基于單片機的光色標(biāo)測量系統(tǒng)

1、基于單片機的光色標(biāo)測量系統(tǒng)王占寧（西北大學(xué)物理系，西安，710069）摘要 本文介紹MCS-51單片機在光色標(biāo)測量系統(tǒng)的一種應(yīng)用。該系統(tǒng)采用攝譜儀將光源分解為不同波長的單色光，通過線陣CCD測量各個波長的強度，利用單片機對數(shù)據(jù)進行處理和整個電路的控制。關(guān)鍵詞 單片機 CCD 色坐標(biāo)Study of the Testing System of Color Coordinate Based on the Single Chip Micro ComputerWang Zhanning (Dep. Of physics,Northwest univ.,Xian 710069) Abstract Thi

2、s paper intruduces one of usesof the single chip micro computer in the testing system of color coordinate. In the testing system the light source is divided into the unicolor light of various wavelength by spectrograph.The magnitude of various wavelength light is measured by the CCD.The single chip

3、micro computer treats with the data and the single chip micro computer is used to the control of the whole circuit.Keywords Single chip micro computer Charge coupled devices Color coordinate1前言 色坐標(biāo)是色度學(xué)的重要內(nèi)容之一。色度學(xué)是研究人的顏色規(guī)律、顏色測量的理論與技術(shù)科學(xué)。這是一門本世紀(jì)發(fā)展起來的，以物理光學(xué)、視覺生理、心理物理等學(xué)科領(lǐng)域為基礎(chǔ)的綜合科學(xué)。彩色電視、彩色攝影和彩色印刷、染料和涂料、紡織

4、、造紙、交通信號、照明技術(shù)等都涉及到顏色測量問題。在這些工業(yè)和技術(shù)部門中，顏色指標(biāo)是評定產(chǎn)品質(zhì)量的重要一環(huán)。 攝譜儀光源 現(xiàn)有的色坐標(biāo)測量一起大都是 計算機數(shù)據(jù)采集卡 模式，由于采用了計算機使整套設(shè)備體積大 ，費用高，耗電量大。 光源 本系統(tǒng)采用A/D轉(zhuǎn)換器和單片機代替了上述數(shù)據(jù)采集卡和計算機， 單片機A/D轉(zhuǎn)換器 CCD 使得成本低，操作方便，只需按幾下鍵盤即可。2色坐標(biāo)原理1 1931CIE-RGB表色系統(tǒng)及色坐標(biāo) 一般說來光源所發(fā)出的光都是由許多顏色的光按一定的比例組合而成的 。在混色實驗中發(fā)現(xiàn)，所有顏色的 光都是可由某三種單色光按一定比例混合而成，這三種單色光中的任何一種都不能由其余兩

5、種混合產(chǎn)生。這三種單色光稱為三原色。1931CIE規(guī)定RGB系統(tǒng)的三原色為： 紅光（R） R= 700.0nm 綠光（G） G=546.1nm 藍(lán)光（B） B=435.8nm在RGB系統(tǒng)中，以白光作為標(biāo)準(zhǔn)，三原色（R）、（G）、（B）的光通量按（R）：（G）：（B）=1lm：4.5907lm：0.0601lm的比例相加混色可得到能量（E）=5.6508lm白光。于是規(guī)定：（R）=1lm，（G）=4.5907lm，（B）=0.0601lm為RGB系統(tǒng)三原色的單位量，簡稱基色量。任何一種顏色光F用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為： F=R（R）+G（G）+B（B） （1）R、G、B稱為三刺激值。令 r= g= b

6、= （2）r、g、b表示了顏色光的色度，成為色度坐標(biāo)。2 1931CIE-XYZ表色系統(tǒng) 在1931CIE-XYZ表色系統(tǒng)中，由于用來標(biāo)定光譜色的三刺激值R、G、B有時會出現(xiàn)負(fù)值，這給計算帶來不便，也不易直觀理解。因此提出了三個虛擬的三原色（X）、（Y）、（Z）并在此基礎(chǔ)上建立了XYZ表色系統(tǒng)。三刺激值X、Y、Z與三刺激值R、G、B的關(guān)系如下： X=2.7689R+1.7517G+1.1302B Y=1.0000R+4.5907G+0.0601B Z=0.0000R+0.0565G+5.5943B (3)在X、Y、Z系統(tǒng)中的色坐標(biāo)為： x= y= z= (4)根據(jù)顏色相加原理 X= Y= Z=

7、 （5）由于光敏器件CCD對不同波長的光存在光電轉(zhuǎn)換差異，實驗中需對待測燈的相對光譜分布做以校正，即待測燈的的相對光譜能量分布為： P（）= （6）在公式（5）中M（）為實驗測得的待測燈在波長處的相對能量分布，M0（）為實驗測得的標(biāo)準(zhǔn)燈在波長處的相對能量分布，P0（）為標(biāo)準(zhǔn)燈在波長處的能量分布。在公式（4）中， 、為配色函數(shù)。本實驗采用XYZ表色系統(tǒng)。通過對M（），M0（）的測定，代入上述公式（6）、（5）即可求得待測色坐標(biāo)。3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 放大打印機攝譜儀 CCD 驅(qū)動A/D單片機光源 鍵盤 圖1 色坐標(biāo)測量系統(tǒng)框圖 采用鎢帶燈作為標(biāo)準(zhǔn)光源，經(jīng)過攝譜儀，被分解的光譜直接投射到線陣CCD上，經(jīng)

8、CCD轉(zhuǎn)換的電信號被放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入單片機進行數(shù)據(jù)處理。最后結(jié)果通過微型打印機打印。系統(tǒng)的硬件設(shè)計 1光學(xué)系統(tǒng)的組成 本系統(tǒng)采用的是WPL型攝譜儀，光源照射小圓孔，產(chǎn)生點光源，點光源經(jīng)平行透鏡組準(zhǔn)直，變成平行光。平行光照射到棱鏡上，被分解成各束單色，經(jīng)過會聚透鏡照射到線陣CCD上。其結(jié)構(gòu)圖如下： 透鏡組 狹縫 光源 棱鏡 會聚透鏡 線陣CCD 圖2 WPL型攝譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖2硬件電路 2.1 89C51單片機構(gòu)造及簡介：MCS-51單片機是在一塊芯片中集成了CPU，RAM，ROM，定時器/計數(shù)器和多種功能的I/O線等儀態(tài)計算機所需要的基本功能部件。 單片機內(nèi)包含下列部件： 一個8位C

9、PU；一個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路；4K字節(jié)ROM程序存儲器；128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器兩個16位定時器/計數(shù)器可尋址64K外部數(shù)據(jù)存儲器和64K外部程序存儲器空間的控制電路；32條可編程的I/O線（四個8位并行I/O端口）；一個可編程全雙工串行口；具有五個中斷源、兩個優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)。 頻率基準(zhǔn)源 計數(shù)器 4K字節(jié) 程序存儲器 128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器2個16位定時器/事件計數(shù)器64K字節(jié)總線擴展控制 可編程串口可編程I/O CPU振蕩器及定時電路 中斷 圖3 8051單片機框圖 2.2 6264靜態(tài)RAM的擴展6264是8K8位的靜態(tài)隨機存儲器芯片，它采用CMOS工藝制造，由單一+5V供電，額定

10、功耗200mW，典型存取時間200ns。 P2.2 RD WR P2.7 P2.4 P2.3 P2.1 P2.0 P0.78051 P0.0 ALE EAOEWECE1A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3 6264A2 A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0CE2 74LS373 +5V 圖4 6264與8051連接圖2.3按鍵接口電路 本系統(tǒng)采用的是查詢式鍵盤，共8鍵。前四鍵為功能鍵，后四鍵置空。KEY1的功能是采集標(biāo)準(zhǔn)光源的數(shù)據(jù)并保存在數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)，KEY2的功能是采集待測光源的數(shù)據(jù)并保存在數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)，KEY3的功能是將采集的數(shù)據(jù)處理，KEY4的功能是利用打印機將結(jié)果打印出來

11、。鍵盤輸入線直接于P1連接。 P1.7 P1.3 P1.0 5V 5V 圖5 查詢式鍵盤2.4 CCD的驅(qū)動電路本系統(tǒng)采用的是TCD1206UD的線陣CCD，它由2236個pn結(jié)光電二極管構(gòu)成光敏單元陣列，其中前64個和后12個是用作暗電流檢測而被遮蔽的；中間2160個光電二極管是暴光像敏單元。每個光敏單元的尺寸為14m長、14m高、中心距亦是14m。光敏元陣列總長30.24mm,光敏元的兩側(cè)是用作存儲光生電荷MOS電容列。其驅(qū)動電路如圖 所示。由晶體振蕩器構(gòu)成的脈沖信號源產(chǎn)生主時鐘M。M脈沖經(jīng)可編程邏輯器件ISPLS1產(chǎn)生SH、1、2、R四路驅(qū)動脈沖。在這四路驅(qū)動脈沖的作用下，TCD1206

12、UD輸出OS信號及D0S信號。將此二路輸出信號分別送到差分放大器LF357的正、反輸入端進行差分放大，抑制掉共模的R引起的干擾。SP及C是為用戶提供的控制脈沖，SP與CCD輸出的像元光電信號同步，用做采樣保持控制信號。C的上升沿對應(yīng)于CCD的第一個有效像素單元S1，因而可以用作行同步。CU0 64虛單元 2160輸出單元 12虛 圖6 CCD的輸出信號U0及C波形圖2.5 A/D轉(zhuǎn)換器連接電路 本系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器有三個要求：1 分辨率8位，2 采樣頻率達(dá)到1MHz，3 大于等于兩通道多路開關(guān)。一路通道接CCD為用戶提供的控制脈沖C，用于判斷暴光像敏單元的起始點；一路通道接CCD輸出信號OS。轉(zhuǎn)

13、換定時時鐘脈沖輸入端CLOCK接CCD的SP端，因SP與CCD輸出的像元光電信號同步，可以確保每次抽樣在輸出有效信號上。2.6 打印機的選擇 單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，經(jīng)常選用微型打印機，如PP40、GP16等。本系統(tǒng)采用的是GP16微型打印機，因其接口簡單、功能強、能打印ASCII碼字符。GP16與8051直接相連，作為一個外部擴展口，采用線性選址法，8051的P2.7接GP16的CS，則打印機口地址為7FFFH。2.7 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) P2.3 P2.0 ALE PSEC8051 P0 P1 WR RD P2.7373D0 D7A/D7821 D0 D7 打印機鍵盤 A0 A7 6264OE WE

14、 CS D0 D7 CCD P1.0 P1.1圖7 系統(tǒng)總體框圖4系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)。整個程序由主程序、標(biāo)準(zhǔn)燈數(shù)據(jù)采集、待測燈數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及打印機打印等子程序模塊組成。1主程序、 開始 main 調(diào)用鍵盤子程序是否有按鍵按下判斷a=0e判斷a=07判斷a=0b判斷a=0d 執(zhí)行KEY1子程序 執(zhí)行KEY4子程序 執(zhí)行KEY2子程序 執(zhí)行打印“錯誤” 執(zhí)行KEY3子程序A等于其他值 N Y Y N Y N Y N Y N Y N圖8 主程序流程框圖主程序清單： ORG 0000H AJMP STAT ORG 0050HSTAT: NOPMAIN: MOV R1,#00H

15、 LCALL PJSF ;執(zhí)行PJSF子程序 JNZ MAIN ;a!=0 則轉(zhuǎn)移 LCALL JPAN ;執(zhí)行鍵盤子程序 CJNE R1,#4FH,MAIN ;無按鍵按下則轉(zhuǎn)移到MAIN CJNE A,#0EH,NEXT ;有按鍵按下執(zhí)行下面的程序 AJMP key1 ;判斷如果a=0e則執(zhí)行KEY1子程序NEXT: CJNE A,#0DH,NEXT1 ;即采集數(shù)據(jù)子程序。執(zhí)行完畢后 AJMP key2 ; 回到MAIN程序。如果A！=0E則轉(zhuǎn)向判斷NEXT1: CJNE A,#0BH,RESET ;A=0D，若相等則轉(zhuǎn)移執(zhí)行KEY2子程序， AJMP key3 ;執(zhí)行完畢后回到MAIN。往

16、后依次類推，RESET: CJNE A,#07H,error ;如果A！=0E，0D，0B，07則執(zhí)行ERR程序 LJMP KEY4ERROR: AJMP ERR ;|JPAN: MOV A,P1 ;key sub_programe ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,JX AJMP JPAN;#JX: MOV 4FH,A LCALL YS1S ;delay 10ms MOV A,P1 ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,YJAX AJMP JPANYJAX: CJNE A,4FH,JPAN MOV R1,#4FH RET;+ YS1S: MOV R7,#40H ;dela

17、y sub_programeYS0: MOV R6,#0FFHYS1: DJNZ R6,YS1 DJNZ R7,YS0 RET;+PJSF: MOV A,P1 ;read data from the keyboard CPL A ANL A,#0FH RET2標(biāo)準(zhǔn)燈數(shù)據(jù)采集子程序即圖KEY1子程序 首先初始化，啟動A/D轉(zhuǎn)換器的C通道，判斷C的上升沿，亦即輸出信號OS的有效光敏信號輸出點。啟動A/D轉(zhuǎn)換器與CCD連接的OS通道，先延時2.78ms,采取第一個數(shù)據(jù)并保存，然后每隔0.688ms啟動A/D轉(zhuǎn)換器一次采數(shù)據(jù)并保存。連續(xù)取21個數(shù)據(jù)并保存，子程序執(zhí)行完畢并轉(zhuǎn)移到MAIN程序開始 初始化

18、啟動A/D讀取C的數(shù)據(jù)A等于0啟動A/D讀取C的數(shù)據(jù)A等于0 延時2.87ms啟動A/D讀取U0的數(shù)據(jù)并存儲 延時0.6888ms MAIN N Y Y N N 循環(huán)20次圖9 KEY1子程序流程框圖KEY1子程序清單key1: SETB P3.3 MOV R0,#40H MOV R3,#20 MOV R5,#0CH;= LOP1: MOV DPTR,#0FEF3H ;start A/D MOVX DPTR,A ;判斷啟始點即C的上升沿HERE: JB P3.3,HERE MOV DPTR,#0FEF3H ;read the result of A/D MOVX A,DPTR CJNE A,#

19、0,LOP1lop2: MOV DPTR,#0FEF3H ;start A/D MOVX DPTR,AHERE1: JB P3.3,HERE1 MOV DPTR,#0FEF3H ;read the result of A/D MOVX A,DPTR cjne a,#0,caiji ajmp lop2;= caiji: lcall delay2 ;delay 2.87mslop0: MOV DPTR,#0FEF7H ;start A/D MOVX DPTR,A ;1+2+2+1+2HERE2: JB P3.3,HERE2 MOV DPTR,#0FEF7H ;read the result of A/D MOVX A,DPTR movx r0,a inc r0 lcall YS1S djnz r5,lop0YS1S: MOV R7,#40H ;delay 0.6888ms sub_programeYS0: MOV R6,#0FFHYS1: DJNZ R6,YS1 DJNZ R7,YS0 RET3待測燈數(shù)據(jù)采集子程序即圖KEY2子程序KEY2子程序與KEY1子程序結(jié)構(gòu)及思想是一致的，只是保存的位置不同而已。4數(shù)據(jù)處理子程序即KEY3子程序 初始化，將