Что называют датчиком цвета

Роботрек вики

Инструменты пользователя

Инструменты сайта

Содержание

Датчик цвета

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Описание

Датчик цвета позволяет определять цвет поверхности. По сути это два устройства в одном — трехцветный светодиод и датчик освещенности, которые можно использовать по отдельности.

Принцип работы: Датчик цвета имеет два основных компонента -трехцветный (RGB) светодиод, который излучает красный, синий и зеленый свет, а также светочувствительный датчик (фоторезистор), который определяет интенсивность падающего на него света.

Белый свет состоит из всех цветов радуги. Когда свет падает на поверхность, некоторые цвета поглощаются, а некоторые отражаются. Отраженные цвета – это цвета воспринимаемого нами объекта. Для измерения и определения количества цвета с помощью электронной схемы, вам необходимо измерить интенсивность различных длин волн света, отраженного от поверхности. Самый простой способ сделать это – осветить поверхность разными цветами и измерить, какой из цветов поверхность отражает лучше. Измеряя отраженный свет для каждого цвета можно вычислить цвет объекта.

Для улучшения результатов измерений следуйте следующим советам:

Подключение

Датчик использует два стандартных 3-пиновых разъема, однако, подключается не совсем обычно:

Коннектор 1 (без цветового обозначения) подключается в любой из портов IN контроллера «Трекдуино», сигнальный провод этой шины подключен к фоторезистору, поэтому, подключив только эту шину, вы сможете использовать датчик как датчик освещенности.

Коннектор 2 (с цветовой маркировкой) служит для управления трехцветным светодиодом. Каждый из проводов подключен напрямую соответствующему каналу светодиода. Наклейка с цветовой маркировкой на коннекторе указывает, к какому из каналов соответствует каждый из проводов. Подключается в любые три порта OUT и в любые порты IN контроллера «Трекдуино». Подключается горизонтально в верхнюю (сигнальную, «S») линию контактов.. Для того, чтобы использовать только RGB-светодиод, коннектор №1 все равно придется подключить, т.к. земляной провод (GND) общий для светодиода и фоторезистора.

Программирование

Блоки, необходимые для работы с датчиком цвета, расположены в группе блоков «Датчики».

Каждый раз при перезагрузке программы, использующей датчик цвета, в момент выполнения блока Настройка датчика цвета будет производится калибровка датчика под текущие условия освещения. Процедура калибровки выполняется следующим образом:

Для удобной работы с датчиком, сделайте 2 карточки 5х8 см. черного и белого цвета.

Выполняется привязка датчика к конкретным портам и процедура калибровки.

Аргументы:
Красный светодиод (int Rpin) — порт, к которому подключен красный канал RGB-светодиода
Синий светодиод (int Bpin) — порт, к которому подключен синий канал RGB-светодиода
Зеленый светодиод (int Gpin) — порт, к которому подключен зеленый канал RGB-светодиода
датчик (int Spin) — порт, к которому подключен немаркированный провод датчика освещенности.

Выполняет сканирование поверхности и возвращает условный номер определенного цвета:

Источник

Датчик Цвета LEGO® Mindstorms® EV3

датчик цвета

Датчик цвета — это цифровой датчик, который может определять цвет или яркость света, поступающего в небольшое окошко на лицевой стороне датчика . Этот датчик может работать в трех разных режимах: в режиме «Цвет», в режиме «Яркость отраженного света» и в режиме «Яркость внешнего освещения» .

В режиме «цвет» датчик цвета распознает семь цветов: черный, синий , зеленый , желтый , красный , белый и коричневый , а также отсутствие цвета . Эта способность различать цвета означает, что ваш робот может быть запрограммирован таким образом, чтобы он сортировал цветные мячи или кубики, произносил названия обнаруженных им цветов или прекращал действие, увидев красный цвет.

В режиме «яркость отраженного света» датчик цвета определяет яркость света, отраженного света светодиода датчика излучающего красный свет . Датчик использует шкалу от 0 (очень темный) до 100 (очень светлый) . Это означает, что ваш робот может быть запрограммирован таким образом, чтобы он двигался по белой поверхности до тех пор, пока не будет обнаружена черная линия, или чтобы он интерпретировал идентификационную карточку с цветовым кодом.

В режиме«яркость внешнего освещения» датчик цвета определяет силу света, входящего в окошко из окружающей среды, например солнечного света или луча фонарика . Датчик использует шкалу от 0 (очень темный) до 100 (очень светлый) . Это означает, что ваш робот может быть запрограммирован таким образом, чтобы он подавал сигнал утром, когда восходит солнце, или чтобы он прекращал действие, если свет гаснет .

Режим «яркость отраженного света»

Источник

Режим «Цвет»

В режиме «Цвет» датчик цвета достаточно точно умеет определять семь базовых цветов предметов, находящихся от него на расстоянии примерно в 1 см. Это следующие цвета: «черный«=1, «синий«=2, «зеленый«=3, «желтый»=4, «красный«=5, «белый»=6 и «коричневый«=7. Если предмет удален от датчика или некорректно определяется цвет предмета — датчик информирует об этом состоянием «Без цвета«=0.

Давайте, не затягивая, перейдем к практическому занятию!

Задача №9: необходимо написать программу, называющую цвета предметов, подносимых к датчику цвета.

Если вы собирали своего тренировочного робота по инструкции этого курса, то у вас датчик цвета уже размещен внутри робота и направлен вниз. Потребуется приложить некоторые усилия, может быть даже слегка разобрать-собрать нашу конструкцию, чтобы подключить кабелем датчик цвета, например к порту «2» модуля EV3. Для отладки программы нам также понадобится несколько цветных предметов: это могут быть кирпичики конструктора Lego, полоски цветной бумаги или цветные кубики. Для лучшего результата следует взять цвета, максимально приближенные к основным, но датчик довольно неплохо справляется с распознаванием подходящих оттенков. Чтобы не снимать датчик цвета и не крепить его в другом месте, во время выполнения программы можно держать робота перевернутым вверх колесами.

В решении Задачи №9 нам поможет программный блок «Переключатель» Оранжевой палитры. Этот блок в зависимости от настроек выбирает для выполнения программные блоки, расположенные в одном из своих контейнеров. Рассмотрим настройку этого блока в режиме работы с датчиком цвета.

Создадим новую программу «lesson-5-9«, установим в программе блок «Переключатель«, выберем режим «Датчик цвета» — «Измерение» — «Цвет» (Рис. 3). В отличие от программного блока «Ожидание», программный блок «Переключатель» не ждет, пока наступит определенное событие, а проверяет текущее состояние и выполняет программные блоки, находящиеся в контейнере, сопоставленном текущему состоянию.

Рассмотрим подробнее настройки программного блока «Переключатель»:

• выбранный режим устанавливает изображение датчика цвета в блоке (Рис. 4 поз. 1),
• порт, к которому подключен датчик, отображается в соответствующем поле блока (Рис. 4 поз. 2),
• в настройках каждого программного контейнера выбирается значение, в соответствии с которым будут выполняться программные блоки, вложенные в этот контейнер (Рис. 4 поз. 3),
• один из контейнеров должен быть объявленным «Вариантом по умолчанию» — в случае, если значению, полученному от датчика, не соответствует ни один контейнер, то выполняется контейнер, объявленный «Вариантом по умолчанию» (Рис.4 поз. 4),
• Кнопка «+» добавляет программный контейнер в блоке «Переключатель» (Рис. 4 поз. 5),
• Программный блок «Переключатель» может автоматически растягиваться, чтобы вместить все блоки, помещаемые внутрь. С помощью меток, помеченных красными стрелками, можно самому изменять размеры блока (Рис.4).

Продолжим формирование программного блока «Переключатель»:

• создадим необходимое количество контейнеров, соответствующее количеству цветов для распознавания + вариант «Без цвета»,
• в настройках контейнеров установим распознаваемые цвета,
• вариантом по умолчанию выберем вариант «Без цвета»,
• в каждый контейнер кроме варианта «Без цвета» (этот контейнер останется пустым) поместим программный блок «Звук» зеленой палитры.
• каждому цвету сопоставим соответствующий звуковой файл.

Наш программный блок «Переключатель» значительно увеличился в размерах. Специальная кнопка (Рис. 6 поз. 1) позволяет переключить режим отображения блока на экране на «Вид с вкладками». Изменим размеры блока для комфортного визуального отображения.

Осталось вставить наш настроенный программный блок «Переключатель» внутрь программного блока «Цикл» Оранжевой палитры. Программа готова! Загрузим её в робота и протестируем работу! (Рис. 7)

Добавим в нашу программу движение. Сделаем следующее поле для выполнения задания:

• Возьмем белый лист бумаги формата A4 или A3;
• Нанесем на него последовательно, на равном расстоянии несколько цветных полос. Полосы можно наклеить из цветной бумаги, цветной изоленты или нарисовать и закрасить;
• можете также загрузить подготовленное изображение и распечатать его на цветном принтере;
• Последнюю полосу сделаем черного цвета (Рис. 8).

Задача №10: необходимо написать программу прямолинейного движения робота, называющего цвета полос, над которыми он проезжает. При достижении черной полосы робот проговаривает «Stop» и останавливается.

За основу решения данной задачи возьмем программу, решающую Задачу №9. При решении Задачи №10 нам потребуется прервать выполнение цикла. Этой цели служит программный блок «Прерывание цикла» Оранжевой палитры. С помощью данного блока можно организовать выход из цикла, заданного параметром «Имя прерывания» (Рис. 9 поз. 1).

Решение Задачи №10

1. Внутрь цикла перед программным блоком «Переключатель» добавим программный блок «Рулевое управление», тем самым заставим нашего робота двигаться (Рис. 10 поз. 1). Во время движения робот будет проверять текущее состояние датчика цвета и произносить название цвета. Если полоски будут широкими, а робот будет двигаться медленно, то, возможно, он станет произносить название цвета более одного раза, так как проверка цвета будет происходить неоднократно. Если такое положение дел вас не устроит — увеличьте скорость робота, чтобы он быстрее проезжал цветные полосы.
2. В соответствии с условием задачи нам надо изменить поведение контейнера программного блока «Переключатель» для черного цвета.
3. В программном блоке «Звук» изменим звуковой файл «Black» на «Stop» (Рис. 10 поз. 2).
4. Добавим в контейнер программный блок, выключающий моторы (Рис. 10 поз. 3).
5. Нам требуется прервать выполнение программного блока «Цикл», чтобы завершить выполнение программы. Для этого поместим в контейнер программный блок «Превывание цикла» Оранжевой палитры (Рис. 10 поз. 4). У данного программного блока существует только одна настройка — название прерываемого цикла. В сложной программе со множеством циклов важно правильно устанавливать эту настройку, чтобы остановить выполнение нужного цикла (Рис. 10 поз. 5). В нашей программе за программным блоком «Цикл» отсутствуют другие программные блоки, поэтому программа завершится.

Источник

Определение и измерение цвета на примере датчиков цвета Avago Technologies

Человеческий глаз способен достаточно хорошо различать цвета (научные эксперименты показали, что люди могут различать до 10 миллионов оттенков, но мы просто не имеем достаточно слов для описания названий всех этих цветов), однако разные люди опишут один и тот же цвет иначе. Поэтому в промышленности и других областях человеческой деятельности требуется точное определение цвета и управление им и с помощью автоматических устройств.

Не так давно производителям, использующим оптоэлектронные датчики, было достаточно лишь сведений о яркости излучения. Сейчас требования к таким датчикам растут, поскольку необходима гораздо более точная информация о свете. Диапазон подобных устройств широк: от дорогих лабораторных спектрофотометров до экономичных (RGB — Red, Green, Blue) датчиков цвета, например семейство RGB-преобразователей света в напряжение, производимых Avago Technologies. Столь широкий диапазон типов датчиков стимулировал увеличение областей практического использования измерения цвета. Сегодня датчики цвета применяются для цветовых измерений, контроля и управления цветом в промышленной автоматике, бытовой технике, текстильной промышленности, светодиодной подсветке ЖК-дисплеев и телевизоров, измерения цвета в портативном медицинском оборудовании и диагностической аппаратуре и т. д.

Восприятие цвета

Прежде чем углубиться в теорию и дать описание того, как современные электронные приборы считывают и определяют цвет, полезно понять, как чувствуют и определяют цвет люди. Цвет — это результат взаимодействия между источником света, объектом и наблюдателем. Так, свет, падающий на объект, будет отражен или поглощен в зависимости от характеристик поверхности, коэффициентов отражения и пропускания. Например, красная бумага будет поглощать зеленую и синюю части спектра при отражении красной и поэтому для наблюдателя бумага будет красной. В случае излучения света самим объектом свет достигает человеческого глаза, обрабатывается его рецепторами и интерпретируется нервной системой и мозгом.

Человеческий глаз может обнаруживать спектр электромагнитного излучения приблизительно от 400 (фиолетовый цвет) до 700 нм (красный цвет) и может адаптироваться к изменяющимся вшироких пределах уровням освещенности и насыщенности цвета (отношение «чистый» цвет/белый цвет). Клетки человеческого глаза, способные обрабатывать свет в широком диапазоне уровня освещенности и обеспечивать быструю реакцию на изменение освещенности, называются «палочками» и не имеют способности определять цвет. Клетки, названные «колбочками», обеспечивают определение цвета с высокой разрешающей способностью. Имеются три набора колбочек с максимумом чувствительности в длинах волн, которые человеческий глаз может выделять: красный цвет (580 нм), зеленый (540 нм) и синий (450 нм). Свет с любой другой длиной волны в видимой части спектра будет стимулировать разное количество каждого из этих трех типов клеток с различной степенью, затем информация будет передана зрительным нервом и обработана мозгом.

На рис. 1а показан основной принцип определения цвета человеческим глазом. Имеются несколько типов приборов для измерения цвета, но сегодня чаще всего используют либо колориметрический, либо фотометрический методы измерения. Колориметрический метод предполагает измерение света от объекта с помощью датчика с тремя фильтрами (рис. 1б). Обычно спектральная чувствительность датчика оптимизирована так, чтобы она совпадала со спектральной чувствительностью человеческого глаза. Выходной сигнал дается в координатах цвета X, Y, Z Комиссии CIE (Commission International de I’Eclairage). При фотометрическом методе (рис. 1в) используется множество датчиков, определяющих цвет в большом количестве узких диапазонов. Затем компьютер вычисляет координаты цвета в каждом диапазоне и интегрирует полученные данные. Датчики цвета компании Avago (рис. 1г) — это датчики, использующие колориметрический принцип измерения, они состоят из фотодиодной матрицы, красного, зеленого и синего фильтров.

Теория измерения цвета

Сегодня выпускаются три различных типа датчиков цвета: датчики, преобразующие свет в фототок, датчики, преобразующие свет в аналоговый сигнал, и датчики, преобразующие свет в цифровой сигнал.

Датчик цвета, преобразующий свет в аналоговое напряжение, обычно состоит из матрицы фотодиодов с цветными светофильтрами, интегрированной со схемой преобразования тока в напряжение. Такой RGB-датчик цвета использует колориметрический принцип измерения и состоит из фотодиодной матрицы, красного, зеленого и синего фильтров и трех усилителей с токовым входом, объединенных в одной монолитной КМОП-микросхеме. Без цветного светофильтра обычный кремниевый фотодиод реагирует на длины волн от ближнего ультрафиолета до ближнего ИК-диапазона с областью максимальной чувствительности между 800 и 950 нм. Красный, зеленый и синий цветные фильтры на пропускание формируют и оптимизируют спектральную чувствительность фотодиода. Должным образом разработанные фильтры позволяют получать спектральную чувствительность для отфильтрованной фотодиодной матрицы, подобную чувствительности человеческого глаза. RGB-фильтры разлагают падающий свет на красную, зеленую и синюю составляющие. Фотодиод соответствующего канала цвета превращает их в фототок. Затем три усилителя с токовым входом (по одному для каждой составляющей R, G и B) преобразуют фототок в напряжение. Вместе три аналоговых выхода несут информацию о цвете и силе света. Выходное напряжение на каждом из каналов (R, G, B) линейно увеличивается с ростом интенсивности света. Блок-схема типового датчика цвета от Avago Technologies приведена на рис. 2.

Чаще всего используют один из двух методов измерения и определения цвета: на отражение и на пропускание.

При измерении на отражение датчик цвета определяет и измеряет цвет излучения, отраженного от поверхности или объекта. При этом как источник, так и датчик цвета расположены близко от отражающей поверхности. Свет, излучаемый источником света (лампа накаливания, флуоресцентная лампа, белый светодиод или калиброванный светодиодный модуль RGB) отражается от поверхности, затем определяется и измеряется датчиком цвета. Цвет излучения, отраженного от поверхности, зависит от цвета этой поверхности. Например, белый свет, падающий на красную поверхность, отражается как красный цвет. Отраженный красный свет попадает на датчик цвета, выдающего различные выходные напряжения по трем каналам R,G и B. Интерпретируя эти три напряжения, можно определить свет. Эти три выходных напряжения растут линейно с увеличением интенсивности отраженного света, поэтому такой датчик цвета может также измерять отражающую способность объекта или поверхности (рис. 3).

При измерении на пропускание датчик цвета определяет и измеряет свет непосредственно от источника. Датчик цвета и источник света расположены «лицом к лицу». Фотодиодная линейка со светофильтрами преобразует падающий свет в фототок от соответствующего канала, который затем усиливается и преобразуется в аналоговое напряжение. Интерпретируя эти три напряжения, можно определить цвет. Выходные напряжения, так же как и в случае измерения на отражение, растут линейно с увеличением интенсивности отраженного света, поэтому такой датчик кроме цвета может измерить и полную интенсивность светового потока от источника света (рис. 4).

Измерение цвета на пропускание используется, например, для определения цвета прозрачных сред типа стекла, прозрачного пластика, жидкости или газа. В этом случае свет проходит сквозь прозрачную цветную среду и попадает на датчик цвета (рис. 5).

Три аналоговых напряжения на выходе датчика цвета могут использоваться для контроля в аппаратуре управления. Эти напряжения могут также быть преобразованы в цифровой сигнал, который может анализировать DSP.

Кратко представим методы описания цвета и яркости излучения.

Матричный метод

Этот метод используют, если необходимо определить несколько цветов. Метод основан на матричном уравнении: CIE X, Y, Z представляет собой координаты цвета, RGB представляет собой цифровые значения датчика цвета. Матричные коэффициенты C00, C01, C02, C10, C11, C12, C20, C21 и C22 определяются на основе выходных сигналов эталонного датчика цвета. Как только эти матричные коэффициенты определены, значения X, Y, Z могут быть рассчитаны из RGB значений датчика цвета.

Табличный метод

Этот метод подходит для определения нескольких цветов одновременно. Для начала необходимо определиться, важна ли информация о яркости или нет. Сначала используется информация о яркости для каждого цвета с эталонного датчика, которая получена во время калибровки. Если информация о яркости не имеет значения, то для нахождения отношения между эталонным цветом, полученным во время калибровки, и определяемым цветом используется один отобранный цветной канал — как основание для всех наборов измерения (например, зеленый канал).

Для случая, когда яркость важна:

Для случая, когда яркость не важна:

• (Ru , Gu , Bu) — неизвестные цвета.
• (Rr , Gr , Br) — эталонные цвета.
• для случая, когда яркость не важна, значение для одного канала датчика (например, зеленый канал) используется как знаменатель.

В настоящее время компанией Avago Technologies выпускается несколько датчиков различных типов (таблица), в числе последних — цифровой ADJD-S313-QR999 и аналоговый HDJD-S722-QR999, которые обеспечивают точную и надежную работу при достаточно невысокой цене.

Для аналогового датчика цвета HDJD-S722-QR999 нужен один источник питания напряжением 5 В. Интегральное исполнение и стандартное 5-вольтовое питание гарантируют недорогое и эффективное решение для измерения цвета. Микросхема выпускается в плоском квадратном корпусе QFN для поверхностного монтажа 5‚5‚1 мм с 160 выводами. Данные датчики цвета могут использоваться для цветовых измерений, контроля и управления цветом в промышленной автоматике, бытовой технике, текстильной промышленности, светодиодной подсветке ЖК-дисплеев и телевизоров, измерения цвета в портативном медицинском оборудовании и диагностической аппаратуре, а также в считывающих устройствах.

Цифровой датчик ADJD-S313-QR999 выполнен в 20-выводном корпусе QFN размером 5‚5‚0,75 мм. Датчик имеет RGB-фильтры и фотодиодную матрицу, АЦП и цифровое ядро для связи с микроконтроллером и для регулировки чувствительности. Он может напрямую взаимодействовать с микроконтроллером без каких-либо дополнительных компонентов. Это обеспечивает более простое согласование устройств. Интегрированный АЦП позволяет избавиться и от нежелательных шумов, связанных с предварительной обработкой аналогового сигнала. Встроенные RGB-фильтры разработаны на основе матрицы фотодиодов с равномерным распределением элементов. Однородное распределение RGB-фильтров и фотодиодных матриц уменьшает влияние градиента освещенности, связанное с ошибками оптических измерений и неровностями используемых поверхностей. Датчик работает от источника питания с напряжением 2,6 В, обеспечивая значительно более низкое энергопотребление. ADJD-S313-QR999 может использоваться в широком динамическом диапазоне уровня освещенности и идеально подходит для применений в устройствах, которые требуют высокой степени интеграции, малых размеров и пониженного энергопотребления. Имея широкий диапазон чувствительности, ADJD-S313-QR999 может использоваться для решения большого спектра задач с различными уровнями освещенности просто за счет регулировки коэффициента усиления. Регулировка чувствительности выполнена с помощью последовательного интерфейса и может быть оптимизирована индивидуально для каждого канала цветности. Например, датчик ADJD-S313-QR999 может использоваться вместе с белым светодиодом для измерения цвета отраженного излучения. К дополнительным возможностям прибора относится спящий режим, позволяющий минимизировать энергопотребление. Рабочий температурный диапазон прибора — от 0 до +70 °С.

Для эффективной обработки информации с датчиков цвета фирма Avago Technologies производит контроллеры цвета, например HDJD-J822. Система управления уровнем освещенности и цветом (ICM) с обратной связью способна компенсировать различие скорости деградации RGB-светодиодов и поддерживать точный цвет. Система обратной связи управления уровнем освещенности и цветом состоит из трех компонентов: датчика цвета, RGB-контроллера и светодиодов.

Avago Technologies предлагает датчики цвета для следующих возможных сегментов рынка: автомобильный рынок (навигационные панели, освещение настроения, освещение приборной панели), рынок освещения (архитектурное освещение, декоративное освещение и дисплеи, внутреннее освещение, освещение жилых помещений), промышленный рынок (упаковка, маркировка и идентификация товаров, косметика — сегрегация продукта и качество цвета, текстильная промышленность — обнаружение загрязнения пряжи, цвет ткани, печатная промышленность — пигментация и цвет краски), медицинский рынок (измерение глюкозы, холестерина и кетона в крови), рынок бытовой электроники (портативный датчик цвета, датчик цвета для тканей в стиральных машинах, игровое оборудование).

Пример 1. Декоративное освещение и освещение жилых помещений (рис. 6)

Датчик цвета используется, чтобы измерять интенсивность светодиода через некоторый промежуток времени (интенсивность светодиодов изменяется со временем) и предоставить обратную связь для управления цветом данного источника света. Датчик может использоваться вместе с контроллером цвета от Avago (HDJD-J822-SCR00) в системах управления цветом с обратной связью.

Пример 2. Обнаружение загрязнения пряжи в текстильной промышленности (рис. 7)

Датчик цвета установлен в поточной линии передвижения пряжи и обнаруживает присутствие загрязнения за счет изменения цвета пряжи. Когда загрязнение обнаружено, система автоматически останавливает линию, что позволяет сократить вероятность человеческой ошибки и улучшает точность и эффективность промывки пряжи.

Пример 3. Химический анализжидкостной хроматографический химический анализатор (рис. 8)

Четыре датчика цвета помещены вдоль зоны химической реакции, чтобы отслеживать стадию реакции по цвету.

Источник