基于RGB230色敏探測器的顏色識別系統(tǒng)設(shè)計

摘要隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)向著高速化、自動化方向的開展，需要精確測色的領(lǐng)域越來越廣泛，要求也越來越高。很多文獻給出的都只能得出待測物體顏色的RGB值，而如果能夠有效地得出待測物體顏色的具體顏色信息，直接將該顏色的英文顯示在液晶顯示屏上，相對來說更加直觀適用。針對這一問題，論文工作通過全面調(diào)研顏色識別原理及方法，最終確定采用RGB230色敏探測器與STC89C52單片機相結(jié)合，設(shè)計出高精度，有較高的穩(wěn)定性、抗干擾性且價格低廉的顏色探測系統(tǒng)平臺。按照設(shè)計的程序?qū)π畔⑦M行處理和判斷，最后將探測的顏色結(jié)果顯示在液晶顯示屏上。最終能夠準確識別紅、綠、藍三種顏色。關(guān)鍵詞：RGB230顏色識別系統(tǒng)設(shè)計色度學(xué)STC89C52基于RGB230色敏探測器的顏色識別系統(tǒng)設(shè)計AbstractWiththedevelopmentofmodernindustrialproductiontowardshighspeedandautomation,thefieldsthatneedaccuratecolormeasurementismoreandmorewidely,alsomoreandmoredemanding.ManygivenliteraturecanonlycometoRGBvaluesoftheobjectcolorundertest,while,ifyoucancometoeffectivelymeasurethespecificcolorofobjectcolorinformation,directlytothecolorofthedisplayontheLCDscreeninEnglish,relativelymoreintuitive.Tosolvethisproblem,thepaperworkthroughcomprehensiveinvestigationcoloridentificationprinciplesandmethods,finallydeterminedusedRGB230colorsensitivedetectorcombinedwithaSTC89C52MCUtodesignthehighaccuracy,havehigherstability,anti-interferenceandlowpricecolordetectionsystemplatform.Basedonthesuccessinthesimulation,weunderlaboratoryconditions,inaccordancewiththedesignschemeofcolormeasurementsystemtobuildanddebug,eventuallybeabletoaccuratelyidentifyred,green,bluecolors.KeyWords：RGB230;colordetectionsystem;colorimetry;STC89C52目錄TOC\o"1-3"\h\u5346摘要II20258AbstractIII20234第1章緒論147401.1研究的目的及意義1207211.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1173541.3課題研究內(nèi)容118125第2章顏色測量的主要理論根底3146682.1顏色匹配311962.2色度學(xué)4147602.3CIE標準色度學(xué)系統(tǒng)45712第3章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計727343.1白光LED補光電路7222713.2RGB230色敏探測器8236783.3I/V變換電路962993.4電壓放大電路1068253.5A/D轉(zhuǎn)換電路11237463.6信息處理12151943.7LCD液晶顯示1630675第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計1894304.1程序流程設(shè)計18299434.2算法設(shè)計18173534.3顏色檢測子程序1929824.4顏色匹配子程序193214.5液晶顯示子程序1914924第5章實驗測試與分析20320725.1系統(tǒng)軟硬件測試20304425.2實驗結(jié)果分析21234155.3影響測量結(jié)果因素2211752第6章結(jié)論246395參考文獻2518560致謝26第1章緒論在當今的社會生產(chǎn)生活中，顏色檢測的應(yīng)用越來越廣泛，不管是圖像處理、材料分揀識別、產(chǎn)品質(zhì)檢、工業(yè)自動化，還是其他探測系統(tǒng)都需要對顏色進行探測。然而顏色傳感器的飛速開展使得生產(chǎn)過程中長期由人眼主導(dǎo)的顏色識別工作越來越多的被顏色傳感器所替代，為生產(chǎn)的自動化實現(xiàn)提供了可能。1.1研究的目的及意義在顏色科學(xué)開展的初期，目視法是主要的測色手段，但是由于受到照明條件、背景亮度、及測色人員視覺和心理上的差異等因素的影響，其結(jié)果會出現(xiàn)很大的誤差。由于這種方法存在很大的缺乏，限制人類的開展，越來越多的人開始意識到顏色測量的重要性。隨著科技的開展，我們的生產(chǎn)生活發(fā)生了翻天覆地的變化，數(shù)字化、高速化、自動化的產(chǎn)品倍受青睞，在生產(chǎn)過程中長期以來由人眼起主導(dǎo)作用的顏色識別工作，越來越多地被相應(yīng)的顏色傳感器所替代，人們也漸漸得到了解放。這無疑節(jié)省了大量的物力人力，方便了人們的生活。由于科技開展的趨勢和人們的生活需求，研究顏色探測器是非常有必要的，而且意義也十分重大，其研究出來的產(chǎn)品市場廣闊，將有利于自動化行業(yè)以及相關(guān)行業(yè)的開展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀一些興旺國家對顏色檢測非常重視，有些產(chǎn)品已到達了適用水平。60年代IDL公司就已研制出樣機，70年代末美國Macbeth公司生產(chǎn)的MS-4045在線分光光度計趨于適用階段，80年代初日本Shibanra電氣研制的在線顏色測量裝置也獲得了較好的結(jié)果。美國的Macbeth、SheLyn、Hennegan、BYK-Garder等，德國Eltrotec、Zeiss、Optronic等主要歐美大型色控儀器公司已控制世界上的顏色檢測儀器市場。由于我國顏色識別興起的時間較晚，在儀器測色的理論和系統(tǒng)的研究領(lǐng)域一直處于相對落后的狀態(tài)。有很多企業(yè)仍然采用原始的目視法，嚴重制約我國顏色工業(yè)的開展。雖然有些企業(yè)已采用國外先進的顏色測量儀器，但是由于價格、生產(chǎn)工藝不一致等因素使得國外的未能完全翻開中國視場。顏色檢測系統(tǒng)在實時檢測及自動控制方面具有重要意義，單片機及微機的引入提高了顏色識別的速度及智能化程度。國內(nèi)與國外尚存在較大差距，顏色識別的精度、靈敏度、顏色范圍、快速性成為顏色識別的主要問題。深入研究傳統(tǒng)顏色識別系統(tǒng)十分必要，同時對國外先進的顏色識別儀器進行了解，可以在某種程度上給我們以啟示。1.3課題研究內(nèi)容本次畢業(yè)設(shè)計的要求是基于RGB230色敏探測器設(shè)計一個顏色探測系統(tǒng)，它可以自動區(qū)分探測物體的顏色。根據(jù)上述提出的要求，本論文闡述一種采用RGB230色敏探測器和STC89C52結(jié)合的探測系統(tǒng)，整個系統(tǒng)主要分為傳感器獲取信號、I/V變換、電壓放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、單片機處理器和LCD顯示七個模塊。本論文首先是先對設(shè)計方案進行了詳細的闡述，其次是詳細解說各個程序的功能特點，然后是對已搭建好的電路系統(tǒng)進行測試和分析。第2章顏色測量的主要理論根底2.1顏色匹配顏色是不同波長的電磁輻射作用于人的視覺器官所產(chǎn)生的視覺感受。光源、觀察物體和觀察者是顏色知覺形成的三個主要組成局部。波長在380nm-760nm范圍之間的光可被我們?nèi)搜鬯l(fā)覺，稱為可見光。物體顏色都是由物體對可見光的反射和透射性能決定的。物體由于本身的物理或化學(xué)特性，物體將會吸收某些波長的光而同時反射其他波長的光，其本身所顯示出來的顏色決定于吸收了哪些波長的光和反射哪些波長的光。當反射光被觀察者接收，觀察者的大腦將成分一定的光波感受為特定的顏色。不同的光與物體相互作用產(chǎn)生不同的光波組成，于是就產(chǎn)生了各種各樣的顏色。任何一個物體的顏色都可由紅、綠、藍三原色按一定的比例混合得到。顏色可分為非彩色和彩色兩類。非彩色是指白色、黑色和各種深淺不同的灰色組成的系列，成為黑白系列。彩色是指白黑系列之外的所有顏色。顏色有三個屬性：色調(diào)，明度，飽和度。色調(diào)用來表示紅、黃、綠、藍、紫等顏色彼此相互區(qū)分的特性。明度表示人眼對物體的明暗感覺，物體的亮度越高，那么明度越高；非發(fā)光物體的反射比越高，明度越高。飽和度是指彩色的純潔度，用以評估彩色在整個視覺中的成分的視覺屬性。顏色匹配實驗是色度學(xué)中最根本的心理物理學(xué)實驗。該實驗證明了一條顏色匹配的根本定律，稱為顏色匹配恒常律：兩個相互匹配的顏色，盡管處在不同條件下，兩個顏色仍然始終保持匹配，即不管顏色周圍的環(huán)境如何變化，或者人眼已經(jīng)對其他色光適應(yīng)后再來觀察，視場中兩種顏色始終保持匹配。與待測色到達顏色匹配時所需要的三原色的數(shù)量稱為三刺激值。假設(shè)以[C]代表被匹配顏色的單位，[R]，[G]，[B]代表產(chǎn)生混合色的紅、綠、藍三原色的單位。R、G、B、C分別代表紅、綠、藍和被匹配色的數(shù)量。當兩半視場相互匹配時，此結(jié)果可用以下方程表示：(2.1)式中，符號“≡〞代表視覺上相等，即顏色相互匹配；R、G、B為代數(shù)量，可為負值。一般情況，可以用三刺激值來定量描述顏色，但是如果都用顏色匹配實驗來得到各種顏色的三刺激值顯得不現(xiàn)實。因此我們可以根據(jù)顏色相加原理，混合色的三刺激值為各組成色三刺激值之和。將待測光的光譜分布函數(shù)，與波長加權(quán)光譜三刺激值，得出每一波長的三刺激值，然后在可見光波長內(nèi)進行積分，就可得出該待測物體的三刺激值。其計算公式為：(2.2)2.2色度學(xué)在色度學(xué)中，我們不直接用三刺激值R、G、B來表示顏色，而用三原色各自占R+G+B總量的相比照值表示顏色。公式〔2.1〕兩邊各除以R+G+B，并考慮C=R+G+B，那么可寫成單位方程：(2.3)由方程可知，一個單位的顏色[C]的色度只取決于三原色的刺激值各自在R+G+B總量中的相比照例，此比值稱作色度坐標，用符號r，g，b表示，且r+g+b=1。(2.4)雖然色度坐標有三個量r，g，b，但由于r+g+b=1，故實質(zhì)上只有兩個獨立量。以色度坐標表示的平面圖稱為色度圖。因此只需給r和g兩個坐標就可確定任意顏色在色度圖上的位置。2.3CIE標準色度學(xué)系統(tǒng)用三刺激值來定量描述顏色是一種可行的方法。為了統(tǒng)一測得物體顏色的三刺激值數(shù)據(jù)，國際照明委員會〔CIE〕規(guī)定的顏色測量原理、根本數(shù)據(jù)和計算方法，稱作CEI標準色度學(xué)系統(tǒng)。其中1931年在英國劍橋舉行的CIE第八次會議上建立了CIE1931標準色度學(xué)系統(tǒng)，包括CIE1931-RGB和CIE1931-XYZ兩個系統(tǒng)。該系統(tǒng)規(guī)定，任何一個物體的顏色都可由紅、綠、藍三顏色，即物體的顏色三刺激值R、G、B或X、Y、Z來表示。2.3.1CIE1931-RGB色度系統(tǒng)國際照明委員會〔CIE〕綜合了萊特〔W.D.Wright〕和吉爾德〔J.Guild〕兩項顏色匹配實驗，將兩人所使用的紅、綠、藍三原色的波長規(guī)定為700nm、546.1nm、435.8nm，并取他們實驗結(jié)果的平均值定出了匹配等能光譜色的三刺激值，從而制定了CIE1931-RGB色度系統(tǒng)。經(jīng)實驗和計算確定，當這三原色的亮度比率為1.0000:4.5907:0.0601時能夠匹配出等能白光，因此選取這一比例作為紅、綠、藍三原色的單位量。2.3.2CIE1931-XYZ標準色度系統(tǒng)為了解決CIE1931-RGB色度系統(tǒng)計算顏色的三刺激值時出現(xiàn)負值情況，CIE推薦了一個新的國際通用的色度系統(tǒng)，即CIE1931-XYZ標準色度系統(tǒng)。該系統(tǒng)是用三個假想的原色[X]、[Y]、[Z]來代替CIE1931-RGB色度系統(tǒng)的[R]、[G]、[B]，并且選擇匹配等能白光，確定三刺激值的單位。在此系統(tǒng)中光譜三刺激值全為正值，因此在選擇三原色時必須使三原色所形成的顏色三角形能將整個光譜軌跡包含在內(nèi)。CIE1931-XYZ色度系統(tǒng)中的光譜三刺激值X、Y、Z和色度坐標x、y、z都變?yōu)檎?。通過數(shù)學(xué)推倒、坐標轉(zhuǎn)換，兩個系統(tǒng)中的三刺激值之間的相互關(guān)系為：(2.5)兩個系統(tǒng)色度坐標的轉(zhuǎn)換公式為：(2.6)2.3.3CIE1964標準色度系統(tǒng)為了適應(yīng)大視場情況下顏色測量的需要，CIE在1964年規(guī)定了一組CIE1964補充標準觀察者光譜三刺激值和相應(yīng)的色度圖，這一系統(tǒng)稱為CIE1964標準色度系統(tǒng)。此系統(tǒng)將視場范圍擴大了，能比擬全面表示顏色。研究說明，人眼用于‘小視場觀察顏色時，區(qū)分顏色差異的能力較低。當觀察視場從2增大至10時，顏色匹配的精度也隨之提高。但視場再進一步增大，顏色匹配精度的提高就不大了。2.4顏色測量方法目前，根據(jù)獲得三刺激值方式的不同，一般進行顏色測量的方法一共有三種：目視法、分光光度法、光電積分法。RGB230色敏探測器的測量方法是光電積分法。它是模擬人眼的三刺激值特性，用光電積分效應(yīng)，直接測得顏色的三刺激值。它不是測量某一波長的色刺激值，而是在整個測量波長范圍內(nèi)對被測顏色的光譜能量進行一次性積分得到樣品顏色的三刺激值X、Y、Z，然后計算得出樣品的色度坐標等其他色度參數(shù)。它使用的濾色片能夠?qū)庾V響應(yīng)進行濾色修正，使得它與CIE標準觀察者一致。同時也對光源進行濾色修正，使之符合標準照明體的相對光譜功率分布。雖然它在測量原理和具體元器件精度存在缺乏，但是由于該測色方法是通過測量構(gòu)成物體顏色的三基色實現(xiàn)顏色檢測的，所以精密度極高，能準確區(qū)別機器相似的顏色，甚至相同顏色的不同色調(diào)。而且它測量速度快，實時性好，因此作為此次顏色探測系統(tǒng)設(shè)計的傳感器。第3章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計由于RGB230色敏探測器輸出的是nA量級的微弱電流信號，對于電流信號，首先要轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入到處理器中進行進一步的數(shù)據(jù)處理。單片機對這些信息進行處理和判斷，當處理后的信號與存儲的參考值相符，并且在一定的誤差范圍內(nèi)，單片機就將顏色信息顯示在LCD顯示屏上。為了獲得處理器能夠識別的信號，整個系統(tǒng)主要分為白光LED補光、傳感器獲取信號、I/V變換、電壓放大、A/D轉(zhuǎn)換、單片機處理器和LCD顯示七個模塊，如圖3.1所示。圖3.1系統(tǒng)硬件整體框圖3.1白光LED補光電路本設(shè)計中，為了消除外界光源不穩(wěn)定的影響，RGB230色敏探測器顏色采集模塊需要在暗室中進行，所以需要另外添加一個穩(wěn)定的光源。采用高亮度白光LED作為光源，它是一種新型固體光源，具有極高穩(wěn)定性、長使用壽命及較小的體積，且能夠長時間穩(wěn)定工作。為保護白光LED不被燒壞，需要串聯(lián)一個電阻，起到限流的作用。本模塊主要是用4個白光LED圍繞在RGB230色敏探測器四周，其光照射在待檢測的物體上，然后反射到RGB230色敏探測器上，到達適宜的光強的目的。其電路原理圖如圖3.2所示。圖3.2白光LED補光電路3.2RGB230色敏探測器RGB230色敏探測器采用4個引腳的外表貼片式封裝，其中3個分別輸出R、G、B光電流，還有1個為陰極。它是三個Si-PIN光電二極管集成在一塊芯片上上面，并分別覆蓋各自經(jīng)過修正的紅、綠、藍濾色片，通過獲得的紅、綠、藍三刺激值來實現(xiàn)對所有顏色的檢測。它是很小的三基色傳感器，長為5.12mm，寬為3mm，如圖3.3所示。(a)實物圖(b)結(jié)構(gòu)圖圖3.3RGB230色敏探測器圖RGB230色敏探測器將光轉(zhuǎn)換為R、G、B光電流，三個Si-PIN光電二極管用于直接接收光強，直接把光強轉(zhuǎn)換為光電流。該探測器采集顏色信號時，紅、綠、藍區(qū)三個引腳都會輸出電流信號，電流輸出穩(wěn)定，不會隨溫度的改變而改變。當入射光照射到RGB230上時，透過帶有顏色的濾色片形成紅、綠、藍三個顏色分量，三個P-N結(jié)都將產(chǎn)生相對應(yīng)的光生載流子，形成光電流。其等效電路如圖3.4所示。我們可通過處理輸出的三路光電流得出具體顏色信息，從而確定出不同的顏色。圖3.4等效電路RGB230色敏探測器具備小尺寸設(shè)計和三種顏色同步記錄的特點，且該顏色傳感器對相似顏色和色調(diào)的監(jiān)測可靠性較高。三個不同區(qū)域的顏色識別響應(yīng)，類似于人眼。每個光電管對相應(yīng)光譜濾波器的顏色的光最為敏感，主要是紅色，綠色，藍色。該傳感器的測量模式是分析紅、綠、藍光的比例，從而確定待測物體的顏色。因為檢測距離不管怎樣變化，只能引起光強的變化，而三種顏色光的比例不會改變，所以在目標有機械振動的場合也可檢測。3.3I/V變換電路根據(jù)探測物體顏色、照明光強度的不同，RGB230色敏探測器的輸出信號一般在幾十到幾百納安量級，這樣小的微電流給測量帶來了不便。首先，要將這樣微弱的電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，以便于后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換和單片機處理。比擬可靠的I/V轉(zhuǎn)換方法是通過電阻采樣的方法將微弱電流信號轉(zhuǎn)化為mV量級的電壓信號。它具有良好的線性特性，外加工作電壓低，暗電流小等優(yōu)點。其根本原理圖如圖3.5所示。圖3.5I/V轉(zhuǎn)換電路根據(jù)上圖所示的電路圖得到的輸出電壓為(3.1)式中，為輸入電流，為采樣電阻，為與被測電流成比例的輸出電壓。假設(shè)運算放大器的增益很高，并且運算放大器的輸入失調(diào)電壓很小，當運算放大器的輸入阻抗很大，比采樣電阻要大2-3個數(shù)量級，于是I/V轉(zhuǎn)換的輸出為：(3.2)因此在設(shè)計電路時，尋找輸入偏置電流小、失調(diào)電壓低的運算放大器是重中之重。通過查閱相關(guān)運算放大器資料并進行比擬，本設(shè)計選用了高精度、低噪聲的高精密運放OP177。它是目前精度性能最高的運算放大器之一，失調(diào)電壓在室溫下的最大值僅為25μV。在更低的輸入偏置電流條件下可提供更低的失調(diào)電壓和漂移以及更高的帶寬及壓擺率。OP177的超低VOS結(jié)合出色的0.1μV/°C失調(diào)電壓漂移最大值，無需進行外部VOS調(diào)節(jié)，從而可提高整個溫度范圍內(nèi)的系統(tǒng)精度。由于微弱電流容易受到外界的干擾，需要在采樣電阻上并聯(lián)一個電容作為前置低通濾波器，濾除高頻噪聲，可以使得系統(tǒng)更穩(wěn)定，去除運放負端輸入接地的影響。3.4電壓放大電路不同顏色產(chǎn)生的微弱電流信號傳送到對應(yīng)的線路通道上，需要把電流信號轉(zhuǎn)換成0-5V的電壓信號，以滿足A/D轉(zhuǎn)換的輸入要求。而經(jīng)過I/V變換后的電壓信號大致能到達幾十到幾百mV，這個幅值的電壓還太小，不能輸入到數(shù)字系統(tǒng)，因此要對電壓信號進行進一步放大。由于I/V變換后的電壓輸出為負，因此本設(shè)計采用反相的電壓放大電路，放大倍數(shù)為10，使之能夠滿足要求。其根本原理圖如圖3.6所示。圖3.6電壓放大電路考慮到RGB230顏色探測器產(chǎn)生的信號十分微弱，很容易受到噪聲影響，所以本設(shè)計選擇OP07芯片。它是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓〔對于OP07A最大為25μV〕，所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低〔OP07A為±2nA〕和開環(huán)增益高〔對于OP07A為300V/mV〕的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。3.5A/D轉(zhuǎn)換電路經(jīng)過放大濾波后的電壓信號為模擬信號，要將此信號送入為處理器中進行進一步處理，需要將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，因此A/D轉(zhuǎn)換是本系統(tǒng)的核心電路之一。由于單片機系統(tǒng)需要同步對三路信號進行處理，在保證可靠性和精度的前提下，為降低系統(tǒng)的本錢，滿足對輸入數(shù)字信號倍數(shù)的要求，A/D轉(zhuǎn)換器選用8位串行輸出的ADC0809芯片。其引腳結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。圖3.7ADC0809芯片引腳ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，假設(shè)信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如假設(shè)模擬量變化太快，那么需在輸入前增加采樣保持電路。IN0－IN7為8條模擬量輸入通道。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。ST為轉(zhuǎn)換啟動信號。當ST上跳沿時，所有內(nèi)部存放器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當EOC為高電平時，說明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否那么，說明正在進行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHz。VREF(+)，VREF(－)考電壓輸入。ADC0809的數(shù)據(jù)輸入輸出公式為：〔3.3〕其中為模擬電壓輸入，為由輸出的八位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換而成的十進制數(shù)。ADC0809采用串行數(shù)據(jù)接口與單片機通行，用單片機模擬ADC0809的通信時序，脈沖信號由單片機提供。放大濾波后的R、G、B電壓信號分別通過ADC0809進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到八位二進制信號分別輸入P0-P2口，其電路圖如圖3.8所示。圖3.8A/D轉(zhuǎn)換電路3.6信息處理在顏色檢測系統(tǒng)中，單片機檢測系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心。它不但控制著整個系統(tǒng)工作的時序，而且還要對采集傳輸?shù)狡鋬?nèi)部的數(shù)字信號進行即時處理，同時還要將檢測的結(jié)果顯示出來。綜合經(jīng)濟性和系統(tǒng)設(shè)計的要求，選擇了STC89C52單片機。STC89C52單片機大多采用雙列直插DIP封裝，共40個引腳，40個引腳大致可分為4類：電源、時鐘、控制和I/O引腳。89C51單片機的主要引腳功能介紹如下，引腳圖如圖3.9所示：圖3.9STC89C52單片機引腳圖〔1〕電源Vcc——芯片電源，接+5V；Vss——接地端?！?〕時鐘XTAL1、XTAL2——晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。使用內(nèi)部振蕩電路時外接石英晶體?！?〕控制線RST：復(fù)位輸入信號，高電平有效。在振蕩器工作時，在RST上作用兩個機器周期以上的高電平，將單片機復(fù)位。：片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。=1，選擇片內(nèi)程序存儲器；=0，那么程序存儲器全部在片外，而不管片內(nèi)是否有程序存儲器。ALE/PROG：地址鎖存允許信號輸出。ALE以1/6振蕩頻率的固定速率輸出，可作為對外輸出的時鐘或用作外部定時脈沖。：片外程序存儲器讀選通信號，低電平有效?！?〕I/O引腳STC89C52共有4個8位并行I/O端口，共32個引腳。其中，P3.0與P3.1分別為串行輸入口和串行輸出口。下面是單片機串行口方面的介紹。單片機的串行口是一個可編程全雙工的通信接口，具有UART〔通用異步收發(fā)器〕的全部功能，能同時進行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，也可作為同步移位存放器使用。它主要由兩個獨立的串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF〔一個發(fā)送緩沖存放器，一個接收緩沖存放器〕和發(fā)送控制器、接收控制器、輸入移位存放器及假設(shè)干控制們電路組成。單片機可通過特殊功能存放器SBUF對串行接收或串行發(fā)送存放器進行訪問，兩個存放器共用一個地址99H。一共有4種串行口方式，詳細介紹如下。〔1〕方式0。方式0時，串行口為同步移位存放器的輸入/輸出方式，主要用于擴展并行輸入或輸出口。數(shù)據(jù)有RXD〔P3.0〕引腳輸入或輸出，同步移位脈沖有TXD〔P3.1〕引腳輸入。發(fā)送和接受均為8位數(shù)據(jù)，低位在先，高位在后，波特率為?！?〕方式1。方式1是10位數(shù)據(jù)的異步通信口，其中1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。TXD〔P3.1〕為數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，RXD〔P3.0〕為數(shù)據(jù)接收引腳。其傳輸波特率是可變的，對于單片機，波特率由定時器1的溢出率決定。〔3〕方式2，3。方式2，3時為11位數(shù)據(jù)的異步通信口。TXD〔P3.1〕為數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，RXD〔P3.0〕為數(shù)據(jù)接收引腳。這兩種方式下，起始位1位，數(shù)據(jù)位9位，停止位1位，一幀數(shù)據(jù)為11位。方式2的波特率固定為晶振頻率的1/64或1/32，方式3的波特率由定時器T1的溢出率決定。方式2和方式3的差異僅在于波特率的選取方式不同，在這兩種方式下，接收到的停止位與SBUF，RB8及RI都無關(guān)。3.6.1單片機資源分配單片機的端口資源主要分配給色敏探測器和LCD液晶顯示，由于色敏探測器輸出信號經(jīng)過處理后輸出的是八位串行信號，需要與是3個I/O口進行連接，LCD液晶顯示也需要與2個I/O口連接。而STC89C52單片機只有4個I/O接口，因此需要用兩片單片機進行雙機通信。主機的P0-P2口分別與R、G、B三路信號連接，從機的P0、P2口與LCD1602連接，其電路原理圖如圖3.10所示。圖3.10單片機連接原理圖3.6.2復(fù)位電路復(fù)位是單片機的初始化操作，復(fù)位后單片從頭開始執(zhí)行程序。常態(tài)時為低電平，復(fù)位時為高電平。這里采取手動按鈕復(fù)位，在復(fù)位端RST端和正電源之間接一個按鈕。當按下按鈕時，高電平就會直接加到RST端。當程序運行出錯或者操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，需按復(fù)位鍵來重新啟動。其電路原理圖如圖3.11所示。圖3.11復(fù)位電路原理圖3.6.3時鐘電路在單片機內(nèi)帶有時鐘電路，因此，只需要在片外通過XTAL1和XTAL2引腳接入定時控制元件〔晶體振蕩器和電容〕，即可構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，在單片機內(nèi)部有一個高增益反省放大器，而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容。本設(shè)計采用的晶體振蕩器的頻率為12MHz，ALE引腳上的信號輸出是時鐘信號的6分頻，為2MHz。其電路原理圖如圖3.12所示。圖3.12時鐘電路原理圖3.6.4分頻電路由于ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ。而ALE端輸出的頻率為2MHz，不滿足要求，因此需要設(shè)計一個四分頻電路。本設(shè)計采用74LS74芯片，這是一個雙D觸發(fā)器，可用作存放器，移位存放器，振蕩器，單穩(wěn)態(tài)，分頻計數(shù)器。其電路原理圖如圖3.13所示。圖3.13四分頻電路原理圖3.6.5雙機通信由于單片機資源無法滿足要求，因此本設(shè)計采取雙機通信。主機對輸入的三路信號進行處理，并將結(jié)果傳送給從機，從機顯示顏色探測結(jié)果。本設(shè)計直接將主機的TXD端接從機的RXD端，主機的RXD端接從機的TXD端。兩個單片機系統(tǒng)必須要共地，即把它們的系統(tǒng)電源地線連接在一起，這樣兩者才能統(tǒng)一地被系統(tǒng)識別，還有一點需要注意的是，兩單片機通信時應(yīng)使用相同的串口方式，必須保證兩單片機系統(tǒng)的通信波特率完全一致，否那么必定收不到正確的數(shù)據(jù)。通常在做單片機與單片機串口通信時采用的是串口方式1。這里，兩單片機都使用串口方式1，串口波特率為9600bps。3.7LCD液晶顯示LCD1602是2×16字符型液晶顯示模塊，可以顯示兩行，每行16個字符，不能顯示漢字，為5V電壓驅(qū)動，帶背光，并且只有并行接口，無串行接口。其引腳圖如圖3.14所示。圖3.14LCD1602顯示屏引腳圖第1腳：為電源地。第2腳：為+5V電源。第3腳：為液晶顯示器比照度調(diào)整端，接地時比照度最高，接正電源時比照度最弱。使用時用一個10K的電位器來調(diào)整比照度。第4腳：RS為存放器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)存放器、低電平時選擇指令存放器接主單片機的P2.0口。第5腳：RW為讀寫選擇端，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。由于我們只寫數(shù)據(jù)進顯示屏，因此接地。第6腳：E為使能端，當E為高電平時讀取液晶模塊的信息，當E為高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行寫操作。第7-14腳：D0-D7為8位雙向數(shù)據(jù)線，接從單片機的P0端。第15腳：BLA為背光源正極。第16腳：BLK為背光源負極。由于單片機P0口內(nèi)部沒有上拉電阻，因此我們須在外部加一個排阻。其電路原理圖如圖3.15所示。圖3.15LCD液晶顯示原理圖第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計RGB230色敏探測器檢測三原色信號R、G、B，同時檢測光強信號。顏色檢測中可根據(jù)三原色與光強之比準確判斷顏色。這樣考慮了光強的因素，就可以消除被測物體與傳感器距離變化和外界光強大小變化帶來的測量誤差，能夠提高檢測的準確度。為了提高軟件功能，增強可移植量，減小程序量，在軟件設(shè)計時，采用了多子程序的方法，將功能相同又使用較多的程序設(shè)計成可任意調(diào)用的子程序。4.1程序流程設(shè)計單片機系統(tǒng)軟件需要完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)比照及顏色結(jié)果顯示。其程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1程序流程圖顏色探測系統(tǒng)軟件主程序主要包括顏色檢測子程序，顏色匹配字程序和LCD液晶顯示子程序。其中，顏色檢測子程序用于獲取所測顏色的R、G、B三原色分量，顏色匹配子程序用于將所測得的三原色值與顏色庫中的顏色值進行匹配，LCD液晶顯示子程序用于顯示顏色檢測結(jié)果。4.2算法設(shè)計由于此次設(shè)計只檢測少量的顏色，因此采用查表的方法來檢測顏色。本設(shè)計在主單片機和從單片機中分別建立一個二維數(shù)組顏色數(shù)據(jù)庫，其中主單片機預(yù)先存儲紅、綠、藍三個顏色的R、G、B參考值，從單片機存儲紅、綠、藍三個顏色的英文字符串，兩個單片機每行所對應(yīng)的顏色相同。單片機從色敏探測器讀取RGB數(shù)據(jù)，并與預(yù)先存儲的顏色數(shù)據(jù)庫進行比擬，得到最接近的顏色。其表達式如下：〔4.1〕其中，Ured=；Ugreen=；Ublue=；red=；green=；blue=；，，為未知顏色傳感器值；，，為參考顏色傳感器值。RGB數(shù)據(jù)與三路電壓存在以下關(guān)系：(4.2)所有顏色存儲在單片機顏色庫中的數(shù)據(jù)都是3字節(jié)，R、G、B參考值均為1字節(jié)。在單片機每個比擬周期內(nèi)，由RGB230色敏探測器采集到的數(shù)據(jù)與顏色庫的各個顏色代入式〔4.1〕進行匹配運算，距離最近的顏色即被判定為此時色敏探測器所探測的顏色。4.3顏色檢測子程序顏色檢測子程序用于獲取所測顏色的三原色值，首先按照ADC0809芯片規(guī)定的時序來進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。在得到三路模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果后，獲得所測顏色的三基色紅、藍、綠顏色值依次為x，y，z。單片機直接獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過計算得出測量結(jié)果輸出。4.4顏色匹配子程序?qū)㈩伾珯z測子程序中獲得的所測顏色的三原色值與顏色庫中的顏色值相匹配，具體方法為:將測得的三原色的比例與顏色庫中每種顏色的三原色的比例相減并將結(jié)果取絕對值，差值絕對值最小對應(yīng)的顏色庫中的顏色被判定為測得的顏色，即匹配成功。主單片機將匹配成功顏色所在的行數(shù)由發(fā)送子程序voidsend(intk_num)通過特殊功能移位存放器SBUF傳送給從單片機。4.5液晶顯示子程序液晶顯示子程序?qū)崿F(xiàn)的功能是將顏色庫匹配成功的顏色顯示在LCD1608液晶顯示屏上。首先通過初始化函數(shù)voidinit()對液晶顯示屏進行初始化，從單片機接收主單片機傳送過來的數(shù)據(jù)，并顯示對應(yīng)的顏色，通過寫命令函數(shù)voidwrite_com(ucharcom)與寫數(shù)據(jù)函數(shù)voidwrite_data(ucharData)將結(jié)果顯示在LCD1608液晶顯示屏上，如探測物體的顏色為綠色，那么液晶顯示屏上顯示“Green〞。第5章實驗測試與分析前幾章對硬件設(shè)計和軟件系統(tǒng)進行了詳細的設(shè)計和討論，本章將對硬件、軟件進行調(diào)試，對測量結(jié)果進行分析，并提出優(yōu)化方案。5.1系統(tǒng)軟硬件測試將設(shè)計好的電路搭在面包板上，其實物效果圖如圖5.1所示。將傳感器、白光LED補光、I/V變換、電壓放大、A/D轉(zhuǎn)換、單片機處理和LCD顯示這七個模塊進行級聯(lián)調(diào)試，保證每一個模塊都能正常工作。圖5.1實物效果圖要保證整個系統(tǒng)能夠正常工作，首先要先對標準色卡紙進行顏色采集，將對應(yīng)顏色的R、G、B值存入單片機標準顏色庫當中。這需要準備三組8路LED燈并聯(lián)，每個LED燈串聯(lián)上一個電阻并共地，并將三路數(shù)字信號分別接入三組LED燈中。由于顏色傳感器要防止外界光線的干擾，整個系統(tǒng)需置于暗室中進行實驗，將標準的紅、綠、藍色卡紙放在RGB230色敏探測器上方，接通電源，觀察并記錄LED燈的亮暗情況，將它存入顏色庫當中。顏色入庫各顏色數(shù)據(jù)如表5.1所示。表5.1為顏色入庫各顏色RGB值顏色RGB紅色0xBB0x370x1E綠色0x190x330x17藍色0x2B0x530x6E本設(shè)計的測色過程很簡單，具體操作如下：首先將整個電路放置于暗室當中，接通電源，將彩色紙板放在RGB230色敏探測器上方，觀察LCD1602的顯示即可。5.2實驗結(jié)果分析按照測試要求分別對紅、綠、藍3種卡紙進行顏色識別，經(jīng)過屢次測試，系統(tǒng)可準確區(qū)分3種卡紙的顏色，系統(tǒng)到達了對不同顏色快速、有效識別的功能。除此之外，假設(shè)對偏向某種顏色的卡紙進行檢測，LCD液晶顯示屏也會顯示對應(yīng)標準顏色的英文。紅、綠、藍三種顏色卡紙檢測結(jié)果分別如圖5.2，圖5.3，圖5.4所示。圖5.2紅色卡紙檢測結(jié)果圖5.3綠色卡紙檢測結(jié)果圖5.3藍色卡紙檢測結(jié)果5.3影響測量結(jié)果因素確定物體的顏色需要知道三原色刺激值，影響顏色檢測準確度的參數(shù)主要有照射光、物體反射、光源方位、觀測方位和傳感器特性等，任何一個參數(shù)發(fā)生變化都會導(dǎo)致顏色檢測結(jié)果發(fā)生變化?！?〕光源的影響照射光包含有太陽光和外界雜散光，太陽照射角度、云層厚度和其它天氣條件都會導(dǎo)致照射光發(fā)生變化，從而導(dǎo)致被測物體顏色發(fā)生變化。為彌補光源變化帶來的測量誤差，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的誤差仍不容無視?！?〕光源方位和觀測方位的影響光源方位，也就是被測物體指向光源的法線方向，它決定了有多少太陽光或外界雜散光作為入射光。觀測方位是指被測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。〔3〕被測物外表反射狀況的影響傳感器探頭與被測物之間的距離影響著輸出信號，可能會造成不同顏色信號的交叉,形成測量誤差,所以存在某一最正確距離對輸出特性影響最小，以保證顏色與輸出信號的一一對應(yīng)關(guān)系。被測物外表的較明顯凹凸區(qū)域也會給輸出信號帶來較大的誤差。為此，Phong，Shafer和Nayar等人先后提出了反射模型以彌補測量誤差。第6章結(jié)論本系統(tǒng)使用的RGB230色敏探測器與STC89C52單片機結(jié)合的顏色探測系統(tǒng)可簡便快速地得到被測顏色的顏色信息，將顏色顯示在液晶顯示屏上。本文通過建立顏色識別系統(tǒng)的模型，推算出顏色識別的算法。同時給出相應(yīng)的硬件設(shè)計電路、軟件流程圖，有效提高系統(tǒng)對顏色的辨識能力，通過屢次實驗測試，系統(tǒng)到達了對不同顏色快速、準確識別的功能。很多文獻給出的都只能得出待測物體顏色的RGB值，而本文能夠得出待測物體顏色的具體顏色信息，直接將該顏色的英文顯示在液晶顯示屏上，相對來說更加直觀適用。但在系統(tǒng)研究設(shè)計過程也存在很多缺乏：色彩識別的核心難點就是顏色測量的算法設(shè)計，它很大程度上決定了顏色探測系統(tǒng)的識別精度。沒有對所測色彩進行過多的色彩區(qū)分。在以后的工作中需要對色彩空間進行劃分，規(guī)劃出不同的色彩區(qū)間，以便可以實現(xiàn)更準確的色彩識別。本文采用的是STC89C52單片機，由于管腳的限制，需要兩片單片機才能完成工作，這使得電路設(shè)計變得復(fù)雜，因此可以采用STM32微處理器來進行控制，簡化系統(tǒng)。本系統(tǒng)只能在暗室中工作，因此程序還有待于進一步優(yōu)化完善，以應(yīng)對更多的識別場合及情況，以增強通用性。參考文獻[1]徐紅.主觀評價法在顏色研究中的應(yīng)用[J].光學(xué)技術(shù).1995,1:31-32.[2]牟晶晶.工業(yè)在線顏色測量方法及系統(tǒng)的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2006.[3]杜春玲,張唏,葛蕾.顏色測量儀器及其開展[J].現(xiàn)代儀器.2005,31(3):56-57.[4]季峰,陳炳假設(shè),王嵩.基于單片機的顏色識別系統(tǒng)[J].測控技術(shù).2004,23(4):26-28.[5]孫濤,耿麗華,李子楊等.基于FPGA與色敏傳感器的顏色識別系統(tǒng)[J].單片機與嵌入系統(tǒng)應(yīng)用.2023(8):42-45.[6]胡威捷,湯順青,朱正芳.現(xiàn)代顏色技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2007.[7]HughS.Fairman.TheCIELABreversalincalibrationandverification[J].ColorResAppl,2005,3:66-68[8]何勇,王生澤,光電傳感器及其應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2004.4[9]ManuelMelgosa,TestingCIELAB-basedcolor-differenceformulas[J].ColorResAppl,2000,25,49-55.[10]MAZeTsensorGmbH,rapidcolorrecognitionwithcompat3-elementcolor,2003.[11]劉增輝.顏色傳感器技術(shù)研究進展[J].傳感器技術(shù)學(xué)報.2003,22(4):1-4.[12]李宏光,吳寶宇,施浣芳等.幾種顏色測量方法的比擬[J].應(yīng)用光學(xué),2005,26〔3〕:60-63.[13]BuluswarSD,DraperBA.Colormachinevisionforautonomousvehicles［J］.EngineeringApplicationsofArtificialIntelligence,1998,11:245-256.[14]張智博,王艷,殷天明.基于TCS230的顏色識別系統(tǒng)設(shè)計[J].機械與電子.2023,7:54-57.[15]魏立乾,雷升杰,方美華等.輻射監(jiān)測的微弱電流測量I-V轉(zhuǎn)換技術(shù)[J].儀器儀表與分析監(jiān)測.2023(3):28-31.[16]G.deGraaf*,R.F.Wolffenbuttel.SmartopticalsensorsystemsinCMOSformeasuringlightintensityandcolor.SensorsandActuators[J],1998,6:115-l19.[17]吳友宇,伍時和,凌玲.模擬電子技術(shù)根底[M].北京:清華大學(xué)出版社,2023.[18]郭天祥.51單片機C語言教程[M].電子工業(yè)出版社,2007.[19]頂峰.單片微型計算機原理與接口技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.[20]龐小兵.在線顏色識別傳感技術(shù)的研究[D].長沙:長沙理工大學(xué),2023.[21]盧川英,于浩成,孫敬輝等.基于TCS230傳感器的顏色檢測系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報,2023〔6〕:621-626.[22]高富強,李嶺,安康.基于RGB的顏色識別系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng).2023,31〔10〕:84-87.致謝畢業(yè)論文即將完成，我的學(xué)生生涯也要告一段落了。借此時機，我要對四年來幫助過我的人表示深深的感謝。首先我要感謝父母的關(guān)愛，這是一種難以用語言表達的感恩之情；其次我要感謝一直以來與之一起共同奮斗的同學(xué)們，感謝他們在大學(xué)的四年期間給我的幫助，感謝他們與我一起經(jīng)歷的點點滴滴；最后我要感謝四年求知路上給了我知識與學(xué)問、教會我為人處事的老師們，沒有他們的幫助、指導(dǎo)與關(guān)心，我的成長歷程不可能如此順暢。在本次畢業(yè)設(shè)計過程中，指導(dǎo)老師張寧老師在初期為我提供了不少耐心的知識指導(dǎo)，使我對設(shè)計的內(nèi)容和任務(wù)有了詳細的了解，在中后期又對我的設(shè)計進展表示殷切的關(guān)心，在此對張老師表示真誠的感謝。我還要感謝劉禹佳學(xué)姐，沒有她在設(shè)計的過程中給我提供的幫助，本次論文也不可能完成的這么順利。最后的最后，感謝各位師長一路的陪伴與幫助，我將銘記于心。附錄附錄A(主機程序):#include<reg52.h>#include<intrins.h>#include<math.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitale=P3^2;sbitst=P3^2;sbiteoc=P3^3;//定義變量、常量doubleUred,Ugreen,Ublue,red,green,blue;//**********延時子程序********//voiddelay_ms(uintxms)//延時xms{uinti,j;for(i=xms;i>0;i--) for(j=110;j>0;j--);}//*********AD0809驅(qū)動子程序******//voidad0809_start(){a