【導(dǎo)讀】人眼起主導(dǎo)作用的顏色識(shí)別工作將越來越多地被相應(yīng)的顏色傳感器所替代。溶液顏色變化過程的檢測(cè)與控制等等。本文主要介紹如何通過使用TCS3200顏。色傳感器來實(shí)現(xiàn)色彩識(shí)別的功能。最后在此理論基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，通過硬件實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。利用單片機(jī)快速強(qiáng)大的處理功能，能夠快速、準(zhǔn)確的做出顏色的。這在以顏色為標(biāo)志的過程監(jiān)控和產(chǎn)品分檢中有著廣闊的用途。

　　

【正文】 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 來說，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，阻止其他原色的通過。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，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 的光傳感器來說，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)試前必須進(jìn)行白平衡調(diào)整，使得 TCS3200 對(duì)所檢測(cè)的 白色 中的三原色是相等的。進(jìn)行白平衡調(diào)整是為后續(xù)的顏色識(shí)別做準(zhǔn)備。在本裝置中，白平衡調(diào)整的具體步驟和方法如下：將空的試管放置在傳感器的上方，試管的上方放置一個(gè)白色的光源，使入射光能夠穿過試管照射到 TCS3200 上；根據(jù)前面所介紹的方法，依次選通紅色、綠色和藍(lán)色濾波器，分別測(cè)得紅色、綠色和藍(lán)色的值，然后就可計(jì)算出需要的 3 個(gè)調(diào)整參數(shù)。當(dāng) TCS3200 識(shí)別顏色時(shí)，就用這 3個(gè)參數(shù)對(duì)所測(cè)顏色的 R、 G和 B 進(jìn)行調(diào)整。這里有兩種方法來計(jì)算調(diào)整參數(shù) :（ a)依次選通三顏色的濾波器，然后對(duì) TCS3200 的輸出脈沖依次進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)到 255 時(shí)停止計(jì)數(shù)，分別計(jì)算每個(gè)通道所用的時(shí)間，這些時(shí)間對(duì)應(yīng)于實(shí)際測(cè)試時(shí) TCS3200 每種濾波器所采用的時(shí)間基準(zhǔn)，在這段時(shí)間內(nèi)所測(cè)得的脈沖數(shù)就是所對(duì)應(yīng)的 R、 G 和 B 的值。 (b)設(shè)置定時(shí)器為一固定時(shí)間（例如 10ms），然后選通三種顏色的濾波器，計(jì)算這段時(shí)間內(nèi) TCS3200 的輸出脈沖數(shù)，計(jì)算出一個(gè)比例因子，通過這個(gè)比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?255。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，室外同樣的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，顏色識(shí)別系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 23 把測(cè)得的脈沖數(shù)再乘以求得的比例因子，然后就可以得 到所對(duì)應(yīng)的 R、 G和 B的值。 LCD1602 簡(jiǎn)介 液晶顯示器簡(jiǎn)稱 LCD顯示器，它是利用液晶經(jīng)過處理后能改變光線的傳輸方向的特性顯示信息的。液晶顯示器具有體積小、重量輕、功耗極低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應(yīng)用。液晶顯示器按其功能可分為三類：筆段式液晶顯示器、字符點(diǎn)陣式液晶顯示器和圖形點(diǎn)陣式液晶顯示器。前兩種可顯示數(shù)字、字符和符號(hào)等，而圖形點(diǎn)陣式液晶顯示器還可以顯示漢字和任意圖形，達(dá)到圖文并茂的效果。 字符型液晶顯示器模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣式液晶顯示模 塊。它是由若干個(gè) 5*7或 5*11 等點(diǎn)陣符位組成的，每一個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。點(diǎn)陣字符位之間有一定點(diǎn)距的間隔，這樣就起到了字符間距和行距的作用。 要使用點(diǎn)陣型 LCD 顯示器，必須有相應(yīng)的 LCD 控制器、驅(qū)動(dòng)器來對(duì) LCD 顯示器進(jìn)行掃描、驅(qū)動(dòng)，以及一定空間的 ROM 和 RAM 來存儲(chǔ)寫入的命令和顯示字符的點(diǎn)陣?，F(xiàn)在往往將 LCD 控制器、驅(qū)動(dòng)器、 RAM、 ROM 和 LCD 顯示器連接在一起，稱為液晶顯示模塊 LCM。使用時(shí)只要向 LCM 送入相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)顯示所需的信息。 目前市場(chǎng)上常用的有 16字 *1行、 16 字 *2 行 、 20字 *2 行和 40字 *2行等的字符液晶顯示模塊。這些 LCM 雖然顯示字符數(shù)各不相同，但是都具有相同的輸入輸出界面。本文將介紹 16*2 字符型液晶顯示模塊 CA1602A 的應(yīng)用。 字符型液晶顯示模塊 CA1602A 的外觀與引腳 CA1602A 字符型液晶顯示模塊是 2 行 16 字的 5*7 點(diǎn)陣圖形字符的液晶顯示器，它的外觀形狀如圖 33。 圖 33 CA1602A的外觀 CA1602A 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 腳接口，各引腳情況如下： 第 1腳： Vss，電源地 第 2腳： Vcc， +5v 電源 陜 西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 24 第 3腳： Vo，液晶顯示偏壓信號(hào) 第 4 腳： RS，數(shù)據(jù) /命令選擇端，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時(shí)選擇指令寄存器。 第 5 腳： RW：讀 /寫選擇端，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。但 RS和 RW共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址；當(dāng) RS為低電平 RW 為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)；當(dāng) RS 為高電平 RW為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。 第 6腳： E，使能端，當(dāng) E 端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。 第 714 腳： D0D7，為 8位雙向數(shù)據(jù)線。 第 15 腳： A，背光源正極 第 16 腳： K，背光源負(fù)極 指令格式與指令功能 LCD 控制器 HD44780內(nèi)有多個(gè)寄存器，通過 RS 和 RW 引腳共同決定選擇哪一個(gè)寄存器，選擇情況見表 36。 表 36 HD44780內(nèi)部寄存器選擇表 RS RW 寄存器及操作 0 0 指令寄存器寫入 0 1 忙標(biāo)志和地址計(jì)數(shù)器讀出 1 0 數(shù)據(jù)寄存器寫入 1 1 數(shù)據(jù)寄存器讀出 總共有 11 條指令，它們的格式和功能如下表 37。 表 37 控制命令表 序號(hào) 指令 RS RW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清顯示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光標(biāo)返回 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 3 置輸入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D 0 4 顯示開 /關(guān)控制 0 0 0 0 0 0 1 D C S 5 光標(biāo)或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * B 6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * * 7 置字符發(fā)生存儲(chǔ)器地址 0 0 0 1 字符發(fā)生存儲(chǔ)器地址 * 8 置數(shù)據(jù)發(fā)生存儲(chǔ)器地址 0 0 1 顯示數(shù)據(jù)發(fā)生存儲(chǔ)器地址 9 讀忙標(biāo)志或地址 0 1 BF 計(jì)數(shù)器地址 顏色識(shí)別系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 25 10 寫數(shù)到 CGRAM或 DDRAM 1 0 要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容 11 從 CGRAM或 DDRAM讀數(shù) 1 1 讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容 液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時(shí)要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，圖 34 是 1602 的內(nèi)部顯示地址。 圖 34 1602的內(nèi)部顯示地址 1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生 存儲(chǔ)器（ CGROM）已經(jīng)存儲(chǔ)了 160 個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“ A”的代碼是 01000001B（ 41H），顯示時(shí)模塊把地址 41H 中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“ A”。 LCD 顯示器的初始化 LCD 使用之前須對(duì)它進(jìn)行初始化，初始化可以通過復(fù)位完成，也可以在復(fù)位后完成，初始化過程如下： （ 1）清屏。 （ 2）功能設(shè)置。 （ 3）開 /關(guān)顯示設(shè)置。 （ 4）輸入方式設(shè)置。 本章 小結(jié) 本章主要介紹了 TCS3200 顏色傳感器和 LCD1602 液晶顯示器的相應(yīng)原理，以及它們與單片機(jī)的連接方式及相應(yīng)的電路原理圖，其中對(duì) TCS3200 顏色傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各個(gè)管腳以及它們的功能作了詳細(xì)介紹，為后面整個(gè)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)提供了很好的幫助。 陜 西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 26 4 顏色識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 色彩識(shí)別系統(tǒng)是基于 AT89C52 單片機(jī)控制的基礎(chǔ)上，添加了 TCS3200 顏色傳感器采集模塊， TCS3200 驅(qū)動(dòng)模塊，四個(gè)白色 LED 補(bǔ)光模塊， LCD1602 液晶顯示模塊，在這些模塊的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的色彩識(shí)別系統(tǒng) ，色彩識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖 41系統(tǒng)框架所示。實(shí)物圖如 42所示。 T C S 3 2 0 0 驅(qū) 動(dòng) 模 塊T C S 3 2 0 0 顏 色 采 集四 個(gè) 白 色 L E D 補(bǔ) 光 燈Ａ Ｔ ８ ９ Ｃ5 2 單 片 機(jī)Ｌ Ｃ Ｄ １ ６ ０ ２顯 示 模 塊 圖 41 系統(tǒng)框架 圖 42 實(shí)物圖 顏色識(shí)別系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 27 AT89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng) 圖 43 單片機(jī)最小系統(tǒng) 要使單片機(jī)工作起來，最基本的電路的構(gòu)成為 電源電路 ：向單片機(jī)供電。單片機(jī)電源： AT89C52 單片機(jī)的工作電壓范圍： — ， 所以通常給單片機(jī)外接 5V 直流電源。連接方式為 VCC(40 腳）：接電源 +5V VSS(20 腳）：接電源地端 時(shí)鐘電路 ：?jiǎn)纹瑱C(jī)工作的時(shí)間基準(zhǔn)，決定單片機(jī)工作速度。時(shí)鐘電路就是振蕩電路，向單片機(jī)提供一個(gè)正弦波信號(hào)作為基準(zhǔn)，決定單片機(jī)的執(zhí)行速度。 AT89S52 單片機(jī)時(shí)鐘頻率范圍： 0 — 33MHz。時(shí)鐘電路連接方式如下 圖 44 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 ：確定單片機(jī)工作的起始狀態(tài)，完成單片機(jī)的啟動(dòng)過程。 手動(dòng) 按鍵復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端 RST上加入高電平。一般采用的辦法是在 RST 端和正電源 Vcc 之間接一個(gè)按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時(shí)，則 Vcc 的 +5V 電平就會(huì)直接加到 RST 端。手動(dòng)按鈕復(fù)陜 西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 28 位的電路如所示。由于人的動(dòng)作再快也會(huì)使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿足復(fù)位的時(shí)間要求。復(fù)位電路如圖 45. （ a) 按鍵復(fù)位 (b)上電復(fù)位電路 (c)復(fù)位電路 圖 45 復(fù)位電路 單片機(jī)接通電源時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，完成單片機(jī)啟動(dòng)，確定單片機(jī)起始工作狀態(tài)。手動(dòng)按鍵產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，完成單片機(jī)啟動(dòng)，確定單片機(jī)的初始狀態(tài)。通常在單片機(jī)工作出現(xiàn)混亂或 “ 死機(jī) ” 時(shí)，使用手動(dòng)復(fù)位可實(shí)現(xiàn)單片機(jī) “ 重啟 ” 。 TCS3200 驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì) 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。 本模塊主要包括 TCS3200 初始化、定時(shí)器初始化和顏色采集，具體程序如下： void TCS3200Inital(void) { DDRC= DDRC|0x0f。PORTC = PORTC|0x0f。 PORTC = PORTC|0x20。 DDRC= DDRC|0x20。 PORTC = PORTCamp。0xdf。TCS3200Mode(FrequencyMode,PhotoDiodeMode)。 } void TimerInital(void) { TCCR1A=0x00。 TCCR1B=0x06。 TCNT1H=0x00。 TCNT1L=0x00。 顏色識(shí)別系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 29 ICR1H=0x00。ICR1L=0x00。 OCR1AH=0x00。 OCR1AL=0x00。 OCR1BH=0x00。 OCR1BL=0x00。 ASSR= 0x00。 TCCR2 = 0x07。 TCNT2 = 0xb7。 OCR2= 0x00。 TIMSK=0x40。 } unsigned char TCS3200Mode(unsigned char FOutMode,unsigned char PhotoType) { if( FOutMode == F_POWERDOWN) { PORTC = PORTC amp。 0xfc。 } else if(FOutMode == F_100_2) { PORTD = PORTD amp。 0xfe。PORTD = PORTD | 0x02。} else if(FOutMode == F_100_20) { PORTD = PORTD amp。 0xfd。PORTD = PORTD | 0x01。} else if(FOutMode == F_100_100)