顏色識(shí)別傳感器概念
顏色識(shí)別傳感器又稱色彩傳感器或顏色傳感器，它是將物體顏色同前面已經(jīng)示教過的參考顏色進(jìn)行比較來檢測顏色的傳感器，當(dāng)兩個(gè)顏色在一定的誤差范圍內(nèi)相吻合時(shí)，輸出檢測結(jié)果。
顏色識(shí)別傳感器功能
1.顏色識(shí)別功能
2.獨(dú)立于工作距離的顏色識(shí)別功能
3.對(duì)振動(dòng)的物體也能提供可靠的檢測
4.白光LED
5.動(dòng)態(tài)、遙控示教功能
6.觸發(fā)輸入
7.3色通道，5級(jí)閥值
8.可使用反光板
顏色識(shí)別傳感器的工作原理
色彩傳感器分為三種不同類型：光到光電流轉(zhuǎn)換，光到模擬電壓轉(zhuǎn)換，光到數(shù)字轉(zhuǎn)換。前者通常只代表實(shí)際色彩傳感器的輸入部分，因?yàn)樵脊怆娏鞯姆确浅５?，總是要求放大，以將光電流轉(zhuǎn)換成可用的水平。所以，最實(shí)用的模擬輸出色彩傳感器至少會(huì)有一個(gè)跨阻抗放大器，并提供電壓輸出。
2.1光到光電流轉(zhuǎn)換器原理
光到光電流轉(zhuǎn)換器由光電二極管或具有色彩濾波器的光電二極管組成，光電二極管和發(fā)光二極管相似，核心也是p-n結(jié)，但光電二極管是把光能轉(zhuǎn)為電能的轉(zhuǎn)換器。在光電二極管外殼上有一個(gè)能讓光照射到光敏區(qū)的窗口，光電二極管工作在反向電壓下。無光照時(shí)，反向偏置的p-n結(jié)中只有微弱的反向漏電流一暗電流通過。當(dāng)有光子能量大于p-n結(jié)半導(dǎo)體材料禁帶寬度的光波照射時(shí)，p-n結(jié)各區(qū)域中的價(jià)電子吸收光子能量后，將掙脫束縛而成為自由電子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴，這些由光照產(chǎn)生的自由電子和空穴稱為光生載流子。在遠(yuǎn)離耗盡層的p區(qū)和n區(qū)中，因電場強(qiáng)度弱，光生載流子只能作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，在擴(kuò)散過程中因復(fù)合而消失，不可能形成光電流。而耗盡層中由于電場強(qiáng)度大，光生自由電子和空穴將在電場力作用下以很大速度分別向n區(qū)和p區(qū)運(yùn)動(dòng)，并到達(dá)電極沿外電路運(yùn)動(dòng)，形成光電流。方向由光電二極管的負(fù)極到正極。將光轉(zhuǎn)換成光電流?？梢允褂猛獠侩娐?，將光電流轉(zhuǎn)換成成比例的電壓輸出，然后可以通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，輸送到微控制器中。感測色彩的傳統(tǒng)做法是采用把三至四個(gè)光電二極管組合在一塊芯片上的結(jié)構(gòu)，而將紅、綠、藍(lán)濾色器置于光電二極管的表面（通常將兩個(gè)藍(lán)濾色器組合在一起以補(bǔ)償硅片對(duì)于藍(lán)光的低靈敏度）。獨(dú)立的跨阻抗放大器將每個(gè)光電二極管的輸出饋送到具有8}t2位典型分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器中。
所以光到光電流轉(zhuǎn)換器適合要求響應(yīng)時(shí)間短、定制增益和速度調(diào)節(jié)及在光線變化條件下工作的應(yīng)用。
2.2光到模擬電壓轉(zhuǎn)換器原理
光到模擬電壓轉(zhuǎn)換器由搭配色彩濾波器的光電二極管陣列組成，并整合一個(gè)跨阻抗放大器。要求使用外部電路，將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出，然后才能輸送到數(shù)字信號(hào)處理器。光到模擬電壓色彩傳感器由色彩濾波器后面的光電二極管陣列與整合的電流到電壓轉(zhuǎn)換電路（通常是跨阻抗放大器）組成，落在每個(gè)光電二極管上的光轉(zhuǎn)換成光電流，其幅度取決于亮度及入射光的波長（由于色彩濾波器）。如果沒有色彩濾波器，典型的硅光電二極管會(huì)對(duì)從超紫色區(qū)域直到可視區(qū)域的波長作出響應(yīng)，在光譜接近紅外線的部分，峰值響應(yīng)區(qū)域位于800nm和950nm之間。紅色、綠色和藍(lán)色透射色彩濾波器將重塑和優(yōu)化光電二極管的光譜響應(yīng)。正確設(shè)計(jì)的濾波器將對(duì)模仿人眼的濾波后的光電二極管陣列提供光譜響應(yīng)。三個(gè)光電二極管中的每個(gè)光電二極管的光電流會(huì)使用電流到電壓轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成VRout.VCout和VBout。所以光到模擬電壓轉(zhuǎn)換器適合要求設(shè)計(jì)周期較短、產(chǎn)品開發(fā)周期更快、光線條件和空間利用率設(shè)計(jì)精良的應(yīng)用。
2.3光到數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換器
由捂配濾波器的光電二極管陣列、模似數(shù)字轉(zhuǎn)換器及用于通信和靈敏度控制的數(shù)字核心組成。輸出允許直接接口微控制器或其它邏輯控制通路，如2線串行接口。以進(jìn)一步處理信號(hào)。而不需額外的器件。
以RGB色彩傳感器的裝飾照明為實(shí)例：
1）使用色彩傳感器測量LED亮度隨時(shí)間變化情況，提供光學(xué)反饋，控制光源的色彩點(diǎn)
2）可與色彩控制器技術(shù)結(jié)合使用，形成閉環(huán)色彩管理系統(tǒng)
所以這種方法所需的元件數(shù)量比分立型光電二極管的要少，由于對(duì)噪聲敏感的模擬電路位于芯片之上，因此壓縮了電路板的占用空間，降低了安裝成本，并且簡化了設(shè)計(jì)和電路板布局。
顏色識(shí)別傳感器的應(yīng)用
1、TCS230簡介
TCS230是一款可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器。他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(gè)單一的CMOS電路上，同時(shí)在單一芯片上集成了紅綠藍(lán)（RGB）三種濾光器，是第一個(gè)有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器。TCS230的輸出信號(hào)是數(shù)字量，可以驅(qū)動(dòng)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(gè)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，使電路變得簡單。
2、TCS230的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理
TCS230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(gè)光電二極管。這些二極管共分為四種類型。其中16個(gè)光電二極管帶有紅色濾波器；16個(gè)光電二極管帶有綠色濾波器；16個(gè)光電二極管帶有藍(lán)色濾波器；其余16個(gè)不帶有任何濾波器，可以透過全部的光信息。
?。╝）TCS230封裝形式
?。╞）TCS230內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖
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(shí)別的精確度；另一方面，相同顏色的16個(gè)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(shí)，通過兩個(gè)可編程的引腳來動(dòng)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(gè)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(shí)，就可以選擇小的定標(biāo)值，使TCS230的輸出頻率和計(jì)數(shù)器相匹配。
3、基于TCS230的顏色識(shí)別模塊
基于TCS230的顏色識(shí)別模塊如下圖，尺寸為72*16*12立方毫米，配置4只大功率白色LED燈，可識(shí)別R，G，B三原色的分量，通過這三原色分量，通過這三原色的混合，可以識(shí)別顏色，工作電壓5V，電流0.12V。輸出引腳可直接與微控制器的I/O口連接。
TCS230模組具有3個(gè)顏色濾波器，有三原色理論可知：各種顏色是由不同比例的三原色混合而成的。該模組具有三個(gè)顏色濾波器，當(dāng)選擇其中一個(gè)顏色濾波器時(shí)，它只允許某個(gè)特定的原色通過，阻止其他顏色通過，例如：當(dāng)選擇藍(lán)色濾波器時(shí)，入射光中只有藍(lán)色可以通過，紅色和綠色都阻止，而此時(shí)TCS230的脈沖輸出腳會(huì)輸出一定頻率的脈沖，由脈沖數(shù)就可以得到藍(lán)色光的強(qiáng)度；同理，選擇其他濾波器時(shí)，就可以得到紅色光和綠色光的光強(qiáng)，通過這三個(gè)值，就可以分析投射到TCS230傳感器上的光的顏色。而顏色濾波器的選擇由模組S2腳和S3腳決定。
因此，將模組S2和S3與控制器的I/O口相連接，就可以方便的控制對(duì)濾波器的選擇；同時(shí)，將模組的脈沖輸出腳與控制器的外部中斷相連接，控制器就可以通過外部中斷的方式獲得模組脈沖輸出數(shù)，從而得到三原色的成分，分析出物體的顏色。
顏色識(shí)別傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域
隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)向高速化、自動(dòng)化方向的發(fā)展，生產(chǎn)過程中長期以來由人眼起主導(dǎo)作用的顏色識(shí)別工作將越來越多地被相應(yīng)的顏色傳感器所替代。例如：
圖書館使用顏色區(qū)分文獻(xiàn)進(jìn)行分類，能夠極大地提高排架管理和統(tǒng)計(jì)等工作。
在包裝行業(yè)，產(chǎn)品包裝利用不同的顏色或裝潢來表示其不同的性質(zhì)或用途。