算放大器做电流输入型使用。连接在IC1、IC2的反相输入端与输出端之间的D1和D2两只二极管用作对数变换元件，在工作时它们并不改变PD1和PD2的短路电流的性质，因此有可能在入射功率的宽广范围内稳定地测定光的波长，也即测知物体的颜色或光的颜色。IC3为一差动放大器，用于实现对两个输入电压(即IC1、IC2的输出电压)的减法运算。该信号采集电路的输出电压Vo(λ)与不同颜色的波长之间的关系可用下式表示

    Vo(λ)= Vo[lgISC2(λ)?lgISC1(λ)]R2/ R1

    式中Vo为常数，Isc1、Isc2分别为IC1、IC2输入电流。其中，测色电压Vo(λ)与波长的关系如图2所示，显然，只要测出输出电压Vo(λ)，就可根据输出电压与光的波长的对应值测定其颜色波长。

    系统总体设计

    分拣系统的核心是单片机系统的设计，它的结构如图3（略）所示。

    分拣系统电路由以下几部分组成：

    系统单片机?选用Intel8031，8位单片微型计算机,最小系统由EPROM和地址锁存器组成。EPROM采用2764,所有的检测程序均固化在其中，地址锁存器采用74LS373,它使EPROM与CPU之间地址总线与数据总线分时复用。

    A/D转换??使用7135A/D转换器，精密电压基准源采用MC1403。

    程序存储扩展?主要完成程序的存储和运行。

    通信?实现生产线中的可编程控制器与8031通信的中间媒介功能。

    扩展键盘、显示、输出控制电路?采用8155来扩展I/O接口,并能同时完成显示、编码键盘、输出控制功能。

    软件主要用汇编语言编写而成。由基本测色原理可知，单片机系统主要数据处理内容有线性化处理、光源发光率修正、颜色识别。颜色识别通过列颜色值表，然后，由查表程序查得实际颜色，送显示器显示(提交传送带可编程控制器、驱动气动执行机构)。软件可分为四个模块：

    主程序：主程序流程图如图4所示。程序开始对系统进行初始化，开中断后，由于采样为高级中断，所以先判断A/D转换结束与否，然后进行颜色识别的主要数据处理，即线性化处理，光源发光率修正，所得颜色数字量进入查表程序，最后将颜色值送显示或键盘处理程序。

    中断处理程序：包括采样程序和键处理程序。

    处理程序：包括线性化处理、光源发光率修正值查取、颜色值的判断与控制信号输出。

    附加程序：包括键处理程序，显示程序。

    结语

    现代化工业生产由于应用场合越来越多、越来越复杂，所以对更精密、更可靠的传感器的需求也越来越大，其中颜色检测和颜色变化的识别等就是其中比较复杂的应用之一。我们提出的解决方案采用8031单片机为主设计，硬件电路结构简单、软件设计灵活、速度快，电路设计采用了防震、屏蔽、合理布线等措施，经仿真调试证明系统硬、软件设计合理，运行稳定可靠。在应用方面，该系统除用在饮料包装行业(马口铁三片罐生产线)中检测“倒罐”外，其它如化妆品装瓶包装生产线、食品包装膜切割包装生产线等都可直接使用该系统。

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