基于颜色传感器TCS230的氯离子和PH检测仪设计

    水质问题一直是人们较为关心的问题之一，水质的好坏将会严重影响身体健康和工业生产。饮用水主要考虑对人体健康的影响，其水质标准除有物理指标、化学指标外，还有微生物指标；对工业用水则考虑是否影响产品质量或易于损害容器及管道。但是不管是生活饮用水和工业用水的检测标准，PH值和氯离子浓度都是比较重要参数。若饮用水氯离子含量达到250 mg／L，相应的阳离子为钠时，会感觉到咸味：水中氯化物含量较高时，会损害金属管道和建筑物，并妨碍植物生长。另外，我国自来水普遍采用氯化消毒，研究表明：经过氯化消毒的水中，三氯、四氯甲烷等致癌有害物质，已经超过300种。因此对水中PH值和氯离子浓度的控制越来越得到人们的重视。要实现对水中PH值和氯离子浓度的精确控制，首先要对水质进行检测，精确了解水样中PH值和氯离子的浓度。所以PH值和氯离子的检测在环保、供水、食品等行业应用广泛。当今家庭对水的PH检测主要通过半定量的人工试纸法。该方法但受人为因素太大，同一个样品不同的分析人员可能会得到不同的检测结果。也有采用比较电化学测定法。市场比较常见的PH便携仪，此仪器由主机和电极组成，操作过程中需要添加缓冲剂等药品。但此方法需要在水样中添加缓冲剂等化学药品，操作比较繁琐；而且PH计探头表面极为敏感，容易被水样中油份等杂质污染，从而影响检测精度和分析质量。为此，把高精度的颜色传感器同单片机结合起来，在试纸法中，用计算机代替人眼去判断颜色，从而提高精度，减少误差，实现了水样PH值快速、无污染、不需要添加药品、减少人为因素影响的定量检测。

1 TCS230颜色传感器
    TCS230是TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器。它把可配置的硅光二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时单一芯片上还集成了红、绿、蓝(简称RGB)3种滤光器，其输出为一列占空比为50％的方波，输入的光强和方波的频率线性相关，不同的滤光器只允许某种特定的原色通过，阻止其它原色的通过，例如：当选择红色滤波器时，入射光中只有红色光线可以通过，蓝色和绿色都被阻隔，这样就可以得到红色光的光强；同理，选择蓝色和绿色滤波器，就可以得到蓝光和绿色光的光强，通过检测到的颜色分量3个值，就可以分析投射到TCS230传感器上的光的颜色。本仪器是利用检测到的颜色分量与标准的色卡进行对比，然后输出相应的PH值或氯离子浓度。TCS 230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它逻辑电路相连接。由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A／D转换电路，使电路变得更简单。图1是TCS230的引脚封装和功能框图。S2和S3用于选择滤波器的类型；OE输出使能引脚，可控制输出状态。当有多个芯片引脚共用微处理器的输入引脚时，也可作为片选信号；OUT是频率输出引脚，GND是芯片的接地引脚，VCC为芯片提供工作电压。

    图2是S0、S1及S2、S3的有效组合。其中L和H分别表示低电平、高电平。S0和S1用于选着频率输出的比例因子或电源关断模式；S2和S3用于选着可通滤波器的类型。

2 硬件设计
    系统硬件设计主要包括4部分：1)数据采集系统，主要包括光源的选择、传感器的排布以及TCS230使用时的外界条件设置；2)以89S52单片机为核心的控制部分，实现对试纸颜色信号输出频率的读取以及与标准的比色卡对比，把RGB值转化为氯离子浓度或PH值，3)控制面板模块，主要包括数码管、LED显示以及按键；4)是电源模块。
2．1 数据采集系统设计
    在自然环境下，季节变换、天气状况、空气搅动、外界遮盖都会影响照明状况。为此采用型号为ZX-35288W42-1的白色高亮LED灯，它的正向电压为3．0～3．4 V；发光强度为1 500-2 000MCD；正向电流为20 mA；发光角度为120度；色温为2700～25 000 K。不同的光照条件下，同一片试纸也会显现不同的颜色。为了排除外界环境的干扰，并固定光源、被测试纸和RGB颜色传感器，为本仪器设计了避光的采集探头。光源和传感器都安置于密闭空间内如图4所示。为了方便试纸的固定安装设计了试纸槽。把光源和传感器分别固定在两块独立的PCB板上，方便密闭空间的安装与调试，该采集探头以5个TES230芯片为核心，配以相对应的5只同样的白色发光二极管，选用纯白光源，以保证照光源的稳定。图3是我们检测的原理，在密闭全黑的环境下，LED灯发出白光，照射到试纸上，试纸将自身的颜色的光反射给TCS230，不同颜色的光，波长不同，频率也不同，传感器将光信号转换为脉冲数，再输出传给单片机。

    当光源照射试纸的颜色显示区域，通过控制滤波器选着引脚S2和S3，从而使TCS230芯片采集到反射回来的不同频率的光线，从而可准确的采集颜色分量RGB，通过单片机处理后输出数据。如图4所示，为试纸颜色采集探头结构示意图。

2．2 以单片机为核心的控制部分
    AT89S52具有8k字节的Flash，256字节的RAM，32位I／O口线，一个看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时器／计数器，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可工作在0 Hz静态逻辑下，支持2种软件的可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器／计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM的内容被保存，振荡器被冻结，单片机停止一切工作，直到下一个硬件复位或中断为止，这样就有利于仪器在野外电池供电情况下长时间使用。以AT89S52单片机为核心的控制电路主要包括颜色识别电路和数码管显示电路，在颜色识别电路中，用AT89S52单片机的P0口通过锁存器74H573分别对5个TCS230逻辑引脚OE进行控制，让5个传感器依次工作，将输出频率分频系数比例的控制引脚S0，S1分别接到P1．1和P1．3口，RGB颜色分量的选择控制引脚S2，S3分别接到P1．5和P1．4口，通过对这几个端口高低电平值的写入编程，实现对TCS230几个逻辑引脚选择的自动控制。传感器电路连接如图5所示。

2．3 控制面板模块
    控制面板模块主要包括数码管、LED显示以及按键。数码管显示部分通过两个锁存器74H573分别控制数码管显示的位选和段选，来实现数码管的动态显示，用来显示最终输出的氯离子浓度或PH值。LED由红绿黄3种颜色的灯组成，绿色代表氯离子浓度或PH值处于健康范围内；黄色代表氯离子浓度或PH值符合要求；红色代表氯离子浓度或PH值超出饮用水标准。按键部分实现3个功能，氯离子检测、PH值检测、白平衡。
2．4 电源电路的设计
    颜色采样系统必须采用稳定的直流电源，并要求电源有很好的稳定性。因为电源电压的波动可造成LED灯亮度的不稳定；虽然TCS230颜色传感器的抗电源扰动能力很强，但其内部芯片对电源稳定性的要求很高，电压的波动可造成A／D转换的不稳定。
    本仪器为了适应各种工作场所的需要，提供了3种电源供给方式：
    1)用新英公司型号为XY-965K的220 V转5 V的稳压电源；
    2)可充电锂电池通过MAX667调压后可供野外供电，max667是低失稳电压线性正稳压器，最大输出电流为250 mA，空载时静态电流20 μA，输出200 mA时典型失稳电压为150 mV，电路含有欠压检测器以检测电源故障，关断控制使输出禁止，关断状态的静态电流降为0．2μA。max 667具有2种工作模式，以选择输出电压，可以内部设定+5 V输出，或由外部电阻设定+1．3～16 V可调输出。本仪器设定为+5 V输出。
    3)通过24 V的开关电源通过以下电路得到稳定的5 V电源如图6所示，主要用于色卡数据库的建立实验。

3 软件设计
    颜色检测系统包括白平衡校正子程序、颜色采样子程序与颜色比较子程序如图7所示。其中白平衡校正子程序用于颜色标定，颜色比较子程序又分为氯离子和PH检测子程序。白平衡就是告诉系统什么是白色，理论上白光是由等量的红色、绿色和蓝色混合而成的，但是实际上白光照射下RGB颜色传感器的颜色分量输出并不相等，因为传感器对3种基本色的敏感性是有差异的，因此白平衡校正是十分必要的，通过白平衡得到R、G和B的3个调整参数，当用TCS230识别颜色时，就用这3个参数来调整采样的三颜色分量RGB。然后通过单片用调整后的值通过颜色比较子程序查表得到对应的氯离子浓度或PH值。程序流程图如图7所示。

4 结论
    文中提出一种基于颜色传感器试纸检测的新方法，针对现有试纸检测方法主要靠人眼观察存在的不足，创造性的将颜色传感器引入试纸检测方法中，大大提高了试纸检测精度，除了能检测PH和氯离子外，还可以应用到所有试纸检测方法。整个仪器外观漂亮、成本低廉、操作方便。经过试验本仪器性能可靠，并能很好的实现家庭用水检测。