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彩色传感电路


这个项目, 颜色感应电路 from 1993年,显示如何为任何系统添加颜色感测能力。

该设计使用三组彩色LED来照亮目标,每个LED接通特定时间段。然后,感测电路决定将LED颜色中的大部分反射回来,从而给出反射的光量的读出。

由于使用红色,绿色和蓝色LED,因此可以确定反射表面的RGB含量。



彩色传感电路的执行摘要

用于光电感测物体的颜色的系统包括两个或更多个光源,其具有不同的色度特性范围和一个主光敏元件,在其反射目标物体和接收的次级光敏元件之后,从光源接收光的光源在反射目标之前从光源的光。

分频器元件通过次级光敏元件的输出划分主光敏元件的输出,以自动对准代表对象的颜色的信号以进行光源的光功率输出的变化。在替代实施例中,二次光敏接收器的输出用作闭环反馈信号以调节光源的光功率输出。

彩色传感电路的背景

在现有技术的颜色识别装置中,使用诸如发光二极管的三个电子透光器,用于照射通过在预定窄带范围内发射光脉冲的光脉冲来测量其颜色的物体。通过光纤电缆或其他类型的光学耦合装置从透光器或其他类型的光学耦合装置携带,用于将由多个发光二极管产生的光携带到其颜色的物体的光脉冲。

发射机控制装置耦合到建立至少一个控制循环的电子灯发射器,在此期间,所述光脉冲成功地照射在检查中的对象的颜色表面以进行短暂的时间。然后,电子光接收器响应于每个光脉冲的到达,接收从着色表面反射的光,并将它们转换成具有对应于反射光的强度的电信号。

耦合到电子光接收器的评估装置,然后基于在控制周期的过程中到达的所接收的各个电信号的强度进行颜色确定。

由于发光二极管或其他类型的透光器通常在根据环境温度输出中变化,因此至少一个温度传感器用于向发送控制装置和评估装置提供关于环境温度的温度数据和传输的评估装置在控制周期的过程中,控制装置提供电流脉冲,该电子透光器根据与涉及透光器的透光器的温度依赖性发射曲线有关的表单和存储的数据单独确定在成功照射着彩色表面的输出中,具有预定强度的光脉冲。

评估装置还基于温度数据和与光接收器的温度依赖性转换曲线有关的温度数据和存储的数据来补偿接收的各个信号。然后通过比较具有用于颜色识别确定的存储值的接收的单独电信号来进行最终的颜色识别确定。

这种方法的局限之一是光发射器的光功率输出的准确性取决于它们的输出与环境温度相对于预定并编程到电子控制系统中的预测性。导致测量不准确的另一个限制是由于构成电子控制电路的电子元件的漂移以及发光二极管本身的特性漂移。

彩色传感电路概述

根据设计的原理,通过提供包括至少三个电子光源的颜色传感器系统来实现对象的颜色识别,例如发光二极管(LED),其在预定的窄带范围内发出光脉冲使用控制装置的波长通常是耦合到电子透光器的微处理器,用于建立至少一个控制循环,在此期间,光脉冲连续地照亮在检查的对象的颜色表面以进行短暂的时间。

根据本设计,从光源发射的光被携带到要使用光纤束测量的颜色的物体。根据本设计的一个实施例,光纤束的一部分被分开并向朝向辅助接收器射回,辅助接收器测量从分离光纤电缆的光输出的光,然后使用该信号来调节透光器的输出。和/或对光源的输出漂移进行校正,在从要测量颜色的反射光水平的计算中,以及使用自动源信号以防止光源截止时的电子饱和度。

在本设计的另一个实施例中,次级光接收器设置在包含透光器的灯箱内,其中测量了发光二极管背面的光输出电源,并用于调节发光的发射器控制装置发射二极管和/或在从测量颜色的物体中进行测量的反射光进行调整,以解释透光器的光输出的变化。

以这种方式,对从透光器输出的光功率的变化进行调整,而不参考温度数据的校准表和与诸如发光二极管的透光器装置的温度依赖性发射曲线有关的存储数据。

使用本发明的设计没有对接收器的温度灵敏度进行调整,因此必须使用其他方法来考虑这些变型,例如使用与光的温度依赖性转换曲线有关的温度数据和存储的数据。接收者。

本设计的一个提供是使用次级光接收器调节多个LED器件的光输出电平。

本设计的另一个提供是调节多个LED设备的光输出功率,其中LED光输出被发送到使用光纤束的颜色测量的对象,其中一部分光纤束被分割并返回到光控制装置,用于光输出调节。

本设计的另一个目的是调节其光输出被传输到其颜色的对象的多个发光二极管的光输出,其中光纤束的一部分分离并导向朝向控制装置朝向来自分离光纤束的光被引导朝向次级光接收器。

本设计中的另一个目的是提供高带宽电子方法,以解释通过使用二次接收器测量光发射器的一部分光发射器的光输出的光的变化,其输出信号被电子操纵以用于调节的调节光源或调整其他系统信号电平。

本设计的另一个目的是通过将其与来自次级接收器的输出信号划分为主接收器的输出信号来调整主接收器的输出信号,该输出信号响应从颜色的物体反射之前从光源输出的光功率的一部分将被衡量。

在优选实施例和权利要求的描述中,设计的其他特征和优点将变得显而易见。为了更完整地理解本发明的设计,应当对设计优选实施例和附图进行以下详细描述。


图1:是本发明的示意图,其中二次接收器的输出在数学上操纵和用于划分主接收器的输出用于颜色感测电路




图3是本发明的示意图,示出了用于彩色感测电路的分体式光学电缆



颜色传感电路的描述

无花果。图1通过框图示出了本设计的颜色传感器系统的优选实施例的主要部件。分别示出了红色,绿色和蓝色发光二极管4a,4b和4c,示出了朝向光学装置34的发光5a,5b和5c,其根据本设计是光纤束6(参见图3)。

然后光纤束将光输出5a,5b和5c发送到待测颜色的对象16和辅助接收器14.从发光二极管4a,4b和4c指向的发光二极管4a,4b和4c输出的光的一部分。物体16由光输出11表示,光输出5a,5b和5c的部分被标记为光输出36。

透射光输出11反射从待测量颜色的对象16偏离,并且被引导朝向主接收器44,其输出连接到放大器43,其中放大器43输出然后连接到分频器40.从辅助的输出输出接收器14连接到电子辅助放大器24,电子辅助放大器24,其输出连接到求和结38,其中来自次放大器24的输出被添加到自动佐液信号AZ的高或低幅度。

来自求和结38的输出连接到分频器40.以这种方式,由主接收器44接收的反射光15通过来自光学装置36的光在分隔器40处的幅度调节,使得光的变化通过在任何发光二极管(LED)(LED)中,通过有效地将主接收器44的输出有效地分割主接收器44的输出来自动调整来自发光二极管4a,4b和4c的输出5a,5b和5c。 4a,4b或4c被激励。

然后将测量信号41连接到另一放大器42,其输出被馈送到微处理器46,用于解释和操纵用于控制和/或测量的测量信号41。

为了确定对象16的颜色,LED 4a,4b和4c依次脉冲。示出了发光二极管4a,4b和4c,其中每个波长的预定窄带中的光发射,通常为605nm(琥珀色)的LED 4a,555nm(绿色)的波长,以及470nm(蓝色对于当在闭合LED驱动开关22并通过电流驱动器30供应电流时,该LED 4C发射在那些波长中的光。

从发光二极管4a输出的光。如图4B所示,4C朝向物体16涉及其颜色通过诸如光纤电缆的光学装置34测量和还给辅助接收器14。 LED驱动器开关22由微控制器18控制,微控制器18将信号20输出到LED驱动器开关22,该信号20使用电流分别依次依次开启红色LED,绿色LED和蓝色LED 4A,4B和4C当前驱动器30作为电源。

预期将提供合适的功能和输出指示器以及所有组件的适当电源源。为了简单起见,这里没有详细描述一些上述附带或外围电路元件,理解,本领域普通技术人员和合适的部件可商购获得这种功能。

因此,反射光15可以以与在美国专利下公开的方式类似的方式处理。 No.5,021,645和5,150,174,其公开内容通过引用并入本文。

因此,在主接收器44的输出时序列将依次出现红色,绿色和蓝色脉冲。这些脉冲的幅度确定了对象16的颜色。同时,参考红色,绿色和蓝色脉冲是由二次接收器14直接从LED 4a,4b和4c接收。

因此,红色,绿色和蓝色辅助脉冲36在次放大器​​24和主放大器43的输出中都会出现在那里主放大器43的输出被分割器40划分次级放大器24的输出。因此,如果LED 4a,4b和4c的较高功率输出已经改变,则主放大器43的输出通过其分割自动增加来自二次放大器24的较小级别的信号。

分频器40的输出41由放大器42放大并馈送到微处理器46.如果主接收器和二次接收器是匹配的温度,并且由分频器40取消.drift以减少测量误差。次级光脉冲36可以通过光纤或光管直接,反射,扩散到二次接收器14。

在二次放大器24之后,Autozero信号AZ在求和结38上与来自辅助接收器14的输出信号组合。当LED 4A,4B或4C中的任何一个通电时,自动源信号AZ被微处理器46保持为低电平当所有LED 4a,4b和4c都没有通电时,通过微处理器46保持高。

作为Autozero信号AZ的微处理器46提供的高电平信号,其被添加到次级放大器24的求和结38中的输出,用于防止当LED 4a,4b时从辅助接收器14的低输出,从用作分频器40中的除数,关闭4c。

通过一个非常小的水平来驱动分频器40中的电子元件进入饱和度,这将使LED 4a,4b或4c再次通电时损害系统的性能。

目前设计的颜色测量系统的一个独特方面是对大多数系统的电子特性漂移的补偿'通过在一些信号操作之后通过辅助接收器的输出来划分主接收器的输出的电子元件。

以这种方式,(假设由于温度,年龄等引起的两个接收器的漂移特性近似等同),LED灯功率输出的变化通常通过使用热电偶和外观来占用-UP表在分隔元件中自动补偿。


图2是用于颜色传感电路的本发明的替代实施例的示意图



图2中的草图。图2示出了当前设计的替代实施例,其中输出分频器40不用于操纵最终颜色信号输出,而是基于二次接收器14的输出的反馈电路用于调节LED 4a的光功率输出,4b和4c。

二次接收器14对来自发光二极管4a,4b和4c的光反应,并输出电信号,电信号被馈送到次级放大器24,其输出连接到电平比较器26.级别比较器26将输出与电平相位相位比较二次放大器24到参考电压和电流器28,电流器28可以由微控制器18或来自单独的源28产生,然后对电流驱动器30的电平进行调节,使得从发光二极管4a,4b输出的光输出4C被调整为控制到所需水平,以便颜色测量的准确性,从而用作反馈系统。

当在该连接中对一个或多个发光二极管进行引用时,应该注意的是,虽然根据所用的过程是真的,但是每个发光的光发射器每次发光到预定波长(红色,绿色,蓝色)足以用于颜色确定,可以使用任何数量的发光二极管来满足颜色测定所需的目的。如有必要,可以进一步增加发光二极管的数量和颜色。

LED 4a,4b和4c可以由电源电流驱动器30和LED驱动器开关22驱动,其中LED 4a,4b和4c的操作通过从微控制器18的命令闭合LED驱动器开关22来控制。LED 4A,4B和4C通常以快速方式依次照亮,利用主接收器44及其相关的电路,其相关的电路根据单独的LED 4A,4B和4C中的每一个有效地测量反射光15的幅度。

在美国专利No.5,688中公开了一种使用顺序照射的红色,绿色和蓝色LED来测量物体的颜色。本发明公开了5,021,645和5,150,174以及光检测器的操作,并且包括任何市售的光电检测器,例如从Hamamatsu获得的销型光电二极管作为第723-01部分。

无花果。图3示出了如图3所示的本设计的颜色传感器系统的一部分的替代实施例。 1或图1。 2.它包括一个或多个发光二极管4a,4b和4c,其分别发射光5a,5b和5c,分别在指向各个纤维电缆6a,6b和6c的预定有限特性范围内,然后组合和随机化进入光纤电缆6,其中透射光被传导和发射为发射光11并且朝向待测颜色的物体16。

纤维束6的一部分被分开地分开到分割电缆8中,并向辅助接收器14被引导,使得分离电缆8的输出端12定位成直接朝向辅助接收器14。以这种方式,来自发光二极管4a,4b和4c的大多数输出​​光5a,5b和5c通过随机光纤束6传输到对象16,其中发射光输出5a,5b和5c的一部分作为次级显示光17通过分割电缆8分开光纤束6,其将次级光17引导到辅助接收器14,以用于系统,如图2所示。 1或图1。 2。

光纤束6是随机的,并且可以尺寸大小以进一步平衡LED的光功率输出'S 4A,4B和4C通过使用美国专利No.5,199,408,808中公开的技术最小化光纤束6的总直径。美国专利No.5,229,841,其公开内容通过引用明确结合。


图4是本发明的示意图,其中二次接收器设置在灯箱中,用于调节用于彩色感测电路的多个发光二极管的光输出



现在参考图1。参照图4,示出了本设计的一部分颜色测量系统的示意图,其中灯箱50用于安装连接到这种情况下的光学装置34的发光二极管4a,4b和4c。光纤束6由各个光纤电缆6a,6b和6c形成的光纤束6分别与每个单独的发光二极管4a,4b和4c相关联。

同样,一个或多个发光二极管可用于照射其颜色的物体16,或者可以使用其他照明装置。

辅助接收器14安装在灯箱50内,并接收从每个发光二极管4a,4b和4c的背面发射的光51a,51b和51c,然后在类似的情况下使用辅助接收器14的输出时尚到图2中所示。 1或图1。 2使用反馈技术控制从每个光发射二极管4a,4b和4c的光输出或使用分频器40增加或减小来自主接收器44的信号,该分频器40产生测量信号41,然后通过微处理器用于操纵46生成指示对象16的颜色的信号。


图5是表示彩色感测电路的LED通电和自动电动信号的本发明的时序图



无花果。图5是来自LED驱动器开关22的开关信号的时序图,其开启或关闭每个LED 4a,4b和4c以及自动佐液信号az。清楚地说明的是自动电动信号AZ和任何LED通电信号之间的定时,其中如果所有LED都已关闭,则自动佐液信号AZ切换出高。

这可以防止分频器40,如图2所示。 1从看到除数的非常低的值,它可以将其驱动成饱和度,从而产生长的恢复时间并导致测量不准确。一个"1"用于表示高或通电状态,以及一个"0"用于表示低或不良状态。

当使用LED光源检测物体的颜色时,需要非常敏感的接收器。因此,由于通过发光二极管热噪声等,因此由于环境温度改变而变得敏感。目前的彩色传感器通过LED温度补偿器或温度反馈来解决微处理器的此问题。

本设计取消了所有上述系统错误,除了通过引用从彩色物体接收到从发光二极管发送到辅助接收器的光的光漂移。现在参考以从美国专利下公开的那样从其颜色测量的物体处理反射光的方法。

美国专利号5,021,645。所描述的电路旨在与本文描述的,以使用分隔电路来实现光电颜色传感器,如图2所示。图1或参考电平比较器如图1所示。 2。


图6:是一种信号时序图,将本发明内的各种关系相关联用于颜色传感电路




图7:是本发明的优选实施例的光电颜色传感器的彩色感测电路的示意图

View larger image 这里.


现在参考图1。图6和图6。如图7所示,LED 126,128和130由逻辑电路120顺序驱动,以照亮具有蓝色,绿色和红光的胶囊112,如图所示。来自每种颜色的反射光由光电晶体管144和146(参见图7)检测,分别由运算放大器156和158(并且在运算放大器160中求和)。

电位器162在运算放大器156和158的输出中具有其固定电阻部分,并且连接到运算放大器160的输入的刮水器以在光电晶体管144和146运算放大器160之间平衡灵敏度变化,将结果样本信号输出到微处理器内的AD转换器124 122。

微处理器122分别为红色,蓝色和绿色LED 126,128和130产生定时脉冲,并且与每个脉冲对放大器160的输出进行同步,并将其转换为数字值。每种颜色的这些数字值存储在存储器中,并且可以用几个算法中的任何一个处理以确定被观看的目标的颜色。

一种这样的已知算法或转换关系称为Munsell等式,其通过在圆的中心处的圆形上的圆形上的向量描述精确颜色。或者,可以将红色,绿色和蓝色值与通过在a期间查看引用颜色获得的存储的颜色集进行比较"learn" mode at set-up.


图9:是在本发明的用于颜色传感电路的微处理器中实现的软件的简化流程图



这在功能上在图中描述。 9.对于该模式,第二电位器164连接到微处理器122的第二A-D转换器124通道,微处理器122的通道与在将红色,绿色和蓝色信号与一组存储的参考值进行比较时使用的公差成比例。

如上所述,可以将多于一组颜色参考值存储在例如,依次检查药物胶囊112的两端的颜色。


图8是图8的示意图的LED驱动器部分的示意图。 7对于彩色感测电路



来自微处理器122驱动LED驱动器166的红色,绿色和蓝色脉冲,如图2所示。图8可以通过使用由微处理器122建立的数字控制的增益电路和最终增益级放大器电路192(图7)中的可编程反馈电阻来单独地控制红色,绿色和蓝色LED电流。

当观察白色目标时,将这些被调整为提供放大器160的相等红色,绿色和蓝色脉冲幅度。该调整可以补偿LED之间的光输出与电流的变化以及在光谱范围内的光电晶体管144和146中的变化。

可以将额外的驱动台添加到蓝色LED 128以提供。+ - 。12伏偏置以增强输出。

通过提供由操作跨导放大器168和170组成的环境补偿环,以及电容器172和174,传感器110基本上不敏感到稳态环境光。和电容器172和174。操作跨导放大器168和170仅在由环境补偿使能启用时用作放大器(EAC)信号如图2所示。如图4所示,每当红色,蓝色和绿色LED 126,128和130中没有通电时,这是真的。

否则,放大器168和170的输出是开路电路,该开路不适用于存储在电容器172和174中的电压的放电路径。当放大器168和170通电时,电压存储在抽取电流的电容器172和174上从相应的光电晶体管144和146的底座来补偿光电晶体管144和146中的环境感应光电流。

当放大器168和170没有通电时,电容器172和174足以在信号测量间隔期间保持该电压。图2中的最下信号迹线。图6表示由微处理器122从放大器160接收的结果样品(RS)信号。

图1和图2中所示的组件的平衡。下面列出了图7和图8,可以理解它们仅代表代表设计创造性构思的任何数量变体中的一个。

______________________________________

参考。不。类型值/类型
______________________________________

122微处理器BGHCC11.

126 LED HLMP3750

128 LED LDB5410(西门子)

130 LED HLMP3950

144,146光电晶体管OP805

156,158,160运算放大器34080

168,170运算放大器CA3080

176或门CD4081

178电阻1 kohm

180晶体管2N3904

182电阻

220欧姆

184电位计2 kohm

186电阻100 kohm

188电阻50 kohm

190电阻100 kohm

192电阻20 kohm
______________________________________


图10是用于颜色感测电路的本发明中所用的各种光源的波长/相对输出的图形相关性



参考图1。如图10所示,提出了相对光输出幅度与频率特性导出两个蓝色,两个绿色和一个红色市售的LED,以说明红色,绿色和蓝色类别中的每个二极管具有它们自己的特征有限的色度色度,从而不同于其他人和其集体基本上包括整个可见光光谱。

参考图1。参照图9,示出了微处理器122内的基础逻辑程序。单芯片微处理器122以诸如通过可编程逻辑器件的离散装置难以实现的方式对颜色感测系统110增加智能和多功能性。

微处理器芯片122在彩色传感器110的操作中执行三个一般任务。(1)保持发射和接收光电二极管126,128,130,144和146,(2)提供输入分析和响应的控制收集的传感器数据,(3)它管理本地和远程通信接口。

这些功能主要由软件驱动输入和来自微处理器芯片122的输出。这些功能中的每一个都在下面阐述。

第一传感器控制任务(1)由软件算法提供,该软件算法以适当的顺序结合自动氮频信号的反转,将红色,绿色和蓝色LED 126,130和128开启和关闭。例程也可用于接收输入放大器上的可编程增益控制,从而允许自校准,以便调整到不同反射增益的目标应用。

例程尝试实现所有三个色调的线性但最大增益,而不会使接收放大器驱逐出任何单个色调的饱和度。电路和软件就是提供一种中断机构,其允许基于传感器视场中的目标存在或相对位置触发传感器读数。

可以通过远程编程或由板载DIP开关来实现这种触发机制的启动。这些是由微处理器解释的传感器上的几个按钮。模式按钮是用于将传感器操作从学习颜色模式进行到正常运行操作模式的多用途控制开关。

特别是,在复位中超出模式按钮将在传感器视图中学习颜色,如果设备先前已被配置为多于一种颜色,则另一个推送将导致其学习第二种颜色。学习颜色后,下一个推送将其放在公差设置模式下,然后将其放在正常的运行模式下。

如果在运行模式下按下模式按钮,则设备再次返回到公差集模式。

微计算机(微处理器)芯片122的第二任务(2)用于数据分析。在测量模拟输入并将其转换为数字信息之后,可以基于用户预配置的设置来采用几条路径中的一个分析数据。输入读数可以或可能不平均,所以通过期望的响应速度与噪声信号抑制的响应速度与噪声信号抑制的选择确定。

平均减慢设备的响应时间,但在颜色确定中增加了可重复性。读数可以或可能不会被归一化,即每个单独的色调或LED光反射读数表示为所有三个色调读数的总和的比率。处理绝对而不是色调的归一化电压值的主要结果是,由于传感器到目标距离变化,分析更容易受到反射光强度的变化的影响;这不是归一化时的问题。

然而,如果反射光的强度可以保持相对恒定,则绝对读数将区分相同颜色色调的不同色调,同时使掩模的区别。浸入式开关或远程终端编程也可以选择一种颜色或多色感测。

在当前设计中,颜色分析的输出由两种GO / No-Go控制线组成,提供GO / No-Go信号。一行向传递颜色发出高电平,另一条用于颜色与存储标准的颜色匹配的失败。每条线路都有一个相应的LED指示器,用于演示目的。

当与任何存储的颜色都有匹配时,Go-Signal引脚触发。插入外部传感器可以用作市场输入,以区分在给定时间(作为触发机构的一部分的上述时间被测试的颜色。

第三个任务(3)包含用户界面的元素。简单的界面元素提供诸如重置按钮,其重新启动设备并将其设置为学习颜色模式。第二按钮是模式按钮,如上所述,通过可用模式顺序地进行设备操作。

LED指示器在微处理器的控制下,区分器件操作的状态。这些指标是学习与运行模式,颜色好与坏,学习颜色与公差设置模式,第一个颜色或第二种颜色学习和电源LED。可以以两种方式输入用户定义的设置配置。

可以通过切换位于传感器(本地)上的DIP开关组或通过从(远程)个人计算机或DUMB ASCII终端串联通信来设置操作配置。微电脑芯片编码中提供串行通信软件。

可以在运行模式期间启动串行通信,这将向学习模式返回操作状态。

应当理解,已经参考特定实施例描述了设计,以提供先前描述的特征和优点,并且这种特定实施例易于改进,例如对本领域技术人员显而易见的。例如,设计的优选实施例代表了特定形状目标对象的应用特定设计以及特定的颜色和色调。

此外,反馈电阻器192可以由电位器或可编程电阻器代替,以选择性地调整放大器160的增益。还可以学习和存储任何数量的颜色标准,并且可以平均任何数量的读数。预期可以在不脱离这种设计的精神的情况下改变上述组分值和布置。

因此,前述内容不被解释为限制性的感觉。

应当理解,在不脱离从光源的一部分从光源分开的发明概念,对本领域技术人员来说,对本领域技术人员来说,对本领域技术人员来说是显而易见的。接收器用于调节光源输出或数学地调整颜色输出信号以补偿组件漂移或其他变化。


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