基于单片机的光色标测量系统

1 基于单片机的光色标测量系统基于单片机的光色标测量系统 王占宁 西北大学物理系 西安 710069 摘要摘要 本文介绍 MCS 51 单片机在光色标测量系统的一种使用 该系统 采用摄谱仪将光源分解为不同波长的单色光 通过线阵 CCD 测量各个波 长的强度 利用单片机对数据进行处理和整个电路的控制 关键词关键词 单片机 CCD 色坐标 Study of the Testing System of Color Coordinate Based on the Single Chip Micro Computer Wang Zhanning Dep Of physics Northwest univ Xi an 710069 Abstract This 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 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 coordinate 1 前言前言 色坐标是色度学的重要内容之一 色度学是研究人的颜色规律 颜 色测量的理论和技术科学 这是一门本世纪发展起来的 以物理光学 视觉生理 心理物理等学科领域为基础的综合科学 彩色电视 彩色摄 影和彩色印刷 染料和涂料 纺织 造纸 交通信号 照明技术等都涉 及到颜色测量问题 在这些工业和技术部门中 颜色指标是评定产品质 量的重要一环 2 现有的色坐标测量一起大都是 模式 由于采用了计算机使整套设备 体积大 费用高 耗电量大 本系统采用 A D 转换器和单片机代替了上述数据采集卡和计算机 使得成 本低 操作方便 只需按几下键盘即可 2 色坐标原理色坐标原理 1 1931CIE RGB 表色系统及色坐标 一般说来光源所发出的光都是由许多颜色的光按一定的比例组合而 成的 在混色实验中发现 所有颜色的 光都是可由某三种单色光按一定 比例混合而成 这三种单色光中的任何一种都不能由其余两种混合产生 这三种单色光称为三原色 1931CIE 规定 RGB 系统的三原色为 红光 R R 700 0nm 绿光 G G 546 1nm 蓝光 B B 435 8nm 在 RGB 系统中 以白光作为标准 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 于是规定 R 1lm G 4 5907lm B 0 0601lm 为 RGB 系统三原色的单位量 简称基色量 任何一种颜色光 F 用数学表达式表示为 F R R G G B B 1 R G B 称为三刺激值 令 r BGR R g BGR G b 2 BGR B 单片机 CCDA D 转换器 光源 光源 摄谱仪 数据采集卡计算机 3 r g b 表示了颜色光的色度 成为色度坐标 2 1931CIE XYZ 表色系统 在 1931CIE XYZ 表色系统中 由于用来标定光谱色的三刺激值 R G B 有时会出现负值 这给计算带来不便 也不易直观理解 因此 提出了三个虚拟的三原色 X Y Z 并在此基础上建立了 XYZ 表色系统 三刺激值 X Y Z 和三刺激值 R G B 的关系如下 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 系统中的色坐标为 x ZYX X y ZYX Y z 4 ZYX Z 根据颜色相加原理 X 780 380 XP Y 780 380 YP Z 5 780 380 ZP 由于光敏器件 CCD 对不同波长的光存在光电转换差异 实验中需对待测 灯的相对光谱分布做以校正 即待测灯的的相对光谱能量分布为 P 6 0 0 P M M 4 在公式 5 中 M 为实验测得的待测灯在波长 处的相对能量分 布 M0 为实验测得的标准灯在波长 处的相对能量分布 P0 为标准灯在波长 处的能量分布 在公式 4 中 为配色函数 X Y Z 本实验采用 XYZ 表色系统 通过对 M M0 的测定 代入 上述公式 6 5 即可求得待测色坐标 3 3 系统结构设计系统结构设计 图 1 色坐标测量系统框图 采用钨带灯作为标准光源 经过摄谱仪 被分解的光谱直接投射到 线阵 CCD 上 经 CCD 转换的电信号被放大后 经 A D 转换送入单片机 进行数据处理 最后结果通过微型打印机打印 系统的硬件设计 1 光学系统的组成 本系统采用的是 WPL 型摄谱仪 光源照射小圆孔 产生点光源 点光源经 平行透镜组准直 变成平行光 平行光照射到棱镜上 被分解成各束单 色 经过会聚透镜照射到线阵 CCD 上 其结构图如下 透镜组 狭缝 光源 棱镜 会聚透镜 线阵 CCD 图 2 WPL 型摄谱仪的结构示意图 2 硬件电路 放大 打印机 摄谱仪 CCD 驱动 A D 单片机 光源 键盘 5 2 1 89C51 单片机构造及简介 MCS 51 单片机是在一块芯片中集成 了 CPU RAM ROM 定时器 计数器和多种功能的 I O 线等仪态计算 机所需要的基本功能部件 单片机内包含下列部件 一个 8 位 CPU 一个片内振荡器及时钟电路 4K 字节 ROM 程序存储器 128 字节 RAM 数据存储器 两个 16 位定时器 计数器 可寻址 64K 外部数据存储器和 64K 外部程序存储器空间的控制电 路 32 条可编程的 I O 线 四个 8 位并行 I O 端口 一个可编程全双工串行口 具有五个中断源 两个优先级嵌套中断结构 频率基准源 计数器 中断 图 3 8051 单片机框图 2 2 6264 静态 RAM 的扩展 6264 是 8K 8 位的静态随机存储器芯片 它采用 CMOS 工艺制造 由单一 5V 供电 额定功耗 200mW 典型存取时间 200ns 5V 图 4 6264 和 8051 连接图 2 3 按键接口电路 本系统采用的是查询式键盘 共 8 键 前四键为功能键 后四键置 空 KEY1 的功能是采集标准光源的数据并保存在数据存储器内 KEY2 的 P2 2 RD WR P2 7 P2 4 P2 3 P2 1 P2 0 P0 7 8051 P0 0 ALE EA OE WE CE1 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 6264 A2 A1 A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CE2 74LS37 3 4K 字节 程序存储 器 128 字节 数据存储 器 2 个 16 位 定时器 事 件计数器 64K 字节 总线扩展 控制 可编程串口可编程 I O CPU 振荡器 及定时 电路 6 功能是采集待测光源的数据并保存在数据存储器内 KEY3 的功能是将采 集的数据处理 KEY4 的功能是利用打印机将结果打印出来 键盘输入线 直接于 P1连接 P1 7 P1 3 P1 0 5V 5V 图 5 查询式键盘 2 4 CCD 的驱动电路 本系统采用的是 TCD1206UD 的线阵 CCD 它由 2236 个 pn 结光电 二极管构成光敏单元阵列 其中前 64 个和后 12 个是用作暗电流检测而 被遮蔽的 中间 2160 个光电二极管是暴光像敏单元 每个光敏单元的 尺寸为 14m 长 14m 高 中心距亦是 14m 光敏元阵列总长 30 24mm 光 敏元的两侧是用作存储光生电荷 MOS 电容列 其驱动电路如图 所示 由晶体振荡器构成的脉冲信号源产生主时钟 M M脉冲经可编程逻 辑器件 ISPLS1 产生 SH 1 2 R四路驱动脉冲 在这四路驱动 脉冲的作用下 TCD1206UD 输出 OS 信号及 D0S 信号 将此二路输出信 号分别送到差分放大器 LF357 的正 反输入端进行差分放大 抑制掉共 模的 R引起的干扰 SP 及 C是为用户提供的控制脉冲 SP 和 CCD 输 出的像元光电信号同步 用做采样保持控制信号 C的上升沿对应于 CCD 的第一个有效像素单元 S1 因而可以用作行同步 C U0 64 虚单元 2160 输出单元 12 虚 图 6 CCD 的输出信号 U0及 C波形图 2 5 A D 转换器连接电路 本系统 A D 转换器有三个要求 1 分辨率 8 位 2 采样频率达到 1MHz 3 大于等于两通道多路开关 一路通道接 CCD 为用户提供的控制 7 脉冲 C 用于判断暴光像敏单元的起始点 一路通道接 CCD 输出信号 OS 转换定时时钟脉冲输入端 CLOCK 接 CCD 的 SP 端 因 SP 和 CCD 输出 的像元光电信号同步 可以确保每次抽样在输出有效信号上 2 6 打印机的选择 单片机使用系统中 经常选用微型打印机 如 PP40 GP16 等 本系 统采用的是 GP16 微型打印机 因其接口简单 功能强 能打印 ASCII 码 字符 GP16 和 8051 直接相连 作为一个外部扩展口 采用线性选址法 8051 的 P2 7接 GP16 的 CS 则打印机口地址为 7FFFH 2 7 系统的总体结构 P1 0 P1 1 图 7 系统总体框图 4 4 系统软件设计系统软件设计 系统软件设计采用模块化结构 整个程序由主程序 标准灯数据采 集 待测灯数据采集 数据处理及打印机打印等子程序模块组成 1 主程序 N Y Y N Y N Y N Y N Y P2 3 P2 0 ALE PSEC 8051 P0 P1 WR RD P2 7 373 D0 D7 A D7821 D0 D7 打印机 键 盘 A0 A7 6264 OE WE CS D0 D7 CCD 开始 main 调用键盘子程序 是否有按键 按下 判断 a 0e 判断 a 07 判断 a 0b 判断 a 0d 执行 KEY1 子程序 执行 KEY4 子程序 执行 KEY2 子程序 执行打印 错误 执行 KEY3 子程序 A 等于其他值 8 N 图 8 主程序流程框图 主程序清单 ORG 0000H AJMP STAT ORG 0050H STAT NOP MAIN MOV R1 00H LCALL PJSF 执行 PJSF 子程序 JNZ MAIN a 0 则转移 LCALL JPAN 执行键盘子程序 CJNE R1 4FH MAIN 无按键按下则转移到 MAIN CJNE A 0EH NEXT 有按键按下执行下面的程序 AJMP key1 判断如果 a 0e 则执行 KEY1 子程序 NEXT CJNE A 0DH NEXT1 即采集数据子程序 执行完毕后 AJMP key2 回到 MAIN 程序 如果 A 0E 则 转向判断 NEXT1 CJNE A 0BH RESET A 0D 若相等则转移执行 KEY2 子 程序 AJMP key3 执行完毕后回到 MAIN 往后依次类 推 RESET CJNE A 07H error 如果 A 0E 0D 0B 07 则执行 ERR 程序 LJMP KEY4 ERROR AJMP ERR JPAN MOV A P1 key sub programe ANL A 0FH 9 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 JPAN YJAX CJNE A 4FH JPAN MOV R1 4FH RET YS1S MOV R7 40H delay sub programe YS0 MOV R6 0FFH YS1 DJNZ R6 YS1 DJNZ R7 YS0 RET PJSF MOV A P1 read data from the keyboard CPL A ANL A 0FH RET 2 标准灯数据采集子程序即图 KEY1 子程序 首先初始化 启动 A D 转换器的 C通道 判断 C的上升沿 亦即 输出信号 OS 的有效光敏信号输出点 启动 A D 转换器和 CCD 连接的 OS 通道 先延时 2 78ms 采取第一个数据并保存 然后每隔 0 688ms 启动 10 A D 转换器一次采数据并保存 连续取 21 个数据并保存 子程序执行完 毕并转移到 MAIN 程序 N Y Y N N 循环 20 次 图 9 KEY1 子程序流程框图 KEY1 子程序清单 key1 SETB P3 3 MOV R0 40H MOV R3 20 MOV R5 0CH LOP1 MOV DPTR 0FEF3H start A D MOVX DPTR A 判断启始点即 C的上升沿 HERE JB P3 3 HERE MOV DPTR 0FEF3H read the result of A D MOVX A DPTR CJNE A 0 LOP1 lop2 MOV DPTR 0FEF3H start A D MOVX DPTR A HERE1 JB P3 3 HERE1 MOV DPTR 0FEF3H read the result of A D MOVX A DPTR 开始 初始化 启动 A D 读取 C的数 据 A 等于 0 启动 A D 读取 C的数 据 A 等于 0 延时 2 87ms 启动 A D 读取 U0的数据并存储 延时 0 6888ms MAIN 11 cjne a 0 caiji ajmp lop2 caiji lcall delay2 delay 2 87ms lop0 MOV DPTR 0FEF7H start A D MOVX DPTR A 1 2 2 1 2 HERE2 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 lop0 YS1S MOV R7 40H delay 0 6888ms sub programe YS0 MOV R6 0FFH YS1 DJNZ R6 YS1 DJNZ R7 YS0 RET 3 待测灯数据采集子程序即图 KEY2 子程序 KEY2 子程序和 KEY1 子程序结构及思想是一致的 只是保存的位置 不同而已 4 数据处理子程序即 KEY3 子程序 初始化 将公式