颜色传感器（Color Sensor）为复杂的自动化挑战提供更可靠的解决方案。它们用于包括食品和饮料、汽车和制造行业在内的各个行业，用于检测材料、检测零件上的颜色标记、验证制造过程中的步骤等。

虽然在工业应用中使用昂贵的颜色传感器，但TCS230颜色传感器等廉价传感器可用于不太严格的应用。

TCS230颜色传感器（也称为TCS3200）非常受欢迎，价格低廉且易于使用。在我们在Arduino项目中使用此颜色传感器之前，最好先了解一下颜色传感器的实际工作原理。

颜色传感器的工作原理

白光由具有不同波长的三种原色（红、绿、蓝）组成。这些颜色相互结合形成不同的颜色。

当白光落在任何表面上时，某些波长的光会被吸收，而某些波长会被反射，这取决于表面材料的特性。我们看到的颜色是波长反射回我们眼睛的结果。

现在转回到传感器，典型的颜色传感器包括一个高亮度白色LED，将调制光投射到物体上。为了检测反射光的颜色，几乎所有颜色传感器都由一个颜色敏感滤光片网格（也称为“拜耳滤光片，Bayer Filter）”）和下面的光电二极管阵列组成，如下图所示。

一个像素由4个滤镜组成，一个红色、一个蓝色、一个绿色和一个透明滤镜（无滤镜）。这种模式也被称为“拜耳模式（Bayer Pattern）”。每个滤光片仅将一种颜色的光传递到下方的光电二极管，而透明滤光片则按原样传递光，如下所示。这种通过透明滤光片的额外光是弱光条件下的主要优势。

然后处理芯片寻址每个光电二极管（一次一种颜色），并测量光的强度。由于存在光电二极管阵列，因此首先对结果进行平均，然后发送出去进行处理。通过测量红光、绿光和蓝光的相对值，可以确定物体的颜色。

TCS230颜色传感器模块

该模块的核心是来自Texas Advanced Optoelectronic Solutions公司的廉价RGB传感器芯片 - TCS230。TCS230颜色传感器是一款完整的颜色检测器，可以检测和测量几乎无限范围的可见颜色。

传感器本位于在模块的中心位置，被四个白色LED包围。模块通电时LED会亮起，用于照亮被感测的物体。借助这些LED，传感器还可以在完全黑暗的环境中工作，以确定物体的颜色或亮度。

TCS230工作在2.7至5.5伏的电源电压下，并提供TTL逻辑电平输出。

TCS230操作方式

TCS230借助8 x 8光电二极管阵列检测颜色，其中16个光电二极管具有红色滤光片，16个光电二极管具有绿色滤光片，16个光电二极管具有蓝色滤光片，其余16个光电二极管是透明的，没有滤光片。

如果您仔细观察传感器，您实际上可以看到这些过滤器。

每16个光电二极管并联连接，因此使用两个控制引脚S2和S3，您可以选择读取其中的哪个。因此，例如，如果您只想检测红色，您可以根据表格将两个引脚设置为 LOW，从而选择16个红色过滤光电二极管。

同样，您可以通过S2和S3的不同组合来选择不同类型的光电二极管。

内部电流频率转换器将来自光电二极管的读数转换为方波，其频率与所选颜色的强度成正比。典型输出频率范围为2HZ~500KHZ。

传感器还有两个控制引脚 S0 和 S1，用于缩放输出频率。频率可以缩放为2%、20%或100%三个不同的预设值。这种频率缩放功能允许传感器与各种微控制器和其他设备一起使用。您可以通过S0和S1的不同组合获得不同的比例。对于 Arduino，大多数应用程序使用20%缩放。

TCS230颜色传感器模块引脚分配

下图显示了常见TCS230模块的引脚排列。

GND 是接地引脚。

OE 是输出使能引脚。该引脚很少使用，并且在大多数模块上永久启用。如果尚未启用，则将其拉低。

S0和S1 引脚用于选择频率缩放。

S2和S3 引脚用于选择颜色阵列。

OUT 引脚为TTL电平方波。

VCC 引脚为模块供电。将其连接到2.7V至5.5V电源。

将TCS230颜色传感器连接到Arduino UNO开发板

将TCS230连接到Arduino非常简单。除输出启用引脚外，每个引脚都被使用，并且模块由Arduino的5V供电。

Arduino上使用的所有引脚都不是专用的，因为该模块不需要任何引脚特定的功能，因此如果您想使用不同的引脚，您可以直接进行修改。

校准传感器

我们实际上将使用两个草图来处理TCS230颜色传感器。

1.  第一个草图（校准草图代码）将帮助我们从传感器获取原始数据。

2.  第二个草图（主要的Arduino草图）将使用之前收到的原始数据来显示被感知颜色的RGB值。

请注意，两个草图都使用相同的硬件连接。

以下是校准草图。此草图按颜色处理TCS230传感器并读取输出引脚的脉冲宽度。然后将输出显示在串口监视器上。

将草图加载到Arduino并安装传感器，使其面向物体。首先找到白色和黑色的参考物体。这些参考物体将产生所有三种颜色的最大值和最小值的读数。

1. // Define color sensor pins
   
2. #define S0 4
   
3. #define S1 5
   
4. #define S2 6
   
5. #define S3 7
   
6. #define sensorOut 8
   
7. 
   
8. // Variables for Color Pulse Width Measurements
   
9. int redPW = 0;
   
10. int greenPW = 0;
    
11. int bluePW = 0;
    
12. 
    
13. void setup() {
    
14.         // Set S0 - S3 as outputs
    
15.         pinMode(S0, OUTPUT);
    
16.         pinMode(S1, OUTPUT);
    
17.         pinMode(S2, OUTPUT);
    
18.         pinMode(S3, OUTPUT);
    
19. 
    
20.         // Set Pulse Width scaling to 20%
    
21.         digitalWrite(S0,HIGH);
    
22.         digitalWrite(S1,LOW);
    
23. 
    
24.         // Set Sensor output as input
    
25.         pinMode(sensorOut, INPUT);
    
26. 
    
27.         // Setup Serial Monitor
    
28.         Serial.begin(9600);
    
29. }
    
30. 
    
31. void loop() {
    
32.         // Read Red Pulse Width
    
33.         redPW = getRedPW();
    
34.         // Delay to stabilize sensor
    
35.         delay(200);
    
36. 
    
37.         // Read Green Pulse Width
    
38.         greenPW = getGreenPW();
    
39.         // Delay to stabilize sensor
    
40.         delay(200);
    
41. 
    
42.         // Read Blue Pulse Width
    
43.         bluePW = getBluePW();
    
44.         // Delay to stabilize sensor
    
45.         delay(200);
    
46. 
    
47.         // Print output to Serial Monitor
    
48.         Serial.print("Red PW = ");
    
49.         Serial.print(redPW);
    
50.         Serial.print(" - Green PW = ");
    
51.         Serial.print(greenPW);
    
52.         Serial.print(" - Blue PW = ");
    
53.         Serial.println(bluePW);
    
54. }
    
55. 
    
56. 
    
57. // Function to read Red Pulse Widths
    
58. int getRedPW() {
    
59.         // Set sensor to read Red only
    
60.         digitalWrite(S2,LOW);
    
61.         digitalWrite(S3,LOW);
    
62.         // Define integer to represent Pulse Width
    
63.         int PW;
    
64.         // Read the output Pulse Width
    
65.         PW = pulseIn(sensorOut, LOW);
    
66.         // Return the value
    
67.         return PW;
    
68. }
    
69. 
    
70. // Function to read Green Pulse Widths
    
71. int getGreenPW() {
    
72.         // Set sensor to read Green only
    
73.         digitalWrite(S2,HIGH);
    
74.         digitalWrite(S3,HIGH);
    
75.         // Define integer to represent Pulse Width
    
76.         int PW;
    
77.         // Read the output Pulse Width
    
78.         PW = pulseIn(sensorOut, LOW);
    
79.         // Return the value
    
80.         return PW;
    
81. }
    
82. 
    
83. // Function to read Blue Pulse Widths
    
84. int getBluePW() {
    
85.         // Set sensor to read Blue only
    
86.         digitalWrite(S2,LOW);
    
87.         digitalWrite(S3,HIGH);
    
88.         // Define integer to represent Pulse Width
    
89.         int PW;
    
90.         // Read the output Pulse Width
    
91.         PW = pulseIn(sensorOut, LOW);
    
92.         // Return the value
    
93.         return PW;
    
94. }

复制代码

上传草图后，您将获得此类读数。记录你在两个极端情况下得到的读数。

代码说明

该草图首先定义用于连接TCS230的引脚。还定义了一些变量来表示红色、绿色和蓝色阵列的脉冲宽度。

1. #define S0 4
   
2. #define S1 5
   
3. #define S2 6
   
4. #define S3 7
   
5. #define sensorOut 8
   
6. 
   
7. int redPW = 0;
   
8. int greenPW = 0;
   
9. int bluePW = 0;

复制代码

在setup()函数中，我们将S0-S3引脚定义为输出。这些引脚将用于选择频率缩放和我们希望处理的颜色。S0和S1引脚用于将频率缩放设置为20%，这是将此颜色传感器与Arduino一起使用时的常用值。接下来，传感器输出引脚被定义为Arduino的输入。最后，我们设置串口监视器。

1. void setup() {
   
2.         // Set S0 - S3 as outputs
   
3.         pinMode(S0, OUTPUT);
   
4.         pinMode(S1, OUTPUT);
   
5.         pinMode(S2, OUTPUT);
   
6.         pinMode(S3, OUTPUT);
   
7. 
   
8.         // Set Pulse Width scaling to 20%
   
9.         digitalWrite(S0,HIGH);
   
10.         digitalWrite(S1,LOW);
    
11. 
    
12.         // Set Sensor output as input
    
13.         pinMode(sensorOut, INPUT);
    
14. 
    
15.         // Setup Serial Monitor
    
16.         Serial.begin(9600);
    
17. }

复制代码

在loop()函数中，我们调用三个函数 getRedPW()、getGreenPW() 和 getBluePW() 来获取脉冲宽度。让我们以 getRedPW() 为例进行介绍。

getRedPW() 函数获取红色脉冲宽度。首先设置S2和S3引脚以选择红色过滤器。这是此函数与其绿色和蓝色对应不同的唯一步骤。

接下来，定义一个整数来存储脉冲宽度。然后使用pulseIn()函数确定脉冲宽度。此函数测量脉冲宽度，注意我们已将其配置为测量脉冲的低电平部分的宽度。结果是以毫秒为单位的时间。然后返回该值。

1. int getRedPW() {
   
2.         // Set sensor to read Red only
   
3.         digitalWrite(S2,LOW);
   
4.         digitalWrite(S3,LOW);
   
5.         // Define integer to represent Pulse Width
   
6.         int PW;
   
7.         // Read the output Pulse Width
   
8.         PW = pulseIn(sensorOut, LOW);
   
9.         // Return the value
   
10.         return PW;
    
11. }

复制代码

回到loop()函数中，我们调用三个函数来读取颜色脉冲宽度，在它们之间添加200毫秒的延迟以使传感器稳定。然后我们在串口监视器上打印这些值。

1. void loop() {
   
2.         // Read Red Pulse Width
   
3.         redPW = getRedPW();
   
4.         // Delay to stabilize sensor
   
5.         delay(200);
   
6. 
   
7.         // Read Green Pulse Width
   
8.         greenPW = getGreenPW();
   
9.         // Delay to stabilize sensor
   
10.         delay(200);
    
11. 
    
12.         // Read Blue Pulse Width
    
13.         bluePW = getBluePW();
    
14.         // Delay to stabilize sensor
    
15.         delay(200);
    
16. 
    
17.         // Print output to Serial Monitor
    
18.         Serial.print("Red PW = ");
    
19.         Serial.print(redPW);
    
20.         Serial.print(" - Green PW = ");
    
21.         Serial.print(greenPW);
    
22.         Serial.print(" - Blue PW = ");
    
23.         Serial.println(bluePW);
    
24. }

复制代码

Arduino代码 – 从TCS230读取RGB值

完成校准后，您可以上传下一个草图，我们将从TCS230颜色传感器读取RGB值。

在上传草图之前，在草图顶部输入您从校准草图中获得的六个校准值。用您的实际值替换“0”。

1. // Define color sensor pins
   
2. #define S0 4
   
3. #define S1 5
   
4. #define S2 6
   
5. #define S3 7
   
6. #define sensorOut 8
   
7. 
   
8. // Calibration Values
   
9. // *Get these from Calibration Sketch
   
10. int redMin = 0; // Red minimum value
    
11. int redMax = 0; // Red maximum value
    
12. int greenMin = 0; // Green minimum value
    
13. int greenMax = 0; // Green maximum value
    
14. int blueMin = 0; // Blue minimum value
    
15. int blueMax = 0; // Blue maximum value
    
16. 
    
17. // Variables for Color Pulse Width Measurements
    
18. int redPW = 0;
    
19. int greenPW = 0;
    
20. int bluePW = 0;
    
21. 
    
22. // Variables for final Color values
    
23. int redValue;
    
24. int greenValue;
    
25. int blueValue;
    
26. 
    
27. void setup() {
    
28.         // Set S0 - S3 as outputs
    
29.         pinMode(S0, OUTPUT);
    
30.         pinMode(S1, OUTPUT);
    
31.         pinMode(S2, OUTPUT);
    
32.         pinMode(S3, OUTPUT);
    
33. 
    
34.         // Set Sensor output as input
    
35.         pinMode(sensorOut, INPUT);
    
36. 
    
37.         // Set Frequency scaling to 20%
    
38.         digitalWrite(S0,HIGH);
    
39.         digitalWrite(S1,LOW);
    
40. 
    
41.         // Setup Serial Monitor
    
42.         Serial.begin(9600);
    
43. }
    
44. 
    
45. void loop() {
    
46.         // Read Red value
    
47.         redPW = getRedPW();
    
48.         // Map to value from 0-255
    
49.         redValue = map(redPW, redMin,redMax,255,0);
    
50.         // Delay to stabilize sensor
    
51.         delay(200);
    
52. 
    
53.         // Read Green value
    
54.         greenPW = getGreenPW();
    
55.         // Map to value from 0-255
    
56.         greenValue = map(greenPW, greenMin,greenMax,255,0);
    
57.         // Delay to stabilize sensor
    
58.         delay(200);
    
59. 
    
60.         // Read Blue value
    
61.         bluePW = getBluePW();
    
62.         // Map to value from 0-255
    
63.         blueValue = map(bluePW, blueMin,blueMax,255,0);
    
64.         // Delay to stabilize sensor
    
65.         delay(200);
    
66. 
    
67.         // Print output to Serial Monitor
    
68.         Serial.print("Red = ");
    
69.         Serial.print(redValue);
    
70.         Serial.print(" - Green = ");
    
71.         Serial.print(greenValue);
    
72.         Serial.print(" - Blue = ");
    
73.         Serial.println(blueValue);
    
74. }
    
75. 
    
76. 
    
77. // Function to read Red Pulse Widths
    
78. int getRedPW() {
    
79.         // Set sensor to read Red only
    
80.         digitalWrite(S2,LOW);
    
81.         digitalWrite(S3,LOW);
    
82.         // Define integer to represent Pulse Width
    
83.         int PW;
    
84.         // Read the output Pulse Width
    
85.         PW = pulseIn(sensorOut, LOW);
    
86.         // Return the value
    
87.         return PW;
    
88. }
    
89. 
    
90. // Function to read Green Pulse Widths
    
91. int getGreenPW() {
    
92.         // Set sensor to read Green only
    
93.         digitalWrite(S2,HIGH);
    
94.         digitalWrite(S3,HIGH);
    
95.         // Define integer to represent Pulse Width
    
96.         int PW;
    
97.         // Read the output Pulse Width
    
98.         PW = pulseIn(sensorOut, LOW);
    
99.         // Return the value
    
100.         return PW;
     
101. }
     
102. 
     
103. // Function to read Blue Pulse Widths
     
104. int getBluePW() {
     
105.         // Set sensor to read Blue only
     
106.         digitalWrite(S2,LOW);
     
107.         digitalWrite(S3,HIGH);
     
108.         // Define integer to represent Pulse Width
     
109.         int PW;
     
110.         // Read the output Pulse Width
     
111.         PW = pulseIn(sensorOut, LOW);
     
112.         // Return the value
     
113.         return PW;
     
114. }

复制代码

加载草图并使用不同颜色的样本观察结果。如有必要，您可以对校准值进行微调。

代码说明

您会注意到此草图的大部分内容与之前的草图完全相同。首先在到草图顶部，输入您从校准草图中获得的六个校准值。

1. // Calibration Values
   
2. int redMin = 0; // Red minimum value
   
3. int redMax = 0; // Red maximum value
   
4. int greenMin = 0; // Green minimum value
   
5. int greenMax = 0; // Green maximum value
   
6. int blueMin = 0; // Blue minimum value
   
7. int blueMax = 0; // Blue maximum value

复制代码

为输出的RGB值定义了三个新变量。

1. int redValue;
   
2. int greenValue;
   
3. int blueValue;

复制代码

在loop()函数中，我们使用之前草图中使用的相同函数读取每个值。然后我们使用Arduino的map()函数将这些值转换成RGB值，使用我们的校准值作为参考。

请注意，我们已经反转了范围（最小值映射到255，最大值映射到0），因为我们的函数返回脉冲宽度，而不是频率。

1. // Read Red value
   
2. redPW = getRedPW();
   
3. // Map to value from 0-255
   
4. redValue = map(redPW, redMin,redMax,255,0);
   
5. // Delay to stabilize sensor
   
6. delay(200);

复制代码

最后，我们在串口监视器上输出值。这些最终读数将对应于被扫描物体的RGB值。