【導讀】人眼起主導作用的顏色識別工作將越來越多地被相應的顏色傳感器所替代。溶液顏色變化過程的檢測與控制等等。本文主要介紹如何通過使用TCS3200顏。色傳感器來實現(xiàn)色彩識別的功能。最后在此理論基礎上設計了系統(tǒng)的總體方案，通過硬件實現(xiàn)了系統(tǒng)功能。相關部分附有硬件電路圖、程序流程圖。利用單片機快速強大的處理功能，能夠快速、準確的做出顏色的。這在以顏色為標志的過程監(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）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(gòu)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，因此在測試前必須進行白平衡調(diào)整，使得 TCS3200 對所檢測的 白色 中的三原色是相等的。進行白平衡調(diào)整是為后續(xù)的顏色識別做準備。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、綠色和藍色濾波器，分別測得紅色、綠色和藍色的值，然后就可計算出需要的 3 個調(diào)整參數(shù)。當 TCS3200 識別顏色時，就用這 3個參數(shù)對所測顏色的 R、 G和 B 進行調(diào)整。這里有兩種方法來計算調(diào)整參數(shù) :（ a)依次選通三顏色的濾波器，然后對 TCS3200 的輸出脈沖依次進行計數(shù)。當計數(shù)到 255 時停止計數(shù)，分別計算每個通道所用的時間，這些時間對應于實際測試時 TCS3200 每種濾波器所采用的時間基準，在這段時間內(nèi)所測得的脈沖數(shù)就是所對應的 R、 G 和 B 的值。 (b)設置定時器為一固定時間（例如 10ms），然后選通三種顏色的濾波器，計算這段時間內(nèi) TCS3200 的輸出脈沖數(shù)，計算出一個比例因子，通過這個比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?255。在實際測試時，室外同樣的時間進行計數(shù)，顏色識別系統(tǒng)的軟件設計 23 把測得的脈沖數(shù)再乘以求得的比例因子，然后就可以得 到所對應的 R、 G和 B的值。 LCD1602 簡介 液晶顯示器簡稱 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，在單片機應用系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應用。液晶顯示器按其功能可分為三類：筆段式液晶顯示器、字符點陣式液晶顯示器和圖形點陣式液晶顯示器。前兩種可顯示數(shù)字、字符和符號等，而圖形點陣式液晶顯示器還可以顯示漢字和任意圖形，達到圖文并茂的效果。 字符型液晶顯示器模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣式液晶顯示模 塊。它是由若干個 5*7或 5*11 等點陣符位組成的，每一個點陣字符位都可以顯示一個字符。點陣字符位之間有一定點距的間隔，這樣就起到了字符間距和行距的作用。 要使用點陣型 LCD 顯示器，必須有相應的 LCD 控制器、驅(qū)動器來對 LCD 顯示器進行掃描、驅(qū)動，以及一定空間的 ROM 和 RAM 來存儲寫入的命令和顯示字符的點陣?，F(xiàn)在往往將 LCD 控制器、驅(qū)動器、 RAM、 ROM 和 LCD 顯示器連接在一起，稱為液晶顯示模塊 LCM。使用時只要向 LCM 送入相應的命令和數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)顯示所需的信息。 目前市場上常用的有 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 采用標準的 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 西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 24 第 3腳： Vo，液晶顯示偏壓信號 第 4 腳： RS，數(shù)據(jù) /命令選擇端，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時選擇指令寄存器。 第 5 腳： RW：讀 /寫選擇端，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。但 RS和 RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址；當 RS為低電平 RW 為高電平時可以讀忙信號；當 RS 為高電平 RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 第 6腳： E，使能端，當 E 端由高電平跳變成低電平時，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，背光源負極 指令格式與指令功能 LCD 控制器 HD44780內(nèi)有多個寄存器，通過 RS 和 RW 引腳共同決定選擇哪一個寄存器，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 忙標志和地址計數(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 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 /關控制 0 0 0 0 0 0 1 D C S 5 光標或字符移位 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)生存儲器地址 0 0 0 1 字符發(fā)生存儲器地址 * 8 置數(shù)據(jù)發(fā)生存儲器地址 0 0 1 顯示數(shù)據(jù)發(fā)生存儲器地址 9 讀忙標志或地址 0 1 BF 計數(shù)器地址 顏色識別系統(tǒng)的軟件設計 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慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時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 存儲器（ CGROM）已經(jīng)存儲了 160 個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“ A”的代碼是 01000001B（ 41H），顯示時模塊把地址 41H 中的點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 使用之前須對它進行初始化，初始化可以通過復位完成，也可以在復位后完成，初始化過程如下： （ 1）清屏。 （ 2）功能設置。 （ 3）開 /關顯示設置。 （ 4）輸入方式設置。 本章 小結(jié) 本章主要介紹了 TCS3200 顏色傳感器和 LCD1602 液晶顯示器的相應原理，以及它們與單片機的連接方式及相應的電路原理圖，其中對 TCS3200 顏色傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各個管腳以及它們的功能作了詳細介紹，為后面整個系統(tǒng)的具體設計提供了很好的幫助。 陜 西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 26 4 顏色識別系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 色彩識別系統(tǒng)是基于 AT89C52 單片機控制的基礎上，添加了 TCS3200 顏色傳感器采集模塊， TCS3200 驅(qū)動模塊，四個白色 LED 補光模塊， LCD1602 液晶顯示模塊，在這些模塊的基礎上實現(xiàn)的色彩識別系統(tǒng) ，色彩識別系統(tǒng)的設計如圖 41系統(tǒng)框架所示。實物圖如 42所示。 T C S 3 2 0 0 驅(qū) 動 模 塊T C S 3 2 0 0 顏 色 采 集四 個 白 色 L E D 補 光 燈Ａ Ｔ ８ ９ Ｃ5 2 單 片 機Ｌ Ｃ Ｄ １ ６ ０ ２顯 示 模 塊 圖 41 系統(tǒng)框架 圖 42 實物圖 顏色識別系統(tǒng)的軟件設計 27 AT89C52 單片機最小系統(tǒng) 圖 43 單片機最小系統(tǒng) 要使單片機工作起來，最基本的電路的構(gòu)成為 電源電路 ：向單片機供電。單片機電源： AT89C52 單片機的工作電壓范圍： — ， 所以通常給單片機外接 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 時鐘電路 ：單片機工作的時間基準，決定單片機工作速度。時鐘電路就是振蕩電路，向單片機提供一個正弦波信號作為基準，決定單片機的執(zhí)行速度。 AT89S52 單片機時鐘頻率范圍： 0 — 33MHz。時鐘電路連接方式如下 圖 44 時鐘電路 復位電路 ：確定單片機工作的起始狀態(tài)，完成單片機的啟動過程。 手動 按鍵復位需要人為在復位輸入端 RST上加入高電平。一般采用的辦法是在 RST 端和正電源 Vcc 之間接一個按鈕。當人為按下按鈕時，則 Vcc 的 +5V 電平就會直接加到 RST 端。手動按鈕復陜 西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 28 位的電路如所示。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿足復位的時間要求。復位電路如圖 45. （ a) 按鍵復位 (b)上電復位電路 (c)復位電路 圖 45 復位電路 單片機接通電源時產(chǎn)生復位信號，完成單片機啟動，確定單片機起始工作狀態(tài)。手動按鍵產(chǎn)生復位信號，完成單片機啟動，確定單片機的初始狀態(tài)。通常在單片機工作出現(xiàn)混亂或 “ 死機 ” 時，使用手動復位可實現(xiàn)單片機 “ 重啟 ” 。 TCS3200 驅(qū)動模塊的設計 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(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。 本模塊主要包括 TCS3200 初始化、定時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。 顏色識別系統(tǒng)的軟件設計 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)