畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于tcs230顏色傳感器的色彩識(shí)別器的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</b></p><p>　圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：</p><p>　密 級(jí)：</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)向高速化、自動(dòng)化方向的發(fā)展，色彩識(shí)別廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)控制領(lǐng)域，而生產(chǎn)過(guò)程中長(zhǎng)期以來(lái)由

2、人眼起主導(dǎo)作用的顏色識(shí)別工作將越來(lái)越多地被相應(yīng)的顏色傳感器所替代。如：各種物體表面顏色識(shí)別（產(chǎn)品包裝色標(biāo)檢測(cè)，產(chǎn)品外表特征顏色的檢測(cè)，液體溶液顏色變化過(guò)程的檢測(cè)與控制，等等）。而本文就是介紹如何通過(guò)使用TCS230顏色傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)色彩識(shí)別的功能的。</p><p>　　首先，通過(guò)了解一定深度的光與顏色的知識(shí)（主要是三原色的感應(yīng)原理）以及深入學(xué)習(xí)研究TCS230識(shí)別顏色的原理，實(shí)現(xiàn)TCS230顏色傳感器測(cè)量顏色的功

3、能。其次，對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成RGB三種顏色光數(shù)值。最后，通過(guò)LCD將經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。 本設(shè)計(jì)具有體積小、成本低、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。</p><p>　　關(guān)鍵字：TCS230顏色傳感器；AT89S51單片機(jī)；LCD1602；色彩識(shí)別</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　As the mode

4、rn industrial production to high-speed, automatic direction of development, color recognition is widely used in various industrial areas of detection and automatic control, and the production process has long played a le

5、ading role by the human eye color will be more and more recognition Be replaced by the corresponding color sensor. Such as: all kinds of surface color recognition (detection of color product packaging, the products look

6、like the color of the test, the liquid solution, </p><p>　　First, by understanding light and color of a certain depth of knowledge (mainly primary colors of the induction principle) and identify the color-de

7、pth study of the principles TCS230, TCS230 color sensor to achieve the function of color. Secondly, the measured data is processed, converted into RGB three colors of light values. Finally, the LCD will be processed by t

8、he data displayed. The design has the characteristics of small size, low cost, functionality and so on.</p><p>　　Keywords TCS230 Color-Sensor AT89S51 MCU Color-Recognition</p><p><b>

9、　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要II</b></p><p><b>　　1 緒 論3</b></p><p>　　1.1 研究背景3</p><p>　　1.2 色彩識(shí)別及顏色傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)3</p><p>　　1

10、.2.1 顏色識(shí)別技術(shù)的研究成果3</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)顏色傳感器的研究成果與動(dòng)態(tài)4</p><p>　　1.3本論文的主要工作及意義5</p><p>　　2 顏色識(shí)別及顏色傳感器技術(shù)介紹6</p><p>　　2.1 色彩識(shí)別6</p><p>　　2.2 色彩識(shí)別算法6</p&g

11、t;<p>　　2.2.1色彩識(shí)別的應(yīng)用6</p><p>　　2.2.2色彩識(shí)別一般算法6</p><p>　　2.3顏色傳感器技術(shù)7</p><p>　　2.3.1顏色檢測(cè)的難點(diǎn)7</p><p>　　2.3.2顏色傳感器8</p><p>　　2.4本章小結(jié)12</p>&

12、lt;p>　　3 基于TCS230的設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.1 MCS-51單片機(jī)簡(jiǎn)介13</p><p>　　3.2 顏色傳感器及硬件電路的連接14</p><p>　　3.2.1 顏色傳感器14</p><p>　　3.2.2 TCS230顏色傳感器與51單片機(jī)的連接15</p><p>

13、　　3.2.3 LCD1602與51單片機(jī)的連接16</p><p>　　3.3 TCS230顏色識(shí)別原理簡(jiǎn)介20</p><p>　　3.4液晶顯示器各種圖形顯示的原理簡(jiǎn)介21</p><p>　　3.5本章小結(jié)21</p><p>　　4 色彩識(shí)別器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)22</p><p>　　4.1 系統(tǒng)

14、結(jié)構(gòu)框圖22</p><p>　　4.2 TCS230驅(qū)動(dòng)模塊23</p><p>　　4.3 TCS230顏色采集模塊的設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.3.1 TCS230顏色采集模塊與51單片機(jī)的接口24</p><p>　　4.3.2 TCS230顏色采集模塊的軟件設(shè)計(jì)25</p><p>　

15、　4.4 4個(gè)白色LED補(bǔ)光模塊的設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.5 LCD1602液晶顯示模塊28</p><p>　　4.5.1 LCD1602液晶顯示模塊硬件設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.5.2 LCD1602液晶顯示模塊軟件設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.6 本章小結(jié)31</p><p&g

16、t;　　5 色彩識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)32</p><p>　　5.1色彩識(shí)別的實(shí)驗(yàn)過(guò)程32</p><p>　　5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析32</p><p>　　5.3 本章小結(jié)32</p><p>　　6 結(jié)論與展望33</p><p><b>　　6.1 結(jié)論33</b></p>

17、<p><b>　　6.2展望33</b></p><p><b>　　致謝34</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p>　　附錄 1 外文翻譯36</p><p>　　附錄2 程序代碼45</p><

18、;p>　　附錄3 電路圖48</p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 研究背景</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)向高速化、自動(dòng)化方向的發(fā)展，顏色識(shí)別廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)控制領(lǐng)域，而生產(chǎn)過(guò)程中長(zhǎng)期以來(lái)由人眼起主導(dǎo)作用的顏色識(shí)別工作將越來(lái)越多地被相應(yīng)的顏色

19、傳感器所替代。如：各種物體表面顏色識(shí)別（產(chǎn)品包裝色標(biāo)檢測(cè)，產(chǎn)品外表特征顏色的檢測(cè)，液體溶液顏色變化過(guò)程的檢測(cè)與控制，等等）。目前的顏色傳感器通常是在獨(dú)立的光電二極管上覆蓋經(jīng)過(guò)修正的紅、綠、籃濾光片，然后對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，才能將顏色信號(hào)識(shí)別出來(lái)；有的將兩者集合起來(lái)，但是輸出模擬信號(hào)，需要一個(gè)A/D電路進(jìn)行采樣，對(duì)該信號(hào)進(jìn)一步處理，才能進(jìn)行識(shí)別，增加了電路的復(fù)雜性，并且存在較大的識(shí)別誤差，影響了識(shí)別的效果。而TCS230顏色傳感器是

20、美國(guó)TAOS公司生產(chǎn)的一種可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器，比市面上見(jiàn)到的光轉(zhuǎn)電壓顏色檢測(cè)儀器在性能上有更多的優(yōu)勢(shì)。TCS230它對(duì)光的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍大于250,000～1，標(biāo)準(zhǔn)輸出頻率范圍為2Hz～500kHz，TCS230有兩個(gè)可編程的引腳，使用者可以對(duì)100%、20%、2%或者是動(dòng)力關(guān)閉模塊的輸出量程進(jìn)行選擇使用。TCS230在不需要DCs的情況下，給每個(gè)彩色通道至少能提供10字節(jié)的分辨。TCS</p><p>　

21、　1.2 色彩識(shí)別及顏色傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　顏色傳感器也叫色彩識(shí)別傳感器。</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)的顏色測(cè)量方法是采用光譜光度測(cè)色儀,通過(guò)測(cè)量樣品的三刺激值,從而得到樣品的顏色。</p><p>　　目前,基于各種原理的顏色識(shí)別傳感器有兩種基本類(lèi)型: 其一是RGB(紅綠藍(lán)) 顏色傳感器, 檢測(cè)的是三刺激值; 其二是色差傳感器,檢測(cè)被測(cè)物體與標(biāo)

22、準(zhǔn)顏色的色差。這類(lèi)裝置許多是漫反射型、 光束型和光纖型的, 封裝在各種金屬和聚碳酸酯外殼中。</p><p>　　1.2.1 顏色識(shí)別技術(shù)的研究成果</p><p>　　1). MAZET公司最新推出的顏色傳感器MTCSiCS，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顏色的識(shí)別與檢測(cè)，色彩傳感器具有高精度的3色測(cè)量(CIE)，是測(cè)量光源系統(tǒng)的出 色解決方案，其控制系統(tǒng)可以捕捉到目前的顏色狀況，然后根據(jù)圖像信號(hào)反饋的信

23、息控制并達(dá)到相應(yīng)的Yxy值。相比別的傳感器，在溫度變化的情況下，MAZET的傳感器性能不變，甚至在溫度或者能量很高的情況下、MAZET的傳感器也不會(huì)有任何老化。</p><p>　　MTCSiCS的輸出信號(hào)是數(shù)字量，可以驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)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，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度、因而不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使電路變得更簡(jiǎn)單。圖1是

24、MTCSiCS的引腳和功能框圖。從圖 1可知，當(dāng)入射光投射到MTCSiCS上時(shí)，通過(guò)光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的濾波器：經(jīng)過(guò)電流到頻率轉(zhuǎn)換器后輸出不同頻率的 方波(占空比是50％)，不同的顏色和光強(qiáng)對(duì)應(yīng)不同頻率的方波；還可以通過(guò)輸出定標(biāo)控制引腳S0、S1，選擇不同的輸出比例因子，對(duì)輸出頻率范圍進(jìn)行調(diào) 整，以適應(yīng)不同的需求。</p><p>　　2). 德國(guó)ELTROTEC色標(biāo)傳感器可以檢

25、測(cè)出顏色的差異，ELTROTEC色標(biāo)檢測(cè)器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗背景干擾能力強(qiáng)。即使顏色上的細(xì)微差異或高光澤目標(biāo)物也能夠被ELTROTEC檢測(cè)到，產(chǎn)品被廣泛的運(yùn)用于包裝機(jī)械和印刷機(jī)械，造紙機(jī)械等自控系統(tǒng)中。</p><p>　　ELTROTEC色標(biāo)檢測(cè)器適用于必須快速和準(zhǔn)確檢測(cè)色標(biāo)或其他用顏色對(duì)比作記號(hào)的場(chǎng)合。在30多種不同的灰度等級(jí)中，色標(biāo)檢測(cè)器可檢測(cè)所有類(lèi)型的色標(biāo)標(biāo)記，可給不同的用戶界面提供多種對(duì)比度檢

26、測(cè)技術(shù)，以滿足廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，是業(yè)界最佳的色彩辨識(shí)儀器。</p><p>　　3). FT50C-1顏色傳感器：自2001年，通過(guò)測(cè)試開(kāi)始投入應(yīng)用至今FT50C-1一直得到廣泛應(yīng)用。該傳感器使用直徑4mm的圓光斑。適合用于分選包裝或檢測(cè)不同類(lèi)型的標(biāo)簽。FT50C-2顏色傳感器：使用2mm的正方形光斑。適合于檢測(cè)非常微小的物體。典型應(yīng)用是：檢測(cè)小部件或檢測(cè)細(xì)致的儀器。FT50C-3顏色傳感器：使用1mm*5mm的長(zhǎng)

27、方形光斑。專(zhuān)為檢測(cè)長(zhǎng)方形物體而設(shè)計(jì)。典型應(yīng)用為：檢測(cè)導(dǎo)管內(nèi)半導(dǎo)體芯片的缺失和正確順序。</p><p>　　4）. CS顏色檢測(cè)器利用三色光方法鑒別顏色。CS顏色檢測(cè)器可以發(fā)射多種光譜組合，從而代替了傳統(tǒng)的接收端濾式寬帶光譜（易受周?chē)饩€影響）。被檢測(cè)物體的反射光線被接收并被數(shù)字化，通過(guò)集成的微處理器進(jìn)行運(yùn)算和標(biāo)準(zhǔn)化。所有的紅、綠、藍(lán)（RGB）波長(zhǎng)范圍包括所有必要色度、飽和度和亮度等信息都被包括在最后的信號(hào)值中。

28、這些測(cè)量與保存的參考值在數(shù)微秒內(nèi)進(jìn)行比較，根據(jù)結(jié)果，改變開(kāi)關(guān)輸出的狀態(tài)。顏色檢測(cè)器可利用接收光和發(fā)射光的顏色檢測(cè)而鑒別物體-例如透明物體或液體。根據(jù)工作需要，可以通過(guò)自學(xué)習(xí)模式存儲(chǔ)一個(gè)或三個(gè)顏色參考值。因?yàn)轭伾珯z測(cè)器對(duì)周?chē)饩€極度不敏感，所以檢測(cè)的可靠性不會(huì)被進(jìn)入傳感器一端的反映或光線影響。 </p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)顏色傳感器的研究成果與動(dòng)態(tài)</p><p>　　1）.

29、 四川火狐公司推出的MCS顏色傳感器是最小的三原色傳感器，由三個(gè)Si-PIN光電管以及在片濾波器集成在一起的，每個(gè)光電管都各自有三種顏色之一的濾波器。它具備小尺寸設(shè) 計(jì)，高質(zhì)量濾波器和三種顏色同步記錄的特點(diǎn)。三個(gè)不同區(qū)域的顏色識(shí)別響應(yīng)，類(lèi)似于人眼。每個(gè)光電管對(duì)相應(yīng)光譜濾波器的顏色光最敏感，主要是紅色，綠色，藍(lán)色。對(duì)高動(dòng)態(tài)工業(yè)顏色應(yīng)用（允許信號(hào)頻率到 MHz范圍），新的緊湊型顏色傳感器是首選，適合低價(jià)格快速信號(hào)處理。這種光電管的環(huán)型排列，

30、適合輔助光纖測(cè)量信號(hào)的耦合。這些傳感器提供TO5和 SOP8透明塑料或者玻璃封裝。</p><p>　　2）. 廣州創(chuàng)光電子有限公司的PDIC903B顏色傳感器主要用來(lái)檢測(cè)環(huán)境亮度水平，并通過(guò)提供高度線性的成比例輸出，來(lái)調(diào)節(jié)顯示屏幕或鍵盤(pán)的背光?？蓭椭銛y式顯示設(shè)備降低功耗，延長(zhǎng)LCD屏幕的使用壽命。這些經(jīng)濟(jì)型傳感器可以根據(jù)制造商預(yù)先設(shè)定的模式來(lái)控制便攜式LCD顯示器的背光。尺寸（寬x長(zhǎng)x高）5.0x 

31、5.0 x 1.0mm 受光面積：4.0x4.0mm 波長(zhǎng)范圍:390-700nm 峰值波長(zhǎng):620nm\550nm\470nm(三色)工作電壓：2.3-5V 靈敏度范圍：3 lx-80 klx 精確度：輸入電流500mμA時(shí)對(duì)數(shù)曲線上下偏差3% 可提供樣品。廣泛應(yīng)用于：移動(dòng)設(shè)備 PDA、移動(dòng)電話、筆記本電腦和數(shù)碼相機(jī)的鍵盤(pán)和顯示屏背光控制。</p><p>　　3）. 深圳市易創(chuàng)特自動(dòng)化設(shè)備有限公司推出的新一代

32、數(shù)字顏色傳感器TCS3414CS，不但可以偵測(cè)顏色，同時(shí)還可以偵測(cè)色溫。其應(yīng)用主要是帶有液晶屏的數(shù)碼產(chǎn)品如液晶電視，可視DVD，車(chē)載數(shù)碼產(chǎn)品，另外如筆記本電腦，手機(jī)，PMP等移動(dòng)設(shè)備也都有應(yīng)用。 其產(chǎn)品的低檔系列，以其優(yōu)良偵測(cè)精度和優(yōu)勢(shì)的價(jià)格，尤其適合玩具類(lèi)等產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應(yīng)用。</p><p>　　4）. 上海精電電子設(shè)備有限公司研發(fā)生產(chǎn)的顏色識(shí)別傳感器、色標(biāo)傳感器系列產(chǎn)品，作為國(guó)內(nèi)最專(zhuān)業(yè)的光學(xué)測(cè)量及檢測(cè)設(shè)備研發(fā)及生

33、產(chǎn)廠家特別在辨色識(shí)別，激光測(cè)距,光纖的技術(shù)上處于領(lǐng)先地位,運(yùn)用了當(dāng)今先進(jìn)的數(shù)字化背景抑制技術(shù),大大提高了測(cè)量精度和抗干擾能力,因?yàn)橛羞@樣的特點(diǎn)，使得該公司產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)有相當(dāng)占有率，依靠合理的價(jià)格更適合國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的服務(wù)理念成為少數(shù)幾家能與國(guó)外頂級(jí)品牌抗衡的高科技企業(yè)。目前生產(chǎn)的超高功率RGB數(shù)字光纖傳感器在檢測(cè)時(shí)的方便性為一般傳感器望塵莫及， RGB 顏色傳感器利用數(shù)模轉(zhuǎn)換的高精度放大器，成為業(yè)界最佳的色彩辨識(shí)，即使顏色上的細(xì)微差異或高光

34、澤目標(biāo)物也能夠輕易的檢測(cè)。</p><p>　　1.3本論文的主要工作及意義</p><p>　　本文以色彩識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)為目的，采用AT89S51單片機(jī)為核心，利用TCS230顏色傳感器和LCD1602建立起來(lái)的。文中給出整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，包括，根據(jù)對(duì)三原色的感應(yīng)原理和TCS230顏色傳感器識(shí)別顏色的原理的分析，設(shè)計(jì)出一個(gè)合適的可行的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。其次，利用TCS230顏色傳感器，在合適的環(huán)

35、境下，對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行檢測(cè)，將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。最后，將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量送到AT89S51單片機(jī)進(jìn)行處理，得到被測(cè)物體所包含的RGB三原色的顏色值，之后利用LCD1602顯示出來(lái)。</p><p>　　本文研究的色彩識(shí)別系統(tǒng)的意義在于降低了色彩識(shí)別的難度，而且檢測(cè)結(jié)果能準(zhǔn)確可信，將有利于自動(dòng)化行業(yè)以及相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)為這個(gè)領(lǐng)域以后的研究提出自己的一點(diǎn)見(jiàn)解。另外，文中實(shí)現(xiàn)的顏色識(shí)別系統(tǒng)可用于機(jī)

36、器人比賽的視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)。</p><p>　　2 顏色識(shí)別及顏色傳感器技術(shù)介紹</p><p><b>　　2.1 色彩識(shí)別</b></p><p>　　正如我們所知道的那樣，色彩實(shí)際上是頻率連續(xù)的電磁波，理論上色彩是無(wú)限的，但是人們能分辨的色彩是有限的，而且存在著個(gè)體差異。專(zhuān)業(yè)人士在設(shè)計(jì)一個(gè)色彩識(shí)別系統(tǒng)的時(shí)候，會(huì)很仔細(xì)地以5%甚至更小的區(qū)別來(lái)

37、仔細(xì)調(diào)整色彩之間的比值。當(dāng)這些類(lèi)似色并排在一起時(shí)，即使是沒(méi)有經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的普通人，除了色盲意外，都能夠看出它們之間的區(qū)別。但是當(dāng)一個(gè)色彩識(shí)別系統(tǒng)被確定并且單獨(dú)展現(xiàn)時(shí)，普通人是無(wú)法區(qū)別出這5%什么更大的差異的。因此大多數(shù)人會(huì)簡(jiǎn)單的將他們所看到的某個(gè)色彩歸類(lèi)到他們能用簡(jiǎn)單語(yǔ)言描述的一類(lèi)顏色，比如紅、黃、白，或在這個(gè)基礎(chǔ)上加以設(shè)當(dāng)?shù)膮^(qū)分，比如橘黃，有點(diǎn)發(fā)白的橘黃等。這種普通人感知的色彩可以被看作圍繞著一個(gè)核心色的一個(gè)一個(gè)的區(qū)間，在這個(gè)區(qū)間中的所有

38、顏色在色彩識(shí)別的時(shí)候，都會(huì)被看作是一種色彩。初中同一色彩識(shí)別區(qū)間的所有色彩盡管值不一樣，但是對(duì)于受眾而言是一樣的。</p><p>　　2.2 色彩識(shí)別算法</p><p>　　2.2.1色彩識(shí)別的應(yīng)用</p><p>　　在現(xiàn)今的工業(yè)化社會(huì)中，色彩識(shí)別被廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)之中，如：各種物體表面顏色識(shí)別（產(chǎn)品包裝色標(biāo)檢測(cè)，產(chǎn)品外表特征顏色的檢測(cè)，液體溶液顏色變化過(guò)

39、程的檢測(cè)與控制，等等）。又如：圖書(shū)館使用顏色區(qū)分對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行分類(lèi)，能夠極大的提高排架管理和統(tǒng)計(jì)等工作；在包裝行業(yè)，產(chǎn)品包裝利用不同的顏色或裝磺來(lái)表示其不同的性質(zhì)或用途；在品牌的形象設(shè)計(jì)和品牌推廣的競(jìng)爭(zhēng)中，色彩系統(tǒng)是一個(gè)比較重要的部分，設(shè)計(jì)師都會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間細(xì)致地調(diào)整不同色彩搭配之間的組合關(guān)系，以達(dá)到更好的視覺(jué)效果。</p><p>　　2.2.2色彩識(shí)別一般算法</p><p><b

40、>　　1). 色彩空間</b></p><p>　　通常所看到的物體的顏色, 實(shí)際上是物體表面吸收了照射到它上面的白光(日光)中的一部分有色成分,而反射出的另一部分有色光在人眼中的反應(yīng)。任何一種顏色都可以用三種基本顏色按照不同的比例混合得到。</p><p>　　這里介紹一種最典型的顏色模型,即RGB模型。如圖2.1所示,在這個(gè)顏色模型中, 3個(gè)軸分別為R、G、B。原點(diǎn)對(duì)

41、應(yīng)的為黑色(0, 0, 0),離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)白色(255, 255, 255)。 由黑到白的灰度分布在從原點(diǎn)到最遠(yuǎn)頂點(diǎn)間的連線上, 正方體的其他六個(gè)角點(diǎn)分別為紅、 黃、綠、青、藍(lán)、和品紅。需要注意的一點(diǎn)是,RGB顏色模型所覆蓋的顏色域取決于顯示設(shè)備因光電的顏色特性。每一種顏色都有唯一的RGB值與它對(duì)應(yīng)。</p><p><b>　　2). 白平衡算法</b></p>&l

42、t;p>　　顏色實(shí)際就是物體對(duì)光的反射或投射而表現(xiàn)出來(lái)在人眼中的反映, 而 TCS230 就是通過(guò)分別檢測(cè)一種顏色反映出來(lái)的光的紅、綠、藍(lán)分量, 通過(guò)把光強(qiáng)線性轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào), 量化出R、G、B值, 從而計(jì)算出顏色。值得注意的是, 不同的光線通過(guò)物體反映出來(lái)的光強(qiáng)是不同的, 而且非標(biāo)準(zhǔn)白光 (RGB三者不相等)在物體上反映出來(lái)的光強(qiáng)分量也是不同的。</p><p>　　為解決這個(gè)問(wèn)題,就要進(jìn)行白平衡, 即首

43、先測(cè)量出基準(zhǔn)光源的RGB光強(qiáng)值, 再測(cè)量出在標(biāo)準(zhǔn)光源下物體所反映出的光強(qiáng)值,兩者之比就是物體的反射(或透射)性質(zhì), 即物體的實(shí)際顏色, 如公式(1), (2), (3)。</p><p>　　R=P物紅/P源紅 (1)</p><p>　　G=P物綠/P源綠 (2)</p><p>　　B=P物藍(lán)/P源藍(lán) (3)</p><p>　　由

44、于在 RGB 坐標(biāo)下的顏色標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)為 0-255 之間,所以把所得結(jié)果乘以 255,即得到標(biāo)準(zhǔn)的 RGB 值。 透明物體直接測(cè)量光源的光強(qiáng)-頻率值,不透明物體需要用白紙測(cè)量反射光源。</p><p>　　2.3顏色傳感器技術(shù)</p><p>　　2.3.1顏色檢測(cè)的難點(diǎn)</p><p>　　物體顏色信息十分廣泛,顏色的確定需要色調(diào)、明度和飽和度三大要素或三原色(紅綠

45、藍(lán))的刺激值。影響顏色檢測(cè)準(zhǔn)確度的參數(shù)主要有:照射光、物體反射、光源方位、觀測(cè)方位和傳感器性能等,任何一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化都會(huì)導(dǎo)致觀察到的顏色發(fā)生變化。</p><p><b>　　1）.光源的影響</b></p><p>　　照射光包含有太陽(yáng)光和外界雜散光,太陽(yáng)照射角度、云層厚度和其它天氣條件都會(huì)導(dǎo)致照射光發(fā)生變化,從而導(dǎo)致被測(cè)物體顏色發(fā)生變化。</p>

46、<p>　　為彌補(bǔ)光源變化帶來(lái)的測(cè)量誤差,Judd等人在1964年提出了照射光修正模型,但盡管如此,照射光引起物體顏色檢測(cè)的誤差仍不容忽視。</p><p>　　2).光源方位和觀測(cè)方位的影響</p><p>　　光源方位,也就是被測(cè)物體指向光源的法線方向,它決定了有多少太陽(yáng)光或外界雜散光作為入射光。觀測(cè)方位是指被測(cè)物體指向傳感器的法線方向,它決定了反射到傳感器中的光強(qiáng)。<

47、/p><p>　　3).被測(cè)物表面反射狀況的影響</p><p>　　傳感器探頭與被測(cè)物之間的距離影響著輸出信號(hào),可能會(huì)造成不同顏色信號(hào)的交叉,形成測(cè)量誤差,所以存在某一最佳距離對(duì)輸出特性影響最小,以保證顏色與輸出信號(hào)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。被測(cè)物表面的較明顯凹凸區(qū)域也會(huì)給輸出信號(hào)帶來(lái)較大的誤差,為此 , Phong,Shafer和 Nayar等人先后提出了反射模型以彌補(bǔ)測(cè)量誤差。</p>

48、<p>　　2.3.2顏色傳感器</p><p>　　1）. RGB 顏色傳感器</p><p>　　RGB顏色傳感器對(duì)相似顏色和色調(diào)的檢測(cè)可靠性較高。它的測(cè)量原理示意圖如圖2.21 所示。</p><p>　　圖2.2　RGB顏色傳感器</p><p>　　在三個(gè)光電二極管上貼上三基色濾色片,三種光通過(guò)同一透鏡發(fā)射后被目標(biāo)物體

49、反射,根據(jù)測(cè)出的數(shù)據(jù)求出顏色的成分。由于這種顏色檢測(cè)法是通過(guò)測(cè)量構(gòu)成物體顏色的三基色實(shí)現(xiàn)顏色檢測(cè)的,所以精密度極高,能準(zhǔn)確區(qū)別極其相似的顏色,甚至相同顏色的不同色調(diào)。</p><p>　　RGB顏色傳感器有兩種測(cè)量模式:一種是分析紅、綠、藍(lán)光的比例。因?yàn)闄z測(cè)距離無(wú)論怎樣變化,只能引起光強(qiáng)的變化,而三種顏色光的比例不會(huì)變,因此,即使在目標(biāo)有機(jī)械振動(dòng)的場(chǎng)合也可以檢測(cè);第二種模式是利用紅綠藍(lán)三基色的反射光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目

50、的 ,利用這種模式可實(shí)現(xiàn)微小顏色判別的檢測(cè),但傳感器會(huì)受目標(biāo)機(jī)械位置的影響。無(wú)論應(yīng)用哪種模式,大多數(shù) RGB 顏色傳感器都有導(dǎo)向功能,使其非常容易設(shè)置。這種傳感器大多數(shù)都有內(nèi)建的某種形式的圖表和閾值,利用它可確定操作特性。</p><p>　　利用全色色敏器件及相關(guān)分析手段可以較精確地測(cè)定顏色,一般來(lái)說(shuō),它至少需要三個(gè)光電二極管以及三個(gè)相應(yīng)的濾光器,以獲得顏色的三刺激值,因此結(jié)構(gòu)和電路都比較復(fù)雜。</p&g

51、t;<p><b>　　2). 色差傳感器</b></p><p>　　在一些實(shí)際應(yīng)用中(如分揀、 質(zhì)量監(jiān)控等行業(yè)),并不需要確切了解被測(cè)物的具體顏色,而只需要對(duì)兩個(gè)物體的色差進(jìn)行識(shí)別與判斷,區(qū)別出從一種顏色到另一種顏色的變化。例如,對(duì)家用電器、汽車(chē)外殼的色彩管理,對(duì)紙漿、油漆、彩色鋼板等色彩進(jìn)行讀取和控制,只要檢測(cè)出兩種顏色存在一定的色差,就能將它們區(qū)分開(kāi)來(lái)。色差傳感器已發(fā)展

52、出硅雙結(jié)、 光纖、有機(jī)材料等多種,由于其價(jià)格便宜,動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果好,能實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測(cè)量,所以除染色等特殊行業(yè)外,工業(yè)上一般都采用色差傳感器。</p><p>　　硅雙結(jié)型顏色傳感器：</p><p>　　硅雙結(jié)型顏色傳感器的結(jié)構(gòu)及主要特性如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 　硅顏色傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖與特性曲線</p><p>　　圖

53、2.3(a)中所示的N-P-N是結(jié)深不同的兩個(gè)P-N結(jié)二極管,放大作用很小。淺結(jié)二極管D1是N+- P結(jié);深結(jié)二極管D2是P-N結(jié),當(dāng)有入射光照射時(shí)，N+，P，N每個(gè)區(qū)域及其間的勢(shì)壘區(qū)中都有光子吸收,根據(jù)硅的光學(xué)性質(zhì),藍(lán)紫光部分吸收系數(shù)大,經(jīng)很短距離已吸收完畢,因此淺結(jié)光電二極管對(duì)藍(lán)紫光的靈敏度高,而紅外光的透射深度則一直達(dá)到深結(jié)區(qū),因此深結(jié)光電二極管對(duì)紅外光的靈敏度高。這就是說(shuō)此結(jié)構(gòu)中的不同區(qū)域?qū)ν徊ㄩL(zhǎng)入射光具有不同的靈敏度,這一特

54、性提供了將這種器件用于顏色識(shí)別的可能性。在不同波長(zhǎng)的光照射下,兩只光電二極管電流的比值I2/I1不同, I1是淺結(jié)二極管的短路電流, I2是深結(jié)二極管的短路電流。由于單色入射光的波長(zhǎng)與色敏器件的短路電流比的對(duì)數(shù)存在近似的線性關(guān)系,即</p><p><b>　　,</b></p><p>　　式中A和B值通過(guò)對(duì)預(yù)先測(cè)定數(shù)據(jù)擬合得到。所以根據(jù)短路電流比,如圖 2.3(b

55、) 所示,就可以得到入射光的波長(zhǎng)。</p><p>　　這種傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)是:短路電流比與光強(qiáng)無(wú)關(guān),幾乎只與入射光波長(zhǎng)相關(guān)。但色敏器件的輸出電流很小,很容易受外界的干擾,因此需要對(duì)放大電路進(jìn)行屏蔽。</p><p><b>　　液晶顏色傳感器：</b></p><p>　　液晶顏色傳感器由紅外玻璃濾色片、 電子控制雙折射液晶和硅 P2N 結(jié)光

56、電二極管組成,其結(jié)構(gòu)截面如圖2.4 所示。</p><p>　　圖2.4　顏色傳感器結(jié)構(gòu)</p><p>　　傳感器的光靈敏度可近似表示為</p><p>　　Tr(λ) ～ Ir(λ)I(λ)Ph(λ) ,</p><p>　　式中Tr(λ)為傳感器的光譜靈敏度;Ir(λ)為透過(guò)紅外濾色片的光強(qiáng);I(λ)為透過(guò)液晶單元的光強(qiáng);Ph(λ)為光

57、電二極管檢測(cè)到的光強(qiáng);λ為入射光的波長(zhǎng)。透過(guò)液晶的光強(qiáng) I(λ)是加在液晶兩端電壓的函數(shù),即</p><p>　　I (λ) = I0(λ)sin2 (2ψ) sin2 (πR/λ) ,</p><p>　　R = ( ne - n0) d – Rb</p><p>　　式中d為液晶層的厚度;ne為液晶層中非常光線的折射率; n0為液晶層中尋常光線的折射率; Rb為

58、聚酯薄膜中的光延遲; R為液晶單元有效的光延遲; I0(λ)為射到液晶上的入射光強(qiáng)度;ψ為液晶分子軸在電極上的投影方向和起偏振器方向夾角。</p><p>　　其測(cè)量原理是利用紅外玻璃濾色片濾掉入射光中的紅外成分,改變液晶兩端的電壓,可以改變液晶層中的非常光折射率 ne ,從而改變光強(qiáng) I(λ)。光電二極管檢測(cè)到光強(qiáng)與存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的顏色數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,就可知所測(cè)物體的顏色。</p><p>

59、;　　用該傳感器檢測(cè)采用同樣材料編織而穿著方式不同的兩件衣服,傳感器輸出電壓的峰值有差異,這意味著這種傳感器靈敏,可分辨出非常小的顏色差別。</p><p><b>　　光纖顏色傳感器：</b></p><p>　　光纖是20世紀(jì)70年代為通信而發(fā)展的一種新型材料,與其它材料相比,光纖具有良好的傳光性能和較寬的頻帶,因而被廣泛地應(yīng)用在通信領(lǐng)域中。除此之外,光纖本身還是

60、一個(gè)敏感元件,即光在光纖中傳輸時(shí),光的特性如振幅、波長(zhǎng)(顏色)、相位、偏振態(tài)等將隨檢測(cè)對(duì)象變化而相應(yīng)變化。光從光纖射出時(shí),光的特性得到調(diào)制,通過(guò)對(duì)調(diào)制光的檢測(cè),便能感知外界的信息。為充分發(fā)揮光纖的這一特性,自70年代中期以來(lái)出現(xiàn)了許多特殊的光纖傳感器,如光纖強(qiáng)度、相位、(波長(zhǎng))顏色傳感器等。</p><p>　　光纖顏色傳感器的裝置如圖2.5 所示。</p><p>　　圖2.5　光纖顏色

61、傳感器的實(shí)驗(yàn)裝置</p><p>　　光源發(fā)出的光由透鏡耦合到光纖束,在光纖束的出射端經(jīng)分光板反射到達(dá)被測(cè)物,RGB 標(biāo)準(zhǔn)濾色片同裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn)盤(pán)上,當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),物體反射的不同波長(zhǎng)的光相繼經(jīng)過(guò)濾色片到達(dá)光探測(cè)器,從光敏管電流強(qiáng)弱,即可反映被測(cè)圖樣顏色。與傳統(tǒng)傳感器相比它具有以下優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　(1) 利用光纖束解決了普遍存在的光能量和光源散熱問(wèn)題;</p>&l

62、t;p>　　(2) 結(jié)構(gòu)小而緊湊, 便于安裝, 可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè),傳感頭高度密封,適于惡劣條件,具有可靠的抗干擾措施;</p><p>　　(3) 響應(yīng)速度快,便于與計(jì)算機(jī)接口自動(dòng)地判斷或記數(shù)。</p><p>　　有機(jī)靜電感應(yīng)顏色傳感器：</p><p>　　近年來(lái),已有越來(lái)越多的研究者提出采用有機(jī)材料制成光電傳感器,這種傳感器成本低,應(yīng)用范圍廣,但目前還只處

63、于實(shí)驗(yàn)室研究階段。1986年Tang曾報(bào)道了利用有機(jī)材料制成光電轉(zhuǎn)換效率很高的太陽(yáng)能電池,由此可見(jiàn)有機(jī)材料具有良好的光敏性能,所以有機(jī)材料顏色傳感器被認(rèn)為是很有發(fā)展前景的一種傳感器。</p><p>　　Kudo利用兩種染料制成了一種P型有機(jī)靜電感應(yīng)傳感器(static induction t ransistor ,SIT) ,并研究了其光電特性。圖2.6是 Kudo制成的有機(jī)靜電感應(yīng)顏色傳感器的結(jié)構(gòu)圖。<

64、/p><p>　　有機(jī)靜電感應(yīng)顏色傳感器有兩個(gè)有機(jī)半導(dǎo)體層,分別是酞青藍(lán)和部化青兩種染料,酞青藍(lán)和部化青膜的厚度分別為80nm和140nm,它們通過(guò)真空沉降方法覆蓋在涂有錫銦氧化物的玻璃片上,酞青藍(lán)和部化青膜之間具有P型半導(dǎo)體特性。有機(jī)染料膜上面覆蓋一層金屬金(Au)并與錫銦氧化層形成測(cè)量電極,酞青藍(lán)和部化青膜之間有一非常薄的鋁電極。當(dāng)加載在鋁電極上的電壓增加時(shí),測(cè)量電極之間的電流增加,反之,測(cè)量電極間的電流減少。K

65、udo對(duì)有機(jī)靜電感應(yīng)顏色傳感器進(jìn)行了光敏實(shí)驗(yàn),光從部化青膜側(cè)照射,在兩個(gè)測(cè)量電極上加載2.5V的輸入電壓,電極間的測(cè)量電流IDS則隨著加載在鋁電極上的電壓(VG)變化而變化的,測(cè)量結(jié)果如圖2.7所示。</p><p>　　圖2.6 有機(jī)靜電感應(yīng)傳感器結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2.7 有機(jī)靜電感應(yīng)傳感器的光敏特性</p><p>　　從圖2.7中還可以看出,ID

66、S 在600nm時(shí)有一峰值,這說(shuō)明酞青藍(lán)層對(duì)600nm光的吸收性非常強(qiáng)。</p><p>　　從 Kudo的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,有機(jī)材料的光敏特性不僅與電壓VG有關(guān),還與有機(jī)材料本身有關(guān),所以利用有機(jī)材料完全有希望發(fā)展出一種新型的價(jià)格低廉且性能優(yōu)良的顏色傳感器。</p><p><b>　　2.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對(duì)色彩識(shí)別與

67、各種顏色傳感器技術(shù)進(jìn)行了深入的介紹，主要包括色彩識(shí)別的一般算法（白平衡算法），以及色彩識(shí)別在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中的一些具體應(yīng)用，另外還介紹了幾種主要的傳感器技術(shù)，為后面的色彩識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做好了準(zhǔn)備。</p><p>　　3 基于TCS230的設(shè)計(jì)</p><p>　　本論文主要是研究和設(shè)計(jì)色彩識(shí)別系統(tǒng)。本系統(tǒng)是以AT89S51單片機(jī)為核心，以TCS230顏色傳感器和LCD1602為子系統(tǒng)建立起來(lái)的

68、。</p><p>　　3.1 MCS-51單片機(jī)簡(jiǎn)介</p><p>　　MCS-51系列單片機(jī)是美國(guó)Intel公司在1980年推出的高性能8位單片機(jī)，它包含51和52兩個(gè)子系列。</p><p>　　對(duì)于51子系列，主要有8031、8051、8751三種機(jī)型，它們的指令系統(tǒng)與芯片引腳完全兼容，僅片內(nèi)程序存儲(chǔ)器有所不同，8031芯片不帶ROM，8051芯片待4KB

69、的ROM，8751芯片待4KB的EPROM。51子系列單片機(jī)的主要特點(diǎn)為：</p><p>　　4k／8k字節(jié)程序存儲(chǔ)器；</p><p>　　128／256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；</p><p><b>　　32條I／O口線；</b></p><p>　　111條指令，其中大多數(shù)是單字節(jié)指令；</p><

70、p><b>　　21個(gè)專(zhuān)用寄存器：</b></p><p>　　2個(gè)可編程定時(shí)／計(jì)數(shù)器：</p><p>　　5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)；</p><p>　　一個(gè)全雙工串行通信口；</p><p>　　外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間為64k字節(jié)：</p><p>　　外部程序存儲(chǔ)器尋址空間64k字節(jié)；

71、</p><p><b>　　邏輯操作位尋址功能</b></p><p>　　MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用十分廣泛，各種教材和應(yīng)用資料也很多。盡管INTEL公司本身沒(méi)有在品種和功能上對(duì)MCS-51系列單片機(jī)作進(jìn)一步的擴(kuò)展，但是由于lNTEL公司開(kāi)放了MCS-51系列單片機(jī)的核心技術(shù)，加之51系列單片機(jī)已經(jīng)成為8位通用單片機(jī)的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，因此，許多著名的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家。如A

72、tmel、Philips、Cygnal、Dallas等紛紛推出以80C51為基核的各具特色、性能優(yōu)異、功能強(qiáng)大的單片機(jī)，形成了龐大的 80C51系列單片機(jī)家族，為熟悉51系列單片機(jī)的人們提供了最廣泛的選擇空間，也為51系列單片機(jī)注入了勃勃的生機(jī)。</p><p>　　圖3.1 C51單片機(jī)管腳圖 圖3.2 C51單片機(jī)實(shí)物圖</p><p>　　3.2 顏色

73、傳感器及硬件電路的連接</p><p>　　3.2.1 顏色傳感器</p><p>　　TCS230芯片的結(jié)構(gòu)框圖與特點(diǎn):</p><p>　　TCS230是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器，它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)單一的CMOS電路上，同時(shí)在單一芯片上集成了紅綠藍(lán)（RGB）三種濾光器，是業(yè)界第一個(gè)有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感

74、器，TCS230的輸出信號(hào)是數(shù)字量，可以驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)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，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使電路變得更簡(jiǎn)單，圖3.3是TCS230的引腳和功能框圖。</p><p>　　圖3.3 TCS230的引腳和功能圖</p><p>　　圖3.3中，TCS230采用8引腳的SO

75、IC表面貼裝式封裝，在單一芯片上集成有64個(gè)光電二極管，這些二極管分為四種類(lèi)型，其16個(gè)光電二極管帶有紅色濾波器；16個(gè)光電二極管帶有綠色濾波器；16個(gè)光電二極管帶有藍(lán)色濾波器，其余16個(gè)不帶有任何濾波器，可以透過(guò)全部的光信息，這些光電二極管在芯片內(nèi)是交叉排列的，能夠最大限度地減少入射光輻射的不均勻性，從而增加顏色識(shí)別的精確度；另一方面，相同顏色的16個(gè)光電二極管是并聯(lián)連接的，均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差。工作時(shí)，通過(guò)

76、兩個(gè)可編程的引腳來(lái)動(dòng)態(tài)選擇所需要的濾波器，該傳感器的典型輸出頻率范圍從2Hz－500kHz，用戶還可以通過(guò)兩個(gè)可編程引腳來(lái)選擇100％、20％或2％的輸出比例因子，或電源關(guān)斷模式。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠適應(yīng)不同的測(cè)量范圍，提高了它的適應(yīng)能力。例如，當(dāng)使用低速的頻率計(jì)數(shù)器時(shí)，就可以選擇小的定標(biāo)值，使TCS230的輸出頻率和計(jì)數(shù)器相匹配。</p><p>　　從圖3.3可知：當(dāng)入射光投射到TCS230上時(shí)，通

77、過(guò)光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的濾波器；經(jīng)過(guò)電流到頻率轉(zhuǎn)換器后輸出不同頻率的方波（占空比是50％），不同的顏色和光強(qiáng)對(duì)應(yīng)不同頻率的方波；還可以通過(guò)輸出定標(biāo)控制引腳S0、S1，選擇不同的輸出比例因子，對(duì)輸出頻率范圍進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同的需求。 </p><p>　　下面簡(jiǎn)要介紹TCS230芯片各個(gè)引腳的功能及它的一些組合選項(xiàng)。</p><p>　　S0、S1用于選擇輸

78、出比例因子或電源關(guān)斷模式；S2、S3用于選擇濾波器的類(lèi)型；OE反是頻率輸出使能引腳，可以控制輸出的狀態(tài)，當(dāng)有多個(gè)芯片引腳共用微處理器的輸出引腳時(shí)，也可以作為片選信號(hào)，OUT是頻率輸出引腳，GND是芯片的接地引腳，VCC為芯片提供工作電壓，表3.1是S0、S1及S2、S3的可用組合。</p><p>　　表3.1 S0、S1及S2、S3的組合選項(xiàng)</p><p>　　3.2.2 TCS23

79、0顏色傳感器與51單片機(jī)的連接</p><p>　　TCS230是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器，該傳感器具有分辨率高、可變成的顏色選擇與輸出定標(biāo)、單電源供電等特點(diǎn)；輸出為數(shù)字量，可直接與微處理器連接。圖3.4為T(mén)CS230顏色傳感器的實(shí)物圖。</p><p>　　TCS230顏色傳感器的S0管腳接51單片機(jī)的P1.0管腳，S1管腳接P1.1管腳，OE管腳接P1.2管腳，GN

80、D管腳接地，Vcc管腳接電源，OUT管腳接P3.2管腳，S2管腳接P1.6管腳，S3管腳接P1.7管腳。如下圖3.5所示。</p><p>　　圖3.4 TCS230顏色傳感器實(shí)物管腳圖</p><p>　　圖3.5 TCS230與單片機(jī)的連接圖</p><p>　　3.2.3 LCD1602與51單片機(jī)的連接</p><p><b&

81、gt;　　1、液晶顯示器簡(jiǎn)介</b></p><p>　　液晶顯示器簡(jiǎn)稱(chēng)LCD顯示器，它是利用液晶經(jīng)過(guò)處理后能改變光線的傳輸方向的特性顯示信息的。液晶顯示器具有體積小、重量輕、功耗極低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應(yīng)用。液晶顯示器按其功能可分為三類(lèi)：筆段式液晶顯示器、字符點(diǎn)陣式液晶顯示器和圖形點(diǎn)陣式液晶顯示器。前兩種可顯示數(shù)字、字符和符號(hào)等，而圖形點(diǎn)陣式液晶顯示器還可以顯示漢

82、字和任意圖形，達(dá)到圖文并茂的效果。</p><p>　　字符型液晶顯示器模塊是一種專(zhuān)門(mén)用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣式液晶顯示模塊。它是由若干個(gè)5*7或5*11等點(diǎn)陣符位組成的，每一個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。點(diǎn)陣字符位之間有一定點(diǎn)距的間隔，這樣就起到了字符間距和行距的作用。</p><p>　　要使用點(diǎn)陣型LCD顯示器，必須有相應(yīng)的LCD控制器、驅(qū)動(dòng)器來(lái)對(duì)LCD顯示器進(jìn)行掃描、驅(qū)動(dòng)

83、，以及一定空間的ROM和RAM來(lái)存儲(chǔ)寫(xiě)入的命令和顯示字符的點(diǎn)陣。現(xiàn)在往往將LCD控制器、驅(qū)動(dòng)器、RAM、ROM和LCD顯示器連接在一起，稱(chēng)為液晶顯示模塊LCM。使用時(shí)只要向LCM送入相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)顯示所需的信息。</p><p>　　目前市場(chǎng)上常用的有16字*1行、16字*2行、20字*2行和40字*2行等的字符液晶顯示模塊。這些LCM雖然顯示字符數(shù)各不相同，但是都具有相同的輸入輸出界面。本文將介紹1

84、6*2字符型液晶顯示模塊CA1602A的應(yīng)用。</p><p>　　（1）、字符型液晶顯示模塊CA1602A的外觀與引腳</p><p>　　CA1602A字符型液晶顯示模塊是2行16字的5*7點(diǎn)陣圖形字符的液晶顯示器，它的外觀形狀如圖3.6。</p><p>　　圖3.6 CA1602A的外觀</p><p>　　CA1602A采用標(biāo)準(zhǔn)的1

85、6腳接口，各引腳情況如下：</p><p>　　第1腳：Vss，電源地</p><p>　　第2腳：Vcc，+5v電源</p><p>　　第3腳：Vo，液晶顯示偏壓信號(hào)</p><p>　　第4腳：RS，數(shù)據(jù)/命令選擇端，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時(shí)選擇指令寄存器。</p><p>　　第5腳：RW：讀/寫(xiě)選擇端

86、，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。但RS和RW共同為低電平時(shí)可以寫(xiě)入指令或者顯示地址；當(dāng)RS為低電平RW為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)；當(dāng)RS為高電平RW為低電平時(shí)可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)。</p><p>　　第6腳：E，使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。</p><p>　　第7-14腳：D0-D7，為8位雙向數(shù)據(jù)線。</p><p>　　第15腳：A

87、，背光源正極</p><p>　　第16腳：K，背光源負(fù)極</p><p>　?。?）、指令格式與指令功能</p><p>　　LCD控制器HD44780內(nèi)有多個(gè)寄存器，通過(guò)RS和RW引腳共同決定選擇哪一個(gè)寄存器，選擇情況見(jiàn)表3.2。</p><p>　　表3.2 HD44780內(nèi)部寄存器選擇表</p><p>　　

88、總共有11條指令，它們的格式和功能如下表3.3：</p><p>　　表3.3 控制命令表</p><p>　　液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時(shí)要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，圖3.7是1602的內(nèi)部顯示地址。</p><p>　　圖3.7 1602的內(nèi)

89、部顯示地址</p><p>　　1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM）已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大 小寫(xiě)、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫(xiě)的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址 41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A”。</p><p>　　（3）、LCD

90、顯示器的初始化</p><p>　　LCD使用之前須對(duì)它進(jìn)行初始化，初始化可以通過(guò)復(fù)位完成，也可以在復(fù)位后完成，初始化過(guò)程如下：</p><p><b>　　1）.清屏。</b></p><p><b>　　2）.功能設(shè)置。</b></p><p>　　3）.開(kāi)/關(guān)顯示設(shè)置。</p>

91、<p>　　4）.輸入方式設(shè)置。</p><p>　　2、1602顯示器與單片機(jī)的連接</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，1602顯示器與單片機(jī)的連接如下圖3.8所示：Vss管腳接地，Vcc管腳接+5V電源，Vo管腳接地，RS管腳接P2.0管腳，RW管腳接P2.1管腳，E管腳接P2.7管腳，D0-D7管腳依次接P0.0-P0.7管腳，A管腳接+5V電源，K管腳接地。</p&g

92、t;<p>　　圖3.8 1602顯示與單片機(jī)連接圖</p><p>　　3.3 TCS230顏色識(shí)別原理簡(jiǎn)介</p><p>　　TCS230識(shí)別顏色的原理:</p><p>　　由上面的介紹可知，這種可編程的彩色光到頻率轉(zhuǎn)換器適合于色度計(jì)測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域，如彩色打印、醫(yī)療診斷、計(jì)算機(jī)彩色監(jiān)視器校準(zhǔn)以及油漆、紡織品、化妝品和印刷材料的過(guò)程控制和色彩配合。

93、下面以TCS230在液體顏色識(shí)別中的應(yīng)用為例，介紹它的具體使用。首先了解一些光與顏色的知識(shí)。</p><p>　　三原色的感應(yīng)原理： </p><p>　　通常所看到的物體顏色，實(shí)際上是物體表面吸收了照射到它上面的白光（日光）中的一部分有色成分，而反射出的另一部分有色光在人眼中的反應(yīng)。白色是由各種頻率的可見(jiàn)光混合在一起構(gòu)成的，也就是說(shuō)白光中包含著各種顏色的色光（如紅R、黃Y、綠G、青V、藍(lán)

94、B、紫P）。根據(jù)德國(guó)物理學(xué)家赫姆霍茲（Helinholtz）的三原色理論可知，各種顏色是由不同比例的三原色（紅、綠、藍(lán)）混合而成的。</p><p>　　（2）TCS230識(shí)別顏色的原理： </p><p>　　由三原色感應(yīng)原理可知，如果知道構(gòu)成各種顏色的三原色的值，就能夠知道所測(cè)試物體的顏色。對(duì)于TCS230來(lái)說(shuō)，當(dāng)選定一個(gè)顏色濾波器時(shí)，它只允許某種特定的原色通過(guò)，阻止其他原色的通過(guò)。例

95、如：當(dāng)選擇紅色濾波器時(shí)，入射光中只有紅色可以通過(guò)，藍(lán)色和綠色都被阻止，這樣就可以得到紅色光的光強(qiáng)；同時(shí)，選擇其他的濾波器，就可以得到藍(lán)色光和綠色光的光強(qiáng)。通過(guò)這三個(gè)值，就可以分析投射到TCS230傳感器上的光的顏色。</p><p>　?。?）白平衡和顏色識(shí)別原理： </p><p>　　白平衡就是告訴系統(tǒng)什么是白色。從理論上講，白色是由等量的紅色、綠色和藍(lán)色混合而成的；但實(shí)際上，白色中的

96、三原色并不完全相等，并且對(duì)于TCS230的光傳感器來(lái)說(shuō)，它對(duì)這三種基本色的敏感性是不相同的，導(dǎo)致TCS230的RGB輸出并不相等，因此在測(cè)試前必須進(jìn)行白平衡調(diào)整，使得TCS230對(duì)所檢測(cè)的"白色"中的三原色是相等的。進(jìn)行白平衡調(diào)整是為后續(xù)的顏色識(shí)別作準(zhǔn)備。在本裝置中，白平衡調(diào)整的具體步驟和方法如下：將空的試管放置在傳感器的上方，試管的上方放置一個(gè)白色的光源，使入射光能夠穿過(guò)試管照射到TCS230上；根據(jù)前面所介紹的方

97、法，依次選通紅色、綠色和藍(lán)色濾波器，分別測(cè)得紅色、綠色和藍(lán)色的值，然后就可計(jì)算出需要的3個(gè)調(diào)整參數(shù)。 </p><p>　　當(dāng)TCS230識(shí)別顏色時(shí)，就用這3個(gè)參數(shù)對(duì)所測(cè)顏色的R、G和B進(jìn)行調(diào)整。這里有兩種方法來(lái)計(jì)算調(diào)整參數(shù)：1、依次選通三顏色的濾波器，然后對(duì)TCS230的輸出脈沖依次進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)到255時(shí)停止計(jì)數(shù)，分別計(jì)算每個(gè)通道所用的時(shí)間，這些時(shí)間對(duì)應(yīng)于實(shí)際測(cè)試時(shí)TCS230每種濾波器所采用的時(shí)間基準(zhǔn)，在

98、這段時(shí)間內(nèi)所測(cè)得的脈沖數(shù)就是所對(duì)應(yīng)的R、G和B的值。2、設(shè)置定時(shí)器為一固定時(shí)間 （例如10ms），然后選通三種顏色的濾波器，計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)TCS230的輸出脈沖數(shù)，計(jì)算出一個(gè)比例因子，通過(guò)這個(gè)比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?55。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，室外同樣的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，把測(cè)得的脈沖數(shù)再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所對(duì)應(yīng)的R、G和B的值。</p><p>　　3.4液晶顯示器各種圖形顯示的原理簡(jiǎn)介</p&g

99、t;<p><b>　　線段的顯示：</b></p><p>　　點(diǎn)陣圖形式液晶由M×N個(gè)顯示單元組成，假設(shè)LCD顯示屏有64行，每行有128列， 每8列對(duì)應(yīng)1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共16×8=128個(gè)點(diǎn)組成，屏上64×16個(gè)顯示單元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對(duì)應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和 顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對(duì)應(yīng)。例如屏的第一行的亮暗由RAM

100、區(qū)的000H——00FH的16字節(jié)的內(nèi)容決定，當(dāng)（000H）=FFH時(shí)，則屏幕的左上角顯 示一條短亮線，長(zhǎng)度為8個(gè)點(diǎn)；當(dāng)（3FFH）=FFH時(shí)，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當(dāng)（000H）=FFH，（001H）=00H， （002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H時(shí)，則在屏幕的頂部顯示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線。這就是LCD顯示的基本原理。</p><p><b>　　

101、字符的顯示：</b></p><p>　　用LCD顯示一個(gè)字符時(shí)比較復(fù)雜，因?yàn)橐粋€(gè)字符由6×8或8×8點(diǎn)陣組成，既要找到和 顯示屏幕上某幾個(gè)位置對(duì)應(yīng)的顯示RAM區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點(diǎn)亮，為“0”的不亮。這樣一來(lái)就組成某個(gè) 字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來(lái)說(shuō)，顯示字符就比較簡(jiǎn)單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD上開(kāi)始顯示的

102、行列號(hào)及每行的列數(shù)找出顯示 RAM對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在此送上該字符對(duì)應(yīng)的代碼即可。</p><p><b>　　漢字的顯示：</b></p><p>　　漢字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機(jī)中提取要顯示的漢字的點(diǎn)陣碼（一般用字模提 取軟件），每個(gè)漢字占32B，分左右兩半，各占16B，左邊為1、3、5……右邊為2、4、6……根據(jù)在LCD上開(kāi)始顯示的行列號(hào)及每行的

103、列數(shù)可找出顯示RAM對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標(biāo)位置加1，送第二個(gè)字節(jié)，換行按列對(duì)齊，送第三個(gè)字節(jié)……直到32B顯示完就可以LCD上 得到一個(gè)完整漢字。</p><p><b>　　3.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了TCS230顏色傳感器和LCD1602液晶顯示器的相應(yīng)原理，以及它們與單片機(jī)的連接方式及相應(yīng)的電路原理圖

104、，其中對(duì)TCS230顏色傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各個(gè)管腳以及它們的功能作了詳細(xì)介紹，另外對(duì)顏色傳感器識(shí)別顏色的原理以及液晶顯示器顯示各種圖形的原理進(jìn)行了一定深度的介紹，為后面整個(gè)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)提供了很好的幫助。</p><p>　　4 色彩識(shí)別器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 </p><p>　　色彩識(shí)別系統(tǒng)是基于MCS-51系列單片機(jī)控制

105、的基礎(chǔ)上，添加了TCS230顏色傳感器采集模塊，TCS230驅(qū)動(dòng)模塊，四個(gè)白色LED補(bǔ)光模塊，LCD1602液晶顯示模塊，在這些模塊的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的色彩識(shí)別系統(tǒng)，色彩識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖4.1系統(tǒng)框架所示。實(shí)物圖如4.2所示。</p><p>　　圖 4.1 系統(tǒng)框架</p><p>　　圖4.2 色彩識(shí)別系統(tǒng)實(shí)物圖</p><p>　　4.2 TCS230驅(qū)動(dòng)模塊

106、</p><p>　　TCS230采用8引腳的SOIC表面貼裝式封裝，在單一芯片上集成有64個(gè)光電二極管，這些二極管分為四種類(lèi)型，其16個(gè)光電二極管帶有紅色濾波器；16個(gè)光電二極管帶有綠色濾波器；16個(gè)光電二極管帶有藍(lán)色濾波器，其余16個(gè)不帶有任何濾波器，可以透過(guò)全部的光信息，這些光電二極管在芯片內(nèi)是交叉排列的，能夠最大限度地減少入射光輻射的不均勻性，從而增加顏色識(shí)別的精確度；另一方面，相同顏色的16個(gè)光電二極管

107、是并聯(lián)連接的，均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差。</p><p>　　本模塊主要包括TCS230初始化、定時(shí)器初始化和顏色采集，具體程序如下：</p><p>　　void TCS230Inital(void)</p><p>　　{ DDRC= DDRC|0x0f;PORTC = PORTC|0x0f;</p><p>　

108、　PORTC = PORTC|0x20;DDRC= DDRC|0x20;</p><p>　　PORTC = PORTC&0xdf;TCS230Mode(FrequencyMode,PhotoDiodeMode);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void TimerInital(void)</p&g

109、t;<p>　　{TCCR1A=0x00;TCCR1B=0x06;TCNT1H=0x00;TCNT1L=0x00;</p><p>　　ICR1H=0x00;ICR1L=0x00; OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00;</p><p>　　OCR1BH=0x00;OCR1BL=0x00;ASSR= 0x00; TCCR2 = 0x07;</p&