單片機的顏色識別系統(tǒng)方案

./基于單片機的顏色識別系統(tǒng)設(shè)計雷<師學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院246011>指導(dǎo)教師：王寧摘要：隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)向高速化、自動化方向的發(fā)展,生產(chǎn)過程中長期以來由人眼起主導(dǎo)作用的顏色識別工作將越來越多地被相應(yīng)的顏色傳感器所替代。本設(shè)計介紹了一種基于STC89C52單片機的顏色識別系統(tǒng),并且采用TCS230顏色傳感器進行識別,最終將顏色信息顯示出來。本設(shè)計主要闡述了TCS230顏色傳感器的顏色識別原理,論述了儀器的測量原理,介紹了白平衡的校準方法,給出了顏色系統(tǒng)設(shè)計的系統(tǒng)框圖,完整的硬件電路的原理圖,和軟件的流程圖。關(guān)鍵詞：STC89C52單片機,TCS230顏色傳感器,顏色識別系統(tǒng)1引言目前的顏色傳感器通常是在獨立的光電二極管上覆蓋經(jīng)過修正的紅、綠、藍濾波片,然后對輸出信號進行相應(yīng)的處理,才能將顏色信號識別出來；有的將兩者集合起來,但是輸出模擬信號,需要一個A/D電路進行采集,對該信號進一步處理,才能進行識別,增加了電路的復(fù)雜性,并且存在較大的識別誤差,影響了識別的效果。TAOS〔TexasAdvancedOptoelectronicSolutions公司最新推出的顏色傳感器TCS230,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顏色的識別與檢測,與以前的顏色傳感器相比,還具有許多優(yōu)良的新特性。本設(shè)計以STC89C52單片機為控制核心,利用顏色傳感器TCS230設(shè)計一顏色識別系統(tǒng),并能夠辨別生活中的各類顏色。2顏色識別系統(tǒng)的工作原理2.1TCS230芯片的結(jié)構(gòu)框圖與特點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)換器集成在一個單一的CMOS電路上,同時在單一芯片上集成了紅綠藍<RGB>三種濾光器,是業(yè)界第一個有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器,TCS230的輸出信號是數(shù)字量,可以驅(qū)動標準的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,使電路變得更簡單,當(dāng)入射光投射到TCS230上時,通過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％,不同的顏色和光強對應(yīng)不同頻率的方波；還可以通過輸出定標控制引腳S0、S1,選擇不同的輸出比例因子,對輸出頻率圍進行調(diào)整,以適應(yīng)不同的需求。下面簡要介紹TCS230芯片各個引腳的功能。圖1TCS230引腳圖TCS230的S0、S1用于選擇輸出比例因子或電源關(guān)斷模式；S2、S3用于選擇濾波器的類型；OE反是頻率輸出使能引腳,可以控制輸出的狀態(tài),當(dāng)有多個芯片引腳共用微處理器的輸出引腳時,也可以作為片選信號,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。下表給出了TCS230顏色傳感器使用時相關(guān)控制引腳的一些組合選項。表1：輸出頻率分頻選擇S0S1輸出頻率分頻比例LL掉電LH2%HL20%HH100%表2：濾光顏色選擇S2S3光電二極管類型LL紅色LH藍色HL消除〔無濾光HH綠色2.2TCS230識別顏色的原理〔1三原色的感應(yīng)原理

通常所看到的物體顏色,實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光混合在一起構(gòu)成的,也就是說白光中包含著各種顏色的色光<如紅R、黃Y、綠G、青V、藍B、紫P>。根據(jù)德國物理學(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>混合而成的?！?TCS230識別顏色的原理

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,就能夠知道所測試物體的顏色。對于TCS230來說,當(dāng)選定一個顏色濾波器時,它只允許某種特定的原色通過,阻止其他原色的通過。例如：當(dāng)選擇紅色濾波器時,入射光中只有紅色可以通過,藍色和綠色都被阻止,這樣就可以得到紅色光的光強；同理,選擇其他的濾波器,就可以得到藍色光和綠色光的光強。通過這三個值,就可以分析投射到TCS230傳感器上的光的顏色?！?白平衡和顏色識別原理從理論上講,白色是由等量的紅色、綠色和藍色混合而成的；但實際上,白色中的三原色并不完全相等,并且對于TCS230的光傳感器來說,它對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,因此在測試前必須進行白平衡調(diào)整。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白色的光源,使入射光能夠穿過試管照射到TCS230上；根據(jù)前面所介紹的方法,依次選通紅色、綠色和藍色濾波器,分別測得紅色、綠色和藍色的值,然后就可計算出需要的3個調(diào)整參數(shù)。當(dāng)用TCS230識別顏色時,就用這3個參數(shù)對所測顏色的R、G和B進行調(diào)整。這里有兩種方法來計算調(diào)整參數(shù)：①依次選通三種顏色的濾波器,然后對TCS230的輸出脈沖依次進行計數(shù)。當(dāng)計數(shù)到255時停止計數(shù),分別計算每個通道所用的時間。這些時間對應(yīng)于實際測試時TCS230每種濾波器所采用的時間基準,在這段時間所測得的脈沖數(shù)就是所對應(yīng)的R、G和B的值。②設(shè)置定時器為一固定時間<例如10ms>,然后選通三種顏色的濾波器,計算這段時間TCS230的輸出脈沖數(shù),計算出一個比例因子,通過這個比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?55。在實際測試時,使用同樣的時間進行計數(shù),把測得的脈沖數(shù)再乘以求得的比例因子,然后就可以得到所對應(yīng)的R、G和B的值。3顏色識別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)本文介紹的基于單片機的顏色識別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,硬件電路部分主要是由單片機最小系統(tǒng)、顏色傳感器TCS230組成的顏色采集系統(tǒng)和數(shù)碼管顯示電路。首先是由顏色傳感器TCS230進行顏色采集,直接輸出數(shù)字量并且利用單片機的數(shù)字頻率計的作用將各種顏色的頻率輸出,最紅用數(shù)碼管將其顯示出來。顏色采集電路顏色采集電路單片機系統(tǒng)電路數(shù)碼管顯示電路圖2顏色識別系統(tǒng)系統(tǒng)框圖3.1單片機最小系統(tǒng)電路單片機最小系統(tǒng)是指讓單片機能正常工作并發(fā)揮其功能所必須的組成部分。對51系列單片機來說,最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機、晶振電路、復(fù)位電路等。下面給出一個51系列單片機的最小系統(tǒng)電路。圖3單片機最小系統(tǒng)3.2復(fù)位電路基本的復(fù)位方式：單片機在啟動時都需要復(fù)位89系列單片機的復(fù)位信號是從RST引腳輸入到芯片的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時,且振蕩器穩(wěn)定后,如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期<24個振蕩周期>以上,則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。單片機系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動按鍵復(fù)位和上電復(fù)位。<1>手動按鍵復(fù)位手動按鍵復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端RST上加入高電平。一般采用的辦法是在RST端和正電源Vcc之間接一個按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時,則Vcc的+5V電平就會直接加到RST端。手動按鈕復(fù)位的電路如所示。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒,所以,完全能夠滿足復(fù)位的時間要求。圖4按鍵復(fù)位圖5上電復(fù)位電路圖6復(fù)位電路<2>上電復(fù)位上電復(fù)位的工作過程是在加電時,復(fù)位電路通過電容加給RST端一個短暫的高電平信號,此高電平信號隨著Vcc對電容的充電過程而逐漸回落,即RST端的高電平持續(xù)時間取決于電容的充電時間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位,RST端的高電平信號必須維持足夠長的時間。在圖6的復(fù)位電路中,當(dāng)Vcc掉電時,必然會使RST端電壓迅速下降到0V以下,但是,由于部電路的限制作用,這個負電壓將不會對器件產(chǎn)生損害。在本設(shè)計中采用了按鍵復(fù)位和上電復(fù)位的兩種模式〔如圖7所示。3.3晶振電路一般的晶振振蕩電路都是在一個反相放大器<注意是放大器不是反相器>的兩端接入晶振再有兩個電容分別接到晶振的兩端,每個電容的另一端再接到地。圖7晶振電路晶振與單片機的腳XTAL2和腳XTAL1構(gòu)成的振蕩電路中會產(chǎn)生偕波,為了電路的穩(wěn)定性起見ATMEL公司只是建議在晶振的兩引腳處接入兩個10pf-50pf的瓷片電容接地來削減偕波對電路的穩(wěn)定性的影響,所以晶振所配的電容在10pf-50pf之間都可以的。3.4TCS230顏色傳感器與單片機的接口電路顏色傳感器TCS230的引腳封裝應(yīng)經(jīng)在TCS230的結(jié)構(gòu)框圖與特點處做了簡單的介紹,下圖是單片機與顏色傳感器TCS230之間的接口電路。圖8TCS230與單片機的接口電路顏色傳感器TCS230的片選端口〔OE連接至單片機的P1.0口。輸出波形占空比控制端口S0.S1分別連接至單片機的P1.2和P1.3口。濾波選擇端口S2和S3風(fēng)別連接至單片機的P1.4和P1.5口。輸出端口連接至單片機的定時計數(shù)端口P3.5。3.5數(shù)碼管顯示電路在進行數(shù)碼管顯示電路設(shè)計時采用138譯碼器作為數(shù)碼管的位選,采用鎖存器573作為數(shù)碼管的段選控制,這樣一方面為數(shù)碼管的顯示提供了驅(qū)動同時又節(jié)省了單片機的端口資源。其電路如下：圖9數(shù)碼管顯示電路動態(tài)顯示：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一,動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起,另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路,位選通由各自獨立的I/O線控制,當(dāng)單片機輸出字形碼時,所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼,但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形,取決于單片機對位選通COM端電路的控制。在輪流顯示過程中,每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為1～2ms,由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù),不會有閃爍感。4系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1總體流程圖系統(tǒng)軟件主要包括：組程序、白平衡矯正子程序和顏色比較子程序。其中白平衡矯正子程序用于顏色標定；比較子程序用于顏色檢測。程序流程圖如下：圖10總體流程圖子程序設(shè)計程序需進行白平衡調(diào)節(jié),得出比例因子,再實現(xiàn)對物體顏色檢驗和校準,并在數(shù)碼管上顯示值,下面給出了顏色識別子程序流程：圖11子程序流程圖5小結(jié)本設(shè)計從TCS230的結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)用領(lǐng)域出發(fā),結(jié)合AT89S52單片機,實現(xiàn)了能夠同時測量和辨別光線中三基色成分。簡述了利用軟件對TCS230的實際顏色測量值進行校準的處理辦法,大大提高了系統(tǒng)對顏色的辨識精度。給出了相應(yīng)的硬件設(shè)計電路、軟件流程圖和測試程序、電路具有成本低、測量速度快、精確高等特點,可以廣泛應(yīng)用于各種對需要對光色成分進行測量、分析和識別的行業(yè)。參考文獻[1]梁冀,基于三基色反射光的顏色識別系統(tǒng)設(shè)計,大眾科技,2008.[2]龔向東,曾振興,林丹,基于SPCE061A單片機的顏色檢測系統(tǒng)的設(shè)計,電子測量技術(shù),2008.[3]喜鳳,黃娉,貴華.三基色亮度計的設(shè)計和應(yīng)用,微計算機信息2009。[4]丁茹,剛.可編程彩色光/頻率轉(zhuǎn)換器TCS230及其應(yīng)用,國外電子元器件,2005。[5]盧川英,于浩成,敬輝,孟中.基于TCS230顏色傳感器的顏色檢測系統(tǒng)。大學(xué)學(xué)報,2008。[6]TAOS公司.TCS230技術(shù)說明書,德拉瓦,TAOS公司,2006。DesignofColorRecognitionSystemBasedonSingleChipMicrocomputerChenLei<SchoolofPhysicsandElectricalEngineeringofAnqingNormalAbstact:Alongwiththedevelopmentofmodernindustryproductiontowardstohighspeedandautomatic,theproductionprocesswhichisdominatedbythehumaneyecolorrecognitionwillbeplacedbythecorrespondingcolorsensor.ThisdesignintroducesanewkindofcolorrecognitionsystemwhichisbasedontheSTC89C52single-chipandusethecolorsensorTCS230toidentifydifferentcolorsandfinalydisplaythecolorinformation.ThisarticlemainlyelaboratedtheTCS230colorsensorandcoloridentificationprinciple,discussesthe