摘要：科技的创新推进了人类社会的进步和文明,随着色标传感器在工业生产中的广泛应用,人们对色标传感器的研究逐渐深入,色标传感器开始朝着智能化的方向发展。色标传感器又叫光电检测传感器(俗称光电头、光电眼),它是一种广泛应用在包装、印刷、纺织、造纸等行业的自动控制系统中,用来辨别颜色、检测色标,与其他设备一起使用,可以实现自动定位、定长、辨色、分切、纠偏、对版、计数等功能的检测装置。文就智能型色标传感器的原理与应用进行综合性的分析，同时分析智能型色标传感器设计的关键点。
关键词：智能型 色标传感器 色标检测 单片机
一、研究背景
色标传感器是一种广泛应用在包装、印刷、纺织、造纸等行业的自动控制系统中，用来辨别颜色、检测色标，与其他设备一起使用，以实现自动定位、定长、辨色、分切、纠偏、对版、计数等功能的检测装置。国内食品、药品、日用品软包装行业的迅速发展，对色标传感器的灵敏度、响应速度、可靠性等提出了新的要求，传统的由常规电路构成、采用机械式电位器调节、灵敏度需要人工调节的色标传感器已不能满足需求，而国内市场缺乏相对高端的色标传感器，这些行业只能耗费巨资采购进口的色标传感器。因此，研究精度高、可靠性好、防护等级优良、调节灵活、价格适中的具有自主产权的智能型色标传感器具有重要意义。
二、研究现状
色标传感器的智能化、数字化已成为当前行业主要的研究和发展路线。当前，智能型色标传感器的研究理念是以微处理器为控制核心，根据投射光在被测物体上反射量变化来检测物体颜色，从而形成具有信息处理、自校正、自诊断、组态、通信等智能特性的数字式传感器。其中，应用算法包括：阈值控制、二值化、按键/指示灯/输出控制、漂移补偿、自诊断、通信控制等。
其中，智能化色标传感器的研究分类涵盖了：1.白炽灯传感器。用这种光源的传感器可在很宽范围上检测颜色的微小变化，其检测电路通常都十分简单，因此可获得极快的响应速度。2.单色光源色标传感器。使用单色光源（即绿色或红色LED）的色标传感器是通过检测色标对光束的反射或吸收量与周围材料相比的不同而实现检测的。3. 全光谱色标检测器。全光谱色标检测器的性能优于三个单光源的色标检测器。全光谱色标传感器具有高灵敏度，能检测出最小的对比度。全光谱色标检测凭着色标颜色和背景颜色的灰度差异，检测出灰度改变的位置，即时输出信号。
三、关键问题及解决方案
本文通过智能型色标传感器的软硬件设计的剖析，深入解析其中存在的诸多关键问题和解决解决。
智能型色标传感器的硬件包括3个部分： (1)电源。包括外部10～30 V (DC)输入电源到传感器所需工作电压的转换、输出驱动与保护等。 (2)模拟信号调制与解调。包括光源调制、光电转换、前置放大、带通滤波、相关器、电平平移等。 (3)单片机系统。包括调制与解调参考方波产生、按键与指示灯、输出控制、AD与DA转换、二值化、通信等电路。
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色标检测要求光源具有稳定的发光强度。除了在选型上选择温度变化比较小的的器件外，还需要在电路上将以补偿，以提高光强稳定性。可采用具有恒流驱动特性和温度补偿特性的共发射极驱动电路。同步相干检测电路包括单端转差分输出、开关乘法、低通滤波三个部分。并由单片机控制电路状态，结合电路配置实现电路双极性输出，并带有上电延迟、驱动管的过载保护和电涌、反极性保护三个功能。
软件系统主要由主程序、实时时钟1ms定时中断服务程序、串口中断服务程序以及比较器中断服务程序构成。具体编程过程从略。
在色标传感器的设计中，为了提高仪器精度，需要做好抗干扰设计。干扰源、干扰耦合通路以及敏感设备是构成电磁干扰必备的3个要素。抑制干扰源、阻断耦合以及提高敏感设备的抗扰阈值是解决电测兼容问题的根本措施。
为了提高色标传感器的抗干扰能力，考虑一下几点措施：1.合理设计布局电路，增强系统内部电磁兼容：(1)满足功能实现的条件下尽可能降低逻辑器件的工作频率，减小数字设备的高频干扰。(2)器件选型上,选择噪声容限高的器件,在封装形式上尽可能选用抗干扰能力强、体积小的贴片封装。(3)在集成芯片的电源和地两端增加旁路电容和去耦电容。(4)线路板的合理布局和布线，包括良好的接地。(5)抑制地回路干扰，必要时使用光电隔离。(6)软件上，通过看门狗防止程序“跑飞”，对数据进行范围测试，数据校验，数字滤波等。2.光干扰的抑制。主要有2类方法：①光学方法,如,设计光学透镜系统使接收器只对特定范围内的光线敏感，用滤光镜滤除杂光，采用偏振光等；②电路方法，如，采用调制光源并在电路上采用相干检测，通过电路滤波滤除干扰光引起的电信号等。3.电磁屏蔽。对关键电路(模拟信号处理部分)单独设置屏蔽层。4.滤波。通过电源滤波降低电源线上串入的干扰，另一方面在信号处理中增加电路滤波以及软件滤波。5.正确设计、安装传感器的连接引线。6.降低传感器的对外干扰。
在可靠性上，可以采取的措施有：硬件上(1)采用工业级器件。(2)增加输入输出保护。(3)确保器件功耗和封装相符，并考虑散热。软件上(1)提高代码可靠性(2)漂移补偿(3)自诊断功能，如过载检测(4)确保上电和低压时单片机能可靠复位(5)使用看门狗，防止程序跑飞(6)传感器参数的冗余备份及数据校验。
四、讨论与展望
传感器的智能化已成为传感器技术的一个重要发展方向。以单片机作为传感器控制核心，充分利用其片上资源，将是数字式色标传感器的主要模式。同时，作为智能型色标传感器的发展方向，新型的智能型色标传感器在通信接口上还将支持IEEE 1451智能传感器接口标准，以满足智能传感器系统的需求，实现“即插即用”。
参考文献
[1]李万军等，“智能型色标传感器的研制”，数据采集与处理，第23卷，2008
[2]王良等，“色标传感器工作原理初探”，中国井矿盐，第39卷，2008
[3]杨永才等，光电信息技术[M].第2版.上海：东华大学出版社，2009.1
论文作者:杨丽昆,温翔宇
论文发表刊物:《基层建设》2017年3期
论文发表时间:2017/5/4
标签：传感器论文; 色标论文; 电路论文; 干扰论文; 光源论文; 器件论文; 光谱论文; 《基层建设》2017年3期论文;