顏色識別傳感器概念

　　顏色識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示教過的參考顏色進行比較來檢測顏色的傳感器，當兩個顏色在一定的誤差范圍內相吻合時，輸出檢測結果。

　　顏色識別傳感器功能

　　1.顏色識別功能

　　2.獨立于工作距離的顏色識別功能

　　3.對振動的物體也能提供可靠的檢測

　　4.白光LED

　　5.動態、遙控示教功能

　　6.觸發輸入

　　7.3色通道，5級閥值

　　8.可使用反光板

　　顏色識別傳感器的工作原理

　　色彩傳感器分為三種不同類型：光到光電流轉換，光到模擬電壓轉換，光到數字轉換。前者通常只代表實際色彩傳感器的輸入部分，因為原始光電流的幅度非常低，總是要求放大，以將光電流轉換成可用的水平。所以，最實用的模擬輸出色彩傳感器至少會有一個跨阻抗放大器，并提供電壓輸出。

　　2.1光到光電流轉換器原理

　　光到光電流轉換器由光電二極管或具有色彩濾波器的光電二極管組成，光電二極管和發光二極管相似，核心也是p-n結，但光電二極管是把光能轉為電能的轉換器。在光電二極管外殼上有一個能讓光照射到光敏區的窗口，光電二極管工作在反向電壓下。無光照時，反向偏置的p-n結中只有微弱的反向漏電流一暗電流通過。當有光子能量大于p-n結半導體材料禁帶寬度的光波照射時，p-n結各區域中的價電子吸收光子能量后，將掙脫束縛而成為自由電子，同時產生一個空穴，這些由光照產生的自由電子和空穴稱為光生載流子。在遠離耗盡層的p區和n區中，因電場強度弱，光生載流子只能作擴散運動，在擴散過程中因復合而消失，不可能形成光電流。而耗盡層中由于電場強度大，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區和p區運動，并到達電極沿外電路運動，形成光電流。方向由光電二極管的負極到正極。將光轉換成光電流。可以使用外部電路，將光電流轉換成成比例的電壓輸出，然后可以通過模擬數字轉換器將電壓轉換成數字格式，輸送到微控制器中。感測色彩的傳統做法是采用把三至四個光電二極管組合在一塊芯片上的結構，而將紅、綠、藍濾色器置于光電二極管的表面（通常將兩個藍濾色器組合在一起以補償硅片對于藍光的低靈敏度）。獨立的跨阻抗放大器將每個光電二極管的輸出饋送到具有8}t2位典型分辨率的A/D轉換器中。

　　所以光到光電流轉換器適合要求響應時間短、定制增益和速度調節及在光線變化條件下工作的應用。

　　2.2光到模擬電壓轉換器原理

　　光到模擬電壓轉換器由搭配色彩濾波器的光電二極管陣列組成，并整合一個跨阻抗放大器。要求使用外部電路，將模擬電壓轉換成數字輸出，然后才能輸送到數字信號處理器。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換電路（通常是跨阻抗放大器）組成，落在每個光電二極管上的光轉換成光電流，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對從超紫色區域直到可視區域的波長作出響應，在光譜接近紅外線的部分，峰值響應區域位于800nm和950nm之間。紅色、綠色和藍色透射色彩濾波器將重塑和優化光電二極管的光譜響應。正確設計的濾波器將對模仿人眼的濾波后的光電二極管陣列提供光譜響應。三個光電二極管中的每個光電二極管的光電流會使用電流到電壓轉換器，轉換成VRout.VCout和VBout。所以光到模擬電壓轉換器適合要求設計周期較短、產品開發周期更快、光線條件和空間利用率設計精良的應用。

　　2.3光到數字電壓轉換器

　　由捂配濾波器的光電二極管陣列、模似數字轉換器及用于通信和靈敏度控制的數字核心組成。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。以進一步處理信號。而不需額外的器件。

　　以RGB色彩傳感器的裝飾照明為實例：

　　1）使用色彩傳感器測量LED亮度隨時間變化情況，提供光學反饋，控制光源的色彩點

　　2）可與色彩控制器技術結合使用，形成閉環色彩管理系統

　　所以這種方法所需的元件數量比分立型光電二極管的要少，由于對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，并且簡化了設計和電路板布局。

　　顏色識別傳感器的應用

　　1、TCS230簡介

　　TCS230是一款可編程彩色光到頻率的轉換器。他把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉換器集成在一個單一的CMOS電路上，同時在單一芯片上集成了紅綠藍（RGB）三種濾光器，是第一個有數字兼容接口的RGB彩色傳感器。TCS230的輸出信號是數字量，可以驅動標準的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。由于輸出的是數字量，并且能夠實現每個彩色信道10位以上的轉換精度，因而不再需要A/D轉換電路，使電路變得簡單。

　　2、TCS230的內部結構與工作原理

　　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個光電二極管。這些二極管共分為四種類型。其中16個光電二極管帶有紅色濾波器；16個光電二極管帶有綠色濾波器；16個光電二極管帶有藍色濾波器；其余16個不帶有任何濾波器，可以透過全部的光信息。

　　（a）TCS230封裝形式

　　（b）TCS230內部結構方框圖

　　這些光電二極管在芯片內是交叉排列的，能夠最大限度地減少入射光輻射的不均勻性，從而增加顏色識別的精確度；另一方面，相同顏色的16個光電二極管是并聯連接的，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，通過兩個可編程的引腳來動態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可編程引腳來選擇100%、20%或2%的輸出比例因子，或電源關斷模式。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠適應不同的測量范圍，提高了它的適應能力。例如，當使用低速的頻率計數器時，就可以選擇小的定標值，使TCS230的輸出頻率和計數器相匹配。

　　3、基于TCS230的顏色識別模塊

　　基于TCS230的顏色識別模塊如下圖，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。該模組具有三個顏色濾波器，當選擇其中一個顏色濾波器時，它只允許某個特定的原色通過，阻止其他顏色通過，例如：當選擇藍色濾波器時，入射光中只有藍色可以通過，紅色和綠色都阻止，而此時TCS230的脈沖輸出腳會輸出一定頻率的脈沖，由脈沖數就可以得到藍色光的強度；同理，選擇其他濾波器時，就可以得到紅色光和綠色光的光強，通過這三個值，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濾波器的選擇；同時，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，從而得到三原色的成分，分析出物體的顏色。

　　顏色識別傳感器的應用領域

　　隨著現代工業生產向高速化、自動化方向的發展，生產過程中長期以來由人眼起主導作用的顏色識別工作將越來越多地被相應的顏色傳感器所替代。例如：

　　圖書館使用顏色區分文獻進行分類，能夠極大地提高排架管理和統計等工作。

　　在包裝行業，產品包裝利用不同的顏色或裝潢來表示其不同的性質或用途。