CN205091249U - 木材颜色识别*** - Google Patents

Abstract

本技术提供一种结构简单、运行速度快、成本低廉、失真小，准确性高的木材颜色识别***，它包括白色发光光源、TCS3200D颜色传感器、可编程控制器、LCD液晶触摸屏，白色发光光源发出的光经木材反射进入颜色传感器，颜色传感器、白色发光光源、LCD液晶触摸屏均与可编程控制器连接。

Description

木材颜色识别***

技术领域

本技术涉及对木材表面颜色进行识别、分选的***和方法。

背景技术

目前国内家具、木质装饰等对木材的材色均匀性、色差变化要求严格的企业，多数采用人工肉眼识别的方式对木材的色差进行分选，其存在分选精度不高、色差控制不准确、分选人员多、分选效率低下、生产成本高、流水线作业难、机械化程度低等突出问题。也有人采用摄像头对木材表面拍照，再以计算机对拍摄的照片进行处理，这种方法因照片需要的存储空间大，对照片进行后续处理要求的计算速度要求很高，加上摄像头本身价格也很高，所以整个***十分昂贵。

发明内容

本技术的目的是提供一种结构简单、运行速度快、成本低廉、失真小，准确性高的木材颜色识别***。

木材颜色识别***，它包括白色发光光源、TCS3200D颜色传感器、可编程控制器、LCD液晶触摸屏，白色发光光源发出的光经木材反射进入颜色传感器，颜色传感器、白色发光光源、LCD液晶触摸屏均与可编程控制器连接。

上述的木材颜色识别***，所述可编程控制器为STM32F407ZGT6芯片。

上述的木材颜色识别***，颜色传感器有三个或三个以上，颜色传感器沿着被测试木材的宽度方向排列。

上述的木材颜色识别***，白色发光光源和颜色传感器设置在可以相对于被测试木材表面移动的移动支架上。这样可以调节移动支架的位置，使得颜色传感器到被测试木材表面的距离处于颜色传感器的最佳工作距离。

上述的木材颜色识别***，STM32F407ZGT6的GPIOF5连接颜色传感器公用OUT引脚，为线号捕获线；PA4连接各颜色传感器公用S2引脚，PA7连接各颜色传感器公用S3引脚，PE5连接各颜色传感器公用S1引脚，PE6连接各颜色传感器公用S0引脚，PC6、PC7、PC8分别与连接三个颜色传感器的OE引脚。

本技术同时提供了一种能够快捷识别木材颜色、运行速度快的木材颜色识别方法。

本技术的木材颜色识别方法，使用上述的木材颜色识别***，其步骤包括：

a、标定：颜色传感器捕获由白色光源照射的纯白色光板反射的光，通过控制器测定颜色传感器对于红色、绿色、蓝色三基色的输出周期tr、tg、tb；

b、测试：光源发出的光照射在被测试木材的表面，木材的反射光进入颜色传感器，通过控制器测定颜色传感器对于红色、绿色、蓝色的输出周期sr、sg、sb；

c、灰度计算：以下式计算出灰度Gray并输出至显示器显示：

Gray＝30％×255×sr/tr+59％×255×sg/tg+11％×255×sb/tb。

上述的木材颜色识别方法，白色发光光源和颜色传感器设置在可以相对于被测试木材表面移动的移动支架上；当进行所述步骤b时，实时调整移动支架的位置，使得颜色传感器到被测试木材表面的距离为10mm。

上述的木材颜色识别方法，所述木材颜色识别***还包括用于判断传感器下方是否有被测试木材的物料传感器；当物料传感器检测到传感器下方有被测试木材时，进行所述步骤b、c。

上述的木材颜色识别方法，被测试木材从传感器下方通过；被测试木材从传感器下方通过时，

进行所述步骤b、c得到木材的灰度。

上述的木材颜色识别方法，被测试木材从传感器下方通过；被测试木材从传感器下方通过时，

重复进行所述步骤b、c得到木材不同部位的灰度。

上述的木材颜色识别方法，一个颜色传感器或多个的颜色传感器对被测试木板表面的不同部位的灰度进行采集后，由控制器对采集到的各部位灰度数值进行计算，当被测木材完全通过传感器后，以各部位灰度数值的算术平均值作为该木材的最终灰度值并输出至显示器显示，最终灰度值与存储的颜色等级数据范围进行对比，最终确定被测试木板颜色等级范围。同一个颜色传感器或不同的颜色传感器对被测试木板表面的不同部位的灰度进行测试后，以各部位灰度的算术平均值作为该木材的最终灰度值并输出。

上述的木材颜色识别方法，在颜色传感器的前后两侧各设置一个用于判断传感器下方是否有物料传感器；被测试木材从传感器下方通过；当前面的物料传感器检测到一块被测试木材进入到颜色传感器下方的位置时，重复进行步骤b、c；当后面的物料传感器检测到该块被测试木材离开颜色传感器下方后，由控制器对采集到的各部位灰度数值进行计算，以各部位灰度数值的算术平均值作为该木材的最终灰度值并输出至显示器显示。这样，本方法特别适用于连续流水作业工作，能够连续完成对一块块依次从传感器下方通过的被测试木材的灰度测试工作。最好，物料传感器、白色发光光源和颜色传感器均设置在可以相对于被测试木材表面移动的移动支架上；当前面的物料传感器检测到一块被测试木材进入到颜色传感器下方的位置时，实时调整移动支架的位置，使得颜色传感器到被测试木材表面的距离为10mm，再重复进行步骤b、c；当后面的物料传感器检测到该块被测试木材离开颜色传感器下方后，由控制器对采集到的各部位灰度数值进行计算，以各部位灰度数值的算术平均值作为该木材的最终灰度值并输出至显示器显示。

本技术的有益效果：本技术仅仅以一个或多个颜色传感器对木材的反射光进行分析，得出针对的反射光中的红色、绿色、蓝色等三原色的输出周期或频率，并根据白平衡校正(标定)所得的比例因子(对于红色、绿色、蓝色的比例因子分别是为255/tr、255/tg、255/tb)，得出该颜色传感器所测得的木材上某点的灰度。若木材表面的颜色基本一致，根据一点基本可以确定木材的灰度。当然，为了降低测试的随机性和误差，可以对被测试木板表面的不同部位的灰度进行测试后，以整块木材表面各部位灰度的算术平均值作为该木材的最终灰度值并输出。

由于本专利只需要测试颜色传感器输出的脉冲数，运行速度极快，需要存贮的字节很短，所以不但本测试***成本低，而且能够适应快速移动的木材，尤其适用于流水线作业。一般在测试时，标定只需要做一次即可，以后只需要重复对木材的测试和灰度计算即可。

附图说明

图1是木材颜色识别***的总体框架图；

图2是TCS3200D颜色感应器的框架图；

图3是三个TCS3200D颜色感应器并联与STM32F407ZGT6微处理器相连的电路图；

图4是对三个TCS3200D颜色感应器轮番读取数据的流程图；

图5是STM3F407ZGT6微处理器捕获算法流程图。

具体实施方式

1总体设计方案

设计的木材表面颜色采集-色差高效自动分析***由TCS3200D颜色感应器、STM32F407ZGT6微处理器、ILI9341液晶显示器及其相关电子辅助设备组成。各种设备间使用SPI、8080、SCCB等通讯协议通讯，框架图如图1。TCS3200D感应器输出木材表面颜色RGB各分量脉冲信号，STM32F407ZGT6捕获脉冲，再根据人眼识别习惯将读取的RGB数据转换灰度值，与预先通过LCD显示器设置的10个灰度等级标准区间数据进行比较，确定被测试木板颜色等级范围，并将分选结果通过显示器进行显示，提供操作人员参考操作。

2颜色采集设计

颜色感应部分核心硬件为TOAS公司生产的TCS3200D颜色感应器。该传感器工作在电压为2.7V-5.5V，50KHz工作状态下误差小于0.2％，并具有电源关闭功能，支持片选；可输出2％、20％、100％三种频率波段；输出频率占空比为50％；可直接输出对应RGB颜色脉冲，无需通过模拟-数字转换；白色发光光源2和和颜色传感器固定在可以上下往复移动的移动支架上，通过传感器时实时调整移动支架的上下位置，使得无论木材1厚度如何变化，始终保持颜色传感器和光源距木材表面的距离不变，维持在最佳有效距离10mm，从而保障TCS3200D颜色传感器足以胜任颜色采集任务。

TCS3200D感应芯片框架图如图2，当木材1反射的光照射到TCS3200D上，通过引脚s2和s3不同电平的组合，对应采集光线中的三原色即红色、绿色、蓝色。而该颜色的强度不同色会导致其OUT输出频率不同，根据OUT输出频率即可判断三种颜色的强度。通过S2和S3引脚高低电平对颜色RGB分量进行选择，比如当S2和S3同时为低电平时，OUT引脚输出脉冲代表R值分量，具体组合见表1。通过S0和S1引脚高低电平对OUT输出脉冲频率进行选择，比如当S0为低电平，S1为高电平时，OUT输出脉冲频率为最大输出频率的2％，具体组合见表2。表1、2中，L表示低电平，H表示高电平。

表1TCS3200D输出颜色选择

S2	S3	输出颜色
			L	L	红
L	H	蓝
			H	L	无
H	H	绿

表2TCS3200D输出频率

S0	S1	输出频率
			L	L	关闭电源
L	H	2％
			H	L	20％
H	H	100％

2.1感应装置硬件设计

考虑到木材板坯具有一定宽度，若采用单一TCS3200D颜色传感器，颜色采集区域非常狭窄，为扩大颜色采集区域的宽度，方便采集宽幅面板坯表面的颜色数据，选用多并联TCS3200D颜色传感器形式，即由三个或多个TCS3200D颜色传感器并排组合，传感器中心间距15mm。其中公用输出频率选择引脚S0和S1、输出颜色选择引脚S2和S3、输出端OUT，而片选使能端OE分别独立使用，OE低电平有效，通过软件设计轮番对三个TCS3200D进行数据读取。TCS3200D硬件三并联连接原理图如3。本装置中设置了8个0.2W白光LED灯，为TCS3200D传感器提供白色光源。

2.2颜色感应器软件设计

根据上述颜色感应器硬件设计，软件对三个TCS3200D进行轮番读取数据，并且在轮番读取过程中，分别对每一个感应器轮番读取RGB三基色分量。软件工作流程图如图4。

软件开始，首先拉低TCS1(第一个颜色传感器)的OE引脚，拉高TCS2(第二个颜色传感器)和TCS3(第三个颜色传感器)的OE引脚，只使能TCS1，进入子程序(子程序在MCU算法中表现)，然后读取分别通过拉低或者拉高S2和S3引脚，OUT引脚输出对应RGB脉冲，读取TCS1的RGB分量，退出子程序后，转向对TCS2，使能TCS2输出，输出完成后，同样对TCS3使能输出。当读取完成TCS3之后，重新对TCS1进行读取。如此循环读取和输出。

3MCU设计和相关算法

MCU(微型中央处理器)选择STM32F407ZGT6，该芯片为ST公司生产的Cortex-M4系列芯片，其运算频率高达168MHz，具有2个高级定时器、10个通用定时器和2个基本定时器。其中，通用定时器计数频率为84MHz,可以完成0-65535从上至下或从下至上计数。本程序使用定时器TIM2的通道1对TCS3200D的OUT引脚输出脉冲进行捕获，并计算不同颜色下脉冲输出值。

3.1STM32F407ZGT6硬件连接设计

STM32F407ZGT6引脚众多，为了能方便说明其与TCS3200D的硬件连接方式，只列出以下几个引脚，分别是STM32F407ZGT6的GPIOF5(以下简称PF5)连接颜色传感器公用OUT引脚，为线号捕获线，PA4连接颜色传感器公用S2引脚，PA7连接颜色传感器公用S3引脚，PE5连接颜色传感器公用S1引脚，PE6连接颜色传感器公用S0引脚，PC6连接TCS1的OE引脚，PC7连接TCS2的OE引脚，PC8连接TCS3的OE引脚。此外STM32F407ZGT6的其他基本功能引脚比如时钟线号线等，因为不作为本程序重点，故此不做详细陈述。STM32F407ZGT6和TCS3200D颜色感应器硬件连接图见图3。

3.2STM32F407ZGT6数据捕获和颜色转换

光源发出的光经木材反射进入颜色传感器，使用STM32F407ZGT6的TIM2通道1进行OUT引脚频率捕获。流程图如图5，首先初始化TIM2通用计时器，初始化采用21分频，因为TIM2计数时钟为84MHz，即1/84us计数1次，采用21分频时，即采用21/84us(0.25us)计数一次。因为TCS3200D输出为方波，占空比为50％，只需要连续捕获两次上升沿信号，即可完成一次周期采集。当捕获第一次上升沿信号时，清空TIM2计数器，等待捕获第二次上升沿，读取TIM2计数器数值N，即可算出一个输出周期时间T，T＝数值N*0.25us。光源发出的光经木材反射进入颜色传感器，设定芯片测定的颜色传感器对于红色、绿色、蓝色的输出周期分别为sr、sg、sb。

捕获到的木材具体RGB分量周期之后，还需与白光光照情况下的RGB数字进行比较，方能算出具体RGB数值。因此，在对不同颜色RGB进行捕获之前，需要先进行白平衡(标定)。白平衡的方法为，将白色光源照射纯白色光板，经纯白色光板反射后进入TCS3200D，分别得出RGB三基色分量周期，该三个周期即为标准白光RGB数值。设定芯片测定的颜色传感器对标准白光中的红色、绿色、蓝色的输出周期分别为tr、tg、tb。那么，对于红色、绿色、蓝色的比例因子(白平衡系数)分别就是为255/tr、255/tg、255/tb。根据R＝255×sr/tr、G＝255×sg/tg、B＝255×sb/tb即可计算出木材的反射光中的红色、绿色、蓝色具体强度值。

3.3颜色灰度值处理

读取到木材表面RGB颜色分量，对应为红色、绿色、蓝色三数值，无法进行颜色深度比较，为了能够将三个数值转换成为一个数字产生可比性，并且结合人眼对颜色深度区分习惯，故选择灰度值比较方法。灰度即以黑色为基准色，不同的饱和度的黑色来显示图像。通常像素量化后用一个字节(8bit)来表示。比如把有黑到灰到白的连续变化的灰度值量化为256个灰度级，灰度值的范围为0～255，其表示亮度从深到浅，对应图像中的颜色为从黑到白，RGB转为灰度值的心理学公式为：

Gray＝30％×R+59％×G+11％×B

MCU通过上述公式即可完成度颜色-灰度值得转换，木材表面颜色将被转换成为0-255之间的量化数值，从而方便深度比较，得出色差等级。

4TFTLCD信息输出

TFTLCD液晶显示器作为人机交互的重要硬件设备，在自动化控制***中必不可少。本***直接利用ILI9341电容屏作为输出信息和相关操作设备。

4.1LCD显示设计

LCD显示器部分，主要使用ILI9341IC芯片液晶显示器，该显示器还具有触摸屏功能。

ILI9341GRAM部分最大可存储18位存储空间，考虑到颜色存储，分8位，16位，24位等。其中16位为增强颜色。本***中选用16位颜色显示，其中0位和12位无效。RGB分量按照5:6:5进行存储。GRAM实际上和显存类似，其寄存器地址与LCD屏幕显示点一一对应。本***采用的LCD显示屏分辨率是480*800，电容屏触控。

因LCD显示部分不是本设计重点，只强调结果输出，所以，未对具体ILI9341存储寄存器进行详细说明。

本专利的优点：

1、采集器选择是SOAT公司生产的TCS3200D传感器，体积小，质量轻，对流水线作业产生的震动造成的图像噪音有很好的应对效果。

2、MCU选择STM32F407ZGT6，框架为ARM公司设计，数据处理速度快，响应迅速、数据处理稳定、成本低等特点，在工业控制中应用及其广泛，对未来木材行业自动化筛选提供技术支持。

3、颜色灰度计算，将不同颜色转化成单一颜色，为颜色深度分辨提供依据，对颜色及其复杂的木材表面而言，适应能力强。

4、LCD显示器具有很强的人机交互能力，人工操控***更加方便。

5、工控部分只需根据相关中断完成即可。

总而言之，本专利对木材表面颜色采集、色差等级及其算法进行研究。利用TCS3200D颜色感应器产生RGB三基色脉冲信号,通过STM32F407ZGT6芯片对其捕获，计算出对应RGB数值，并通过灰度计算公式统一将RGB转换成灰度值，与设定的颜色灰度色差区间对比筛选，通过LCD显示分选结果。

Claims (5)

1.木材颜色识别***，其特征是：它包括白色发光光源、TCS3200D颜色传感器、可编程控制器、LCD液晶触摸屏，白色发光光源发出的光经木材反射进入颜色传感器，颜色传感器、白色发光光源、LCD液晶触摸屏均与可编程控制器连接。

2.如权利要求1所述的木材颜色识别***，其特征是：所述可编程控制器为STM32F407ZGT6芯片。

3.如权利要求2所述的木材颜色识别***，其特征是：STM32F407ZGT6的GPIOF5连接颜色传感器公用OUT引脚，为线号捕获线；PA4连接各颜色传感器公用S2引脚，PA7连接各颜色传感器公用S3引脚，PE5连接各颜色传感器公用S1引脚，PE6连接各颜色传感器公用S0引脚，PC6、PC7、PC8分别与连接三个颜色传感器的OE引脚。

4.如权利要求1所述的木材颜色识别***，其特征是：颜色传感器有三个或三个以上，颜色传感器沿着被测试木材的宽度方向排列。

5.如权利要求1所述的木材颜色识别***，其特征是：白色发光光源和颜色传感器设置在可以相对于被测试木材表面移动的移动支架上。