基于TCS230的颜色法测温系统设计

赵光艺，汤代斌，赵光兴

（1.安徽机电职业技术学院，安徽 芜湖 241000；2.安徽工业大学 电气信息学院，安徽 马鞍山243002）

物体在高温状态会发出可见光，这种可见光可通过颜色传感器记录下来.根据描述物体辐射的Planck定律，物体辐射的光谱成分与物体的温度存在非线性关系,而物体的光谱分布在可见光范围即表现为颜色，可见彩色光的色彩与物体的温度有着直接的关联[1～2]，因此可以把高温物体的颜色作为一种测温依据.由于物体颜色的某些信息是不随外界环境改变的,则根据高温物体的颜色来测量温度的方法还可以克服辐射测温受环境影响大的缺点.本文设计了一种基于数字式颜色传感器和低功耗单片机的颜色法测温系统，并简要地介绍了系统硬软件的设计方法.最后，对测温系统进行实验并给出了测试的结果.

1 温度测量原理

TCS230是TAOS(Texas Advanced Optoelectronic Solutions)公司于最新推出的可编程RGB彩色光/频率转换器[3].当入射光投射到TCS230上时，通过两个引脚S2、S3的不同组合，依次选通R、G、B三种滤波器，从而得到三种不同频率的方波，三个频率值对应RGB三基色的三个光强.通过这三个值，就可以分析投射到TCS230传感器上光的颜色.根据彩色三基色测温原理[4]，在一定的测试距离和光学系统中，若高温体的辐射能谱为ET（λ），则R,G,B三个通道是输出为：

式中：ελ为单色辐射率；T为绝对温度；λ为波长；c1和c2为物理常数.式（2）说明，高温体因自身辐射所表现出来的色彩，取决于物体的辐射光谱，通过TCS230测量辐射体的三基色信号RGB值，求解上述方程组，可以计算出物体的温度值.

2 系统硬件结构设计

系统数据采集装置的核心是MSP430单片机，设计的系统硬件如图1所示.颜色数据的采集、处理与传输是本系统的核心，由高精度数字颜色传感器TCS230、MSP430系列的单片机、RS232电平转换器MAX232和电源部分组成.单片机与上位机之间是通过RS232总线来传递数据.

图1 系统总体结构图

2.1 单片机的硬件实现

选用美国TI公司的MSP430系列的单片机作为颜色测量电路的核心处理器.MSP430系列单片机是一种16位超低功耗的混合信号处理器，采用了精简指令集（RISC）结构，电源电压采用的是1.8-3.6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅为0.1A，活动模式耗电250A/MIPS[5].MSP430系列的单片机种类繁多，在保证系统要求的前提下，考虑成本因素，选用MSP430系列中的MSP430F1121A型号单片机，3.6V电池供电，主频为8M.

2.2 集成颜色传感器的硬件实现

集成颜色传感器采用的是TAOS公司最新推出的可编程颜色传感器TCS230.它把硅光电二极管阵列与电流频率转换器集成在单一的CMOS电路上，其输出频率和光强度成线性关系.

TCS230在单一芯片上集成了红、绿、蓝三种颜色滤波器.当入射光投射到TCS230上时，通过两个引脚S2、S3的不同组合，可依次选通R、G、B三种滤波器，从而获得三种不同频率的方波，三个频率值分别对应RGB三基色的三个光强.通过这三个值，就可以分析投射到TCS230传感器上光的颜色.

TCS230与以前的颜色传感器相比具有许多优良的新特性，比如其将信号采集、放大、A/D接口集于一身，故可直接微处理器.由于TCS230不再经过A/D转换电路直接与单片机相连，这样大大减少了检测电路，使成本降低同时，还免去由于A/D转换而引起的测量误差.

2.3 通讯部分的硬件实现

单片机采用RS-232与PC机之间进行通讯.RS-232C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行通信接口标准.RS232链路可以将通讯双方在15米以内有效连接.RS-232C总线标准规定了21个信号和25个引脚，包括一个主通道和一个辅助通道.完整的RS-232C接口采用标准的25芯插头，对于一般的双工通信，常用9芯插头，只需几条信号线就能实现，最简单的通讯方式仅需3条信号引线，分别为接收线(RXD)、发送线(TXD)和地线(GND).单片机应用系统中一般采用三线连接方式[6].

PC串行口采用的EIA-RS-232C标准的电平和逻辑关系与单片机的TTL电平和逻辑关系是不同的，并且互不兼容，因此RS-232与TTL电路接口时需进行电平转换.MAX232是MAXIM公司的一种RS232接口芯片，用其可实现TTL和RS232种电平之间的转换，采用单电源供电，电压范围为+3.0～+5.5V，额定电流为300μA，外部电路简单，只需4个0.1μF的电容就能达到120KBPS的数据传输速率，是单片机应用系统中最常用的RS-232电平转换芯片.

3 系统的软件设计

本系统的软件采用适用于MSP430系列的C语言编写，选用的开发环境是IAR公司专为MSP430系列提供的开发调试环境-IAR Embedded Workbench及调试器C-SPY[7].

从图2可以看出，电路上电或系统复位后，MSP430芯片首先对系统进行初始化，包括时钟、通用I/O口设置、外部中断设置、通信接口设置以及定时器初始化等.接着对颜色传感器进行初始化，然后进入低功耗模式等待中断信号.当接收到中断信号时，单片机就进入中断模式，进行相应的操作，一旦中断处理完成后，就立即回到低功耗模式，以便进行下一次的处理.

主程序及信号采集中断程序流程图如图2所示.

图2 主程序及采集信号中断子程序

4 实验结果及分析

为了验证测温系统的精度，用本测温装置和光学高温计对自制的温度可控电炉同一部位进行测温，并将两种测量结果进行比较.表1列出了不同的温度状态下的两种测量结果.比较两组数据，最大相差52.9K，最大相对误差为3.29%,优于一般工业精度5%要求[1].可见本文的基于TCS230设计的测温系统具有较高测量精度.

表1 两种测量结果比较

5 结束语

本测温系统以低功耗16位单片机MSP430F1121A为控制核心，使用新型颜色传感器TCS230采集颜色信号.MSP430F1121A丰富的片上资源及TCS230数字量输出特点使整个硬件电路得到大大的简化.实验结果表明，该系统简单可行，精度较高，在工程上具有一定的应用情景.

〔1〕李宏光，吴宝宁，施浣芳，等.几种颜色测量方法的比较[J].应用光学，2005，26（3）：60-63.

〔2〕袁野，仲崇权，等.基于神经网络的图像颜色测温方法[J].红外与激光工程，2003，32（5）：527-530.

〔3〕张松灿，肖本贤.高分辩率颜色传感器TCS230的原理和应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2005（3）：44-46.

〔4〕程晓舫，周洲.彩色三基色温度测量原理的研究[J].中国科学[E 辑]，1997（4）：342-345.

〔5〕沈建华,杨艳琴,翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

〔6〕王英杰，林怡青，彭美春，聂一彪.基于 VC++6.0的 PC机和单片机串口通信[J].电脑应用技术，2006（67）：36～40.

〔7〕秦龙.MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2006.