【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。 所示?！」饫w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(pán)上,當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),物體反射的不同波長(zhǎng)的光相繼經(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(wèn)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(jiàn)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。 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,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,。 有機(jī)靜電感應(yīng)傳感器結(jié)構(gòu) 有機(jī)靜電感應(yīng)傳感器的光敏特性,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。493 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(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256bytes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(xiě)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(xiě)的FLASH存儲(chǔ)器可有效降低開(kāi)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,。 S52單片機(jī)管腳圖 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(xiě)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。（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 52單片機(jī)管腳功能圖P0口——8位漏極開(kāi)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(xiě)“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。訪問(wèn)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(xiě)“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）。對(duì)P1 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可作輸入口用。作輸入用時(shí)，被外部拉低的引腳因內(nèi)部電阻，將輸出電流（IIL）。此外，（）及時(shí)器/計(jì)數(shù)器2之觸發(fā)輸入（）。在flash編程及校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。 P1口的第二功能引腳號(hào)第二功能T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）MOSI（在系統(tǒng)編程用）MISO（在系統(tǒng)編程用）SCK（在系統(tǒng)編程用）P2口——有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì)P2 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可作輸入口。作輸入用時(shí)，被外部拉低的引腳因內(nèi)部電阻，將輸出電流（IIL）。 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR） 時(shí)，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在用8位地址（如MOVX @RI）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器之內(nèi)容。在FLASH編程及校驗(yàn)時(shí)，P2口亦接收高8位地址字節(jié)及一些控制信號(hào)。 P3口——有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，p3輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì)P3端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可用作輸入口。作輸入用時(shí)，被外部拉低的引腳因內(nèi)部電阻之原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）用。在FLASH編程及校驗(yàn)時(shí)，P3口亦接收些控制信號(hào)。此外，P3口亦接收些用于FLASH閃存編程及程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 P3口的第二功能引腳 第二功能引腳第二功能RXD(串行輸入口)TO(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0)TXD(串行輸出口)T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1)INTO(外中斷0)WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通)INT1(外中斷1)RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)RST——復(fù)位輸入。振蕩器工作時(shí)，RST引腳有兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG——訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定之脈沖信號(hào)，故它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。需注意：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。對(duì)FLASH存儲(chǔ)器編程期間，該引腳亦用于輸入編程脈沖（PROG）。若必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX及MOVC指令方能將ALE激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無(wú)效。PSEN——程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器之讀選通信號(hào)，AT89S52由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次PSEN信號(hào)。 EA/VPP——外部訪問(wèn)允許，要CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFFH），EA端須保持低電平（接地）。需注意：若加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。若EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器之指令。 FLASH存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。XTAL1——振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路之輸入端。XTAL2——振蕩器反相放大器之輸出端。 TCS3200顏色識(shí)別原理簡(jiǎn)介 TCS3200芯片的結(jié)構(gòu)框圖與特點(diǎn)TCS3200是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器，是TCS32000的升級(jí)版，二者功能基本一致，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，TCS3200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。 TCS3200的引腳和功能圖TCS3200采用8引腳的SOIC表面貼裝式封裝，在單一芯片上集成有64個(gè)光電二極管，這些二極管分為四種類(lèi)型，其16個(gè)光電二極管帶有紅色濾波器；16個(gè)光電二極管帶有綠色濾波器；16個(gè)光電二極管帶有藍(lán)色濾波器，其余16個(gè)不帶有任何濾波器，可以透過(guò)全部的光信息，這些光電二極管在芯片內(nèi)是交叉排列的，能夠最大限度地減少入射光輻射的不均勻性，從而增加顏色識(shí)別的精確度；另一方面，相同顏色的16個(gè)光電二極管是并聯(lián)連接的，均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差。工作時(shí)，通過(guò)兩個(gè)可編程的引腳來(lái)動(dòng)態(tài)選擇所需要的濾波器，該傳感器的典型輸出頻率范圍從2Hz－500kHz，用戶還可以通過(guò)兩個(gè)可編程引腳來(lái)選擇100％、20％或2％的輸出比例因子，或電源關(guān)斷模式。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠適應(yīng)不同的測(cè)量范圍，提高了它的適應(yīng)能力。例如，當(dāng)使用低速的頻率計(jì)數(shù)器時(shí)，就可以選擇小的定標(biāo)值，使TCS3200的輸出頻率和計(jì)數(shù)器相匹配。：當(dāng)入射光投射到TCS3200上時(shí)，通過(guò)光電二極管控制引腳SS3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TCS3200芯片各個(gè)引腳的功能及它的一些組合選項(xiàng)。S0、S1用于選擇輸出比例因子或電源關(guān)斷模式；SS3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，、S1及SS3的可用組合。 S0、S1及SS3的組合選項(xiàng)S0S1輸出頻率定標(biāo)S2S3濾波器類(lèi)型LL關(guān)斷電源LL紅色LH2%LH藍(lán)色HL20%HL無(wú)HH100%HH綠色 TCS3200識(shí)別顏色的原理由上面的介紹可知，這種可編程的彩色光到頻率轉(zhuǎn)換器適合于色度計(jì)測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域，如彩色打印、醫(yī)療診斷、計(jì)算機(jī)彩色監(jiān)視器校準(zhǔn)以及油漆、紡織品、化妝品和印刷材料的過(guò)程控制和色彩配合。下面以TCS3200在液體顏色識(shí)別中的應(yīng)用為例，介紹它的具體使用。首先了解一些光與顏色的知識(shí)。(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）TCS3200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TCS3200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)；同時(shí)，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TCS3200傳感器上的光的顏色。（3）白平衡和顏色識(shí)別原理 白平衡就是告訴系統(tǒng)什么是白色。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TCS3200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TCS3200的RGB輸出并不相等，因此在測(cè)試前必須