Cảm biến màu sắc: Nguyên lý và Ứng dụng

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..........................................................................................................3
I.

Giới thiệu về cảm biến màu..............................................................................4

II.

Đặc điểm, Ứng dụng...................................................................................... 4
II.1. Đặc điểm........................................................................................................4
II.2. Ứng dụng.......................................................................................................5

III.

Cơ chế hoạt động của cảm biến màu............................................................5

IV.

Thiết kế một hệ thống cảm biến màu...........................................................7

IV.1. Bộ chuyển đổi ánh sáng..............................................................................8
IV.2. Mạch ghép nối........................................................................................... 10

Tài liệu tham khảo................................................................................. 12

LỜI MỞ ĐẦU
Xã hội ngày một phát triển, các ngành cơng nghiệp, tự động hóa cũng ngày càng
phát triển thêm, khi đó, cảm biến đóng một vai trị quan trọng trong từng thiết bị,
máy móc mà con người sử dụng với nhiều chức năng khác nhau. Có rất 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 là loại cảm biến phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong các
nhành dệt may, công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là trong thị trường điện thoại và
các thiết bị thông minh.


I.

Giới thiệu về cảm biến màu

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.
Cảm biến màu lấy tích phân trên tồn diện tích của điểm sáng. Vì thế, nếu một
khoảng sáng có hai màu, cảm biến sẽ "xem xét" độ tổ hợp của các màu hơn hơn
là phân tích từng màu riêng biệt. Đây là một cân nhắc rất quan trọng trong các
ứng dụng nơi mà điểm cần phân tích có họa tiết hoặc ở dạng mảng màu như các

hạt gỗ hoặc nhiều màu sắc như trong nỉ làm ghế xe ôtô. Trong những ứng dụng
như vậy, cảm biến cho nguồn sáng với điểm sáng lớn lớn với khả năng cho
phép lấy tín hiệu trên một diện tích lớn sẽ phù hợp hơn.
Những ứng dụng như phân loại sản phẩm thường dựa trên vài màu cơ bản, có
thể được thực hiện với những cảm biến màu đơn giản. Những ứng dụng phức
tạp hơn cần phần điều khiển thông minh hơn cho những cảm biến với đầy đủ
tính năng.

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 bộ lọc màu sắc khác nhau và dạng tần số xuất ra.


Dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển.
Điện áp đầu vào 2.7-5.5V.
Khả năng chống nhiễu mạnh, đèn LED màu trắng có thể điều khiển bật/tắt
II.2. Ứng dụng
Một số ngành cơng nghiệp như thực phẩm và đồ uống, thương mại và tiêu
dùng in ấn, điện tử tiêu dùng, ô tô, dược phẩm và chăm sóc sức khỏe, hóa chất,
dệt may đang sử dụng các cảm biến này để xác định các biến thể của màu sắc.
Nhu cầu về các cảm biến màu sắc trong ngành cơng nghiệp dệt cũng tăng lên
vì các cảm biến này có thể phát hiện tơng màu của vải và tương tự như vậy để
kiểm soát chất lượng vải. Nhu cầu và quy định về các ngành cơng nghiệp bao bì,
thực phẩm và đồ uống an tồn và hiệu quả đang tích cực triển khai các cảm biến
phát hiện màu đặc biệt là trong các nhãn hiệu màu và các ứng dụng phát hiện
đăng ký.

Hơn nữa, sự phát triển của thị trường điện thoại thông minh và máy tính bảng
được thiết lập để tăng nhu cầu về cảm biến phát hiện màu. Các cảm biến này tạo
thành một bộ phận không thể tách rời của các thiết bị di động để phát hiện các
thành phần màu sắc, độ sáng và độ sáng màu của ánh sáng xung quanh.
Ưu điểm: chi phí thấp và cảm biến màu đơn giản được ưu tiên hơn các giải
pháp tinh vi cho các ứng dụng ít địi hỏi hơn.
Thường thì người ta quan tâm đến chi phí và mức độ tiêu thụ điện năng.
Hệ thống được đề xuất có khả năng phân biệt lên đến tám màu khác nhau và do
đó, nó được nhắm mục tiêu cụ thể cho các ứng dụng tự động, nơi ít sản phẩm
màu cần được phát hiện.

III. Cơ chế hoạt động của cảm biến màu
Nguyên tắc phát hiện nhúng trong hệ thống cảm biến màu dựa trên đặc tính
phản xạ của một bề mặt màu, như được miêu tả trong Hình 1.


Hình 1. Nguyên tắc phát hiện màu bề mặt dựa trên phản xạ.
 Cảm biến màu gồm 3 màu cơ bản: đỏ (Red), xanh lục (Green), xanh lam
(Blue) và photodetector.
Để phát hiện màu sắc, cảm biến chiếu sáng từng đối tượng bằng các màu lần lượt
R, G, B theo chu kỳ. Vì chu kỳ này quá nhanh nên mắt mặt người cảm nhận thấy
cảm biến phát ra màu trắng. Mỗi ánh sáng phát ra thì phản xạ lại hoặc bị vật hấp
thụ. Máy dò ánh sáng ( light detector) sẽ phát hiện ánh sáng có bị phản xạ hay
khơng. Nó kiểm tra xem các màu khác có phản xạ ánh sáng lại không. Các giá trị
(đo) hiển thị xác định màu sắc của đối tượng. Vật màu xanh lam phản xạ màu xanh
lam và hấp thụ màu đỏ và xanh lục. kết thúc cảm biến “màu xanh lam”.
Khả năng khác: kết hợp. Ví dụ: vật màu vàng sẽ phản xạ lại màu đỏ và xanh lục,
nó hấp thụ màu xanh lam. Nếu khơng có màu phản xạ kết thúc cảm biến “khơng có
màu” có nghĩa vật có màu đen hoặc khơng có vật.
 Màu sắc của một vật được thể hiện bởi màu mà nó cho truyền qua và nó

hấp thụ tất cả các màu cịn lại.
Ví dụ. Ánh sáng đỏ phản chiếu bắt đầu trên photodiode tạo ra điện áp đầu ra
tương ứng là điển hình của màu đỏ phản xạ. Bằng cách phân tích điện áp đầu ra
này bằng cách sử dụng một mạch ghép nối, màu sắc có thể được xác định.
Cảm biến màu sắc phụ thuộc:
+ Detector: để nhận biết màu sắc hiệu quả, nhưng photodiode là nhân tố phát hiện
màu chính
+ Nguồn sáng: nguồn thích hợp nhất là ánh sáng trắng gần như thuần khiết (nghĩa là
ánh sáng ban ngày D65)


+ Vật được chiếu sáng (màu đen và trong suốt): Các bề mặt nhám, bóng hoặc bẩn
làm cho việc phát hiện khá phức tạp vì thuộc tính phản xạ của chúng khác nhau và
nguồn ánh sáng ảnh hưởng đến độ bão hòa màu của đối tượng được phát hiện.
Photodiode là nhân tố phát hiện màu chính. Cường độ dịng ánh sáng tối đa được
xác định bởi công thức:
���
��ℎ
�.�
= (1 − �). (1 − � ). �.
ℎ.
Trong đó:



R: Độ phản xạ bề mặt của photodiode.
a: hệ số hấp thụ của vật liệu (làm photodiode).
d: chiều dày từ bề mặt silicon.
���: công suất của ánh sáng tới.
h: hằng số plank, ℎ = 6,602.10−34�. �

: Tần số của sóng tới.

IV.

Thiết kế một hệ thống cảm biến màu

Hệ thống cảm biến màu được kết hợp đầu dò và mạch ghép nối chuyên dụng.
Như được mơ tả trong 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 và 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: bộ xử lý tín hiệu số để nhận biết các màu sắc, có thể bao gồm một
bộ nhớ, mảng so sánh kỹ thuật số, các đơn vị số học (và vân vân) để tạo ra
kết quả màu cuối cùng.


Hình 2. Sơ đồ khối phát hiện màu bề mặt dựa trên phản xạ
Ở đây, hệ thống đã được giảm số lượng thành phần bằng cách lưu trữ bảng màu
(ánh xạ giữa màu sắc và điện áp đầu ra) với biến trở hoạt động như bộ nhớ tương
tự và tạo mã màu kỹ thuật số bằng cách sử dụng bộ ADC nhúng.
IV.1. Bộ chuyển đổi ánh sáng
- Một thiết bị ngun khối OPT301 (hình bên dưới), một mạch tích hợp quang
điện tử có chứa một phần tử cảm biến ánh sáng (photodiode) và một bộ khuếch đại
trở kháng vận chuyển (transimpedance) trên một thiết bị nguyên khối.
- Sự đáp ứng của photodiode phụ thuộc vào bước sóng và cơng suất bức xạ của
ánh sáng tới.


- Phản ứng quang điện so với bước sóng được chuẩn hóa với cơng suất tới được

thể hiện trong Hình 3. Sự khuếch đại độ nhạy được điều chỉnh bằng điện trở hồi
tiếp
��sao cho điện áp quang đầu ra là kết quả của dòng quang điện
��ℎ� và �� : (��ℎ� = ��ℎ�. � � )

Hình 3. OPT301 photodiode và sựu đáp ứng có thể điều chỉnh quang điện của nó.


IV.2. Mạch ghép nối
Hình 4. Mạch ghép nối của cảm biến màu

- Mạch ghép nối dựa trên một bộ ADC lóe sáng giả để đáp ứng được các
yêu cầu của ứng dụng được nhắm tới.
- Thật vậy, việc lựa chọn một cấu trúc ADC cụ thể luôn được thúc đẩy bằng
các yêu cầu thiết kế. Đối với các ứng dụng tốc độ cao, độ phân giải thấp,
cấu trúc lóe sáng là một tiếp cận đầy hứa hẹn, cho các ứng dụng như mạng
cảm biến không yêu cầu tốc độ cao và có thể chịu đựng độ trễ dữ liệu
nhưng có yêu cầu công suất cực thấp, Bộ ghi xấp xỉ liên tiếp (SAR) ADC
thường được sử dụng. Thường thì các nhà thiết kế sẽ kết hợp các tính năng
của một hay nhiều cấu trúc để đạt được hiệu suất mong muốn.
- Ở đây, ADC được thiết kế đưa ra sự cân bằng giữa mức tiêu thụ điện năng
và tốc độ bằng cách kết hợp các tính năng của đèn flash và một ADC biến
đổi tín hiệu số.
- Bất kể số lượng màu, mạch ghép nối chỉ cần 2 bộ so sánh, N màu được xác
định. Điều này làm tối thiểu hóa cơng suất cũng như trên vùng chip, đặc
biệt là khi N màu lớn.
- Thiết kế được đề xuất sử dụng một bộ điện trở có thể điều khiển được, tạo
thành một phần của ADC để lưu trữ bảng màu. Điều này dễ dàng đạt được
khi photodiode hiển thị một giá trị V phd khơng đổi với bước sóng/ màu sắc
khác nhau. Nếu thang đo đầy đủ của ADC là 2V, chúng ta có thể ánh xạ

các


khoảng điện áp khác nhau cho các màu khác nhau như trong Bảng 1. Các
khoảng thời gian này có thể dễ dàng điều chỉnh dựa trên kết quả hiệu
chuẩn từ photodiode. Thiết kế được đề xuất sử dụng tám đèn chỉ báo nhấp
nháy như một phương tiện đơn giản nhưng rõ ràng để đưa ra kết quả đầu ra
cho người dùng thông qua 3 đến 8 bộ giải mã mỗi đèn LED biểu diễn một
màu
/ điện áp.
Bảng 1. Tham khảo khoảng giá trị điện áp và giá trị màu tương ứng

Bộ đếm thời gian làm chức năng điều chỉnh chu kỳ nhấp nháy của đèn LED.
Trong trường hợp thay đổi màu nhanh, bộ hẹn giờ giữ ngõ xuất tín hiệu trong
thời gian dài hơn để tín hiệu ra được phân biệt bằng mắt người dùng. Nếu
khơng giữ tín hiệu ra không đổi, bộ đếm thời gian giới hạn chu kỳ cơng suất
để các đèn LED khơng kéo dịng điện liên tục bằng cách giảm tản nhiệt. Thiết
kế cũng kết hợp một bộ lấy mẫu sau bộ tách sóng quang để đảm bảo phát hiện
màu động (thời gian thay đổi) với ít lỗi nhất.


Tài liệu tham khảo
1, Design and Characterization of Automated Color Sensors System
/>2, Color Sensor Module />title=Color_Sensor_Module
3, />4, />