基于51单片机的颜色检测仪设计

《光电检测技术》课程设计题目：基于51单片机的颜色检测仪设计姓名：学号：专业：班级：指导教师：2017年1月7日目录1.引言..............................................................12.颜色识别系统......................................................12.1颜色识别技术的现状及未来发展趋势..........................................................12.2TCS230芯片的结构框图与特点.....................................................................22.3TCS230识别颜色的原理................................................................................43.颜色识别系统的硬件结构............................................53.1单片机最小系统电路......................................................................................53.2复位电路..........................................................................................................83.3晶振电路..........................................................................................................93.4TCS230颜色传感器与单片机的接口电路..................................................103.5数码管显示电路...........................................................................................104.系统的软件设计...................................................114.1总体流程图...................................................................................................114.2子程序流程图................................................................................................115.结论及展望.......................................................13参考文献...........................................................141基于51单片机的颜色检测仪设计摘要：随着现代工业生产向着自动化、智能化方向的发展，生产过程中长期由人眼占据主导地位的颜色识别工作即将被效率和精确度更高的颜色传感器所替代，颜色传感器在未来生活与生产中扮演的作用将会越来越大。颜色识别器的应用十分广泛，现阶段其主要应作为彩色打印机和绘图仪的主要构成部分。并在化妆品、纺织品和涂料制造过程中颜色的调配以及医疗等方面都起着重要的作用。因此对颜色识别器的研究对未来检测行业的发展有着重要的意义。本文将研究TCS230颜色传感器识别颜色的原理，并结合单片机和液晶显示模块来实现颜色识别功能。首先，需要了解一定程度的光与颜色的知识以及深入研究TCS230颜色传感器对颜色的识别原理并实现其识别颜色的功能。其次，利用ST89C52单片机对颜色传感器输出数据进行处理，转换成相应的RGB三原色颜色值。最后，通过LCD1602将RGB三原色颜色值显示出来并通过RGB颜色对应表对比和分析所测数据。本设计具有设备成本低、体积小、易于操作、灵敏度和精确度高等特点。关键词：STC89C51单片机TCS230颜色传感器颜色识别系统1.引言随着工业生产中自动化、高速化程度的不断提升，颜色识别在各种工业控制和检测领域的应用更加广泛，颜色传感器在终生活与生产中的作用将会越来越大，颜色传感器在终端设备中的作用将会越来越大。例如颜色识别器在图书馆图书的分类和包装行业的应用已经十分普遍；现阶段其主要应作为彩色打印机和绘图仪的主要构成部分。并在化妆品、纺织品和涂料制造过程中颜色的调配以及医疗等方面都起着重要的作用。2.颜色识别系统2.1颜色识别技术的现状及未来发展趋势颜色识别技术是新兴检测技术，在彩色打印、商标识别和材料分拣等方面已在我国拥有广泛应用。虽然我国在机器人视觉系统领域已取得举世瞩目的成就，但是在高分辨的颜色识别方面仍然缺乏自主研发能力。高精度的颜色识别技术仍然由少数发达国家掌控，我国高分辨率颜色传感器的研究工作任重而道远。颜色识别系统提出的时间较晚，出现在自动控制系统之后。其作为一种新兴的检测技术也是控制理论的简单应用，经过几十年的发展，在工业控制中逐渐开始大范围的应用。颜色传感器在实时检测系统以及自动控制方面有着重要的意义，伴随着单片机等处理器2技术的发展，颜色识别系统的效率也大大的增加。颜色识别在现代生产中的应用愈加广泛，特别是在遥感技术、工业过程控制、材料分拣、图像处理、机器人视觉系统等方面的起着重要的作用，颜色传感器的快速发展为上述生产应用自动化的实现提供了可能。随着颜色传感器的广泛应用，颜色识别技术已成为工业自动化必不可少的部分，发展前景十分广阔。三基色原理：适当的选取三种基本颜色，任何颜色都能由这三种颜色按照不同的比例叠加合成，这三种颜色相互独立不能由其他颜色按比例配出，这三种颜色就称为三基色。国际照明委员会（CIE）推荐使用红、绿、蓝作为三种基本颜色且此原理已在现代工业中有了非常广泛的应用。RGB颜色模型如下图2.1所示。由三基色原理可知自然界中所有色光都可由R、G、B三种基本颜色按照不同的比例叠加合成，当三基色分量都为0时，叠加出的光为黑色，对应于立方体坐标中的（0,0,0）点；当三基色分量都为255时，叠加出的光为白色光，对应于立体坐标中得（255,255,255）。以由黑到白为对角线的正方体的其他六个顶点分别为红（255,0,0），黄（255,255,0），绿（0,255,0），青（0,255,255），蓝（0,0,255）和品红（255,0,255）。每个颜色都有其独自RGB值。2.2TCS230芯片的结构框图与特点国产宏晶STC51系列单片机不但低功耗、高稳定性能而且具有低廉的价格，自上市以来成为国内单片机从业者的首选。STC8952系列单片机便是目前国内使用最多的一种单片机类型。其采用MCS-51为内核，并在此基础上做了很多改进使的芯片功能更加强大。STC89C52型单片机参数如下：1.指令代码与传统8051的代码完全兼容2.工作电压：3.3V～5.5V3.工作频率：0～40MHz4.8K字节Flash5.片上集成512KRAM6.通用I/O口（32个）7.不需专用编程器，也不需专用得仿真器，可通过串口直接下载程序8.具有EEPROM功能9.具有看门狗功能10.有3个十六位定时器/计数器。即T0、T1和T211.有四个外部中断12.通用异步串行口13.工作温度范围：0～75℃14.PDIP封装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，TCS230的输出信号是数字3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，当入射光投射到TCS230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。在单一的TCS230芯片上集成四种类型的光电二极管，这些光电二极管表面分别镶嵌着红、绿、蓝三种颜色的滤光器，加上未镶嵌的中共64个，每种16个。这四种带滤波器的光电二极管在传感器芯片内交叉排列，四种光电二极管能够均匀的就接收光源辐射，极大的地减小因入射光幅射不均而造成的误差，提高颜色识别的精确度。工作时，通过引脚S2、S3选择所需滤波器的颜色类型。TCS230传感器的可通过引脚S0、S1来选择输出频率定标，其输出频率范围为2Hz~500kHz。下面简要介绍TCS230芯片各个引脚的功能。S0、S1引脚用于选择电源关断模式和输出比例因子（2%，20%，100%）；引脚S2、S3用于选择滤波器的类型；OE可以控制输出的状态为频率输出使能引脚，当微处理器同接收控制多个芯片时，OE可作为芯片的片选信号；OUT为频率输出引脚，GND接电源地，VCC接+5V电源。图1TCS230引脚图TCS230的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。下表给出了TCS230颜色传感器使用时相关控制引脚的一些组合选项。表1：输出频率分频选择S0S1输出频率分频比例LL掉电LH2%HL20%HH100%表2：滤光颜色选择4S2S3光电二极管类型LL红色LH蓝色HL消除（无滤光）HH绿色2.3TCS230识别颜色的原理（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；同理，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。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