基于單片機(jī)的顏色識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第8頁(yè)，共8頁(yè)基于單片機(jī)的顏色識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)陳雷 ( 安慶師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院 安徽 安慶)指導(dǎo)教師：王陳寧 摘要：隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)向高速化、自動(dòng)化方向的發(fā)展，生產(chǎn)過(guò)程中長(zhǎng)期以來(lái)由人眼起主導(dǎo)作用的顏色識(shí)別工作將越來(lái)越多地被相應(yīng)的顏色傳感器所替代。本設(shè)計(jì)介紹了一種基于STC89C52單片機(jī)的顏色識(shí)別系統(tǒng)，并且采用TCS230顏色傳感器進(jìn)行識(shí)別，最終將顏色信息顯示出來(lái)。本設(shè)計(jì)主要闡述了TCS230顏色傳感器的顏色識(shí)別原理，論述了儀器的測(cè)量原理，介紹了白平衡的校準(zhǔn)方法，給出了顏色系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖，完整的硬件電路的原理圖，和軟件的流程圖。關(guān)鍵詞：STC89C52單片機(jī)，TCS230顏色傳感器，顏色識(shí)別系統(tǒng)1引言目前的顏色傳感器通常是在獨(dú)立的光電二極管上覆蓋經(jīng)過(guò)修正的紅、綠、藍(lán)濾波片，然后對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，才能將顏色信號(hào)識(shí)別出來(lái)；有的將兩者集合起來(lái)，但是輸出模擬信號(hào)，需要一個(gè)A/D電路進(jìn)行采集，對(duì)該信號(hào)進(jìn)一步處理，才能進(jìn)行識(shí)別，增加了電路的復(fù)雜性，并且存在較大的識(shí)別誤差，影響了識(shí)別的效果。TAOS（Texas Advanced Optoelectronic Solutions）公司最新推出的顏色傳感器TCS230，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顏色的識(shí)別與檢測(cè)，與以前的顏色傳感器相比，還具有許多優(yōu)良的新特性。本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，利用顏色傳感器TCS230設(shè)計(jì)一顏色識(shí)別系統(tǒng)，并能夠辨別生活中的各類(lèi)顏色。2 顏色識(shí)別系統(tǒng)的工作原理2.1 TCS230芯片的結(jié)構(gòu)框圖與特點(diǎn)TCS230是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器，它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)單一的CMOS電路上，同時(shí)在單一芯片上集成了紅綠藍(lán)(RGB)三種濾光器，是業(yè)界第一個(gè)有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器，TCS230的輸出信號(hào)是數(shù)字量，可以驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。由于輸出的是數(shù)字量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使電路變得更簡(jiǎn)單，當(dāng)入射光投射到TCS230上時(shí)，通過(guò)光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的濾波器；經(jīng)過(guò)電流到頻率轉(zhuǎn)換器后輸出不同頻率的方波（占空比是50），不同的顏色和光強(qiáng)對(duì)應(yīng)不同頻率的方波；還可以通過(guò)輸出定標(biāo)控制引腳S0、S1，選擇不同的輸出比例因子，對(duì)輸出頻率范圍進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同的需求。下面簡(jiǎn)要介紹TCS230芯片各個(gè)引腳的功能。圖1 TCS230引腳圖TCS230的S0、S1用于選擇輸出比例因子或電源關(guān)斷模式；S2、S3用于選擇濾波器的類(lèi)型；OE反是頻率輸出使能引腳，可以控制輸出的狀態(tài)，當(dāng)有多個(gè)芯片引腳共用微處理器的輸出引腳時(shí)，也可以作為片選信號(hào)，OUT是頻率輸出引腳，GND是芯片的接地引腳，VCC為芯片提供工作電壓。下表給出了TCS230顏色傳感器使用時(shí)相關(guān)控制引腳的一些組合選項(xiàng)。表1：輸出頻率分頻選擇 S0S1輸出頻率分頻比例LL掉電LH2%HL20%HH100%表2：濾光顏色選擇 S2S3光電二極管類(lèi)型LL紅色LH藍(lán)色HL消除（無(wú)濾光）HH綠色2.2 TCS230識(shí)別顏色的原理（1） 三原色的感應(yīng)原理通常所看到的物體顏色，實(shí)際上是物體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應(yīng)。白色是由各種頻率的可見(jiàn)光混合在一起構(gòu)成的，也就是說(shuō)白光中包含著各種顏色的色光(如紅R、黃Y、綠G、青V、藍(lán)B、紫P)。根據(jù)德國(guó)物理學(xué)家赫姆霍茲(Helinholtz)的三原色理論可知，各種顏色是由不同比例的三原色(紅、綠、藍(lán))混合而成的。（2）TCS230識(shí)別顏色的原理由三原色感應(yīng)原理可知，如果知道構(gòu)成各種顏色的三原色的值，就能夠知道所測(cè)試物體的顏色。對(duì)于TCS230來(lái)說(shuō)，當(dāng)選定一個(gè)顏色濾波器時(shí)，它只允許某種特定的原色通過(guò)，阻止其他原色的通過(guò)。例如：當(dāng)選擇紅色濾波器時(shí)，入射光中只有紅色可以通過(guò)，藍(lán)色和綠色都被阻止，這樣就可以得到紅色光的光強(qiáng)；同理，選擇其他的濾波器，就可以得到藍(lán)色光和綠色光的光強(qiáng)。通過(guò)這三個(gè)值，就可以分析投射到TCS230傳感器上的光的顏色。（3）白平衡和顏色識(shí)別原理從理論上講，白色是由等量的紅色、綠色和藍(lán)色混合而成的；但實(shí)際上，白色中的三原色并不完全相等，并且對(duì)于TCS230的光傳感器來(lái)說(shuō)，它對(duì)這三種基本色的敏感性是不相同的，導(dǎo)致TCS230的RGB輸出并不相等，因此在測(cè)試前必須進(jìn)行白平衡調(diào)整。在本裝置中，白平衡調(diào)整的具體步驟和方法如下：將空的試管放置在傳感器的上方，試管的上方放置一個(gè)白色的光源，使入射光能夠穿過(guò)試管照射到TCS230上；根據(jù)前面所介紹的方法，依次選通紅色、綠色和藍(lán)色濾波器，分別測(cè)得紅色、綠色和藍(lán)色的值，然后就可計(jì)算出需要的3個(gè)調(diào)整參數(shù)。當(dāng)用TCS230識(shí)別顏色時(shí)，就用這3個(gè)參數(shù)對(duì)所測(cè)顏色的R、G和B進(jìn)行調(diào)整。這里有兩種方法來(lái)計(jì)算調(diào)整參數(shù)： 依次選通三種顏色的濾波器，然后對(duì)TCS230的輸出脈沖依次進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)到255時(shí)停止計(jì)數(shù)，分別計(jì)算每個(gè)通道所用的時(shí)間。這些時(shí)間對(duì)應(yīng)于實(shí)際測(cè)試時(shí)TCS230每種濾波器所采用的時(shí)間基準(zhǔn)，在這段時(shí)間內(nèi)所測(cè)得的脈沖數(shù)就是所對(duì)應(yīng)的R、G和B的值。 設(shè)置定時(shí)器為一固定時(shí)間(例如10 ms)，然后選通三種顏色的濾波器，計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)TCS230的輸出脈沖數(shù)，計(jì)算出一個(gè)比例因子，通過(guò)這個(gè)比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?55。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，使用同樣的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，把測(cè)得的脈沖數(shù)再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所對(duì)應(yīng)的R、G和B的值。3 顏色識(shí)別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)本文介紹的基于單片機(jī)的顏色識(shí)別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，硬件電路部分主要是由單片機(jī)最小系統(tǒng)、顏色傳感器TCS230組成的顏色采集系統(tǒng)和數(shù)碼管顯示電路。首先是由顏色傳感器TCS230進(jìn)行顏色采集，直接輸出數(shù)字量并且利用單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的作用將各種顏色的頻率輸出，最紅用數(shù)碼管將其顯示出來(lái)。顏色采集電路單片機(jī)系統(tǒng)電路數(shù)碼管顯示電路圖2 顏色識(shí)別系統(tǒng)系統(tǒng)框圖3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路單片機(jī)最小系統(tǒng)是指讓單片機(jī)能正常工作并發(fā)揮其功能所必須的組成部分。對(duì)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō),最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路等。下面給出一個(gè)51系列單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路。 圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2復(fù)位電路基本的復(fù)位方式：?jiǎn)纹瑱C(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位89系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個(gè)高電平并維持2個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)振蕩周期)以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動(dòng)按鍵復(fù)位和上電復(fù)位。(1)手動(dòng)按鍵復(fù)位手動(dòng)按鍵復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端RST上加入高電平。一般采用的辦法是在RST端和正電源Vcc之間接一個(gè)按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時(shí)，則Vcc的+5V電平就會(huì)直接加到RST端。手動(dòng)按鈕復(fù)位的電路如所示。由于人的動(dòng)作再快也會(huì)使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿(mǎn)足復(fù)位的時(shí)間要求。 圖4按鍵復(fù)位 圖5上電復(fù)位電路 圖6復(fù)位電路(2)上電復(fù)位上電復(fù)位的工作過(guò)程是在加電時(shí)，復(fù)位電路通過(guò)電容加給RST端一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，此高電平信號(hào)隨著Vcc對(duì)電容的充電過(guò)程而逐漸回落，即RST端的高電平持續(xù)時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位，RST端的高電平信號(hào)必須維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間。在圖6的復(fù)位電路中，當(dāng)Vcc掉電時(shí)，必然會(huì)使RST端電壓迅速下降到0V以下，但是，由于內(nèi)部電路的限制作用，這個(gè)負(fù)電壓將不會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生損害。在本設(shè)計(jì)中采用了按鍵復(fù)位和上電復(fù)位的兩種模式（如圖7所示）。3.3晶振電路一般的晶振振蕩電路都是在一個(gè)反相放大器(注意是放大器不是反相器)的兩端接入晶振 再有兩個(gè)電容分別接到晶振的兩端，每個(gè)電容的另一端再接到地。圖7 晶振電路晶振與單片機(jī)的腳XTAL2和腳XTAL1構(gòu)成的振蕩電路中會(huì)產(chǎn)生偕波，為了電路的穩(wěn)定性起見(jiàn) ATMEL公司只是建議在晶振的兩引腳處接入兩個(gè)10pf-50pf的瓷片電容接地來(lái)削減偕波對(duì)電路的穩(wěn)定性的影響，所以晶振所配的電容在10pf-50pf之間都可以的。3.4 TCS230顏色傳感器與單片機(jī)的接口電路顏色傳感器TCS230的引腳封裝應(yīng)經(jīng)在TCS230的結(jié)構(gòu)框圖與特點(diǎn)處做了簡(jiǎn)單的介紹，下圖是單片機(jī)與顏色傳感器TCS230之間的接口電路。 圖8 TCS230與單片機(jī)的接口電路顏色傳感器TCS230的片選端口（OE）連接至單片機(jī)的P1.0口。輸出波形占空比控制端口S0.S1分別連接至單片機(jī)的P1.2和P1.3口。濾波選擇端口S2和S3風(fēng)別連接至單片機(jī)的P1.4和P1.5口。輸出端口連接至單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)端口P3.5。3.5 數(shù)碼管顯示電路 在進(jìn)行數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)時(shí)采用138譯碼器作為數(shù)碼管的位選，采用鎖存器573作為數(shù)碼管的段選控制，這樣一方面為數(shù)碼管的顯示提供了驅(qū)動(dòng)同時(shí)又節(jié)省了單片機(jī)的端口資源。其電路如下：圖9 數(shù)碼管顯示電路動(dòng)態(tài)顯示：數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線(xiàn)控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通COM端電路的控制。在輪流顯示過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感。4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1 總體流程圖系統(tǒng)軟件主要包括：組程序、白平衡矯正子程序和顏色比較子程序。其中白平衡矯正子程序用于顏色標(biāo)定；比較子程序用于顏色檢測(cè)。程序流程圖如下： 圖10 總體流程圖子程序設(shè)計(jì)程序需進(jìn)行白平衡調(diào)節(jié)，得出比例因子，再實(shí)現(xiàn)對(duì)物體顏色檢驗(yàn)和校準(zhǔn)，并在數(shù)碼管上顯示R.G.B值，下面給出了顏色識(shí)別子程序流程： 圖11 子程序流程圖5 小結(jié)本設(shè)計(jì)從TCS230的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域出發(fā)，結(jié)合AT89S52單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了能夠同時(shí)測(cè)量和辨別光線(xiàn)中三基色成分。簡(jiǎn)述了利用軟件對(duì)TCS230的實(shí)際顏色測(cè)量值進(jìn)行校準(zhǔn)的處理辦法，大大提高了系統(tǒng)對(duì)顏色的辨識(shí)精度。給出了相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)電路、軟件流程圖和測(cè)試程序、電路具有成本低、測(cè)量速度快、精確高等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于各種對(duì)需要對(duì)光色成分進(jìn)行測(cè)量、分析和識(shí)別的行業(yè)。參考文獻(xiàn)1梁冀，基于三基色反射光的顏色識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大眾科技，2008.2龔向東，曾振興，林丹，基于SPCE061A單片機(jī)的顏色檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電子測(cè)量技術(shù)，2008.3鄭喜鳳，黃娉，劉貴華.三基色亮度計(jì)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，微計(jì)算機(jī)信息2009。4丁茹，李剛.可編程彩色光/頻率轉(zhuǎn)換器TCS230及其應(yīng)用，國(guó)外電子元器件，2005。5盧川英，于浩成，孫敬輝，孟中.基于TCS230顏色傳感器的顏色檢測(cè)系統(tǒng)。吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2008。6TAOS公司.TCS230技術(shù)說(shuō)明書(shū),德拉瓦，TAOS公司，2006。Design of Color Recognition System Based on Single Chip MicrocomputerChenLei(School of Physics and Electrical Engineering of Anqing Normal College, Anqing )Abstact: Along with the development of modern industry production towards to high speed and automatic, the production process which is dominated by the human eye color recognition will be placed by the corresponding color sensor . This design introduces a new kind of color recognition system which is based on the STC89C52 single-chip and use the color sensor TCS230 to identify different colors and finaly display the color information. This article mainly elaborated the TCS230 color sensor and color identification principle, discusses the