《基于單片機的顏色識別的智能分揀系統設計》13000字

引言現如今，我國的工業(yè)正在快速發(fā)展，而在過去的工業(yè)生產和操作過程中，顏色識別傳感器主要由人類視覺控制，而現在這些顏色傳感器正日益被相應的新型顏色識別傳感器所取代，由于人體的某些生理原因，在人體自動識別中產生的準確度誤差已經越來越嚴重地影響到計算機的快速發(fā)展和現代工業(yè)的發(fā)展，使人們現在對一種智能的顏色識別裝置的需求越來越大，它可以取代傳統的人眼自動檢測顏色。色彩識別傳感器模塊是顏色精確檢測控制裝置中能夠自動實現顏色精確檢測的重要模塊，目前市場上類似的顏色識別傳感器都是獨立的光電傳感器，或者在二極管上經過多次改變由紅、綠、藍濾光片修正，將兩個信號分別進行輸入和輸出分離并進行相應的顏色處理，可以識別并顯示相應的信號；也有一些專家和學者將兩種處理方式結合起來信號模擬經A/D轉換進行射頻采樣，從而達到信號識別的目的。1緒論1.1選題的背景隨著現代科學技術的不斷發(fā)展帶來了生產力的大幅度提高，同時也讓企業(yè)意識到工業(yè)生產的需求僅僅依靠人力是無法滿足的，一些危險作業(yè)也是無法依靠人力去完成，因此機器人的誕生是時代所需。最早的工業(yè)機器人是美國發(fā)明的，它是將一種零件從一個加工工位移動到另一個，并調整其位置，因為功能單一，逐漸被市場淘汰，視覺識別技術與機器人的結合成為現代主流趨勢，機器在搬運、分揀、裝配等各個領域蓬勃發(fā)展。隨著我國勞動力成本的不斷提高，機器操作代替人力操作已成為必然趨勢。近幾年視覺識別領域的各項研究成果正在不斷地獲得突破，視覺識別被廣泛地應用在各個領域，對各行各業(yè)的發(fā)展與革新發(fā)揮了重大的作用。相比于人力，機器人的優(yōu)勢非常明顯，機器人不會如同人類一樣產生疲倦感，只要能源充足，就能夠不停地運轉。機器人擁有可靠的穩(wěn)定性，能夠嚴格按照設定好的程序執(zhí)行指令，進行操作，具有高精準度。而且機器人的成本遠遠低于人工成本，從企業(yè)的角度來說，機器人的使用無疑更受歡迎。傳統的機器人，程序固定，靈活度很低，對待加工分揀的工件要求卻比較高。視覺識別技術的出現就像是在傳統機器上安裝了眼睛，大大提高了機器的靈活性，為企業(yè)的自動化改造提供了可能性。我國雖被稱之為制造大國，卻不是制造強國。我國企業(yè)的許多核心技術都掌握在別國手里，受制于人，產品的生產線自動化程度低，效率不高。機械手的出現加快了現代企業(yè)的轉型的進度。隨著現代企業(yè)對生產線自動化的要求不斷提高，單一的機械手已經不能滿足市場的需求，更加智能化的機械手成為時代所趨。分揀機械手不僅能夠代替人力對物品進行分揀，還能夠對同一物品設定一個統一的標準進行分揀，工作效率高，所需成本低?；陬伾R別的分揀機械手能夠根據識別的圖像，通過系統控制下的機械手對待測物品進行分揀，此方法精確度高，而且對于危險的作業(yè)能夠替代人力完成，擁有視覺識別的分揀機械手，在農業(yè)、工業(yè)、水產行業(yè)等領域被廣泛應用。1.2選題的意義本文提出的智能色彩識別系統的重要性在于它不僅降低了傳統色彩信息識別的操作難度，通過準確可靠的示范數據，促進我國自動化制造業(yè)及相關技術產業(yè)的健康發(fā)展，同時，本文對這一技術領域未來的研究和發(fā)展提出了一些獨到的見解，另外，本文所提到的自動顏色識別系統也應該是一個支持機器人參與比賽的自動視覺識別系統。1.3國內外研究現狀目前，基于不同工作原理的激光顏色傳感器主要包括兩種基本技術：一種是RGB（紅色、綠色、藍色）激光顏色傳感器進行互認，所檢測到的顏色是互認顏色值的三種類型的互認光模擬；第二種是使用標準色差傳感器來確定標準產品和其他標準產品測量的物體的最大顏色。這種密封通常用于長型反射、輻射和反射纖維，密封后，安裝在各種磁性及其他聚碳酸酯材料的外殼內。過去工業(yè)上自動識別物體顏色的方法，它的顏色制作過程誤差大、效率低下、穩(wěn)定性也很差，而當前的工業(yè)顏色識別技術的發(fā)展以及應用技術要求比較高，所以那些識別方法已經很滿足要求了；比如自動顏色測量光譜儀，這些高速低精度的自動顏色識別測量圖像處理技術設備，其顏色制作過程成本高且便攜性差，在應用領域仍然不能具有明顯的工業(yè)技術性和局限性；因此為了更好地滿足低成本技術和小成本、高效率、系統便攜性好的工業(yè)顏色識別設計技術應用發(fā)展要求，設計者需要提出基于自動顏色識別系統自動識別顏色的設計解決方案。1.3.1國內研究發(fā)展現狀學者的問題研究觀點視角不一樣,所有人關注的問題也不一致。深圳市三恩馳科技有限公司生產了一樣便于攜帶的電腦色差儀，它可以使用光照定位，這是三恩馳科技有限公司獨創(chuàng)的，是獨一無二的。而且這款色差儀的PC端軟件擁有知識產權，可進行色差分析、色差累積分析、色度指標、色樣庫管理等。這個系列色差儀的系統穩(wěn)定性在業(yè)內是被夸贊的，令人難以企及的。四川火狐公司最新發(fā)布了一項顏色傳感器，這個顏色傳感器是由三個小型硅針片上光電池和光電濾波器組合而成，每個片上光電處理管都攜帶著一個三種不同顏色之一的片上光電濾波器。它具有同時兼?zhèn)湫⌒痛蟪叽缧酒O計，高質量射頻濾波器和可以同時進行記錄三種特殊顏色這三個優(yōu)點。每一個對應的光電二極管都是對相應的電子光譜儀和濾光片發(fā)出的顏色敏感，主要特點就是其具有紅、綠、藍三種顏色。機器視覺技術的設計是根據人眼的功能，通過攝像機和計算機來實現的。機器視覺技術被廣泛的應用于水產行業(yè)、電子行業(yè)、農業(yè)等領域。由于我國在機器視覺技術方面起步比較晚，技術不夠成熟，所以大多數的企業(yè)視覺識別機器都是來自外國的引進。2014年，周銘提出顏色識別自動分揀系統，但功能受限制，只能分揀三種顏色。2017年，賀向宇[18]基于視覺識別，設計了能夠分揀四種顏色的機器。國內在機器視覺方面的研究專利雖不如歐美國家多，但近幾年國內專利的申請數量在穩(wěn)步攀升。目前，中國已經擁有超過100多家的國際機器視覺品牌，中國自己的機器視覺企業(yè)也超過了100家，中國的機器視覺正在蓬勃發(fā)展，促進了企業(yè)的革新和轉型。目前，國內已知的飲料瓶回收色選設備，只有瓶片色選設備。目前國內還沒有發(fā)現有研制整瓶顏色分選設備的企業(yè)。而歐美國家在顏色分選領域的技術比較成熟，國內的顏色分選設備基本依賴進口。TOMRA集團的PET色選機使用靈活、性能高效，能夠根據獲得的顏色信息從廢料中分選出有價值的物料，如圖1-1（a）所示。MendozaFA等研究的顏色分選設備是根據顏色采用支持向量機算法對黑豆進行等級劃分，如圖1-1(b)所示。TOMRA集團的PET色選機（b）黑豆根據顏色的等級劃分圖1-1顏色分選設備及顏色的等級劃分隨著養(yǎng)殖業(yè)、農業(yè)等領域規(guī)模的擴大，人工分揀已經逐漸被機器分揀所代替。通過機器識別雞冠顏色的方法來對每個雞籠進行檢測，精準度高，能夠進行批量生產。我國珍珠工業(yè)仍處于人工分級階段，但利用機器視覺對珍珠進行分級的研究，進入21世紀，高校和企業(yè)紛紛加入到其中來。我國作為煙草大國，煙葉的分揀迫切的需要進行自動化改革。智能機器人技術近年來不斷發(fā)展提高，除了最初的娛樂功能，還能代替人類進行高效的工作，參與企業(yè)的生產線，提高其自動化水準?！?36”計劃是國家一項重點計劃，在該計劃的支持下，機器人的研究成果已經取得了巨大的進展。機器視覺的發(fā)展，讓企業(yè)看到了生產線完全自動化的可能性，對機器視覺的應用提出了更高的要求。顏色是一種基本視覺特征，在社會生產生活中起著重要的作用，顯示顏色識別結果的設備稱為分揀系統。分揀過程是物流系統的重要環(huán)節(jié)之一，是服務機器人與非結構化環(huán)境交互的關鍵構件?；跈C器視覺的分選系統的研究在各個領域都頗受關注，現代行業(yè)自動化生產、分揀已經成為不可逆的趨勢，隨著視覺理論研究的不斷深入，機器視覺在工業(yè)領域的應用將越來越廣泛。1.3.2國外研究發(fā)展現狀MTCSiCS是MAZET公司最新研發(fā)出來的顏色傳感器，它可以進行三色測量（CIE）。它的控制系統可以捕捉到物體當前的顏色狀態(tài)，然后根據圖像信號的反饋控制并達到相應的Yxy值，與其他傳感器相比，MAZET傳感器的功率在溫度變化時保持不變，即使溫度或能量非常高。德國ELTROTEC色碼檢測儀可以檢測色差，即使只是有輕微的色差，而且ELTROTEC檢測儀還可以檢測到光澤度比較高的物體?？茖W技術正在迅速發(fā)展，我國作為制造大國，卻短缺成為制造強國的核心技術。我國現在的制造業(yè)大多數還處于制造工廠的狀態(tài)，核心技術掌握在別人的手里，所以大力發(fā)展科技，提高我國的自動化水平刻不容緩。我國許多企業(yè)的流水線作業(yè)現在依然是依靠人工勞力，人工作業(yè)不僅效率低，而且成本越來越高，使用機械手代替人工進行勞作的方法，不僅效率高，節(jié)約成本，而且有效的提高了企業(yè)的自動化水平和企業(yè)競爭力。美國在1954年制造出了世界上第一臺機器人，雖然它只是一臺樣機，但它的誕生標志著機器人在工業(yè)中的應用正式拉開帷幕。國內的機械手目前都是作為輔助部件參與工業(yè)加工，采用固定的編程方式進行工業(yè)工作，當外部環(huán)境或者工件加工工藝發(fā)生改變時，機械手將依舊按照程序進行操作，因此產生加工錯誤，靈活性差，自動化水平不高，所以現在單一的機械手逐漸被市場淘汰?；谝曈X識別系統下的分揀機械手能夠代替人工進行物品分揀，視覺識別與機械手的組合應用成為現代許多學者的研究熱點。ELTROTEC色碼檢測儀適用于快速準確檢測色碼或其他場合，以顏色對比為特征。

2顏色識別相關理論2.1顏色識別在自動控制系統的出現后被提出的一種令人覺得新奇的檢測技術，也是自動控制理論的簡單應用，并得到了大力的發(fā)展，這個技術就是顏色識別。其實顏色自動識別系統很晚才被人提出去做，但是人們對其抱有很大期望，所以發(fā)展較快，而且它對于實時記錄顏色方面有著重要的意義，這個識別系統一般是通過測量到的被測物體表面的RGB色值來確定物體真正的顏色，自動控制識別的傳感器測量精度可達到0.01v，但是容易受到周圍環(huán)境的影響，如果環(huán)境有所變化那么測量到的值也就會發(fā)生改變，其中溫度的影響最為明顯。現代社會中人們眼睛所能夠準確地分辨到的各種顏色及其數量仍然很少或者是有限的，而且之間很可能還會存在著許多小的個體性差異，所以專業(yè)人士會給我們準備一個設計方案，這個方案可以讓我們更熟悉和理解使用這種顏色強度識別系統，即使我們們僅僅只是一個幾乎沒有任何技術訓練的普通人，除了很有可能會因為出現一些明顯的色盲而發(fā)生誤測，都仍然應該完全地能夠清楚地認識和看出它們之間的明顯顏色區(qū)分。2.2色彩空間現在人們都清楚可以用多種表示方式去描述顏色空間，如RGB、HSV、HSL等等，RGB顏色空間是最為普遍的一種方式，RGB就代表著紅色、綠色、藍色這三種顏色，如果我們將這三種顏色放在一起相互融合，那么就肯定會變成另外的一種顏色。如果我們使用RGB去比較顏色之間是否相似，這件事本身就是一個存在很大問題的事情，所以是不可取的，因為只要一個通道有一點點改變，最后融合在一起的顏色很大程度上就會發(fā)生改變，但是如果這三個通道是同時發(fā)生的改變，卻只會使顏色最后的明暗發(fā)生變化，色調并不會產生變化?？赡茉S多人不是很了解這方面的內容，所以這里簡單介紹一下RGB顏色模型，如圖2-1所示。RGB顏色模型其實就是一個坐標系統，它有3個軸，這三個軸分別代表R、G、B三基色，坐標原點(0,0,0)代表的顏色是黑色，離原點最遠的點(255,255,255)代表的顏色為白色，從原點到離原點最遠的頂點的連線上的點分別代表著從黑到白的不同灰度值，而這個立方體內其余各點就對應著我們不那么清楚地知道的顏色。圖2-SEQ圖2-\*ARABIC1RGB顏色模型2.3白平衡算法我們都知道這個世界上白色光是如何存在的，在學習物理上的光學知識時，我們了解到白色光是由赤、橙、黃、綠、青、藍、紫這七種顏色的光組成的，但是這七種顏色又是由紅、綠、藍三原色按不同比例混合得到的?，F在我們用眼睛就可以看到的白色或其他顏色都與物體本身所具有的顏色、光源、物體的反射或透射特性、人眼的視覺感應等諸多因素有關?？偟膩碚f，白平衡就是讓本來就是白色的物體它最后所成的像依然還是白色的，如果是這樣的話，那其他景物的影像就會接近人眼的色彩視覺習慣。調整白平衡的過程叫做白平衡調整，白平衡的調整方式在前期設備上一般有三種：預備調整白平衡、手動去調整白平衡和自動跟蹤然后調整白平衡。其實我們一般都是要按照寫好的程序去運行這個調整過程，白平衡調整的程序運行后去推動白平衡的調整開關，然后白平衡調整電路就可以開始工作了，最后自動地完成調整的整個過程并記錄調整后得到的結果。2.4顏色傳感器的技術2.4.1顏色檢測的難點物體關于視覺顏色學的信息十分廣泛，對于顏色的信息確定一般需考慮其中的色調、明度及視覺飽和度三個基本因素或三者與原始色(紅綠藍)視覺刺激程度之間的比值。影響整個物體的顏色傳感器檢測結果精度和準確性的觀察參數主要因素包括：參考光源、光源方位、觀察者位置的方向、以及顏色傳感器在工作時的性能等，任何一個被觀察者所看到的參數發(fā)生變化后都可能直接引起整個被觀察者所看到物體的顏色發(fā)生變化。(1)光源的影響光源中可能含有別的顏色的光，這些光會影響到物體顏色測量時的結果，這些都會影響以后的工業(yè)發(fā)展。Judd等多位研究人員在1964年這個時間段先后提出了一種基于照射光顏色變化更改修正后的測量誤差模型，就是因為照射物體光源中的顏色亮度變化會給測量帶來誤差，但盡管他們做了這一系列的事情，照射光顏色變化修正引起的對照射物體的光源和顏色亮度變化檢測的測量誤差仍然存在，沒有方法去改變。(2)光源方位的影響傳感器的光強值會受到光源照射方位影響，從而物體顏色測量結果會有誤差，由于我們的光源照射方位不同，仔細點就是說光線照到物體上的位置和角度不同，同一個物體可能會有完全不同的造型或者效果圖出現，例如我們拍照時會找不同的角度，會站在不同的地方，就是因為光源照射方位和測量方位不同最后出來的照片效果也不一樣，所以在實驗中需要注意選擇最佳的測量方位和位置，方能保證最準確的測量。(3)被測物體表面反射狀況的影響當我們在測量時，傳感器的探頭與我們所需要檢測的物體之間存在著一定的距離，而這個距離就會直接影響到輸出的顏色信號，可能還會直接地造成不同的探頭與輸出信號之間相互交叉，導致我們測量上會形成誤差，所以探頭之間存在一個最佳的顏色距離，這個顏色距離對于探頭輸出特性值的影響最小。被激光在物體內部表面所測得的較明顯微凹凸反射區(qū)域也很有可能給進入的輸出反射信號的測量帶來更多的反射誤差，為此，Phong,Shafer和Nayar等研究者先后兩次發(fā)展性地提出凹凸反射誤差模型，從而有效地彌補了測量中的誤差。2.4.2顏色傳感器的分類（1）RGB顏色傳感器RGB顏色傳感器對相似的兩種激光顏色和不同激光色調的應用激光強度檢測的可靠性能的要求相對較高。在三個彩色光電微波發(fā)射器的二極管上分別直接貼上三個含有甲基色素的激光反射濾色片，三種光通過同一個的激光反射透鏡直接進行激光發(fā)射后被不同發(fā)射目標三種顏色上的物體直接進行激光反射，根據激光透鏡上檢測出的激光反射強度數據值就可以精確求出三種不同顏色的主要化學成分。這種檢測方法能夠很準確地區(qū)別兩種極其相似的構成物體的顏色。（2）色標傳感器我們可以知道色標傳感器主要是用于檢測各種樣式的標簽，即使那些標簽上的背景顏色有著很細微的差別，它也還是可以輕而易舉地被檢測到，色標傳感器的處理速度很快，這是令人難以相信的一點。但是重要的是，即使標簽和標簽的背景之間的顏色可能會混合到一起，它還是能夠自動適應顏色的波長，然后可以檢測到灰度值之間的細小差別，這是它與別的傳感器之間的差別或者說是它的優(yōu)勢。色標傳感器也常常用來檢測特定的標簽或物體上的斑點，它不是直接就去測量物體的顏色，而是通過測量非色標區(qū)，然后與之相比較來實現色標檢測。色標傳感器如圖2-2所示。圖2-SEQ圖2-\*ARABIC2色標傳感器2.5顏色識別的應用在當今社會，一切都在快速的發(fā)展當中，顏色識別裝置也是越來越多地被使用到各個行業(yè)當中，我們可以看到現在每個事物都有它的顏色，可能含有多種顏色。所以我們就會知道顏色識別可以運用到各種各樣的產品檢測(例如：對產品包裝袋的顏色檢測，產品物體外表色彩特征及各顏色的色彩檢測，液體在水溶液中的顏色濃度變化及各過程的色彩檢測與顏色控制等等)。又例如：在現代產品包裝與裝飾工業(yè)，產品包裝技術人員會通過利用不同產品顏色或者其他裝潢方式來分別表示自己的產品特點或者其使用用途，然后可以制造出更好的產品來獲得大眾的認可，吸引他們的注意。

3硬件設計3.1系統需求分析根據對顏色識別系統的功能要求，需要對系統進行全面的分析，以確定系統中各個功能環(huán)節(jié)中所需要的外圍器件，以及在實際操作中需要注意的數據狀態(tài)信息，使得系統滿足項目實施要求。良好光室需求被測物體的光照情況直接影響著該物體顏色識別的測量結果，良好而固定光室是保證測量結果準確、高效的首要條件。（2）上位機控制需求在實際測量環(huán)境中，外部控制信號保證了目標物體的攝像和單幀圖像采集傳輸的開關操作，使得整個圖像顏色識別的人機操作變得簡單而友好。（3）狀態(tài)指示需求在圖像數據傳輸過程中要實時反映傳輸情況，指引用戶正確操作。（4）結果保存需求多種數據格式的保存形式可方便不同用戶對歷史測量數據的隨時查看和后續(xù)的處理工作。3.2硬件方案設計及選擇顏色識別系統主要以STC89C52RC單片機的顏色控制模塊為基礎，增加了顏色識別傳感器數據采集模塊TCS3200，TCS3200驅動控制模塊，設計了具有白色節(jié)點的LED光顯示模塊和LCD1602液晶顯示模塊，在此基礎上設計了一個顏色識別系統。該顏色識別系統的基本結構如圖3-1系統框圖所示。圖3-SEQ圖4-\*ARABIC1系統框架圖3.3單片機最小系統設計3.3.1STC89C52RC單片機簡介STC89C52RC單片機片內ROM全部采用FLASHROM技術，與MCS-51系列完全兼容。STC89C52RC芯片有40個引腳，包括主電源引腳、時鐘電路引腳和控制信號引腳。STC89C52RC單片機引腳功能圖如圖3-2所示。圖3-252單片機管腳功能圖端口1是一個雙向I/O端口，它的內部是具有提升電路的。類似地，如果端口1的輸出設置為高電平，那么最后就會從這個端口輸入數據。如果使用8052或8032，則P1.0可用作定時器2的外部脈沖輸入引腳，而P1.1具有T2EX功能，并可用作外部中斷輸入的觸發(fā)器，詳見表3-1所示。表3-SEQ表3-\*ARABIC1P1口的第二功能引腳號第二功能P1.0T2（定時器/計數器T2的外部計數輸入），時鐘輸出P1.1T2EX（定時器/計數器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）P1.5MOSI（在系統編程用）P1.6MISO（在系統編程用）P1.7SCK（在系統編程用）端口3是一個8位的雙向I/O端口，可以控制四種TTL邏輯模式。當“1”被寫入端口P3時，內部上拉電阻器將作為輸入端口的端口上拉。同時，它還具有串行通信、外部中斷控制、外部數據存儲器的定時和計數控制等功能。P3端口也是STC89C52RC的一個特殊功能（第二個功能），如圖3-3所示。在FLASH編程及校驗時，P3口亦接收些控制信號。圖3-3P3口的特殊功能XTAL1——振蕩器外部額外正相信號輸出放大器及內部額外反相信號時鐘外部信號輸出發(fā)生器為控制電路之外部反相信號輸入端。XTAL2——振蕩器是與反饋三相放電擴大器之間的輸出端。STC89C52RC是一個片內具有一種小型低電壓，高性能的并且具有一個CMOS8位數的小型單片機，片內還包括一個具有8k背景的硬件組，其中包括一個主機存儲器和256bytes的RAM、功能強大的數據內存硬件。STC89C52RC有40個引腳，STC89C52RC最小系統如圖3-4所示。圖3-4STC89C52RC最小系統STC89C52RC單片機內部含有8K字節(jié)的閃存，32位I/O端口線，看門狗定時器，兩個數據指針，三個16位定時器/計數器等等。除此之外，STC89C52RC的工作頻率可以降低到0HZ，有一種節(jié)能模式可以支持兩種軟件可選。在空閑模式下，CPU停止工作后，但是串行接口和外部中斷系統仍然可以繼續(xù)工作。3.3.1電源電路電源電路為整個硬件部分提供所必需要的工作電壓，本次使用的電源電路是一種從USB口取得+5v電壓方法，其電路圖如圖3-5所示。圖3-5電源電路圖3.3.2復位電路圖3-6復位系統電路圖如圖3-6所示，當電源打開瞬間，電路給電容C1充電，使得電流通過電容C1，給單片機REST送入高電平，實現上電復位，當電容充電完成后，右邊電路斷開，阻止電流的通過。如果出現程序跑飛現象的時候，可以按下左邊復位按鍵K3，使得電流通過左邊電路給單片機REST送入高電平，實現了按鍵復位。3.3.3時鐘電路圖3-7時鐘系統電路圖如圖3-7所示，時鐘電路中X1,X2管腳分別與單片機的XTAL1和XTAL2相連，其主要功能是為了給單片機提供頻率，一般選用11.0592MHz的晶振，這種晶振能夠保證單片機在進行串口通訊的時候降低串口通訊的誤碼率。3.4TCS3200顏色識別簡介3.4.1TCS3200芯片的結構TCS3200是TAOS公司推出的一款可以將彩色光的頻率進行轉換的儀器。它的CMOS電路中將可配置的硅光電二極管和電流頻率轉換器集成到一起，并在一個芯片上集成了紅、綠、藍三種濾波器。它是業(yè)界第一款具有數字兼容接口的產品，TCS3200的輸出信號是數字的，可以驅動標準TTL或CMOS邏輯輸入，因此可以直接與微處理器或CMOS連接，其他的邏輯電路都是連接在一起的，因為輸出信號是數字的，而且每個顏色通道都能達到10位以上的轉換精度，所以不需要A/D轉換電路，所以電路就更加簡單明了，圖3-8是TCS3200的引腳圖。圖3-8TCS3200引腳圖3.4.2TCS3200傳感器識別原理(1)三基色原理如果按照不同的比例搭配適當的三原色（紅、綠、藍），會產生不同的色彩感受。由三種顏色混合之后得到的顏色的光的亮度由三原色的亮度之和決定，色度由三原色各成分的比例值決定。這三種原色事實上都是相互獨立的，任何一種原色都不能與另外兩種顏色相匹配。一般來說，物體的顏色由來其實很簡單，它實際上就是物體表面吸收照射在上面的白光（陽光）的一部分有色成分，然后在人們眼中反射另一部分有色光，這樣我們就可以看到物體的顏色。白色是由各種頻率的可見光混合而成，即白光中含有多種顏色（如紅R、綠G、藍B）。根據德國物理學家海林霍爾茨的三原色理論，各種顏色都是由三原色（紅、綠、藍）的不同比例混合而成。(2)TCS3200識別原理TCS3200顏色傳感器的識別原理其實就是在我們選擇一個特殊顏色背光濾波器時，它的存在只是為了阻止某種特殊背光原色的信號通過而已。例如：當我們首先選擇了一個紅色的藍光濾波器時，入射光中只有一條光，而紅色的光是我們可以直接穿透的，藍色和綠色都會被光線阻斷，這樣就可以使我們成為可以直接獲取得到帶有紅色光的黑白照度和綠色亮度；同時，選擇其他兩種濾波器，就已經成為可以直接獲取帶有藍色入射光和帶有綠色入射光的兩種較弱的入射光。通過這三個單位數字的比值，我們就可以輕而易舉的很精確地計算和得出激光投射在TCS3200傳感器上的物體光線反射顏色。3.5液晶顯示器簡介LCD液晶顯示器由于它具有獨特的低電壓和微功耗這種功能特性，在單片機系統中被廣泛的應用和發(fā)展?，F實生活中常用的液晶顯示模塊分為三類，分別是數字液晶顯示模塊、點陣字符液晶顯示模塊和點陣圖形液晶顯示模塊。其中，圖形液晶顯示模塊在全國范圍內廣泛被使用，但是我們的漢字不能像西文那樣用字符模塊顯示，如果想要能夠顯示漢字，就必須使用圖形模塊，其電路圖如下圖3-9所示。圖3-9LCD1602電路圖每行的字符數和每個字符的位置是固定的；點陣液晶顯示器是指整個液晶顯示器由幾個點組成。例如240128是240*128點，可以顯示圖形、漢字、字母、符號等，顯示內容的大小由自己決定。字符型和圖形型液晶都有控制器，不同控制器的指令不同。具體的液晶結構也需要不同的控制器，主要是晶格結構和掃描方式。分段式一般沒有專用控制器，顯示器相對固定，一般顯示器內容直接開模。

4軟件設計4.1上位機程序編寫VisualBasic（簡稱VB）是微軟公司推出的可視化開發(fā)工具，具有功能強大，易學易用的特點，在世界上被廣泛的使用，是一種十分有生命力的Windows語言。通過VB編寫一個可以觀測到下位機經MAX232電路串口傳輸的數據，更加直觀的觀察被檢測物品的顏色。在VB6.0進行編寫程序，首先建立一個工程，添加主函數和各功能模塊驅動文件，程序編寫后進行編譯，生成.exe可執(zhí)行文件，打開上位機可執(zhí)行文件后，為上位機初始化界面，在COM1/COM2/COM3三種串口選擇目標串口，然后將數據線USB口插入所選擇的目標串口，點擊打開串口，此時指示燈的顏色從紅色變?yōu)榫G色，此時下位機和上位機可以進行數據傳輸，下位機液晶顯示器上的RGB數值，在上位機中對應位置顯示，并在上位機右側將測得的顏色顯示出來，顯示流程如圖4-1所示。圖4-1顏色顯示流程圖圖4-2初始化的上位機顏色顯示圖4-3打開串口上位機顏色顯示4.2單片機程序4.2.1程序流程圖程序初始化，首先判斷是否有白平衡，如果沒有的話，取一個白色不透光的紙板，蓋住顏色傳感器，然后給系統響應判斷什么是白色。如果有白平衡的話，可以進行識別檢測物品顏色，將所要檢測物品放在顏色傳感器上方，調用然后顯示器上顯示十進制后RGB數值，并每個0.25秒測試一次循環(huán)上述步驟，具體步驟流程如下圖4-4所示。圖4-4軟件流程圖4.2.2定義特殊功能寄存器通過調用sbit函數來定義液晶LCD數據命令使能端RS、RW、EN和顏色傳感器的S2、S3、輸出端，使LCD液晶顯示電路、單片機、顏色傳感器在軟件層面連接起來，這樣能夠實現傳感器檢測信息傳送到單片機進行數據處理，然后將處理后的數據傳送到液晶顯示器上顯示，成為一個有機整體。4.2.3子程序設計（1）白平衡子程序白平衡的設置對于顏色采集尤為重要，需要預設一個初始條件，告訴單片機什么是白色，有一個“參照物”，然后將后面每次檢測的顏色信息和這個“參照物”進行對比計算，才能正確計算出所檢測的物品顏色信息。在上位機和下位機進行識別檢測前需要進行白平衡調試，分別求出十進制紅色、藍色、綠色因子ryz、byz、gyz以便代入后面程序分別計算R、G、B的。首先初始化TH1、TL1的值，然后TR0=1、TR1=1開啟計時和計數功能，啟動后TL1每次加1，TL1由0加到255時，TH1加1，TH1每8位進1，為了計10毫秒的時間，TH1由55536加到65535后溢出，溢出時TF1置零并向系統申請中斷[10]。關閉定時器，最后分別代入白平衡計算所得的ryz、byz、gyz的值，分別計算無符號整型十進制R、G、B的值并判斷所得值是否合法，即是否大于255，若大于則取255。由于白色的RGB三色分別對應的是255/255/255，初始化后，對白平衡進行設置時，對放在顏色傳感器上的物品顏色監(jiān)測顏色信息，當液晶顯示器顯示255/255/255后，即為白平衡設置成功。其設置白平衡部分子程序流程圖如下4-5所示：圖4-5白平衡子程序流程圖（2）顏色信息顯示子程序本模塊程序首先通過控制EA中斷允許控制位，若EA=1則系統允許中斷，EA=0則不允許中斷。后調用寫屏函數（DisPlayOneChar）控制LCD液晶顯示顯示十進制R、G、B的值。這個子程序的設計功能是要求單片機通過能夠實現對顏色的采集，并將顏色采集的信息傳給單片機，經過單片機數值計算后，調用寫屏函數，在LCD液晶顯示上顯示出結果。首先初始化LCD，使能端E=高脈沖時，激活LCD芯片，然后設置RS=0、RW=1，檢測LCD是否處于忙信號，若是處于忙信號，延時10毫秒繼續(xù)讀忙，直到不處于忙信號，表示可以接受外部指令和數據；設置RS=1、RW=0實現寫入數據，將單片機白平衡子程序中計算出的顏色信息數值寫入LCD中；再設置RS=0、RW=0實現顯示地址功能，將剛寫入的數據在LCD顯示屏中顯示出來。當液晶顯示器中顯示出計算出的數值時，表示整個采集顏色信息子程序完成預設功能。圖4-6為LCD采集顏色信息子程序流程圖。圖4-6LCD采集顏色信息子程序流程圖

5實物調試結果5.1實驗過程由于本系統對軟硬件相互關聯性能的要求很高，其整個教學實驗操作過程中間不斷變化的過程很復雜，一般采用仿真系統無法完全實現。物體顏色識別的具體實驗操作步驟如下：我們首先將自己做出的實物放置在一個無明顯光源的地方，放置一張白紙在四個白色LED上使其成為白平衡狀態(tài)，然后接通電源，將所有帶有顏色的待測紙板準備好放在旁邊拿下白紙，在白色LED上放置一個紅顏色的物體，LCD液晶顯示器上的數值會發(fā)生變化，在上面放置一個綠顏色物體記錄它的數據位置即可。圖5-1STC89C52RC單片機的實物圖圖5-SEQ圖4-\*ARABIC2實物圖圖5-3電源電路圖圖5-4復位系統實物圖圖5-5白平衡狀態(tài)圖圖5-6紅色物體檢測圖圖5-7綠色物體檢測圖5.2結果和誤差分析經過多次的實驗然后記錄相應的數據可以得到一個結論：如果我們的被測物體紅顏色較多，那么在LCD1602液晶顯示器上顯示的輸出結果中R值就比較大，G值和B值就相對偏小；同樣，如果是綠色多，那么G值就大。從實驗數據中可以看出此次實驗雖然實現了識別顏色的效果，但是還是存在著一定的誤差，這些誤差可能由多方面的原因造成，其中之一可能就是因為我們提供的環(huán)境不適宜，我們需要在顏色識別實驗過程中避免外界光的干擾，否則會影響顏色識別的結果，其二可能就是我們操作上會出現失誤，可能在動手操作實驗時我們忘記了步驟，這樣也會導致我們測到的數據不準確，我清楚地記得當時我忘了白平衡調整所得到的數據令人難以相信。此外這些可能的誤差原因中還包括因為補光控制模塊芯片中的LED發(fā)光二極管芯片發(fā)出的光不穩(wěn)定。這些原因或多或少都會導致在本機測量的進行過程中存在一定的誤差，只有不斷地進行改善，才能達到減小測量誤差的主要目的，所以此顏色識別裝置的系統還是有待更進一步的技術研究。

結論與展望本課題要求設計一個能夠識別物體顏色的裝置，經過一系列的查找資料和不斷研究，設計的裝置已經能夠實現顏色的識別。本論文主要需要研究的內容有幾個方面，分別是介紹單片機、TCS3200顏色傳感器等主要模塊的功能，理解這些模塊在本次設計中有何作用，其次對這個系統的軟硬件模塊進行設計，保證它的功能可以實現，最后需要測試編寫程序來實現識別物體顏色的這一功能?，F在已經做過多次實驗成功驗證了文中測試結論的客觀準確性。但是由于我以前對這方面沒有足夠的了解，所以在本文研究的過程中存在著一些缺陷和不足之處：主要的一個問題就是對于RGB三種類型的顏色測量方式的算法設計，它運用到了數字圖像方面的知識點，算法的性能好壞很大程度上直接決定了這三種顏色最后的測量結果，而且又難以構造出準確的顏色測量方式。根據本文已計劃完成的研究工作，對未來需要繼續(xù)進行的工作我希望能對之前的工作有進一步的改進和完善：（1）需要去學習更多關于顏色算法方面的知識，熟練掌握對圖像進行處理的常用顏色算法。本文對我們進行測得的RGB三種顏色信號進行顏色的分別處理我們只是精確選取了頻率倒數中的前三位，所以在