果蔬农药残留萃取液颜色识别系统的研究
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摘要：为实现果蔬农药残留萃取液颜色识别，设计了以3块TCS230颜色传感器为核心的颜色数据采集器；由单片机C8051F023对数据采集器输出的红、绿、蓝（RGB）三基色电压信号进行数据运算与处理，液晶显示器HTG240160C显示被测水果、蔬菜农药残留度。在算法上采用BP小波基函数神经网络算法，提高了颜色识别速度、精度和可靠性，该系统结构简单、操作方便。
关键词：农药残留；颜色识别；TCS230颜色传感器；数据采集器
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）08-2111-03
DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.08.050
Abstract： For how to implement color indentification problems of fruit and vegetable pesticide residues extracted liquid， designed a color data collector with three pieces of TCS230 color sensor； By MCU C8051F023 to data collector output of red， green， blue（RGB） three primary colors voltage signal data operation and processing， LCD HTG240160C display measured fruit， vegetable pesticide residues and whether to eat safe and reliable. Algorithm use BP wavelet basis function neural network， improve the color recognition speed， the system has simple structure， convenient operation.
Key words： pesticide residues； color identification； TCS230 color sensor； data collector
果蔬农药残留测量往往是利用化学试纸或显色剂进行，测量周期较长，工作效率低、测量数据不精确，无法适应现代化农业生产和科学研究发展的要求。水果、蔬菜为普通市民长期性、经常性的消费品，采用传统方法很难实现精准检测。因此，本研究提出一种基于美国TAOS公司推出的TCS230颜色传感器的检测系统，采用1块或2块颜色传感器TCS230来识别农药残留萃取液的颜色，红、绿、蓝（RGB）三基色电压信号由引脚输出，采用BP小波基函数神经网络算法提高对农药残留萃取液的颜色识别速度和增加识别的级数。
1 硬件系统
1.1 颜色数据采集器
TCS230颜色传感器是一种带数字兼容接口的红、绿、蓝彩色光到频率的转换器，将可配置的硅光电二极管与频率转换集成在一个CMOS电路上，同时在芯片上集成了RGB 3种滤波器。TCS230的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接。由于输出的是数字量，并且能实现每个彩色通道10位以上的转换精度，响应频率2～500 kHz，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得更简单[1]。
该芯片内含一个交叉连接的8×8光电二极管阵列，其中每16个二极管可提供一种色彩类型，芯片共有红、绿、蓝和清除全部光信息等4种类型。所以，数据采集器主要由3块TCS320芯片和3个相互独立的光学系统组成；3块颜色传感器上分别贴上红色、绿色、蓝色滤色片，能够获得独立的三基色；为了避免3个独立光学系统之间相互干扰，各自安装了隔光板[2]。基本结构如图1所示。
1.2 颜色识别电路
C8051F023是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，属于Cygnal公司的C8051F系列，采用高速、流水线指令结构，且与8051内核兼容，速度高达25MIPS，且70%的指令可在1～2个系统时钟周期内完成；内含64字节可在系统编程FLASH存储器和4 352（4 096+256）字节的片内RAM，包括多通道10位可编程ADC，且具有两个可编程数据更新方式的12位ADC，在设计复杂系统时无需扩展A/D、D/A转换器和外部存储器，优势明显[3]。
由图1可知，系统分别由3个颜色传感器TCS230获得红、绿、蓝三基色（RGB），红色电压信号由C8051F023单片机的P0.0～P0.4、P1.0输入，绿色电压信号由P1.1～P1.6输入，蓝色电压信号由P2.0～P2.5输入，P0.5、P0.6、P0.7、P3.0～P3.7与HTG240160C液晶显示器的AD、A0、WR、D0～D7引脚连接，如图2所示。
1.3 颜色识别原理
由图1和图2可知，颜色数据采集器的原理：位于透镜焦点上的白色光源发出的光，经透镜组后变成平行光束，经过由折射率接近1的有机玻璃组成的矩形槽体（槽内为农药残留萃取液）后，射到红、绿、蓝3个滤色片上，再投射到对应的TCS230颜色传感器上，传感器组输出的三基色电压信号由单片机C8051F023进行运算和处理，液晶显示器HTG240160C显示被测水果、蔬菜农药残留度以及是否安全食用。
TCS230芯片各个引脚的功能：S0、S1用于选择输出比例因子或电源关断模式；S2、S3用于选择滤波器的类型；OE是频率输出或多个芯片的片选信号使能端；OUT是频率输出引脚。表1为S0、S1和S2、S3的组合状态表[4]。