色彩识别系统综合课设Word下载.docx
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（7）低功耗模式有空闲模式和掉电模式。
（8）编程频率是3-24MH,编程启动电流是1mA。
（9）AT89S52的工作电压为5V。
3.1.2AT89S52的主要功能
P0口——8位漏极开路之双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
访问外部程序和数据存储器时，P0口亦被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。
在FLASH编程时，P0口亦用来接收指令字节；
在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需外部上拉电阻。
P1口——有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可作输入口用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
作输入用时，被外部拉低的引脚因内部电阻，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0及P1.2分别作定时器/计数器2之外部计数输入（P1.0/T2）及时器/计数器2之触发输入（P1.1/T2EX），详见表3.1所示。
在flash编程及校验时，P1口接收低8位地址字节。
表3.1P1口的第二功能
引脚号
第二功能
P1.0
T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5
MOSI（在系统编程用）
P1.6
MISO（在系统编程用）
P1.7
SCK（在系统编程用）
P2口——有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可作输入口。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口用很强的内部上拉发送1。
在用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器之内容。
在FLASH编程及校验时，P2口亦接收高8位地址字节及一些控制信号。
P3口——有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可用作输入口。
作输入用时，被外部拉低的引脚因内部电阻之原因，将输出电流（IIL）。
P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）用，如表3.2所示。
在FLASH编程及校验时，P3口亦接收些控制信号。
此外，P3口亦接收些用于FLASH闪存编程及程序校验的控制信号。
表3.2P3口的第二功能
引脚
引脚
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.4
TO（定时/计数器0）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.5
T1（定时/计数器1）
P3.2
INTO（外中断0）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.3
INT1（外中断1）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
RST——复位输入。
振荡器工作时，RST引脚有两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG——访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定之脉冲信号，故它可对外输出时钟或用于定时目的。
需注意：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间，该引脚亦用于输入编程脉冲（PROG）。
若必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX及MOVC指令方能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器之读选通信号，AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP——外部访问允许，要CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端须保持低电平（接地）。
若加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
若EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器之指令。
FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
XTAL1——振荡器反相放大器及内部时钟发生电路之输入端。
XTAL2——振荡器反相放大器之输出端。
3.2传感器TCS3200
3.2.1TCS3200芯片的结构框图与特点：
TCS3200是TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器。
它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上集成了红绿蓝（RGB）三种滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器。
TCS3200的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接。
由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得更简单。
图1是TCS230的引脚和功能框图。
图3.1中，TCS3200采用8引脚的SOIC表面贴装式封装，在单一芯片上集成有64个光电二极管。
这些二极管共分为四种类型。
其中16个光电二极管带有红色滤波器；
16个光电二极管带有绿色滤波器；
16个光电二极管带有蓝色滤波器；
其余16个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信息。
这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能够最大限度地减少入射光辐射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度；
另一方面，相同颜色的16个光电二极管是并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的位置误差。
工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器。
该传感器的典型输出频率范围从2Hz~500kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100%、20%或2%的输出比例因子，或电源关断模式。
输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。
例如，当使用低速的频率计数器时，就可以选择小的定标值，使TCS3200的输出频率和计数器相匹配。
从图3.1可知：
当入射光投射到TCS3200上时，通过光电二极管控制引脚S2、S3的不同组合，可以选择不同的滤波器；
经过电流到频率转换器后输出不同频率的方波（占空比是50%），不同的颜色和光强对应不同频率的方波；
还可以通过输出定标控制引脚S0、S1，选择不同的输出比例因子，对输出频率范围进行调整，以适应不同的需求。
图3.1
TCS3200的引脚和功能框图
下面简要介绍TCS3200芯片各个引脚的功能及它的一些组合选项。
S0、S1用于选择输出比例因子或电源关断模式；
S2、S3用于选择滤波器的类型；
OE是频率输出使能引脚，可以控制输出的状态，当有多个芯片引脚共用微处理器的输入引脚时，也可以作为片选信号；
OUT是频率输出引脚，GND是芯片的接地引脚，VCC为芯片提供工作电压。
表3-1是S0、S1及S2、S3的可用组合。
表3-1
S0、S1及S2、S3的组合选项
S0
S1
输出频率定标
S2
S3
滤波器类型
L
关断电源
红色
H
2%
蓝色
20%
无
100%
绿色
TCS3200内部原理图
3.2.2TCS3200识别原理
1）.色彩空间
通常所看到的物体的颜色,实际上是物体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应。
任何一种颜色都可以用三种基本颜色按照不同的比例混合得到。
这里介绍一种最典型的颜色模型,即RGB模型。
如图3.2.1所示,在这个颜色模型中,3个轴分别为R、G、B。
原点对应的为黑色（0,0,0）,离原点最远的顶点对应白色（255,255,255）。
由黑到白的灰度分布在从原点到最远顶点间的连线上,正方体的其他六个角点分别为红、黄、绿、青、蓝、和品红。
需要注意的一点是,RGB颜色模型所覆盖的颜色域取决于显示设备因光电的颜色特性。
每一种颜色都有唯一的RGB值与它对应。
图3.2.1RGB颜色模型
2）.TCS230识别颜色的原理
由三原色感应原理可知，如果知道构成各种颜色的三原色的值，就能够知道所测试物体的颜色。
对于TCS230来说，当选定一个颜色滤波器时，它只允许某种特定的原色通过，阻止其他原色的通过。
例如：
当选择红色滤波器时，入射光中只有红色可以通过，蓝色和绿色都被阻止，这样就可以得到红色光的光强；
同理，选择其他的滤波器，就可以得到蓝色光和绿色光的光强。
通过这三个值，就可以分析投射到TCS230传感器上的光的颜色。
3）.白平衡算法
颜色实际就是物体对光的反射或投射而表现出来在人眼中的反映,而TCS3200就是通过分别检测一种颜色反映出来的光的红、绿、蓝分量,通过把光强线性转换为频率信号,量化出R、G、B值,从而计算出颜色。
值得注意的是,不同的光线通过物体反映出来的光强是不同的,而且非标准白光（RGB三者不相等）在物体上反映出来的光强分量也是不同的。
为解决这个问题,就要进行白平衡,即首先测量出基准光源的RGB光强值,再测量出在标准光源下物体所反映出的光强值,两者之比就是物体的反射（或透射）性质,即物体的实际颜色,如公式
（1）,
（2）,（3）。
R=P物红/P源红
（1）
G=P物绿/P源绿
（2）
B=P物蓝/P源蓝（3）
由于在RGB坐标下的颜色标准坐标为0-255之间,所以把所得结果乘以255,即得到标准的RGB值。
透明物体直接测量光源的光强-频率值,不透明物体需要用白纸测量反射光源。
在实际运用中，对于TCS230的光传感器来说，这里有两种方法来计算调整参数：
①依次选通三种颜色的滤波器，然后对TCS230的输出脉冲依次进行计数。
当计数到255时停止计数，分别计算每个通道所用的时间。
这些时间对应于实际测试时TCS230每种滤波器所采用的时间基准，在这段时间内所测得的脉冲数就是所对应的R、G和B的值。
②设置定时器为一固定时间（例如10ms），然后选通三种颜色的滤波器，计算这段时间内TCS230的输出脉冲数，计算出一个比例因子，通过这个比例因子可以把这些脉冲数变为255。
在实际测试时，使用同样的时间进行计数，把测得的脉冲数再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所对应的R、G和B的值。
3.3传感器与单片机连接
TCS3200是TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器，该传感器具有分辨率高、可变成的颜色选择与输出定标、单电源供电等特点；
输出为数字量，可直接与微处理器连接。
图3.3.1中用89C51的P1口的几个引脚来控制TCS230的各个引脚，而TCS230的输出引脚连接到89C51的定时器/计数器1的输入端（P35）。
设置89C51定时器/计数器为相应的工作方式，初始化89C51定时器为一个定值，再选择TCS3200的输出比例因子，并使能输出引脚。
实际使用中，通过读取89C51计数器的值，就可以分别计算出TCS3200的3种输出频率，进而确定R、G、B值及颜色。
相应的软件流程如图3.3.2所示。
图3.3.1
TCS230颜色识别接口电路
在程序流程中：
系统初始化负责设置89C51的定时器/计数器的工作方式，选择TCS230的输出比例因子，使能输出引脚以及通信参数的设置。
初始化完成后，检测是否需要进行白平衡调整。
如有，调整白平衡子程序；
否则，转到下一步，检测是否需要进行颜色识别。
如不需要颜色识别，返回；
如需要颜色识别，调用颜色识别子程序，直到颜色识别完毕。
图3.3.2
软件流程
3.4LCD1602模块
3.4.1液晶显示器简介
液晶显示器简称LCD显示器，它是利用液晶经过处理后能改变光线的传输方向的特性显示信息的。
液晶显示器具有体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富等特点，在单片机应用系统中得到了日益广泛的应用。
目前市场上常用的有16字*1行、16字*2行、20字*2行和40字*2行等的字符液晶显示模块。
这些LCM虽然显示字符数各不相同，但是都具有相同的输入输出界面。
此次课设使用的是16*2字符型液晶显示模块CA1602A。
CA1602A采用标准的16脚接口，各引脚情况如下：
第1脚：
Vss，电源地
第2脚：
Vcc，+5v电源
第3脚：
Vo，液晶显示偏压信号
第4脚：
RS，数据/命令选择端，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
RW：
读/写选择端，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
但RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址；
当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号；
当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E，使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7-14脚：
D0-D7，为8位双向数据线。
第15脚：
A，背光源正极
第16脚：
K，背光源负极
3.4.2指令格式与指令功能
总共有11条指令，它们的格式和功能如下表3.4：
序号
指令
RS
RW
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
2
光标返回
3
置输入模式
I/D
4
显示开/关控制
D
C
S
5
光标或字符移位
S/C
R/L
*
B
6
置功能
DL
N
F
7
置字符发生存储器地址
字符发生存储器地址
8
置数据发生存储器地址
显示数据发生存储器地址
9
读忙标志或地址
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
读出的数据内容
表3.4控制命令表
3.4.3LCD显示器的初始化
LCD使用之前须对它进行初始化，初始化可以通过复位完成，也可以在复位后完成，初始化过程如下：
1）.清屏。
2）.功能设置。
3）.开/关显示设置。
4）.输入方式设置。
3.4.4硬件电路连接
在本设计中，1602显示器与单片机的连接如下：
Vss管脚接地，Vdd管脚接+5V电源，Vo管脚通过一3.3k电阻接地，RS管脚接P2.0管脚，RW管脚接P2.1管脚，E管脚接P2.3管脚，D0-D7管脚依次接P0.0-P0.7管脚，A管脚接+5V电源，K管脚接地。
P0口是一个三态双向口，可作为地址/数据分时复用接口，也可作为通用的I/O接口。
它由一个输出锁存器、两个三态缓冲器、输出驱动电路和输出控制电路组成。
P0口作为I/O口输出的时候时输出低电平为0输出高电平为高组态（并非5V，相当于悬空状态）。
也就是说P0口不能真正的输出高电平，给所接的负载提供电流，因此必须接上拉电阻（一电阻连接到VCC），由电源通过这个上拉电阻给负载提供电流。
P2口也是准双向口，它有两种用途：
通用I/O接口和高8位地址线。
与P1口相比，它只在输出驱动电路上比P1口多了一个模拟转换开关MUX和反相器。
LCD1602与52单片机的具体连接方式如图3.4.4所示：
图3.4.4LCD1602与单片机的具体连接图
3.4.5LCD1602液晶显示模块软件设计
本设计的LCD1602液晶显示模块主要是利用比较经典的LCD显示方法来进行设计的，即字符串的方式进行输出显示。
流程图如图3.4.5所示。
图3.4.5LCD1602显示模块流程图
3.5系统结构图
色彩识别系统是基于MCS-51系列单片机控制的基础上，添加了TCS230颜色传感器采集模块，TCS230驱动模块，四个白色LED补光模块，LCD1602液晶显示模块，在这些模块的基础上实现的色彩识别系统，色彩识别系统的设计如图3.5.1系统框架所示。
电路图如3.5.2所示。
图3.5.1系统框架
图3.5.2系统电路图
4颜色识别系统测试
4.1色彩识别的测试过程
事物是随时间变化而运动变化的，由于本系统对软硬件关联性要求很高，其整个实验过程中间变化过程很复杂，一般仿真无法实现。
本设计的测试过程很简单，具体操作如下：
首先将开发板接通电源，将色彩纸板放平，其次把设计中的颜色采集模块放在待测的纸板上，放正放平，最后用隔光较好的纸张或者盒子将颜色采集模块遮盖起来，然后用笔记录LCD显示的值，依次测量不同颜色的纸板并记录数据即可。
4.2颜色检测中的误差
物体颜色信息十分广泛,颜色的确定需要色调、明度和饱和度三大要素或三原色（红绿蓝）的刺激值。
影响颜色检测准确度的参数主要有:
照射光、物体反射、光源方位、观测方位和传感器性能等,任何一个参数发生变化都会导致观察到的颜色发生变化。
（1）光源的影响
照射光包含有太阳光和外界杂散光,太阳照射角度、云层厚度和其它天气条件都会导致照射光发生变化,从而导致被测物体颜色发生变化。
（2）光源方位和观测方位的影响
光源方位,也就是被测物体指向光源的法线方向,它决定了有多少太阳光或外界杂散光作为入射光。
观测方位是指被测物体指向传感器的法线方向,它决定了反射到传感器中的光强。
（3）被测物表面反射状况的影响
传感器探头与被测物之间的距离影响着输出信号,可能会造成不同颜色信号的交叉,形成测量误差,所以存在某一最佳距离对输出特性影响最小,以保证颜色与输出信号的一一对应关系。
被测物表面的较明显凹凸区域也会给输出信号带来较大的误差。
误差结果
实验次数
R
G
光照强度
光强
第一次
101
121
92
第二次
98
116
89
光弱
46
56
53
38
58
40
方位
影响
正方向
248
42
255
34
侧方向
143
86
96
123
102
表面反射影响
反射强
93
104
113
106
反射弱
66
52
54
61
48
4.3测试结果分析
通过上面的测试结果可以看出，如果被测物体的颜色中，红色成分比较多，那么在显示的输出结果中的R的值就大；
同样的，如果绿色成分多，输出结果中的G的值就大，如果蓝色成分多，输出结果中的B的值就大。
表格最后一列给出了这些颜色值对应的色彩图像，而表格的第一列给出了标
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