【文章內容簡介】 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,因而被廣泛地應用在通信領域中。除此之外,光纖本身還是一個敏感元件,即光在光纖中傳輸時,光的特性如振幅、波長(顏色)、相位、偏振態(tài)等將隨檢測對象變化而相應變化。光從光纖射出時,光的特性得到調制,通過對調制光的檢測,便能感知外界的信息。為充分發(fā)揮光纖的這一特性,自70年代中期以來出現(xiàn)了許多特殊的光纖傳感器,如光纖強度、相位、(波長)顏色傳感器等。 所示?！」饫w顏色傳感器的實驗裝置光源發(fā)出的光由透鏡耦合到光纖束,在光纖束的出射端經(jīng)分光板反射到達被測物,RGB 標準濾色片同裝在一個旋轉盤上,當旋轉盤轉動時,物體反射的不同波長的光相繼經(jīng)過濾色片到達光探測器,從光敏管電流強弱,即可反映被測圖樣顏色。與傳統(tǒng)傳感器相比它具有以下優(yōu)點:(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) 結構小而緊湊, 便于安裝, 可實現(xiàn)在線檢測,傳感頭高度密封,適于惡劣條件,具有可靠的抗干擾措施。(3) 響應速度快,便于與計算機接口自動地判斷或記數(shù)。有機靜電感應顏色傳感器：近年來,已有越來越多的研究者提出采用有機材料制成光電傳感器,這種傳感器成本低,應用范圍廣,但目前還只處于實驗室研究階段。1986年Tang曾報道了利用有機材料制成光電轉換效率很高的太陽能電池,由此可見有機材料具有良好的光敏性能,所以有機材料顏色傳感器被認為是很有發(fā)展前景的一種傳感器。Kudo利用兩種染料制成了一種P型有機靜電感應傳感器(static induction t ransistor ,SIT) ,并研究了其光電特性。 Kudo制成的有機靜電感應顏色傳感器的結構圖。有機靜電感應顏色傳感器有兩個有機半導體層,分別是酞青藍和部化青兩種染料,酞青藍和部化青膜的厚度分別為80nm和140nm,它們通過真空沉降方法覆蓋在涂有錫銦氧化物的玻璃片上,酞青藍和部化青膜之間具有P型半導體特性。有機染料膜上面覆蓋一層金屬金(Au)并與錫銦氧化層形成測量電極,酞青藍和部化青膜之間有一非常薄的鋁電極。當加載在鋁電極上的電壓增加時,測量電極之間的電流增加,反之,測量電極間的電流減少。Kudo對有機靜電感應顏色傳感器進行了光敏實驗,光從部化青膜側照射,電極間的測量電流IDS則隨著加載在鋁電極上的電壓(VG)變化而變化的,。 有機靜電感應傳感器結構 有機靜電感應傳感器的光敏特性,IDS 在600nm時有一峰值,這說明酞青藍層對600nm光的吸收性非常強。從 Kudo的實驗結果可知,有機材料的光敏特性不僅與電壓VG有關,還與有機材料本身有關,所以利用有機材料完全有希望發(fā)展出一種新型的價格低廉且性能優(yōu)良的顏色傳感器。 本章小結 本章對色彩識別與各種顏色傳感器技術進行了深入的介紹，主要包括色彩識別的一般算法（白平衡算法），以及色彩識別在現(xiàn)實社會中的一些具體應用，另外還介紹了幾種主要的傳感器技術，為后面的色彩識別系統(tǒng)的設計做好了準備。493 基于TCS3200的硬件設計 本論文主要是研究和設計色彩識別系統(tǒng)。本系統(tǒng)是以AT89S52單片機為核心，以TCS3200顏色傳感器和LCD1602為子系統(tǒng)建立起來的。 AT89S52單片機簡介本系統(tǒng)采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52單片機作為微處理器。AT89S52與MCS51系列單片機完全兼容，它采用靜態(tài)時鐘方式，可以大大節(jié)省耗電量。AT89S52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，功能強大的AT89S52單片機已經(jīng)應用于較復雜的系統(tǒng)控制場合。AT89S52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89S52可按照常規(guī)方法進行編程，亦可在線編程。其將通用之微處理器及Flash存儲器結合，特別是可反復擦寫的FLASH存儲器可有效降低開發(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（接線多且復雜），S表示可支持ISP下載，可在89S52系統(tǒng)板上面預留ISP下載接口,。 S52單片機管腳圖 S52單片機實物圖 AT89S52的主要性能和參數(shù)（1）與MCS51單片機完全兼容的指令和引腳排列以及工作特性。（2）片內程序存儲器內含8K可重復擦寫的Flash程序存儲器。（3）片內數(shù)據(jù)存儲器內含256字節(jié)的RAM。（4）3個可編程的16位計數(shù)器(定時器)和32個可編程I/O口線。（5）串行口是具有一個全雙工的可編程的串行通信口。（6）中斷系統(tǒng)是具有8個中斷源、6個中斷矢量、2個優(yōu)先權的中斷機構。（7）低功耗模式有空閑模式和掉電模式。（8）編程頻率是324MH,編程啟動電流是1mA。（9）AT89S52的工作電壓為5V。 AT89S52的主要功能 52單片機管腳功能圖P0口——8位漏極開路之雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口亦被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0不具有內部上拉電阻。在FLASH編程時，P0口亦用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需外部上拉電阻。P1口——有內部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P1 輸出緩沖器能驅動4 個 TTL 邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可作輸入口用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。對P1 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可作輸入口用。作輸入用時，被外部拉低的引腳因內部電阻，將輸出電流（IIL）。此外，（）及時器/計數(shù)器2之觸發(fā)輸入（）。在flash編程及校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。 P1口的第二功能引腳號第二功能T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）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——有內部上拉電阻的8 位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅動4個TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可作輸入口。作輸入用時，被外部拉低的引腳因內部電阻，將輸出電流（IIL）。 在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR） 時，P2口送出高八位地址。在這種應用中，P2口用很強的內部上拉發(fā)送1。在用8位地址（如MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器之內容。在FLASH編程及校驗時，P2口亦接收高8位地址字節(jié)及一些控制信號。 P3口——有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，p3輸出緩沖器能驅動4個TTL 邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可用作輸入口。作輸入用時，被外部拉低的引腳因內部電阻之原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）用。在FLASH編程及校驗時，P3口亦接收些控制信號。此外，P3口亦接收些用于FLASH閃存編程及程序校驗的控制信號。 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/計數(shù)器0)TXD(串行輸出口)T1(定時/計數(shù)器1)INTO(外中斷0)WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)INT1(外中斷1)RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)RST——復位輸入。振蕩器工作時，RST引腳有兩個機器周期以上高電平將是單片機復位。 ALE/PROG——訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，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仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定之脈沖信號，故它可對外輸出時鐘或用于定時目的。需注意：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳亦用于輸入編程脈沖（PROG）。若必要，可通過對特殊功能寄存器（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，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE禁止位無效。PSEN——程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器之讀選通信號，AT89S52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。 EA/VPP——外部訪問允許，要CPU僅訪問外部程序存儲器（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，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。若EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內部程序存儲器之指令。 FLASH存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當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部時鐘發(fā)生電路之輸入端。XTAL2——振蕩器反相放大器之輸出端。 TCS3200顏色識別原理簡介 TCS3200芯片的結構框圖與特點TCS3200是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉換器，是TCS32000的升級版，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換器集成在一個單一的CMOS電路上，同時在單一芯片上集成了紅綠藍（RGB）三種濾光器，是業(yè)界第一個有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器，TCS3200的輸出信號是數(shù)字量，可以驅動標準的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，并且能夠實現(xiàn)每個彩色信道10位以上的轉換精度，因而不再需要A/D轉換電路，使電路變得更簡單。 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個光電二極管，這些二極管分為四種類型，其16個光電二極管帶有紅色濾波器；16個光電二極管帶有綠色濾波器；16個光電二極管帶有藍色濾波器，其余16個不帶有任何濾波器，可以透過全部的光信息，這些光電二極管在芯片內是交叉排列的，能夠最大限度地減少入射光輻射的不均勻性，從而增加顏色識別的精確度；另一方面，相同顏色的16個光電二極管是并聯(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，通過兩個可編程的引腳來動態(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，用戶還可以通過兩個可編程引腳來選擇100％、20％或2％的輸出比例因子，或電源關斷模式。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠適應不同的測量范圍，提高了它的適應能力。例如，當使用低速的頻率計數(shù)器時，就可以選擇小的定標值，使TCS3200的輸出頻率和計數(shù)器相匹配。：當入射光投射到TCS3200上時，通過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)過電流到頻率轉換器后輸出不同頻率的方波（占空比是50％），不同的顏色和光強對應不同頻率的方波；還可以通過輸出定標控制引腳S0、S1，選擇不同的輸出比例因子，對輸出頻率范圍進行調整，以適應不同的需求。 下面簡要介紹TCS3200芯片各個引腳的功能及它的一些組合選項。S0、S1用于選擇輸出比例因子或電源關斷模式；SS3用于選擇濾波器的類型；OE反是頻率輸出使能引腳，可以控制輸出的狀態(tài)，當有多個芯片引腳共用微處理器的輸出引腳時，也可以作為片選信號，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S0S1輸出頻率定標S2S3濾波器類型LL關斷電源LL紅色LH2%LH藍色HL20%HL無HH100%HH綠色 TCS3200識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換器適合于色度計測量應用領域，如彩色打印、醫(yī)療診斷、計算機彩色監(jiān)視器校準以及油漆、紡織品、化妝品和印刷材料的過程控制和色彩配合。下面以TCS3200在液體顏色識別中的應用為例，介紹它的具體使用。首先了解一些光與顏色的知識。(1)三原色的感應原理 通常所看到的物體顏色，實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。白色是由各種頻率的可見光混合在一起構成的，也就是說白光中包含著各種顏色的色光（如紅R、黃Y、綠G、青V、藍B、紫P）。根據(jù)德國物理學家赫姆霍茲（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）混合而成的。（2）TCS3200識別顏色的原理 由三原色感應原理可知，如果知道構成各種顏色的三原色的值，就能夠知道所測試物體的顏色。對于TCS3200來說，當選定一個顏色濾波器時，它只允許某種特定的原色通過，阻止其他原色的通過。例如：當選擇紅色濾波器時，入射光中只有紅色可以通過，藍色和綠色都被阻止，這樣就可以得到紅色光的光強；同時，選擇其他的濾波器，就可以得到藍色光和綠色光的光強。通過這三個值，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、綠色和藍色混合而成的；但實際上，白色中的三原色并不完全相等，并且對于TCS3200的光傳感器來說，它對這三種基本色的敏感性是不相同的，導致TCS3200的RGB輸出并不相等，因此在測試前必須