基于ＴＣＳ２３０的导线颜色检测及顺序调整控制系统设计 Ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｗｉｒｅ ｃｏｌｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｒｄｅｒ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｔｃｓ２３０ 杨俊茹，郭坤，宋传娟，刘钦冉 ＹＡＮＧ Ｊｕｎ．ｒｕ，ＧＵＯ Ｋｕｎ，ＳＯＮＧ Ｃｈｕａｎ￣ｕａｎ，ＬＩＵ Ｑｉｎ－ｒａｎ （山东科技大学机械电子工程学院，青岛２６６５９０） 摘要：文章设计了一种导线颜色检测及顺序调整控制系统，用于串行接口的自动焊接。利用ＴＣＳ２３０ 颜色传感器的检测作用，采用笛卡尔距离比较法确定待检测导线的颜色信息及其位置信息； 设计了导线顺序的调整方法与系统控制流程；采用Ｃ语言开发了系统控制程序，实现了导线的 颜色检测 愤序调整，解决了串口焊接中导线自动排序的问题。 关键词：ＴＯＳ２３０；颜色检测；顺序调整；控制程序 中圈分类号：ＴＨ３９ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ００９—０１ ３４（２０１５）０４（下）一０００９—０４ Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１ ５．０４（下）．０３ ０引言 此在串口的自动焊接之前，需要将待焊接的无序导线按 颜色传感器的结构主要包括光电二极管与彩色滤 照一定的顺序排列起来，以便于后续焊接。以往的导线 光器。其工作原理是，通过彩色滤光器将所测得的颜 排序往往由人工进行，费时费力，不符合自动化生产的 色分解成红（ｒｅｄ）、绿（ｇｒｅｅｎ）、蓝（ｂｌｕｅ）三种原 需要。针对这一问题，本文设计了一种导线颜色检测及 色，然后通过光电二极管分别检测各色的强度。随着检 顺序调整控制系统，并给出了颜色识别及顺序调整的控 测技术水平的不断提高，基于颜色传感器技术的颜色检 制方法与控制程序，实现了串口焊接中导线的自动化排 测技术以其灵敏度高、响应速度快的优点，在实际生产 序，控制方法简洁，实用性较高。 中得到了广泛应用。李喜鹏等人基于颜色传感器设计的 １整体系统设计 绿色识别系统，用于自动喷药装置，为快速、准确识别 作物进行喷药提供了技术支持…；一种用于石油产品颜 本系统分为两部分，分别为导线的颜色识别与导 色检测的测量系统，不仅可以对成品油样本的颜色进行 线的顺序调整，其中，颜色识别部分采用颜色传感器 识别，还可以根据测量结果初步分析油品的胶质含量 ； ＴＣＳ２３０，将检测到的颜色ＲＧＢ值传输给单片机，并记录 王晴等提出了一种基于颜色传感器的新生儿黄疸检测方 当前颜色所对应的位置信息，经过与预存颜色信息进行一 法，根据ＲＧＢ分量的值确定皮肤颜色，实现了对新生儿 系列的比较计算后，得出每根导线调整所需的运动方向和 黄疸进行连续的检测 】。 运动距离（电机进给步数）；顺序调整部分由步进电机带 ＴＣＳ２３０是美国ＴＡＯＳ公司推出的可编程彩色光到频 动机械手机构根据之前计算结果，按照一定流程进行三维 率的转换器。它把可配置的硅光电二极管与电流频率转 运动，实现对导线的抓取及其顺序调整。系统中导线数量 换器集成在一个单一的ＣＭＯＳ电路上，同时在芯片上还 为１３，预存颜色信息即为这些导线的颜色ＲＧＢ值，如表１ 集成了红、绿、蓝（ＲＧＢ）３种原色的滤光器，是业界 所示。预存颜色信息存放在数组 １【１３】【３］中。 第一个有数字兼容接口的ＲＧＢ彩色传感器。输出为数 系统工作流程如图１所示。 字量，可直接与微处理器连接，不需要外接Ａ／Ｄ转换电 路，使用方便，且分辨率高，响应速度块，有较强的抗 干扰能力，使用范围广泛”】。 在工业生产中，由于各种因素的作用，经常需要 将待加工的工件按照一定要求排列成特定顺序，而由于 自动生产的特点，这些工件的初始顺序往往是杂乱无章 的。这时就涉及到工件的自动排序问题。例如：在焊接 串行接口时，对接头与导线之间的焊接就有一定的顺序 要求，即不同颜色的导线需焊接到不同的接头位置，因 图１系统工作流程图 收稿日期：２０１４－１１－０５ 作者简介：杨俊茹（１９６９一），女，河北乐亭人，教授，博士，研究方向为机械制造及其自动化。 第３７卷第４期２０１５—０４（下） ［ｇｌ ２颜色检测与比较 ＴＣＳ２３０将红、绿、蓝（ＲＧＢ）３种原色的滤光器集 成在单一芯片上，当控制单片机选定某一原色的滤光 器时，它只允许该原色通过，而阻止其他两种原色的通 过。使用时依次选通红色、绿色和蓝色滤光器，得到所 测颜色的三种原色的光强。不同的光强对应不同频率的 输出方波。通过测量输出方波的个数，并进行相应的比 例换算，即可获得该颜色的ＲＧＢ值 。 表１ 系统预存颜色的ＲＧＢ值（十六进制） 序号 颜色 Ｒ Ｇ Ｂ １ 红色 ＦＦ ００ ００ ２ 黄色 ＦＦ ＦＦ １３０ ３ 灰色 ８０ ８０ ８０ ４ 黑色 ００ ００ ００ ５ 白色 ＦＦ ＦＦ ＦＦ ６ 褐色 Ａ５ ２Ａ ２Ａ ７ 橙色 ＦＦ Ａ５ ００ ８ 绿黄色 ＡＤ ＦＦ ２Ｆ ９ 浅蓝色 Ｅ０ ＦＦ ＦＦ １０ 灰蓝色 ７Ａ Ｂ８ ＣＣ １ｌ 藏青色 ００ ００ ８０ １２ 品红色 Ｆ４ ００ Ａ１ １３ 紫色 ８０ ００ ８０ 在本系统中，ＴＣＳ２３０输出（０ＵＴ）直接接入单片 机中，由单片机计数器对输出方波进行计数，进而确定 所检测到的颜色的ＲＧＢ值，并记录每种颜色所对应的 位置，以便进行下一步处理。最终检测出的颜色ＲＧＢ 值赋值给数组变量ｒｇｂ［３】，其ｑ￣ｒｇｂ［０］＝Ｒ，ｒｇｂ［１］＝Ｇ， ｒｇｂｔ２］＝Ｂ，对应的位置信息放在数组ｗｅｉｚｈｉ［１３］中。 采集到颜色的ＲＧＢ之后，经过与预存颜色的ＲＧＢ值 进行比较，即可确定所检测的颜色。考虑检测误差，检 测到的ＲＧＢ值与预存的ＲＧＢ值不可避免的会存在一定出 入，故在比较过程中，采用笛卡尔距离法来比较两种不 同的颜色，这种通过计算两种颜色ＲＧＢ值的笛卡尔距离 来确定导线颜色的方式，计算方便，控制程序简洁，有 很高的实用性。其表达式为 】： ｄ＝√（Ｒ—Ｒ。） ＋（Ｇ—Ｇ。） ＋（Ｂ—Ｂ。） （１） 实际应用中，考虑到式（１）中运算较为复杂，故其 可简化为 】： ｄ：ＩＲ—Ｒ０ｌ＋ＩＧ—Ｇ０ｆ＋ｌＢ—Ｂ０ｌ （２） 其中Ｒ、Ｇ、Ｂ是检测的颜色值，Ｒｎ、Ｇ。、Ｂ。是预 存的颜色值。当计算出的ｄ值小于设定值时，即可认为 所比较的两种颜色为同一颜色。 颜色检测与比较的控制流程如图２所示。 ［１０１ 第３７卷第４期２０１５－０４（下） 图２颜色检测与比较流程图 ３顺序调整方法 在确定导线的颜色及位置信息后，系统即开始对导 线的顺序进行自动调整，调整方法如下：机械手初始位 置为Ｉ＝０，根据表１所列导线排列顺序，需要将红色的导 线调整￣ｌＪＩ＝０的位置上来，根据检测结果，红色的导线 所处的位置为Ｉ＝Ｉ ，则将红色导线从Ｉ。调整Ｎｏ位置，需 要正向移动Ｉ ０个单位的距离。红色导线调整到位后， 机械手前进一个单位距离，来￣ｌＪＩ＝ｌ位置，需要将黄色 的导线调整到Ｉ＝１的位置上来，根据检测结果，黄色的 导线所处的位置为Ｉ＝Ｉ ，则将红色导线从Ｉ 调整到１位 置，需要正向移动Ｉ，．１个单位的距离。若Ｉ，一１＜０，则反向 移动。黄色导线调整到位后，机械手前进一个单位距 离，来￣ｌＪＩ＝２位置……直至最后一个导线调整到位。 根据检测结果及对应的存储在数组ｗｅｉｚｈｉ［１３１中的 位置信息，将ｗｅｉｚｈｉ［１３】与所需要的排列顺序中各颜色 对应的位置信息（顺序排列０，１，２，３，…）相比较，得出调 整每种颜色的导线所需运动的步数ｓｔｅｐ，并判断其运动 方向，进而控制步进电机正传或者反转相应的步数，同 时控制机械手机构依次抓取待调整的各导线，将其运送 到指定位置，实现对导线顺序的调整。具体控制流程如 图３所示。 ｌ Ｉ＝０，Ｊ＝０ Ｉ 进，步数ｓｔｅｐ＝Ｉ Ｊ 暗退，步数ｓｔｅｐ＝Ｊ Ｉ Ｉ Ｉ Ｔ 行抓取、运输、放置动作ｌ 县— … 、 图３顺序调整程序流程图 为了实现将随机排列的导线调整成特定顺序的排 列方式这一功能，即实现图３所示流程图中的“执行抓 取、运输、放置动作”这一步骤，机械手共需三个方 向的运动，以实现待调整的对象沿横向（Ｘ轴）、纵向 （Ｙ轴）及竖直方向（Ｚ轴）的进给运动。三个方向的 运动均由步进电机带动，抓取导线所用的机械手为电磁 铁夹紧机构，其运动流程如图４所示。 竺Ｈ Ｈ鲎 到 匿 嚯圈 图４机械手机构运动流程图 ４系统控制程序开发 本系统中，颜色检测、计算比较及顺序调整均由 ８０Ｃ５２单片机控制，根据图１～图４所示的系统工作流 程，采用ｃ语言开发了系统控制程序，包括主程序与子 程序两部分。在主程序中，所调用的各子程序类型需在 主程序前予以定义。主程序如下： ＃ｉｎｃｌｕｄｅ”ｓｔｄｉｏ．ｈ” ＃ｉｎｃｌｕｄｅ”ｒｅｇ５２．ｈ” ｉ＃ｎｃｌｕｄｅ”ｍａｔｈｈ” ｉｎｔ ｄｅｌａｙ（ｉｎｔ ｔｉｍｅ）； 延时子程序类型 ／ ｉ‘ｎｔ ｙｕｎｄｏｎｇＸ（ｉｎｔ ｓｔｅｐ）；，半Ｘ向电机正转子程序类型 ， ｍ’ｔｙｕｎｄｏｎｇＸｌ（ｉｎｔ ｓｔｅｐ）；／＊Ｘ向电机反转子程序类型 ‘ｍｔ ｊｉａｊｉｎ０； 机械手夹紧子程序类型 ／ ｉｎｔ ｆａｎｇｓｏｎｇ０；，木机械手放松子程序类型：ｌ：／ ‘ｉｎｔ ｙｕｎｄｏｎｇＹ（ｉｎｔ ｓｔｅｐ）；，宰Ｙ向电机正转子程序类型 ， ｌ‘ｎｔ ｙｕｎｄｏｎｇＹｌ（ｉｎｔ ｓｔｅｐ）；／＊ｙ向电机反转子程序类型 ， ｌ‘ｎｔ ｙｕｎｄｏｎｇＺ（ｉｎｔ ｓｔｅｐ）；／＊Ｚ向电机正转子程序类型％／ ｍ‘ｔ ｙｕｎｄｏｎｇＺ１（ｉｎｔ ｓｔｅｐ）；／＊Ｚ向电机反转子程序类型 ｓｂｉｔ ｐ２０＝Ｐ２＾０；／ 单片机位定义 ， ｓｂｉｔｐ２１＝Ｐ２＾ｌ： ｓｂｉｔｐ２２＝Ｐ２＾２； ｓｂｉｔｐ２４＝Ｐ２＾４； ｓｂｉｔｐ２５＝Ｐ２＾５； ｓｂｉｔｐ２６＝Ｐ２＾６； ｓｂｉｔｐ２７＝Ｐ２＾７； ｖｏｉｄ ｍａｉｎ（） ｛ ｘｄａｔａ ｌｏｎｇ ｉｎｔ ｒｇｂｌ［１３］［３］＝｛｛０ｘｆｆ，０ｘ００，０ｘ００｝，｛０ｘｆｆ，０ｘ ｆｆ，０ｘ００｝，｛Ｏｘ８０，０ｘ８０，０ｘ８０｝，｛ＯｘＯ０，０ｘ００，ＯｘＯ０｝，｛０ｘｆｆ，０ｘｆｆ， ０ｘｆｆ｝，｛Ｏｘａ５，０ｘ２ａ，０ｘ２ａ｝，｛０ｘｆｆ，０ｘａ５，ＯｘＯ０｝，｛０ｘａｄ，０ｘｆｆ， ０ Ｘ ２ ｆ Ｊ，｛０ ｘ ｅ ０，０ ｘ ｆ ｆ，０ ｘ ｆ ｆ｝，｛０ Ｘ ７ ａ， ０ｘｂ８，０ｘｃｃ｝，｛０ｘ００，０ｘ００， Ｏｘ８０｝，｛０ｘｆ４，０ｘ００，０ｘａｌ｝，｛Ｏｘ８０，０ｘ００，０ｘ８０｝】； 预存 颜色信息 ／ ｌｏｎｇ ｉｎｔ ｒｇｂ［３］； ，木定义检测到的颜色ＲＧＢ值存放 数组 ， ｉｎｔ ｗｅｉｚｈｉ［１３］； 定义各颜色导线对应的初始位 置信息 ／ ｉｎｔ Ｉ，ｊ，ｍ；，芈定义整型变量Ｉ，ｊ，ｍ￥， ｌｏｎｇ ｉｎｔ ｄ＝０，ｄＯ，ｃ；，木定义笛卡尔距离ｄ，变量 ｄ０及颜色检测的精确度ｃ＊／ ｉｎｔ Ｉ，Ｊ，ｓｔｅｐ； 定义整型变量Ｉ，Ｊ，ｓｔｅｐ ／ ，冰…”导线颜色及位置信息确定… ／ ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜１３；ｉ＋＋），半颜色检测循环 ， ｆ ｆｏｒ（ｊ＝Ｏ；ｊ＜１３；ｊ＋＋） 颜色比较循环 ／ ｛ ｆｏｒ（ｍ＝０；ｒｎ＜３；ｍ＋＋），木计算笛卡尔距离 ／ ｛ ｄ０＝ｒｇｂ［ｍ］－ｒｇｂｌ［ｊ］［ｍ］： ｄ＝ｄ＋ｆａｂｓ（ｄ０）； ｝ ｉｆ（ｄ＜ｃ） ｂｒｅａｋ；，术判断计算值在精度范围之内，则确定 所比较的两种颜色为同一种颜色 ／ ） ｗｅｉｚｈｉ［ｉ］＝ｊ ； 确定该颜色的位置信息 ／ ｙｕｎｄｏｎｇＸ（１）； 电机前进一步，对下一导线进 行检测｝／ ｄｅｌａｙ（４）； 延时，用于颜色检测及比较 ／ ） ｙｕｎｄｏｎｇＸｌ（１３）； 检测完毕，电机反转，控制检 测装置返回初始位置 ／ ｝ …开始进行顺序调整… ， ｆ０ｒ（Ｉ：０；Ｉ＜ｌ３；Ｉ＋＋） ｛ ｆｏｒ（Ｊ＝０；Ｊ＜１３；Ｊ＋＋） 位置信息循环检测 ／ ｛ ｉｆ（ｗｅｉｚｈｉ［Ｊ］＝＝Ｉ），半调整前后的位置信息比较 ／ ｂｒｅａｋ； ｝ ｉｆ（Ｉ＜Ｊ） 电机转向确定 ／ ｛ｓｔｅｐ＝Ｊ—Ｉ；，冰计算电机转动步数 ／ ｙｕｎｄｏｎｇＸ（ｓｔｅｐ）；， ｘ向正向运动 ／ ｙｕｎｄｏｎｇＺ（３０）； ｚ向正向运动％／ 第３７卷第４期２０１５－０４（下） １１１１ ｊｉａｊｉｎ（）；，术夹紧 ／ ｙｕｎｄｏｎｇＺ１（３０）； ｚ向反向运动 ， ｙｕｎｄｏｎｇＸ１（ｓｔｅｐ）；／ ｘ向反向运动 ／ ｙｕｎｄｏｎｇＹ（３０）； Ｙ向正向运动 ／ ｆａｎｇｓｏｎｇ０； 放松 ／ ｙｕｎｄｏｎｇＹｌ（３０）；，芈Ｙ向反向运动 ／ ） ｅｌｓｅ ｆ ｓｔｅｐ＝Ｉ－Ｊ； ｙｕｎｄｏｎｇＸ１（ｓｔｅｐ）； ｙｕｎｄｏｎｇＺ（３０）； ｊｉａｊｉｎ０； ｙｕｎｄｏｎｇＺｌ（３０）； ｙｕｎｄｏｎｇＸ（ｓｔｅｐ）； ｙｕｎｄｏｎｇＹ（３０）； ｆａｎｇｓｏｎｇ０； ｙｕｎｄｏｎｇＹｌ（３０）； ｝ ｝ ｙｕｎｄｏｎｇＸ１（１２）； 调整完毕，系统复位 ／ ｝ ｅｎｄ； 子程序共有９个，分别为ｘ、Ｙ、ＺＺ个方向的电机 正、反转，机械手夹紧、放松以及延时子程序。子程序 如下： ｉｎｔ ｙｕｎｄｏｎｇＸ（ｉｎｔ ｓｔｅｐ） ｘ向电机正转子程序 ／ ｛ ｉｎｔ ａ； ｐ２０＝０： ｆｏｒ（ａ＝ｓｔｅｐ；ａ＞０；ａ一） ｛ ｐ２０＝１： ｄｅｌａｙ（２）； ｐ２０＝０： ｄｅｌａｙ（２）； ） ｒｅｔｕｒｎ； ｝ ｉｎｔ ｊｉａｊｉｎ（），木机械手机构夹紧导线子程序 ， ｛ ｐ２２＝１； ｒｅｔｕｒｎ； ｝ ｉｎｔ ｆａｎｇｓｏｎｇ０／＊机械手机构放松导线子程序 ／ １１２１ 第３７卷第４期２０１５—０４（下） ｛ ｐ２２＝０； ｒｅｔｕｒｎ； ｝ ｉｎｔ ｄｅｌａｙ（ｉｎｔ ｔｉｍｅ） 延时子程序 ／ ｛ ｉｎｔｉ，Ｊ； ｆｏｒ（ｉ＝ｌ；ｉ＜＝ｔｉｍｅ；ｉ＋＋） ｛ ｆｂｒ（ｊ＝ｌ Ｉｊ＜＝２４０Ｉｊ＋＋） ｛ ） Ｊ ｒｅｔｕｒｎ； ｝ 其中，电机转动程序只给出了ｘ正向转动子程序， 其他５个方向的转动程序与之类似，只是输出接口不 同，此处不再一一列举。 ５结论 由于ＴＣＳ２３０输出为数字量，可以接入单片机，故 基于ＴＣＳ２３０的颜色检测系统的连接电路都相对比较简 单，且控制方便。本文利用ＴＣＳ２３０的检测作用，设计 了导线颜色检测及顺序调整控制系统，采用笛卡尔距离 比较法确定待检测导线的颜色ＲＧＢ值，并记录相应的位 置信息；根据检测结果，对导线的顺序进行自动调整， 设计了导线顺序的调整方法与系统的工作流程图；采用 Ｃ语言开发了系统控制程序。这种基于颜色识别的导线 顺序调整控制系统，实现了串口自动焊接时导线顺序的 自动调整，经相应改动后也适用于其他工业生产中相关 工件位置的自动调整，具有较高的实用价值。 参考文献： ［１】李喜朋，姚传安，李明刚，等．基于颜色传感器的绿色识别系统设 计【Ｊ１．安徽农业科学，２００９，３７（２７）：１３１３６—１３１３８，１３１４１． ［２】段志伟，高丙坤，宋金波．基于ＲＧＢ颜色传感器晌油品颜色检测 系统设计…．化工自动化及仪表，２０１３，４０（８）：９８２．９８５． ［３】王晴，尹志勇．基于颜色传感器ＴＣＳ２３０的新型经皮测疸仪的设 计［Ｊ】．传感器与微系统，２００８，２７（９）：１００—１０２． 【４】胡建民．颜色传感器ＴＣＳ２３０及颜色识别电路【Ｊ１．单片机与嵌入 式系统应用，２００６，５３（４）：４０．４１，５３． 【５】卢川英，于浩成 敬辉，等．基于ＴＣＳ２３０传感器的颜色检测系统 ［ＪＪ．吉林大学学报：信息科学版，２００８，２６（６）：６２１—６２５． 【６】郑锋，王巧艺，等．５１单片机应用系统典型模块开发大全（修订版） 【Ｍ】．北京：中国铁道出版社，２０１３． ［７】刘志海．Ｃ程序设计【Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００８．