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检测系统小制作设计报告书题目：颜色传感器班级：12电科班项目组长：覃士运项目组成员：黄演庆 莫超胜 覃士运 张兴 崖金玲 覃宗雷 曾能樘完成时间：2015年6月28一、设计内容（主要描述系统的功能，写出关键的技术指标，如量程、精度、使用环境等）本次设计以色彩识别系统设计为目的，采用STC89C52RC单片机为核心，利用TCS230颜色传感器和LCD1602建立起来的。色彩识别一般算法。（1）色彩空间：通常所看到的物体的颜色, 实际上是物体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应。任何一种颜色都可以用三种基本颜色按照不同的比例混合得到。这里介绍一种最典型的颜色模型,即RGB模型。如图所示,在这个颜色模型中, 3个轴分别为R、G、B。原点对应的为黑色(0, 0, 0),离原点最远的顶点对应白色(255, 255, 255)。 由黑到白的灰度分布在从原点到最远顶点间的连线上, 正方体的其他六个角点分别为红、 黄、绿、青、蓝、和品红。需要注意的一点是,RGB颜色模型所覆盖的颜色域取决于显示设备因光电的颜色特性。每一种颜色都有唯一的RGB值与它对应 （2）白平衡算法：颜色实际就是物体对光的反射或投射而表现出来在人眼中的反映, 而TCS3200D 就是通过分别检测一种颜色反映出来的光的红、绿、蓝分量, 通过把光强线性转换为频率信号, 量化出R、G、B值, 从而计算出颜色。值得注意的是, 不同的光线通过物体反映出来的光强是不同的, 而且非标准白光 (RGB三者不相等)在物体上反映出来的光强分量也是不同的。为解决这个问题,就要进行白平衡, 即首先测量出基准光源的RGB光强值, 再测量出在标准光源下物体所反映出的光强值,两者之比就是物体的反射(或透射)性质, 即物体的实际颜色, 如公式(1), (2), (3)。R=P物红/P源红(1)G=P物绿/P源绿(2)B=P物蓝/P源蓝(3)由于在 RGB 坐标下的颜色标准坐标为 0-255 之间,所以把所得结果乘以 255,即得到标准的 RGB 值。 透明物体直接测量光源的光强-频率值,不透明物体需要用白纸测量反射光源。使用环境：物体颜色信息十分广泛,颜色的确定需要色调、明度和饱和度三大要素或三原色(红绿蓝)的刺激值。影响颜色检测准确度的参数主要有:照射光、物体反射、光源方位、观测方位和传感器性能等,任何一个参数发生变化都会导致观察到的颜色发生变化。1.光源的影响照射光包含有太阳光和外界杂散光,太阳照射角度、云层厚度和其它天气条件都会导致照射光发生变化,从而导致被测物体颜色发生变化。为弥补光源变化带来的测量误差,Judd等人在1964年提出了照射光修正模型,但尽管如此,照射光引起物体颜色检测的误差仍不容忽视。2.光源方位和观测方位的影响光源方位,也就是被测物体指向光源的法线方向,它决定了有多少太阳光或外界杂散光作为入射光。观测方位是指被测物体指向传感器的法线方向,它决定了反射到传感器中的光强。二、工作计划（包括人员分工、进度安排）人员分工表姓名工作内容曾能樘查找与题目相关的资料内容。覃士运画板，焊接电路。黄演庆搞好设计报告书莫超胜搞好设计报告书崖金玲和上两位一起协同搞好设计报告书张兴打孔，转印电路板覃宗雷腐蚀电路板工作进度表起止时间工作内容2015年6月20查找有关传感器的设计，选择要做的题目2015年6月22查找要做的颜色传感器的资料比如电路图2015年6月24画原理图，PCB图2015年6月26做板。腐蚀电路板，打孔，焊接电路2015年6月28测试电路板三、设计原理（包括测量原理、系统结构、主要硬件说明等）TCS230识别颜色的原理:由上面的介绍可知，这种可编程的彩色光到频率转换器适合于色度计测量应用领域，如彩色打印、医疗诊断、计算机彩色监视器校准以及油漆、纺织品、化妆品和印刷材料的过程控制和色彩配合。下面以TCS230在液体颜色识别中的应用为例，介绍它的具体使用。首先了解一些光与颜色的知识。（1） 三原色的感应原理：通常所看到的物体颜色，实际上是物体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应。白色是由各种频率的可见光混合在一起构成的，也就是说白光中包含着各种颜色的色光（如红R、黄Y、绿G、青V、蓝B、紫P）。根据德国物理学家赫姆霍兹（Helinholtz）的三原色理论可知，各种颜色是由不同比例的三原色（红、绿、蓝）混合而成的。（2）TCS230识别颜色的原理：由三原色感应原理可知，如果知道构成各种颜色的三原色的值，就能够知道所测试物体的颜色。对于TCS230来说，当选定一个颜色滤波器时，它只允许某种特定的原色通过，阻止其他原色的通过。例如：当选择红色滤波器时，入射光中只有红色可以通过，蓝色和绿色都被阻止，这样就可以得到红色光的光强；同时，选择其他的滤波器，就可以得到蓝色光和绿色光的光强。通过这三个值，就可以分析投射到TCS230传感器上的光的颜色。（3）白平衡和颜色识别原理：白平衡就是告诉系统什么是白色。从理论上讲，白色是由等量的红色、绿色和蓝色混合而成的；但实际上，白色中的三原色并不完全相等，并且对于TCS230的光传感器来说，它对这三种基本色的敏感性是不相同的，导致TCS230的RGB输出并不相等，因此在测试前必须进行白平衡调整，使得TCS230对所检测的白色中的三原色是相等的。进行白平衡调整是为后续的颜色识别作准备。在本装置中，白平衡调整的具体步骤和方法如下：将空的试管放置在传感器的上方，试管的上方放置一个白色的光源，使入射光能够穿过试管照射到TCS230上；根据前面所介绍的方法，依次选通红色、绿色和蓝色滤波器，分别测得红色、绿色和蓝色的值，然后就可计算出需要的3个调整参数。 当TCS230识别颜色时，就用这3个参数对所测颜色的R、G和B进行调整。这里有两种方法来计算调整参数：1、依次选通三颜色的滤波器，然后对TCS230的输出脉冲依次进行计数。当计数到255时停止计数，分别计算每个通道所用的时间，这些时间对应于实际测试时TCS230每种滤波器所采用的时间基准，在这段时间内所测得的脉冲数就是所对应的R、G和B的值。2、设置定时器为一固定时间 （例如10ms），然后选通三种颜色的滤波器，计算这段时间内TCS230的输出脉冲数，计算出一个比例因子，通过这个比例因子可以把这些脉冲数变为255。在实际测试时，室外同样的时间进行计数，把测得的脉冲数再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所对应的R、G和B的值。系统结构框图色彩识别系统是基于MCS-51系列单片机控制的基础上，添加了TCS230颜色传感器采集模块，TCS230驱动模块，四个白色LED补光模块，LCD1602液晶显示模块，在这些模块的基础上实现的色彩识别系统，色彩识别系统的设计如下图系统框架所示。MCS-51单片机简介MCS-51系列单片机是美国Intel公司在1980年推出的高性能8位单片机，它包含51和52两个子系列。对于51子系列，主要有8031、8051、8751三种机型，它们的指令系统与芯片引脚完全兼容，仅片内程序存储器有所不同，8031芯片不带ROM，8051芯片待4KB的ROM，8751芯片待4KB的EPROM。51子系列单片机的主要特点为：4k8k字节程序存储器；128256字节数据存储器；32条IO口线；111条指令，其中大多数是单字节指令；21个专用寄存器：2个可编程定时计数器：5个中断源，2个优先级；一个全双工串行通信口；外部数据存储器寻址空间为64k字节：外部程序存储器寻址空间64k字节；逻辑操作位寻址功能液晶显示器简介液晶显示器简称LCD显示器，它是利用液晶经过处理后能改变光线的传输方向的特性显示信息的。液晶显示器具有体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富等特点，在单片机应用系统中得到了日益广泛的应用。液晶显示器按其功能可分为三类：笔段式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。前两种可显示数字、字符和符号等，而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形，达到图文并茂的效果。字符型液晶显示器模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式液晶显示模块。它是由若干个5*7或5*11等点阵符位组成的，每一个点阵字符位都可以显示一个字符。点阵字符位之间有一定点距的间隔，这样就起到了字符间距和行距的作用。要使用点阵型LCD显示器，必须有相应的LCD控制器、驱动器来对LCD显示器进行扫描、驱动，以及一定空间的ROM和RAM来存储写入的命令和显示字符的点阵。现在往往将LCD控制器、驱动器、RAM、ROM和LCD显示器连接在一起，称为液晶显示模块LCM。使用时只要向LCM送入相应的命令和数据就可以实现显示所需的信息。TCS230芯片的结构框图与特点:TCS230是TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器，它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上集成了红绿蓝（RGB）三种滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器，TCS3200D的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接，由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得更简单，下图是TCS230的引脚和功能框图。图TCS3200D的引脚和功能图上图中，TCS230采用8引脚的SOIC表面贴装式封装，在单一芯片上集成有64个光电二极管，这些二极管分为四种类型，其16个光电二极管带有红色滤波器；16个光电二极管带有绿色滤波器；16个光电二极管带有蓝色滤波器，其余16个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信息，这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能够最大限度地减少入射光辐射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度；另一方面，相同颜色的16个光电二极管是并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的位置误差。工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器，该传感器的典型输出频率范围从2Hz500kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100、20或2的输出比例因子，或电源关断模式。输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。例如，当使用低速的频率计数器时，就可以选择小的定标值，使TCS230的输出频率和计数器相匹配。从上图可知：当入射光投射到TCS3200D上时，通过光电二极管控制引脚S2、S3的不同组合，可以选择不同的滤波器；经过电流到频率转换器后输出不同频率的方波（占空比是50），不同的颜色和光强对应不同频率的方波；还可以通过输出定标控制引脚S0、S1，选择不同的输出比例因子，对输出频率范围进行调整，以适应不同的需求。 下面简要介绍TCS230芯片各个引脚的功能及它的一些组合选项。S0、S1用于选择输出比例因子或电源关断模式；S2、S3用于选择滤波器的类型；OE反是频率输出使能引脚，可以控制输出的状态，当有多个芯片引脚共用微处理器的输出引脚时，也可以作为片选信号，OUT是频率输出引脚，GND是芯片的接地引脚，VCC为芯片提供工作电压，表3.1是S0、S1及S2、S3的可用组合。表 S0、S1及S2、S3的组合选项S0S1输出频率定标S2S3滤波器类型LL关断电源LL红色LH2%LH蓝色HL20%HL无HH100%HH绿色四、实现方案（包括电路图、PCB图、程序等）原理图PCB图主要程序#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar str3;uchar *s;uint date;/定义数据类型uint dispcount=0;/中断计数uint lck=0;/定时器计数uint disp=0;/频率值sbit RS=P20;/数据/命令选择端，高电平-数据寄存器，低-指令寄存器sbit RW=P21;/读/写选择端，高-读操作，低-写操作sbit E=P27;/使能端/* 延时函数，延时1ms */ void delay1ms(unsigned int k) unsigned int i,j;for(i=0;ik;i+) for(j=0;j=255)d=255;str0=0+d/100;str1=0+d%100/10;str2=0+d%10;else str0=0+d/100;str1=0+d%100/10;str2=0+d%10; return str;/* LCD显示模块*/void LCD_w_com(unsigned com) /写命令函数，com为要写的指令 RW=0; RS=0; E=1; P0=com; delay1ms(10); E=0; RW=1;void LCD_w_dat(uchar dat) / 写数据 函数，写要显示的数据 RW=0; RS=1; E=1; P0=dat; delay1ms(10); E=0; RW=1;void init_LCD(void) / 初始化lcd LCD_w_com(0x38); / lcd为两行显示8位数据线有效 LCD_w_com(0x0e); / 显示字符 关闭光标 LCD_w_com(0x06); / 输入方式设置 光标向右移动一位 ac-1void clear_LCD(void) /清屏 LCD_w_com(0x01); /清屏指令 LCD_w_com(0x02); / 光标归位 即光标置于左上位置void display_LCD_string(uchar *p)/字符串输出函数 while(*p) LCD_w_dat(*p); p+; delay1ms(10); void gotoxy(unsigned x,unsigned y) /定位 ，x为行，y为列 if(x=1) LCD_w_com(0x80+y);else LCD_w_com(0xC0+y);/* 主函数*/void main(void) IT0=1; /INT0下降沿中断 EX0=1; /允许INT0中断 initTimer();/装入初值 TR0=1;/开定时器T0 ET0=1;/允许T0中断 EA=1;/中断总控制 init_LCD();/LCD初始化 clear_LCD(); /清屏while(1) gotoxy(1,00); display_LCD_string(R:); red();/调用红色通道并显示色彩值gotoxy(1,02);s = int2str(date); display_LCD_string(s);gotoxy(1,05); display_LCD_string( );gotoxy(1,07); display_LCD_string(G:); green();/调用绿色通道并显示色彩值gotoxy(1,011); s = int2str(date);display_LCD_string(s);gotoxy(1,014); display_LCD_string( );gotoxy(2,00); display_LCD_string(B:); blue();/调用蓝色通道并显示色彩值gotoxy(2,02); s = int2str(date); display_LCD_string(s);gotoxy(2,05); display_LCD_string( ); 五、测试方案及测试结果（含实验数据及结果分析）5.1色彩识别的实验过程事物是随时间变化而运动变化的，由于本系统对软硬件关联性要求很高，其整个实验过程中间变化过程很复杂，一般仿真无法实现。本设计的实验过程很简单，具体操作如下：首先将开发板接通电源，将色彩纸板放平，其次把设计中的颜