果蔬農(nóng)藥殘留萃取液顏色識別系統(tǒng)的研究

果蔬農(nóng)藥殘留測量往往是利用化學試紙或顯色劑進行，測量周期較長，工作效率低、測量數(shù)據(jù)不，無法適應現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學研究發(fā)展的要求。水果、蔬菜為普通市民性、經(jīng)常性的消費品，采用傳統(tǒng)方法很難實現(xiàn)檢測。因此，本研究提出一種基于美國TAOS公司推出的TCS230顏色傳感器的檢測系統(tǒng)，采用1塊或2塊顏色傳感器TCS230來識別農(nóng)藥殘留萃取液的顏色，紅、綠、藍（RGB）三基色電壓信號由引腳輸出，采用BP小波基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡算法提高對農(nóng)藥殘留萃取液的顏色識別速度和增加識別的級數(shù)。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 顏色數(shù)據(jù)采集器

TCS230顏色傳感器是一種帶數(shù)字兼容接口的紅、綠、藍彩色光到頻率的轉換器，將可配置的硅光電二極管與頻率轉換集成在一個CMOS電路上，同時在芯片上集成了RGB 3種濾波器。TCS230的輸出信號是數(shù)字量，可以驅動標準的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。由于輸出的是數(shù)字量，并且能實現(xiàn)每個彩色通道10位以上的轉換精度，響應頻率2～500 kHz，因而不再需要A/D轉換電路，使電路變得更簡單[1]。

該芯片內(nèi)含一個交叉連接的8×8光電二極管陣列，其中每16個二極管可提供一種色彩類型，芯片共有紅、綠、藍和清除全部光信息等4種類型。所以，數(shù)據(jù)采集器主要由3塊TCS320芯片和3個相互獨立的光學系統(tǒng)組成；3塊顏色傳感器上分別貼上紅色、綠色、藍色濾色片，能夠獲得獨立的三基色；為了避免3個獨立光學系統(tǒng)之間相互干擾，各自安裝了隔光板[2]?；窘Y構如圖1所示。

1.2 顏色識別電路

C8051F023是*集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，屬于Cygnal公司的C8051F系列，采用高速、流水線指令結構，且與8051內(nèi)核兼容，速度高達25MIPS，且70%的指令可在1～2個系統(tǒng)時鐘周期內(nèi)完成；內(nèi)含64字節(jié)可在系統(tǒng)編程FLASH存儲器和4 352（4 096+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM，包括多通道10位可編程ADC，且具有兩個可編程數(shù)據(jù)更新方式的12位ADC，在設計復雜系統(tǒng)時無需擴展A/D、D/A轉換器和外部存儲器，優(yōu)勢明顯[3]。

由圖1可知，系統(tǒng)分別由3個顏色傳感器TCS230獲得紅、綠、藍三基色（RGB），紅色電壓信號由C8051F023單片機的P0.0～P0.4、P1.0輸入，綠色電壓信號由P1.1～P1.6輸入，藍色電壓信號由P2.0～P2.5輸入，P0.5、P0.6、P0.7、P3.0～P3.7與HTG240160C液晶顯示器的AD、A0、WR、D0～D7引腳連接，如圖2所示。

1.3 顏色識別原理

由圖1和圖2可知，顏色數(shù)據(jù)采集器的原理：位于透鏡焦點上的白色光源發(fā)出的光，經(jīng)透鏡組后變成平行光束，經(jīng)過由折射率接近1的有機玻璃組成的矩形槽體（槽內(nèi)為農(nóng)藥殘留萃取液）后，射到紅、綠、藍3個濾色片上，再投射到對應的TCS230顏色傳感器上，傳感器組輸出的三基色電壓信號由單片機C8051F023進行運算和處理，液晶顯示器HTG240160C顯示被測水果、蔬菜農(nóng)藥殘留度以及是否安全食用。

TCS230芯片各個引腳的功能：S0、S1用于選擇輸出比例因子或電源關斷模式；S2、S3用于選擇濾波器的類型；OE是頻率輸出或多個芯片的片選信號使能端；OUT是頻率輸出引腳。表1為S0、S1和S2、S3的組合狀態(tài)表[4]。2 顏色數(shù)據(jù)庫的建立

2.1 三基色及混色原理

通常人們所看到的物體顏色，是物體表面吸收了照射在該物體上面的白光中的一部分有色成分，而人眼中看到的是該物體反射出的另一部分有色光。白色光包含著各種顏色的色光，是由各種頻率的可見光混合在一起構成的。根據(jù)德國物理學家赫姆霍茲（Helinholtz）的三基色理論可知，各種顏色是由不同比例的三基色（紅、綠、藍）混合而成，如圖3所示[5]。

根據(jù)色譜學和配色原理，白光E的配色方程為

FLE=1[R]+1[G]+1[B] （1）

即一份[R]、一份[G]和一份[B]配出1份E白光；

任意一種彩色光的配色方程為：

FL=R[R]+G[G]+B[B] （2）

其中，R、G、B表示三基色的三色系數(shù)，其比值決定了待配彩色的色調(diào)。

色光的亮度等于各混合分量亮度之代數(shù)和，亮度方程：

YL=aR+bG+cB （3）

其中，a、b、c分別為紅、綠、藍的色度比例系數(shù)，其值可有試驗測得。

2.2 白平衡校正

白色是由等量的紅色、綠色和藍色混合而成的，但實際上在白光照射下TCS320顏色傳感器輸出的R、G、B并不相等，通常綠色傳感器輸出會更大一些，因此白平衡校正是十分必要的。在顏色數(shù)據(jù)采集器中，進行白平衡調(diào)整時將無色透明的蒸餾水裝入有機玻璃槽體內(nèi)，白色光源發(fā)出的光經(jīng)矩形槽體照射到傳感器組上，分別測得紅色、綠色和藍色的數(shù)值，然后就可計算出需要的3個調(diào)整參數(shù)。

白平衡校正的3個參數(shù)的計算方法為：當白光照射在TCS230傳感器上時，對輸出脈沖進行計數(shù)，當計數(shù)到255時停止計數(shù)，分別計算每個通道所用時間。這些時間對應于實際測試時TCS230每種濾波器所采用的時間基準，則脈沖數(shù)就是所對應的R、G和B[6]。

2.3 顏色數(shù)據(jù)庫建立

首先要配出32種標準顏色的水，對每一種水進行100次測量，獲取公式（3）中的值，從而得到水顏色的訓練庫，不同水（農(nóng)藥殘留萃取液）顏色與果蔬農(nóng)藥殘留度有對應關系，通過單片機C8051F023的運算和處理，實現(xiàn)果蔬農(nóng)藥殘留數(shù)據(jù)的顯示和無線遠程收發(fā)等功能。32種標準顏色如表2所示。

3 樣本訓練

1）初始化。將小波伸縮因子aj、平移因子bj、網(wǎng)絡連接權重wjk和wij、閾值wj0和wi0賦予隨機初始值。

2）隨機選取一組輸入和目標樣本xp=（xp1，xp2，…xpk，…xpm）、yp=（yp1，yp2，…ypk，…ypn）提供給網(wǎng)絡。

3）用輸入樣本xp=（xp1，xp2，…xpk，…xpm）、連接權wjk和閾值wj0、小波參數(shù)aj和bj計算中間層各單元的輸入netj，然后用netj通過小波函數(shù)？鬃（t）計算中間層各單元的輸出Bj。

7）重新從步驟（3）開始學習，直到樣本總體誤差小于預先設定的一個極小值，即網(wǎng)絡收斂；或達到預先設定的大訓練次數(shù)，網(wǎng)絡就無法收斂。

8）訓練結束[7]。

4 結論

該顏色識別系統(tǒng)利用3塊顏色傳感器TCS230分別獲得三基色的電壓信號，由單片機C8051F023存儲的顏色數(shù)據(jù)庫進行識別，采用BP小波基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡算法進行模式訓練和模式識別，提高了果蔬農(nóng)藥殘留萃取液顏色數(shù)據(jù)采集的速度和性。該系統(tǒng)具有成本低、體積小、檢測快、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，因此還可以用于其他液體顏色的識別，如用來監(jiān)測海洋、江河、湖泊水的污染，也可用于涂料、印刷、紡織等行業(yè)顏色的識別。因此，該系統(tǒng)具有可開發(fā)的實際應用價值，應用前景廣闊[8]。