【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 少太陽(yáng)光或外界雜散光作為入射光。觀測(cè)方位是指被測(cè)物體指向傳感器的法線方向 ,它決定了反射到傳感器中的光強(qiáng)。 （ 3) 被測(cè)物表面反射狀況的影響 傳感器探頭與被測(cè)物之間的距離影響著輸出信號(hào) ,可能會(huì)造成不同顏色信號(hào)的交叉 ,形成測(cè)量誤差 ,所以存在某一最佳距離對(duì)輸 出特性影響最小 ,以保證顏色與輸出信號(hào)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。被測(cè)物表面的較明顯凹凸區(qū)域也會(huì)給輸出信號(hào)帶來(lái)較大的誤差 ,為此 , Phong,Shafer 和 Nayar 等人先后提 出了反射模型以彌補(bǔ)測(cè)量誤差。 顏色傳感器 （ 1） RGB 顏色傳感器 RGB 顏色傳感器對(duì)相似顏色和色調(diào)的檢測(cè)可靠性較高。它的測(cè)量原理示意圖如圖 所示。 圖 RGB顏色傳感器 在三個(gè)光電二極管上貼上三基色濾色片 ,三種光通過(guò)同一透鏡發(fā)射后被目標(biāo)物體反射 , 王明 ： 基于 TCS3200 顏色傳感器的色彩識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 根據(jù)測(cè)出的數(shù)據(jù)求出顏色的成分。由于這種顏色檢測(cè)法是通過(guò)測(cè)量構(gòu)成物體顏色的三 基色實(shí)現(xiàn)顏色檢測(cè)的 ,所以精密度極高 ,能準(zhǔn)確區(qū)別極其相似的顏色 ,甚至相同顏色的不同色調(diào)。 RGB 顏色傳感器有兩種測(cè)量模式 :一種是分析紅、綠、藍(lán)光的比例。因?yàn)闄z測(cè)距離無(wú)論怎樣變化 ,只能引起光強(qiáng)的變化 ,而三種顏色光的比例不會(huì)變 ,因此 ,即使在目標(biāo)有機(jī)械振動(dòng)的場(chǎng)合也可以檢測(cè) 。第二種模式是利用紅綠藍(lán)三基色的反射光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的 ,利用這種模式可實(shí)現(xiàn)微小顏色判別的檢測(cè) ,但傳感器會(huì)受目標(biāo)機(jī)械位置的影響。無(wú)論應(yīng)用哪種模式 ,大多數(shù) RGB 顏色傳感器都有導(dǎo)向功能 ,使其非常容易設(shè)置。這種傳感器大多數(shù)都有內(nèi)建的某種形式的圖表和閾 值 ,利用它可確定操作特性。 利用全色色敏器件及相關(guān)分析手段可以較精確地測(cè)定顏色 ,一般來(lái)說(shuō) ,它至少需要三個(gè)光電二極管以及三個(gè)相應(yīng)的濾光器 ,以獲得顏色的三刺激值 ,因此結(jié)構(gòu)和電路都比較復(fù)雜。 （ 2) 色差傳感器 在一些實(shí)際應(yīng)用中 (如分揀、 質(zhì)量監(jiān)控等行業(yè) ),并不需要確切了解被測(cè)物的具體顏色 ,而只需要對(duì)兩個(gè)物體的色差進(jìn)行識(shí)別與判斷 ,區(qū)別出從一種顏色到另一種顏色的變化。例如 ,對(duì)家用電器、汽車外殼的色彩管理 ,對(duì)紙漿、油漆、彩色鋼板等色彩進(jìn)行讀取和控制 ,只要檢測(cè)出兩種顏色存在一定的色差 ,就能將它們區(qū)分開來(lái)。色差傳感器已發(fā) 展出硅雙結(jié)、 光纖、有機(jī)材料等多種 ,由于其價(jià)格便宜 ,動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果好 ,能實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測(cè)量 ,所以除染色等特殊行業(yè)外 ,工業(yè)上一般都采用色差傳感器。 硅雙結(jié)型顏色傳感器 ： 硅雙結(jié)型顏色傳感器的結(jié)構(gòu)及主要特性如圖 所示。 圖 硅顏色傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖與特性曲線 王明 ： 基于 TCS3200 顏色傳感器的色彩識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 圖 (a)中所示的 NPN 是結(jié)深不同的兩個(gè) PN 結(jié)二極管 ,放大作用很小。淺結(jié)二極管 D1 是 N+ P 結(jié) 。深結(jié)二極管 D2 是 PN 結(jié) ,當(dāng)有入射光照射時(shí) ， N+， P， N 每個(gè)區(qū)域及其間的勢(shì)壘區(qū)中都有光子吸收 ,根據(jù)硅的光學(xué)性質(zhì) ,藍(lán)紫光部分吸收系數(shù)大 ,經(jīng) 很短距離已吸收完畢 ,因此淺結(jié)光電二極管對(duì)藍(lán)紫光的靈敏度高 ,而紅外光的透射深度則一直達(dá)到深結(jié)區(qū) ,因此深結(jié)光電二極管對(duì)紅外光的靈敏度高。這就是說(shuō)此結(jié)構(gòu)中的不同區(qū)域?qū)ν徊ㄩL(zhǎng)入射光具有不同的靈敏度 ,這一特性提供了將這種器件用于顏色識(shí)別的可能性。在不同波長(zhǎng)的光照射下 ,兩只光電二極管電流的比值 I2/I1 不同 , I1 是淺結(jié)二極管的短路電流 , I2是深結(jié)二極管的短路電流。由于單色入射光的波長(zhǎng)與色敏器件的短路電流比的對(duì)數(shù)存在近似的線性關(guān)系 ,即 , 式中 A 和 B 值通過(guò)對(duì)預(yù)先測(cè)定數(shù)據(jù)擬合得到。所以根據(jù)短 路電流比 ,如圖 (b) 所示 ,就可以得到入射光的波長(zhǎng)。 這種傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)是 :短路電流比與光強(qiáng)無(wú)關(guān) ,幾乎只與入射光波長(zhǎng)相關(guān)。但色敏器件的輸出電流很小 ,很容易受外界的干擾 ,因此需要對(duì)放大電 路進(jìn)行屏蔽。 液晶顏色傳感器 ： 液晶顏色傳感器由紅外玻璃濾色片、 電子控制雙折射液晶和硅 P2N 結(jié)光電二極管組成 ,其結(jié)構(gòu)截面如圖 所示。 P S iN S i入 射 光紅 外 濾 波 片起 偏 振 器聚 酯 薄 膜液 晶檢 偏 振 器S i O 2光 電 二 極 管輸 出 電 壓加 電 壓玻 璃 圖 顏色傳感器結(jié)構(gòu) 傳感器的光靈敏度可近似表示為 Tr(λ ) ～ Ir(λ )I(λ )Ph(λ ) , 式中 Tr(λ )為傳感器的光譜靈敏度 。Ir(λ )為透過(guò)紅外濾色片的光強(qiáng) 。I(λ )為透過(guò)液晶單 王明 ： 基于 TCS3200 顏色傳感器的色彩識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 元的光強(qiáng) 。Ph(λ )為光電二極管檢測(cè)到的光強(qiáng) 。λ 為入射光的波長(zhǎng)。透過(guò)液晶的光強(qiáng) I(λ )是加在液晶兩 端電壓 的函數(shù) ,即 I (λ) = I0(λ)sin2 (2ψ) sin2 (πR/λ) , R = ( ne n0) d – Rb 式中 d 為液晶層的厚度 。ne 為液晶層中非常光線的折射率 。 n0 為液晶層中尋常光線的折射率 。 Rb 為聚酯薄膜中的光延遲 。 R 為液晶單元有效的光延遲 。 I0(λ )為射到液晶上的入射光強(qiáng)度 。ψ 為液晶分 子軸在電極上的投影方向和起偏振器方向夾角。 其測(cè)量原理是利用紅外玻璃濾色片濾掉入射光中的紅外成分 ,改變液晶兩端的電壓 ,可以改變液晶層中的非常光折射率 ne ,從而改變光強(qiáng) I(λ )。光電二極管檢測(cè)到光強(qiáng)與存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的顏色數(shù)據(jù)進(jìn)行比較 ,就可知所測(cè)物體的顏色。 用該傳感器檢測(cè)采用同樣材料編織而穿著方式不同的兩件衣服 ,傳感器輸出電壓的峰值有差異 ,這意味著這種傳感器靈敏 ,可分辨出非常小的顏色差別。 光纖顏色傳感器 ： 光纖是 20 世紀(jì) 70 年代為通信而發(fā)展的一種新型材料 ,與其它材料相比 ,光纖具有良好的傳光性能和較寬的 頻帶 ,因而被廣泛地應(yīng)用在通信領(lǐng)域中。除此之外 ,光纖本身還是一個(gè)敏感元件 ,即光在光纖中傳輸時(shí) ,光的特性如振幅、波長(zhǎng) (顏色 )、相位、偏振態(tài)等將隨檢測(cè)對(duì)象變化而相應(yīng)變化。光從光纖射出時(shí) ,光的特性得到調(diào)制 ,通過(guò)對(duì)調(diào)制光的檢測(cè) ,便能感知外界的信息。為充分發(fā)揮光纖的這一特性 ,自 70 年代中期以來(lái)出現(xiàn)了許多特殊的光纖傳感器 ,如光纖強(qiáng)度、相位、 (波長(zhǎng) )顏色傳感器等。 光纖顏色傳感器的裝置如圖 所示。 圖 光纖顏色傳感器的實(shí)驗(yàn)裝置 光源發(fā)出的光由透鏡耦合到光纖束 ,在光纖束的出射端經(jīng)分光板反射到達(dá)被測(cè)物 ,RGB 標(biāo)準(zhǔn)濾色片同裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn)盤上 ,當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ,物體反射的不同波長(zhǎng)的光相 王明 ： 基于 TCS3200 顏色傳感器的色彩識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 繼經(jīng)過(guò)濾色片到達(dá)光探測(cè)器 ,從光敏管電流強(qiáng)弱 ,即可反映被測(cè)圖樣顏色。與傳統(tǒng)傳感器相比它具有以下優(yōu)點(diǎn) : (1) 利用光纖束解決了普遍存在的光能量和光源散熱問題 。 (2) 結(jié)構(gòu)小而緊湊 , 便于安裝 , 可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè) ,傳感頭高度密封 ,適于惡劣條件 ,具有可靠的抗干擾措施 。 (3) 響應(yīng)速度快 ,便于與計(jì)算機(jī)接口自動(dòng)地判斷或記數(shù)。 有機(jī)靜電感應(yīng)顏色傳感器 ： 近年來(lái) ,已有越來(lái)越多的研究者提出采用有機(jī)材料制成光電傳感器 ,這種傳感器成本低 ,應(yīng)用范圍廣 ,但目前 還只處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。 1986 年 Tang 曾報(bào)道了利用有機(jī)材料制成光電轉(zhuǎn)換效率很高的太陽(yáng)能電池 ,由此可見有機(jī)材料具有良好的光敏性能 ,所以有機(jī)材料顏色傳感器被認(rèn)為是很有發(fā)展前景的一種傳感器。 Kudo 利用兩種染料制成了一種 P 型有機(jī)靜電感應(yīng)傳感器 (static induction t ransistor ,SIT) ,并研究了其光電特性。圖 是 Kudo 制成的有機(jī)靜電感應(yīng)顏色傳感器的結(jié)構(gòu)圖。 有機(jī)靜電感應(yīng)顏色傳感器有兩個(gè)有機(jī)半導(dǎo)體層 ,分別是酞青藍(lán)和部化青兩種染料 ,酞青藍(lán)和部化青膜的厚度分別為 80nm和 140nm,它們通過(guò)真空沉降方法覆蓋在涂有錫銦氧化物的玻璃片上 ,酞青藍(lán)和部化青膜之間具有 P 型半導(dǎo)體特性。有機(jī)染料膜上面覆蓋一層金屬金 (Au)并與錫銦氧化層形成測(cè)量電極 ,酞青藍(lán)和部化青膜之間有一非常薄的鋁電極。當(dāng)加載在鋁電極上的電壓增加時(shí) ,測(cè)量電極之間的電流增加 ,反之 ,測(cè)量電極間的電流減少。Kudo 對(duì)有機(jī)靜電感應(yīng)顏色傳感器進(jìn)行了光敏實(shí)驗(yàn) ,光從部化青膜側(cè)照射 ,在兩個(gè)測(cè)量電極上加載 的輸入電壓 ,電極間的測(cè)量電流 IDS 則隨著加載在鋁電極上的電壓 (VG)變化而變化的 ,測(cè)量結(jié)果如圖 所示。 圖 有機(jī)靜電 感應(yīng)傳感器結(jié)構(gòu) 王明 ： 基于 TCS3200 顏色傳感器的色彩識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12 圖 有機(jī)靜電感應(yīng)傳感器的光敏特性 從圖 中還可以看出 ,IDS 在 600nm 時(shí)有一峰值 ,這說(shuō)明酞青藍(lán)層對(duì) 600nm 光的吸收性非常強(qiáng)。從 Kudo 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知 ,有機(jī)材料的光敏特性不僅與電壓 VG 有關(guān) ,還與有機(jī)材料本身有關(guān) ,所以利用有機(jī)材料完全有希望發(fā)展出一種新型的價(jià)格低廉且性能優(yōu)良的顏色傳感器。 本章小結(jié) 本章對(duì) 色彩識(shí)別與各種顏色傳感器技術(shù)進(jìn)行了深入的介紹， 主要包括色彩識(shí)別的一般算法（白平衡算法），以及色彩識(shí)別在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中的一些具體應(yīng)用，另外還介紹了幾種主要的傳 感器技術(shù)， 為后面的色彩識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做好了準(zhǔn)備 。 王明 ： 基于 TCS3200 顏色傳感器的色彩識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13 3 基于 TCS3200 的 硬件 設(shè)計(jì) 本論文主要是研究和設(shè)計(jì)色彩識(shí)別系統(tǒng)。本系統(tǒng)是以 AT89S52 單片機(jī)為核心，以TCS3200 顏色傳感器和 LCD1602 為子系統(tǒng)建立起來(lái)的。 AT89S52 單片機(jī)簡(jiǎn)介 本系 統(tǒng) 采用 ATMEL 公司生 產(chǎn) 的 AT89S52 單 片機(jī)作 為 微 處 理器。 AT89S52 與 MCS51系列 單 片機(jī)完全兼容，它采用靜 態(tài)時(shí)鐘 方式，可以大大 節(jié) 省耗 電 量 。 AT89S52 是一個(gè)低 電壓 ，高性能 CMOS 8 位 單 片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只 讀 程序存 儲(chǔ) 器和256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存 儲(chǔ) 器 (RAM)，功能 強(qiáng) 大的 AT89S52 單 片機(jī)已 經(jīng)應(yīng) 用于 較 復(fù) 雜的系 統(tǒng) 控制 場(chǎng) 合。 AT89S52 有 40 個(gè)引腳， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含 2 個(gè)外中斷口， 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2 個(gè)全雙工串行通信口， 2 個(gè)讀寫口線，AT89S52 可按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，亦可在線編程。其將通用之微處理器及 Flash 存儲(chǔ)器結(jié)合，特別是可反復(fù)擦寫的 FLASH 存儲(chǔ)器可有效降低開發(fā)成本。 AT89C52 及 AT89S52 之別，在于 C 及 S， C 表示需用并行編程器下載 （接線多且復(fù)雜）， S 表示可支持 ISP 下載，可在 89S52 系統(tǒng)板上面預(yù)留 ISP 下載接口 ,AT89S52 引腳如 圖 所示 ,實(shí)物圖如圖 。 圖 S52單片機(jī)管腳圖 圖 S52單片機(jī)實(shí)物圖 AT89S52 的主要性能和參數(shù) （ 1）與 MCS51 單片機(jī)完全兼容的指令和引腳排列以及工作特性。 （ 2）片內(nèi)程序存儲(chǔ)器內(nèi)含 8K 可重復(fù)擦寫的 Flash 程序存儲(chǔ)器。 （ 3）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)含 256 字節(jié)的 RAM。 王明 ： 基于 TCS3200 顏色傳感器的色彩識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 （ 4） 3 個(gè)可編程的 16 位計(jì)數(shù)器 (定時(shí)器 )和 32 個(gè)可編程 I/O 口線。 （ 5）串行口是具有一個(gè)全雙工的可編程的串行通信口。 （ 6）中斷系統(tǒng)是具有 8 個(gè)中斷源、 6 個(gè)中斷矢量、 2 個(gè)優(yōu)先權(quán)的中斷機(jī)構(gòu)。 （ 7）低功耗模式有空閑模式和掉電模式。 （ 8）編程頻率是 324MH,編程啟動(dòng)電流是 1mA。 （ 9） AT89S52 的工作電壓為 5V。 AT89S52 的主要功能 圖 52單片機(jī)管腳功能圖 P0 口 —— 8 位漏極開路之雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P0 端口寫“ 1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí) ， P0 口亦被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0 不具有內(nèi)部上拉電阻。在 FLASH 編程時(shí)，P0 口亦用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需外部上拉電阻。 P1 口 —— 有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P1 端口寫“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可作輸入口用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL