【《基于AT89S52单片机的颜色识别系统设计》9600字（论文）】

第20页共24页基于AT89S52单片机的颜色识别系统设计1绪论在颜色识别技术出现之前，人们对于颜色的辩别只能通过肉眼进行，存在个人主观性强、标准难以统一、识别速度慢等方面的不足。伴随时代的发展和科技的精进，颜色识别系统应运而出，成为各行各业运用广泛的一项技术。如，印染厂、电镀厂调色；工厂智能分类、分装等。伴随智能技术的进一步发展，颜色识别系统已成为我们生活中必不可少的环节，在这样的环境下，肉眼识别技术的低效、低准度问题，已经不能满足社会生产需求，迫切地需要促进颜色识别技术精度、速度的提升，这已成为当前关注的要点。1.1课题背景及目的相对其他技术来讲，颜色识别技术作为一类新型检测技术，尽管其产生得较晚，不过近年来获得飞速发展，已经在各行各业中获得广泛的运用，成为我们身边随处可见的一类技术。如，路边的商品、商标等，便会运用到颜色识别技术，此外，还有打印店的彩打技术等，事实上，颜色技术不仅运用在这些生活中，在智能化发展方面，亦发挥着重要作用。当前，世界各国都投入了大量人力、物力在智能机器人的研究之中，即通过机器来记录人类的行为以及人眼所能看到的物体。显而易见，想要有效地模仿人眼，便离不开肉眼识别颜色模拟，在这个过程中，便需要运用到颜色识别系统。我国在这方面的技术由于起步较晚，因此，和发达国家相比，还比较落后，无论是在精度方面，还是在效率方面，都和发达国家之间有着较大的差距。对此，想要实现这方面的突破性发展，有待促进技术水平提提升。颜色识别系统是一种基于自动控制系统的技术，属于控制理论的范畴。由于颜色是是人眼对事物产生的第一印象，因此，亦成为区别事物的一项重要特征。尽管对于颜色识别系统理论的提出才仅仅数十年，但由于其适用性强、运用范围广，因此获得了飞速的发展，在工业企业、百姓生活中获得了广泛的运用，为提高生产效率、提高百姓生活水平发挥着重要作用。尽管颜色识别系统属于控制理论的类别，不过其最重要的组成部分之一——传感器的应用领域是非常广泛的，在很多的领域中取代人工，极大的提高了作业的自动化程度，实现了更高的工作效率，更重要的是能够在各种恶劣工况下应用，无需工人进入到高温、毒害性气体的环境中，有效保障了安全。特别是现如今科学技术飞速发展，各种各样的单片机不断涌现，帮助人们更加准确、高效、自动化的识别颜色。也就是说，颜色识别技术也在现代工业中获得了广泛运用，如摇控传感技术、材料分类、工业控制等，促进工业生产水平的提升。此外，还朝向高科技角度拓展，可以预测，伴随颜色识别系统技术和传感器技术的进一步发展，将进一步促进社会生产的自动化发展为我们带来更多高效、便捷的服务。基于颜色传感器在各个领域中的运用，因此，它已经逐渐渗透到人们生产生活的众多领域中，其价值和作用通过了大量实践的检验，未来还将在更多的方面得到应用，它也因此展示出巨大的潜力。1.2国内外研究状况蒋寅国等(2011)立足于TCS3200设计出多点颜色检测装置。让颜色识别系统变得更为简单、便捷。陈曦等（2011）设计的TCS230颜色检测系统，该系统主要包含了数据采集卡PCI-1716和颜色传感器TCS230两部分。高富强等（2012）提出基于RGB的颜色辨识系统，该设计地电路方面并不十分复杂，表现出辨别速度快、精准度高的优势。金雪尘等（2015）通过TCS3200D设计出颜色信号采集、识别、还原系统。1.3课题研究方法本文的研究目的，首先增强对已有知识的巩固，立足于此，进一步学习识别理论，本底价的研究主要采用的是三基色原理。三基色原理：即RGB三色，人眼对这三色的反应最为强烈，同时，世界丰富的颜色也是由这三色通过不同比例合成的。因此，色光亦可以根据三基色原理予以分解，达到智能分析的目的。由此，根据工业生产要求和生活需求，采用相加、相减等方式，配置出需要的颜色。下图即RGB颜色模型：

可将RGB颜色视作立体化的空间，由此达到通过类似坐标系的立体模型表达的目的。

在这个模型之下，我们所见的任意颜色的光，均可通过R、G、B三基色来表现。如，在三基色分量最低，亦即迫近零的情况下，其所展示的便是黑色，与之相对的即为白色；其他颜色的光同样遵循于该原则。若仅由物理维度而言，RGB颜色空间亦有着重要的意义。仅仅由物理角度而言，RGB颜色亦表现出清晰的意义，故其在采色显像管中获得了广泛地运用，但是其并不适合人眼反应，故亦和其他颜色表示法有所不同。1.4论文构成及研究内容本文共包含有六个章节，围绕着STM32的颜色识别系统展开全面分析和探索。第一章为全文绪论，通过全面阐述本文研究的背景、意义，给出相应的研究方法，并全面梳理了世界范围内这方面的研究。第二章是系统的整体设计，包括：STCSTM32系列单片机、TCS3200芯片特征和所具备的优势，概述了TCS3200颜色传感器是整个颜色识别中的重要原理。第三章详细介绍本系统硬件设计，包括：单片机电路、TCS3200颜色传感器、单片机接口电路、lcd1602显示电路等，并一一予以详细介绍。第四章介绍本次设计软件设计框图，打下了整体设计的软件基础。第五章是实物测试，即对本次设计理论知识和实践操作作出的检验。第六章为全文总体结论和未来展望，首先是对本文作出的整体性分析，立足于此，对颜色识别系统发展提供了发展方向。2系统整体方案设计2.1TCS3200芯片结构框图与特点STC89C52型单片机主要特征为：

数字量作为TCS3200输出信号，有助于促进电路的简化。在TCS3200感受到有入射光时，便可以达到有效运用不同的滤芯波器的目的；一旦频率转换器内的电流不等于零。它就会对外提供相应的方波信号，信号频率的主要影响因素是颜色、光强；基于这个原因，引脚S0、S1能够利用定标进行控制，选定合适的输出比例因子，在此基础上确定具体的输出频率所属区间，从而迎合各种场景下的需求。TCS3200芯片内部布置了四个光电二极管，每个上面都集成了16个红、绿、蓝颜色的滤光器，也就是说，TCS3200芯片中存在64个这样的滤光器。四个带滤波器的光电二极管的布置方式是完全交叉的，这样的安排是让整个芯片能够更加均匀的接收光线，同时也使得整个颜色识别系统检测精度得以极大的提升。在最初的工作中，对于不同颜色的识别，涉及的滤波器颜色亦有所不同。此时，便需要运用到引脚S2、S3了。在TCS3200传感器进行输出频率的选择时，则涉及到引脚S0、S1的运用。TCS3200芯片作为了种合理的技术，提供了丰富的引脚，接下来我们将逐一了解其功能。引脚S0、S1，支持电源关断模式、输出比例因子（2%，20%，100%）的选择；对于滤波器的选择，要用到引脚S2、S3；OE是使能引脚，其主要作用是保障了单片机运用过程中输出频率的稳定。如果微处理器将一次性接受和控制两个或以上芯片，在这种情况下OE负责片选信号；OUT的作用是对外提供频率，接电源地GND，接+5V电源为VCC。图1TCS3200引脚图下表即TCS3200颜色传感器实用中的引脚的连接方案。2.2TCS3200识别颜色的原理（1）三原色感应原理

我们知道，人类的视觉器官能够获取周围各种物体所呈现出的颜色，实际上来源于物体反射，这并非其所吸收的颜色，不过，该物体所反射的部分成分达到人眼时，便形成了相应的颜色反应，进而再通过大脑进一步进行颜色辨别。这里面，所见的白色光即不同颜色的组合。用通俗的说法就是：所有光线基上可在白色光中予以分离。德国物理学家赫姆霍兹提出的三原色理论认为，以红、绿、蓝三原色，可以表征大部分颜色。（2）TCS3200识别颜色原理

上文中，笔者对三原色感的原理予以概述，基于该原理，想要确定目标物体的颜色，可以进一步将思路转化为对物体反射光的检测。根据三原色数据可知，TCS3200若选好了检测时采用的颜色滤波器，则这一颜色的滤波器指定原色才将获得允许通过，并阻止其他原色而不是特定色的通过。举例说明：想要达到仅通过红光，则选择红色滤波器即可。也就是说，此类装置如同一把特殊的“筛子”，通过它对颜色进行筛选，只有合乎要求的光色才予通过，其它光线都会被阻挡下来。亦即，所有的蓝、绿色都被阻挡，红色光强得以检测；同样的道理，想要获得蓝光、绿光，仅需选择不同的滤波器即可。而三种原色光还可以通过不同的比例，调制出不同的颜色。也就是说，通过调整三色光强度数据，便可以获得TCS3200传感器所接收到的不同光的颜色。（3）白平衡和颜色识别原理世界各国针对颜色的研究显示，理论角度来讲，将红、绿、蓝三色按同等量分配，便形成了白色。但实际上，同等比例调出来的并非白色，而是需要调整比例，才能调出白色，显示了颜色组合的复杂性，这同样也决定了颜色识别的复杂性。此外，TCS3200光传感器对于光线的辨别，还存在敏感性偏差的问题，好比人眼本身也存在敏感性差异一般，于是造成了TCS3200的RGB输出会产生误差。可见，白平衡调整是整个系统的关键。在人类对于某项事物产生认知错误时，可据此进行调整。对于上述设计中的误差，同样可进行人工调整，其实现过程如下：采用一个发白光手电筒，用其照射一个擦试干净的空试管，让白光线垂直通过试管，再依次测量其他三种原色相关数据，采取前文所述方式，仅需按顺序挑选红、绿、蓝三颜色检测即可，最后，对于检测获得的数据展开分析，进而便可得出所需调整参数。通过TCS3200进行颜色识别时，所检测的颜色R、G和B可据前文的三参数作出调整。在这个过程中，对于参数调整的计算包括两种不同的方法，此时仅介绍固定时间测量脉数的方式，一旦到达测量时间，便将时间设置于固定值予以求取，再将所求取的比例因子乘以实际测出的脉冲数，便可以获得各自对应的R、G、B值。2.3小结详细介绍颜色识别系统的实现理论，STCSTM32系列单片机、TCS3200芯片特征和所具备的优势。1.同时介绍了其识别原理来自TCS3200颜色传感器，视其为重点作出详细的介绍，为接下来的研究夯实了理论基础。3系统的硬件设计第一步，由颜色传感器TCS3200采集颜色，对外提供与之对应的数字信号，并将其传递给单片机，后者根据相关的数据进行计算，确定颜色的频率，颜色通过数码管呈现在用户眼前。图2颜色识别系统框图3.1单片机电路单片机（MicroControllerUnit，MCU）是笔者较早接触的一种课程，这种装置不但在工业控制领域有着广泛的应用，且在人们的生活中随处可见。大到电视机、电冰箱，小到计算器、电风扇等，其内部都集成了MCU。单片机实质是属于一类特殊型、适合简单系统的小尺寸芯片，是所有电器中的重要部件，亦是未来智能电器发展的重要部件。从硬件构造上来看，它主要包括了CPU处理系统芯片，即中央处理器、IO口和存储器。有了MCU后，再配合使用专门设计的程序和软件，就能够实现丰富的控制功能，对各种执行机构进行合理地控制。笔者在本课题的研究中，结合系统的特征及其所需实现的功能，经过多个方案的对比后，最终决定采用STM32型MCU。这一产品能够在较低的电压驱动下正常运行，在性能方面有着极佳的表现，具备可擦除的功能，易于部署和操作，以上便是它的特点同时也是其优势。凭借着上述一系列的优势，该产品的医疗、工业等领域中得到了广泛的应用，很多控制系统、通讯设备等，都以它为控制核心。

要确保本系统能够具备预期的各项功能，同时能够安全、稳定的运行，除了选择合适的MCU之外，还需要配备各种其他的装置和元件，且必须确保其能够和MCU进行良好的数据往来。为实现上述功能，便需要运用到引脚。此外，可通过调用引脚的方式展现单片机的外部特征。基于现代技术的飞速发展，百姓生活水平不断提升，单片机需求并一步加大，除了满足性能性要求外，对其外观要求也在进一步提升。在这样大环境下，多引脚的双功能或多功能被提出。在不断发展的过程中，STM32型产品的封装不断变得更加多样化，从而更好的迎合市场需求，在更多场景下得到应用。笔者在本课题的研究中，选择的是40线双列直播式封装产品，接下来详述其功能，如下图3.1所示。图3.1STM32单片机管脚图STM32内核情况如下图所示：图3.2STM32单片机管脚图ARMCortex-M3内核令STM32103在动用中获得了高性能、低成本、低功耗嵌入式的运用优势。STM32共集成4个p口；SPI-NSS片选，因此具有良好的性能。

拥有SPI-MISO数据输出；SPI-SCK时钟线；SPI-MOSI数据输入。STM32型MCU的复位：绝大部分以单片机为控制核心的系统，都具备复位功能，通过这一功能，让整个系统及其各个构成部分，都能够从特定的初始状态开始运行。因此，在进行系统设计的过程中，复位电路的设计是必不可少的。就目前的技术状况来看，单片机的复位可以通过多种方式实现，比如：上电复位，系统及备份区域将返回初始状态。下电复位:通常运用在上电、下电，或系统脱离待机模式下。重置除备份区域寄存器外的所有寄存器状态的复位即电源复位形式。此外，还包括电源复位等，想要形成具有影响力的信息系统复位，可于以下事件的驱动下进行：STM32型产品的震荡电路：虽然市面上MCU产品多种多样，且它们基本上都存在一定的共同点，但是STM32是有且仅有的集成了HIS的MCU产品，HIS属于RC振荡器，其运行频率仅为8MHz，它的运行精度较高，实践表明，其误差将近为1%。和人们生活中比较常见的计算机对比来看，MCU仅仅是一个微型的装置，因此其功能和作用远比不上前者，仅能承担简单的控制任务。不过，在很多生产生活场景下，人们并不需要复杂的计算机进行控制，比如冰箱、空调、电视机、遥控器等，如果都通过计算机进行控制，从技术上来看是完全可行的，但这会导致巨大的计算机性能浪费，以及成本的显著提高。在这样的背景下，能够满足控制要求、尺寸小、运行效率高，最重要的是成本低廉的单片机受到人们的关注，它也因此被当做上述各种电子产品的控制核心。如果控制对象本身比较复杂，可以通过多台单片机予以控制，但即便如此，其成本也远低于计算机。随着市场对单片机需求的日益旺盛，各个厂商推出了更加多样化的产品。对于本文所研发的颜色识别系统，STM32F103C8T6型MCU是一项非常合适的选择。相对于51系列MCU产品而言，这一单片机拥有更丰富的功能，首先是：运行速度上超出51单片机。同时，还自带2个AD转换，因此极大地简化了软、硬件操作步骤，令整个设计更为简便。STM32特征总结如下：STM32C8T6系列产品集成了RTC，在运行的过程中负载较低，其内部并未集成圆柱晶振，这是它和传统MCU主要的不同之处。提供了48个引脚。能够在72MHZ频率下正常的运行。集成了3个一般定时器、1个高级定时器。提供2个2位/16通道ADC模数转换。集成了3.3V稳压芯片，可对外提供300MA以内电流。能有效地兼容ST-LINK和JTAG调试下载。存储空间为64kbbyteFLASH和20byteSram。STM32实物图如下：3-2-1STM32F103C8T6实物图1、电源指示灯LED(通常是红色的):当MCU启动并能运行的情况下，则LED灯处于亮灯状态中，若MCU在工作时出向一故障，则电源指示灯将变暗或是出现闪烁。2、用户LED(PC13):其主要服务于后续测试。3、该MCU实现了跳帽方式，即操作者能够利用3种编程方式完成编程任务，这对用户来说是非常方便的。4、复位电路。5、8M晶振3.2TCS3200颜色传感器与单片机的接口电路本次颜色识别系统设计中，颜色传感器TCS3200和MCU的P1口、P3口相连。其中，P1口为准双向口I/O口。P1口的输入输出和P0口作为通用I/O二者的特性是相同的；不过相比来看，P1具备的优势是：它能够直接的驱动电流负载，避免了外部上拉电阻的用。P1口可有效地驱动4个TTL。单片机和颜色传感器TCS3200接口电路见下图。

图8TCS3200和单片机接口电路如上图，8引脚的SOIC表面帖装式封装形式即为TCS3200的封装方法，其中仅一个芯片中便集约有64个光电二极管，它们形成了四种不同的类别。其中带红、绿、蓝色滤芯光片的光电二极管达16个，其它滤光器尽管不存在滤光片，主要用于光学信息传输。芯片中处于交叉排列状态的光电二及管，极大地促进了颜色识别精度的提升。除此之外，针对各个颜色的位置均存在的信息误差，将颜色一致的16个光电二极管采取并联方式予以保成，以便其在二极管中得以均匀分布。实践中，滤波器可由不同的可编程引脚进行动态性选择。想要促进传感器适应性，以扩大传感器测量范围，在这个过程中，输出比例因子特别关键。比如：若当前条件仅支持低速低速效率计数器，想要计数器值与TCS3200输出频率匹配起来，这样的问题，可通过选择小的定位标来实现。由图知，在TCS3200接收了入射光后，通过引脚S2、S3的组合，达到对光电二极管的有效控制，由此达到对滤波器的有效选择。有关TCS3200芯片单独引脚功能方面的组合选项，在上文中已作出了概述，在此不作赘述。TCS3200识别颜色原理经过前文的分析和介绍知，在色度的计测量方面，系统上性可编程彩色光到频率转换品有助于发挥其优势。立足于此，接下来将TCS3200在液体颜色识别中的运用为例进行介绍，在开展之前，所先对识别原理作出了全方面的阐述。（1）三原色感应原理一般情况下，人类的视觉器官能够获取周围各种物体所呈现出的颜色，实际上来源于物体反射，而非其所吸收的颜色，不过，该物体反射的部分成分投射到人眼内，便形成了颜色反应，进而达到由大脑辩别颜色的目的。这里面，白色光即各色的组合，事实事，所有可见的光线，基本上可由白色光中实现分离。德国物理学家赫姆霍兹三原色理论认为，只要拥有了红、绿、蓝三色，便可以创造肉眼可见的大部分颜色。（2）TCS3200识别颜色原理上文中，笔者对三原色感的原理予以概述，基于该原理，想要确定目标物体的颜色，可以进一步将思路转化为对物体反射光的检测。根据三原色数据可知，TCS3200若选好了检测时采用的颜色滤波器，则这一颜色的滤波器指定原色才将获得允许通过，并阻止其他原色而不是特定色的通过。举例说明：想要达到仅通过红光，则选择红色滤波器即可。也就是说，此类装置如同一把特殊的“筛子”，通过它对颜色进行筛选，只有合乎要求的光色才予通过，其它光线都会被阻挡下来。亦即，所有的蓝、绿色都被阻挡，红色光强得以检测；同样的道理，想要获得蓝光、绿光，仅需选择不同的滤波器即可。而三种原色光还可以通过不同的比例，调制出不同的颜色。也就是说，通过调整三色光强度数据，便可以获得TCS3200传感器所接收到的不同光的颜色。（3）白平衡和颜色识别原理世界各国针对颜色的研究显示，理论角度来讲，将红、绿、蓝三色按同等量分配，便形成了白色。但实际上，同等比例调出来的并非白色，而是需要调整比例，才能调出白色，显示了颜色组合的复杂性，这同样也决定了颜色识别的复杂性。此外，TCS3200光传感器对于光线的辨别，还存在敏感性偏差的问题，好比人眼本身也存在敏感性差异一般，于是造成了TCS3200的RGB输出会产生误差。可见，白平衡调整是整个系统的关键。在人类对于某项事物产生认知错误时，可据此进行调整。对于上述设计中的误差，同样可进行人工调整，其实现过程如下：采用一个发白光手电筒，用其照射一个擦试干净的空试管，让白光线垂直通过试管，再依次测量其他三种原色相关数据，采取前文所述方式，仅需按顺序挑选红、绿、蓝三颜色检测即可，最后，对于检测获得的数据展开分析，进而便可得出所需调整参数。通过TCS3200进行颜色识别时，所检测的颜色R、G和B可据前文的三参数作出调整。在这个过程中，对于参数调整的计算包括两种不同的方法，此时仅介绍固定时间测量脉数的方式，一旦到达测量时间，便将时间设置于固定值予以求取，再将所求取的比例因子乘以实际测出的脉冲数，便可以获得各自对应的R、G、B值。3.3、lcd1602显示电路有关显示模块的设计，基于传统数码管不能呈现英文信息，导致加大了操作难度。本文为避免这种问题的发生，故采用了LCD1602液晶显示器[10]。它属于工业字符型产品，能够呈现两行信息，无论是数字、字母，还是符号，但总长度不超过三十二位，显示功能能满足本设计的要求。这一产品的尺寸小，功耗低，能够有效的呈现信息，具有极强的实用性。LCD1602集成了16个引脚，具体功能为：表2-4LCD1602引脚介绍LCD1602能够在3.5V~5V驱动下正常运行，它集成了复位电路，故用户可通过位移光标、清屏等方式进行管理。对其联系的电位计作出合理的控制，由此实现对亮度的显示。其数据可存储于内部的存储器内。这一产品能够和MCU直接相连，接受来自后者的信息，并将其呈现出来。LCD1602集成了16个引脚，RS、RW主要用于读写控制：表2-5LCD工作状态介绍LCD1602型产品在执行指令前，首先必须读取模块标志位的忙信号，如果发现其为低电平，此时代表“闲状态”，可执行相应的指令。3.4电源电路本文采用的MCU，要求在直流5V驱动下开展，电源管理模块集成为3脚电源座子、6脚电源开关两类。前者的用途是和电源插头相连，后者则负责MCU电路的状态控制。后者的1,3口和4,6口的作用是一致的，即电源正输出。其2、5口则起到接地引脚的作用，在应用过程中必须作出选择，若以1、3口进行文化输出，此时5口应该接地；若以4、6口为输出，此时2口应该接地。该MCU的传感器和无线传输芯片所需电压均在5V以内，便能满足使用需求，若存在12V或其他电压传感器，就需要在系统中集成升压模块，实现更高电压。见下图，这本次设计的电源电路：3.5小结本章内容主要介绍系统硬件设计，包括：单片机电路、TCS3200颜色传感器、lcd1602显示电路等。针对电路图绘画和引脚功能作出介绍，以此为接下业的设计打好基础。4系统软件设计4.1总体流程图完成硬件部分的选型和设计后，接下来即为软件的设计，本系统集成的程序包括了：主程序、白平衡矫正子程序及颜色比较子程序。相应的程序流程图为:图10总体流程图4.2子程序流程图相关子程序流程见下图所示：图11子程序流程图4.3液晶显示程序设计LCD1602共包含有16个引脚，这里面，由RS、RW负责读写选择：表2-5LCD工作状态介绍LCD1602型产品在执行指令前，首先必须读取模块标志位的忙信号，如果发现其为低电平，此时代表“闲状态”，可执行指令。当LCD1602所需呈现的内容为字符时，前提是确定内容的RAM地址。该产品提供了11条控制指令，通过这些指令能够方便的进行清屏，光标移动等操作。显示程序运行步骤详见下图：图液晶显示程序流程图4.4小结本章主要是介绍软件模块，为后序的模块程序流程的罗列、软件功能的实现，实物测试等打好了基础。5系统的实现与测试5.1整体测试效果基于前文介绍，已基本实现了设计要求。记录相应的实验数据。其操作进程为：首先于颜色采集模块中盖上一盒光效，同时将待测彩色纸板铺设为传感器面向彩色纸板的一段。将开