Đang tải... (xem toàn văn)
Cảm biến màu phân tách ánh sáng phản xạ từ một đối tượng thành các thành phần đỏ, xanh lá cây và xanh da trời. Mỗi thành phần được đánh giá và xác định xem có thuộc phạm vi cảm nhận được thiết lập trước đó cho mỗi màu riêng biệt. Tiếp cận này rất hiệu quả khi giám sát các màu có độ đồng đều trong những ứng dụng như dệt may, công nghiệp nhựa và các quá trình cho màu đồng đều khác. Một kênh nhạy màu cho phép ta thiết lập những đặc tuyến của vật thể cần phát hiện với một lối ra riêng biệt, với những giá trị được lưu ở bộ nhớ trong của cảm biến. Thời gian đáp ứng cho những cảm biến này khoảng 300 µs và kích thước điểm sáng có thể lên tới 25 mm.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT Báo cáo môn học: CẢM BIẾN VÀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Đề tài: Cảm biến màu sắc MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU I Giới thiệu cảm biến màu II Đặc điểm, Ứng dụng II.1 Đặc điểm II.2 Ứng dụng .5 III Cơ chế hoạt động cảm biến màu IV Thiết kế hệ thống cảm biến màu IV.1 Bộ chuyển đổi ánh sáng IV.2 Mạch ghép nối 10 Tài liệu tham khảo 12 LỜI MỞ ĐẦU Xã hội ngày phát triển, ngành công nghiệp, tự động hóa ngày phát triển thêm, đó, cảm biến đóng vai trị quan trọng thiết bị, máy móc mà người sử dụng với nhiều chức khác Có nhiều loại cảm biến: cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khí, cảm biến lưu lượng, cảm biến màu,… Cảm biến màu loại cảm biến phổ biến ứng dụng rộng rãi nhành dệt may, công nghiệp thực phẩm, đặc biệt thị trường điện thoại thiết bị thông minh I Giới thiệu cảm biến màu Cảm biến màu phân tách ánh sáng phản xạ từ đối tượng thành thành phần đỏ, xanh xanh da trời Mỗi thành phần đánh giá xác định xem có thuộc phạm vi cảm nhận thiết lập trước cho màu riêng biệt Tiếp cận hiệu giám sát màu có độ đồng ứng dụng dệt may, công nghiệp nhựa trình cho màu đồng khác Một kênh nhạy màu cho phép ta thiết lập đặc tuyến vật thể cần phát với lối riêng biệt, với giá trị lưu nhớ cảm biến Thời gian đáp ứng cho cảm biến khoảng 300 µs kích thước điểm sáng lên tới 25 mm Cảm biến màu lấy tích phân tồn diện tích điểm sáng Vì thế, khoảng sáng có hai màu, cảm biến "xem xét" độ tổ hợp màu hơn phân tích màu riêng biệt Đây cân nhắc quan trọng ứng dụng nơi mà điểm cần phân tích có họa tiết dạng mảng màu hạt gỗ nhiều màu sắc nỉ làm ghế xe ôtô Trong ứng dụng vậy, cảm biến cho nguồn sáng với điểm sáng lớn lớn với khả cho phép lấy tín hiệu diện tích lớn phù hợp Những ứng dụng phân loại sản phẩm thường dựa vài màu bản, thực với cảm biến màu đơn giản Những ứng dụng phức tạp cần phần điều khiển thông minh cho cảm biến với đầy đủ tính II Đặc điểm, Ứng dụng II.1 Đặc điểm Chuyển đổi cường độ ánh sáng thành tần số có độ phân giải cao Lập trình lựa chọn lọc màu sắc khác dạng tần số xuất Dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển Điện áp đầu vào 2.7-5.5V Khả chống nhiễu mạnh, đèn LED màu trắng điều khiển bật/tắt II.2 Ứng dụng Một số ngành công nghiệp thực phẩm đồ uống, thương mại tiêu dùng in ấn, điện tử tiêu dùng, tơ, dược phẩm chăm sóc sức khỏe, hóa chất, dệt may sử dụng cảm biến để xác định biến thể màu sắc Nhu cầu cảm biến màu sắc ngành cơng nghiệp dệt tăng lên cảm biến phát tơng màu vải tương tự để kiểm soát chất lượng vải Nhu cầu quy định ngành cơng nghiệp bao bì, thực phẩm đồ uống an tồn hiệu tích cực triển khai cảm biến phát màu đặc biệt nhãn hiệu màu ứng dụng phát đăng ký Hơn nữa, phát triển thị trường điện thoại thơng minh máy tính bảng thiết lập để tăng nhu cầu cảm biến phát màu Các cảm biến tạo thành phận tách rời thiết bị di động để phát thành phần màu sắc, độ sáng độ sáng màu ánh sáng xung quanh Ưu điểm: chi phí thấp cảm biến màu đơn giản ưu tiên giải pháp tinh vi cho ứng dụng địi hỏi Thường người ta quan tâm đến chi phí mức độ tiêu thụ điện Hệ thống đề xuất có khả phân biệt lên đến tám màu khác đó, nhắm mục tiêu cụ thể cho ứng dụng tự động, nơi sản phẩm màu cần phát III Cơ chế hoạt động cảm biến màu Nguyên tắc phát nhúng hệ thống cảm biến màu dựa đặc tính phản xạ bề mặt màu, miêu tả Hình Hình Nguyên tắc phát màu bề mặt dựa phản xạ Cảm biến màu gồm màu bản: đỏ (Red), xanh lục (Green), xanh lam (Blue) photodetector Để phát màu sắc, cảm biến chiếu sáng đối tượng màu R, G, B theo chu kỳ Vì chu kỳ nhanh nên mắt mặt người cảm nhận thấy cảm biến phát màu trắng Mỗi ánh sáng phát phản xạ lại bị vật hấp thụ Máy dò ánh sáng ( light detector) phát ánh sáng có bị phản xạ hay khơng Nó kiểm tra xem màu khác có phản xạ ánh sáng lại không Các giá trị (đo) hiển thị xác định màu sắc đối tượng Vật màu xanh lam phản xạ màu xanh lam hấp thụ màu đỏ xanh lục kết thúc cảm biến “màu xanh lam” Khả khác: kết hợp Ví dụ: vật màu vàng phản xạ lại màu đỏ xanh lục, hấp thụ màu xanh lam Nếu khơng có màu phản xạ kết thúc cảm biến “khơng có màu” có nghĩa vật có màu đen khơng có vật Màu sắc vật thể màu mà cho truyền qua hấp thụ tất màu cịn lại Ví dụ Ánh sáng đỏ phản chiếu bắt đầu photodiode tạo điện áp đầu tương ứng điển hình màu đỏ phản xạ Bằng cách phân tích điện áp đầu cách sử dụng mạch ghép nối, màu sắc xác định Cảm biến màu sắc phụ thuộc: + Detector: để nhận biết màu sắc hiệu quả, photodiode nhân tố phát màu + Nguồn sáng: nguồn thích hợp ánh sáng trắng gần khiết (nghĩa ánh sáng ban ngày D65) + Vật chiếu sáng (màu đen suốt): Các bề mặt nhám, bóng bẩn làm cho việc phát phức tạp thuộc tính phản xạ chúng khác nguồn ánh sáng ảnh hưởng đến độ bão hòa màu đối tượng phát Photodiode nhân tố phát màu Cường độ dịng ánh sáng tối đa xác định cơng thức: ��� ��ℎ �.� = (1 − �) (1 − � ) � ℎ Trong đó: R: Độ phản xạ bề mặt photodiode a: hệ số hấp thụ vật liệu (làm photodiode) d: chiều dày từ bề mặt silicon ���: công suất ánh sáng tới h: số plank, ℎ = 6,602.10−34� � : Tần số sóng tới IV Thiết kế hệ thống cảm biến màu Hệ thống cảm biến màu kết hợp đầu dò mạch ghép nối chuyên dụng Như mơ tả Hình 2, hệ thống cảm biến màu thường bao gồm: Bộ chuyển đổi ánh sáng Bộ khuếch đại trước để khuếch đại tín hiệu cảm biến chuyển đổi từ tín hiệu dịng điện sang tín hiệu điện áp ADC (chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu kỹ thuật số) DSP: xử lý tín hiệu số để nhận biết màu sắc, bao gồm nhớ, mảng so sánh kỹ thuật số, đơn vị số học (và vân vân) để tạo kết màu cuối Hình Sơ đồ khối phát màu bề mặt dựa phản xạ Ở đây, hệ thống giảm số lượng thành phần cách lưu trữ bảng màu (ánh xạ màu sắc điện áp đầu ra) với biến trở hoạt động nhớ tương tự tạo mã màu kỹ thuật số cách sử dụng ADC nhúng IV.1 Bộ chuyển đổi ánh sáng - Một thiết bị nguyên khối OPT301 (hình bên dưới), mạch tích hợp quang điện tử có chứa phần tử cảm biến ánh sáng (photodiode) khuếch đại trở kháng vận chuyển (transimpedance) thiết bị nguyên khối - Sự đáp ứng photodiode phụ thuộc vào bước sóng cơng suất xạ ánh sáng tới - Phản ứng quang điện so với bước sóng chuẩn hóa với cơng suất tới thể Hình Sự khuếch đại độ nhạy điều chỉnh điện trở hồi tiếp ��sao cho điện áp quang đầu kết dòng quang điện ��ℎ� �� : (��ℎ� = ��ℎ� � � ) Hình OPT301 photodiode sựu đáp ứng điều chỉnh quang điện IV.2 Mạch ghép nối Hình Mạch ghép nối cảm biến màu - Mạch ghép nối dựa ADC lóe sáng giả để đáp ứng yêu cầu ứng dụng nhắm tới - Thật vậy, việc lựa chọn cấu trúc ADC cụ thể thúc đẩy yêu cầu thiết kế Đối với ứng dụng tốc độ cao, độ phân giải thấp, cấu trúc lóe sáng tiếp cận đầy hứa hẹn, cho ứng dụng mạng cảm biến khơng u cầu tốc độ cao chịu đựng độ trễ liệu có yêu cầu công suất cực thấp, Bộ ghi xấp xỉ liên tiếp (SAR) ADC thường sử dụng Thường nhà thiết kế kết hợp tính hay nhiều cấu trúc để đạt hiệu suất mong muốn - Ở đây, ADC thiết kế đưa cân mức tiêu thụ điện tốc độ cách kết hợp tính đèn flash ADC biến đổi tín hiệu số - Bất kể số lượng màu, mạch ghép nối cần so sánh, N màu xác định Điều làm tối thiểu hóa cơng suất vùng chip, đặc biệt N màu lớn - Thiết kế đề xuất sử dụng điện trở điều khiển được, tạo thành phần ADC để lưu trữ bảng màu Điều dễ dàng đạt photodiode hiển thị giá trị V phd khơng đổi với bước sóng/ màu sắc khác Nếu thang đo đầy đủ ADC 2V, ánh xạ khoảng điện áp khác cho màu khác Bảng Các khoảng thời gian dễ dàng điều chỉnh dựa kết hiệu chuẩn từ photodiode Thiết kế đề xuất sử dụng tám đèn báo nhấp nháy phương tiện đơn giản rõ ràng để đưa kết đầu cho người dùng thông qua đến giải mã đèn LED biểu diễn màu / điện áp Bảng Tham khảo khoảng giá trị điện áp giá trị màu tương ứng Bộ đếm thời gian làm chức điều chỉnh chu kỳ nhấp nháy đèn LED Trong trường hợp thay đổi màu nhanh, hẹn giữ ngõ xuất tín hiệu thời gian dài để tín hiệu phân biệt mắt người dùng Nếu khơng giữ tín hiệu không đổi, đếm thời gian giới hạn chu kỳ cơng suất để đèn LED khơng kéo dịng điện liên tục cách giảm tản nhiệt Thiết kế kết hợp lấy mẫu sau tách sóng quang để đảm bảo phát màu động (thời gian thay đổi) với lỗi Tài liệu tham khảo 1, Design and Characterization of Automated Color Sensors System https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00947786/document 2, Color Sensor Module http://wiki.sunfounder.cc/index.php? title=Color_Sensor_Module 3, http://thegoicodientuthongminhpro.blogspot.com/2016/03/cam-bien-mautcs3200-thong-so-ky-thuat.html 4, https://tailieu.vn/doc/cam-bien-chuong-2-cam-bien-quang-553915.html ... cảm biến đóng vai trị quan trọng thiết bị, máy móc mà người sử dụng với nhiều chức khác Có nhiều loại cảm biến: cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khí, cảm biến lưu lượng, cảm biến màu, …... màu, … Cảm biến màu loại cảm biến phổ biến ứng dụng rộng rãi nhành dệt may, công nghiệp thực phẩm, đặc biệt thị trường điện thoại thiết bị thông minh I Giới thiệu cảm biến màu Cảm biến màu phân... thiệu cảm biến màu II Đặc điểm, Ứng dụng II.1 Đặc điểm II.2 Ứng dụng .5 III Cơ chế hoạt động cảm biến màu IV Thiết kế hệ thống cảm biến màu