Objektfarben erkennen mit Arduino Nano und TCS3200-Sensor

Komponenten und Zubehör

Arduino Nano R3	×	1
Farbsensor-Modul (TCS3200)	×	1
I2C-LCD-Display 16×2 (weiß auf blau)	×	1
Steckbrett (Breadboard)	×	1

Apps und Onlinedienste

• Arduino IDE

Projektbeschreibung

In diesem Tutorial lernen Sie, wie Sie mit einem Arduino und dem TCS3200-Sensor Farben auslesen und auf einem LCD anzeigen können. Das Projekt ist Teil einer größeren Anwendung: Ein Roboterarm soll basierend auf der erkannten Objektfarbe eine passende Aktion ausführen.

Schritt 1: Stückliste (Bill of Materials)

Die folgenden Links und Preise dienen nur als Referenz:

• Arduino Nano (ca. 8,00 USD)
• TCS3200-Farbsensor-Modul (ca. 9,00 USD)
• I2C/TWI 1602 serielles LCD-Modul mit blauer Hintergrundbeleuchtung (ca. 8,00 USD)
• Steckbrett (ca. 2,00 USD)
• Verbindungskabel

Schritt 2: Der TCS3200-Farbsensor

Laut Datenblatt ist der TCS3200 ein programmierbarer Licht-zu-Frequenz-Wandler, der konfigurierbare Silizium-Photodioden und einen Strom-zu-Frequenz-Wandler auf einem einzigen monolithischen CMOS-Chip vereint.

Der Ausgang ist eine Rechteckwelle (50 % Tastverhältnis) mit einer Frequenz, die direkt proportional zur Lichtintensität (Bestrahlungsstärke) ist. Der volle Ausgangsfrequenzbereich kann über zwei Steuerpins (S0 und S1) auf einen von drei voreingestellten Werte skaliert werden. Digitale Ein- und Ausgänge ermöglichen den direkten Anschluss an einen Mikrocontroller.

Der Output-Enable-Pin (OE) versetzt den Ausgang in den Hochohm-Zustand, sodass mehrere Sensoren einen Mikrocontroller-Eingang teilen können. Der TCS3200 liest ein 8×8-Array von Photodioden aus:

• 16 Photodioden mit Blaufilter
• 16 Photodioden mit Grünfilter
• 16 Photodioden mit Rotfilter
• 16 Photodioden ohne Filter (Clear)

Die Pins S2 und S3 wählen aus, welche Photodioden-Gruppe (Rot, Grün, Blau, Clear) aktiv ist. Die Photodioden messen 110 µm × 110 µm und sind im 134-µm-Raster angeordnet.

Der OE-Pin (Enable) sollte auf GND (LOW) gelegt werden. Der Sensor arbeitet mit 2,7–5,5 VDC; wir nutzen die 5-V-Ausgangsspannung des Arduino. Um seitliches Streulicht auszublenden, empfiehlt sich ein kleiner Gummiring (z. B. mit Heißkleber befestigt).

Schritt 3: Hardware-Verdrahtung

TCS3200-Sensor an Arduino Nano:

• S0 → Nano Pin D4
• S1 → Nano Pin D5
• S2 → Nano Pin D6
• S3 → Nano Pin D7
• OUT → Nano Pin D8
• EN → GND
• VCC → +5 V
• GND → GND

I2C-LCD 16×2 Serielles Display:

• SDA → Nano Pin A4
• SCL → Nano Pin A5

Setzen Sie den Arduino Nano auf das Steckbrett. Verbinden Sie die 5-V-Ausgangs- und GND-Pins des Nano mit beiden Stromschienen.

Schritt 4: Arduino-Code

Frequenzskalierung einstellen

Zunächst wird die Frequenzskalierung über S0 und S1 festgelegt. Wir wählen 100 % (beide HIGH):

digitalWrite(s0, HIGH);
digitalWrite(s1, HIGH);

Farbkanäle auslesen

Über S2 und S3 wird der auszulesende Farbkanal gewählt (Photodioden sind parallel geschaltet):

// Rot auslesen
digitalWrite(s2, LOW);
digitalWrite(s3, LOW);
red = pulseIn(outPin, LOW);

// Grün auslesen
digitalWrite(s2, HIGH);
digitalWrite(s3, HIGH);
grn = pulseIn(outPin, LOW);

// Blau auslesen
digitalWrite(s2, LOW);
digitalWrite(s3, HIGH);
blu = pulseIn(outPin, LOW);

Im finalen Code werden mehrere Messungen pro Kanal gemittelt, um Ausreißer zu reduzieren.

Farbklassifizierung

Nach dem Auslesen der drei RGB-Komponenten wird die Farbe durch vorherige Kalibrierung bestimmt. Mit bekannten Farbvorlagen werden die Schwellenwerte ermittelt. Beispiel für eine Kalibrierung:

void getColor() {
  readRGB();
  if (red > 8 && red < 18 && grn > 9 && grn < 19 && blu > 8 && blu < 16)
    color = "WEISS";
  else if (red > 80 && red < 125 && grn > 90 && grn < 125 && blu > 80 && blu < 125)
    color = "SCHWARZ";
  else if (red > 12 && red < 30 && grn > 40 && grn < 70 && blu > 33 && blu < 70)
    color = "ROT";
  else if (red > 50 && red < 95 && grn > 35 && grn < 70 && blu > 45 && blu < 85)
    color = "GRUEN";
  else if (red > 10 && red < 20 && grn > 10 && grn < 25 && blu > 20 && blu < 38)
    color = "GELB";
  else if (red > 65 && red < 125 && grn > 65 && grn < 115 && blu > 32 && blu < 65)
    color = "BLAU";
  else
    color = "KEINE_FARBE";
}

Hier sind sechs Farben vordefiniert: Weiß, Schwarz, Rot, Grün, Gelb, Blau. Bei abnehmendem Umgebungslicht verschieben sich die Werte tendenziell nach oben.

In der loop() wird das LCD alle 1 Sekunde aktualisiert. Der vollständige Code ist auf GitHub verfügbar.

Schritt 5: Fazit

Ich hoffe, dieses Projekt hilft anderen, den Einstieg in die spannende Welt der Elektronik, Robotik und IoT zu finden!

• GitHub (aktuelle Dateien): Color Detector
• Blog mit weiteren Projekten: MJRoBot.org

Grüße vom anderen Ende der Welt!
Bis zum nächsten Tutorial!
Marcelo

Code-Schnipsel

RGB-Auslesung

digitalWrite(s2, LOW); digitalWrite(s3, LOW);
red = pulseIn(outPin, LOW); // Rot-Komponente
digitalWrite(s2, HIGH); digitalWrite(s3, HIGH);
grn = pulseIn(outPin, LOW); // Grün-Komponente
digitalWrite(s2, LOW); digitalWrite(s3, HIGH);
blu = pulseIn(outPin, LOW); // Blau-Komponente

Farbentscheidung

void getColor() {
  readRGB();
  if (red > 8 && red < 18 && grn > 9 && grn < 19 && blu > 8 && blu < 16)
    color = "WEISS";
  else if (red > 80 && red < 125 && grn > 90 && grn < 125 && blu > 80 && blu < 125)
    color = "SCHWARZ";
  else if (red > 12 && red < 30 && grn > 40 && grn < 70 && blu > 33 && blu < 70)
    color = "ROT";
  else if (red > 50 && red < 95 && grn > 35 && grn < 70 && blu > 45 && blu < 85)
    color = "GRUEN";
  else if (red > 10 && red < 20 && grn > 10 && grn < 25 && blu > 20 && blu < 38)
    color = "GELB";
  else if (red > 65 && red < 125 && grn > 65 && grn < 115 && blu > 32 && blu < 65)
    color = "BLAU";
  else
    color = "KEINE_FARBE";
}

Schaltplan

Fritzing-Datei: Color Detector.fzz