【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 色模型 （ 2) 白平衡算法 顏色實(shí)際就是物體對(duì)光 的反射或投射而表現(xiàn)出來(lái)在人眼中的反映 , 而 TCS3200 就是通過(guò)分別檢測(cè)一種顏色反映出來(lái)的光的紅、綠、藍(lán)分量 , 把光強(qiáng)線性轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào) , 量化出 R、 G、 B值 , 從而計(jì)算出顏色。值得注意的是 , 不同的光線通過(guò)物體反映出來(lái)的光強(qiáng)是不同的 , 而且非標(biāo)準(zhǔn)白光 (RGB 三者不相等 )在物體上反映出來(lái)的光強(qiáng)分量也是不同的。 為解決這個(gè)問(wèn)題 ,就要進(jìn)行白平衡 , 即首先測(cè)量出基準(zhǔn)光源的 RGB 光強(qiáng)值 , 再測(cè)量出在標(biāo)準(zhǔn)光源下物體所反映出的光強(qiáng)值 ,兩者之比就是物體的反射 (或透射 )性質(zhì) , 即物體的實(shí)際顏色 , 如公式 (1), (2), (3)： R=P 物紅 /P源紅 (1) G=P 物綠 /P源綠 (2) B=P 物藍(lán) /P源藍(lán) (3) 由于在 RGB 坐標(biāo)下的顏色標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)為 0255 之間 ,所以把所得結(jié)果乘以 255,即得到標(biāo)準(zhǔn)的 RGB 值。 透明物體直接測(cè)量光源的光強(qiáng) 頻率值 ,不透明物體需要用白紙測(cè)量反射光源。 顏色傳感器技術(shù) 物體顏色信息十分廣泛 ,顏色的確定需要色調(diào)、明度和飽和度三大要素或三原色 (紅顏色識(shí)別系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 9 綠藍(lán) )的刺激值。影響顏色檢測(cè)準(zhǔn)確度的參數(shù)主要有 :照射光、物體反射、光源方位、觀測(cè)方位和傳感器性能等 ,任何一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化都會(huì)導(dǎo)致觀察到的顏色發(fā)生變化。 （ 1）光源的影響 照射光包含有太陽(yáng)光和外界雜散光 ,太陽(yáng)照射角度、云層厚度和其它天氣條件都會(huì)導(dǎo)致照射光發(fā)生變化 ,從而導(dǎo)致被測(cè)物體顏色發(fā)生變化。 為彌補(bǔ)光源變化帶來(lái)的測(cè)量誤差 ,Judd等人在 1964年提出了照射光修正模型 ,但盡管如此 ,照射光引起物體顏色檢測(cè)的誤差仍不容忽視。 （ 2) 光源方位和觀測(cè)方位的影響 光源方位 ,也就是被測(cè)物體指向光源的法線方向 ,它決定了有多少太陽(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22所示。 圖 22 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 ,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)成物體顏色的陜 西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 10 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 23所示。 圖 23 硅顏色傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖與特性曲線 圖 23(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)二顏色識(shí)別系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 11 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)的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 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 , 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 23(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 24 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 24 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) 陜 西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 12 I(λ )是加在液晶兩 端電壓 的函數(shù) ,即 I (λ ) = I0(λ )sin2 (2ψ ) sin2 (π R/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 25 所示。 圖 25 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)傳感器顏色識(shí)別系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 13 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 26 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 ,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 27所示。 圖 26 有機(jī)靜電感應(yīng)傳感器結(jié)構(gòu) 陜 西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 14 圖 27 有機(jī)靜電感應(yīng)傳感器的光敏特性 從圖 ,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，主要包括顏色識(shí)別的一般算法（白平衡算法），以及顏色識(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)，為后面的顏色識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做好了準(zhǔn)備。 顏色識(shí)別系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 15 3 硬件設(shè)計(jì) 本論文主要是研究和設(shè)計(jì)顏色識(shí)別系統(tǒng)。本系統(tǒng)是以 AT89C52 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 。 AT89C52 單片機(jī)簡(jiǎn)介 在眾多的單片機(jī)系列中， AT89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有8K 在系列可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，也適用于常規(guī)編程。在單芯片上，擁有靈巧的 8位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超高效的解決方案。 AT89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8K 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線， 3 個(gè)16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè)響亮 2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外， AT89C52 可降至 0HZ 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。AT89C52 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且廉價(jià)的方案。故此選用AT89C52 單片機(jī)，引腳如圖 31。 圖 31 AT89C52單片機(jī)引腳圖 AT89C52 的主要 性能和參數(shù) （ 1） 8K 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲(chǔ)器 （ 2） 1000 次可擦寫周期 陜 西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 16 （ 3）全靜態(tài)操作： 0Hz24MHz （ 4）三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器