基于51单片机的颜色检测仪设计《光电检测技术》课程设计教辅.docx
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基于51单片机的颜色检测仪设计《光电检测技术》课程设计教辅
《光电检测技术》课程设计
题目：
基于51单片机的颜色检测仪设计
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2017年1月7日
目录
1.引言1
2.颜色识别系统1
2.1颜色识别技术的现状及未来发展趋势1
2.2TCS230芯片的结构框图与特点2
2.3TCS230识别颜色的原理4
3.颜色识别系统的硬件结构5
3.1单片机最小系统电路5
3.2复位电路8
3.3晶振电路9
3.4TCS230颜色传感器与单片机的接口电路10
3.5数码管显示电路10
4.系统的软件设计11
4.1总体流程图11
4.2子程序流程图11
5.结论及展望13
参考文献14
基于51单片机的颜色检测仪设计
摘要：
随着现代工业生产向着自动化、智能化方向的发展，生产过程中长期由人眼占据主导地位的颜色识别工作即将被效率和精确度更高的颜色传感器所替代，颜色传感器在未来生活与生产中扮演的作用将会越来越大。
颜色识别器的应用十分广泛，现阶段其主要应作为彩色打印机和绘图仪的主要构成部分。
并在化妆品、纺织品和涂料制造过程中颜色的调配以及医疗等方面都起着重要的作用。
因此对颜色识别器的研究对未来检测行业的发展有着重要的意义。
本文将研究TCS230颜色传感器识别颜色的原理，并结合单片机和液晶显示模块来实现颜色识别功能。
首先，需要了解一定程度的光与颜色的知识以及深入研究TCS230颜色传感器对颜色的识别原理并实现其识别颜色的功能。
其次，利用ST89C52单片机对颜色传感器输出数据进行处理，转换成相应的RGB三原色颜色值。
最后，通过LCD1602将RGB三原色颜色值显示出来并通过RGB颜色对应表对比和分析所测数据。
本设计具有设备成本低、体积小、易于操作、灵敏度和精确度高等特点。
关键词：
STC89C51单片机TCS230颜色传感器颜色识别系统
1.引言
随着工业生产中自动化、高速化程度的不断提升，颜色识别在各种工业控制和检测领域的应用更加广泛，颜色传感器在终生活与生产中的作用将会越来越大，颜色传感器在终端设备中的作用将会越来越大。
例如颜色识别器在图书馆图书的分类和包装行业的应用已经十分普遍；现阶段其主要应作为彩色打印机和绘图仪的主要构成部分。
并在化妆品、纺织品和涂料制造过程中颜色的调配以及医疗等方面都起着重要的作用。
2.颜色识别系统
2.1颜色识别技术的现状及未来发展趋势
颜色识别技术是新兴检测技术，在彩色打印、商标识别和材料分拣等方面已在我国拥有广泛应用。
虽然我国在机器人视觉系统领域已取得举世瞩目的成就，但是在高分辨的颜色识别方面仍然缺乏自主研发能力。
高精度的颜色识别技术仍然由少数发达国家掌控，我国高分辨率颜色传感器的研究工作任重而道远。
颜色识别系统提出的时间较晚，出现在自动控制系统之后。
其作为一种新兴的检测技术也是控制理论的简单应用，经过几十年的发展，在工业控制中逐渐开始大范围的应用。
颜色传感器在实时检测系统以及自动控制方面有着重要的意义，伴随着单片机等处理器技术的发展，颜色识别系统的效率也大大的增加。
颜色识别在现代生产中的应用愈加广泛，特别是在遥感技术、工业过程控制、材料分拣、图像处理、机器人视觉系统等方面的起着重要的作用，颜色传感器的快速发展为上述生产应用自动化的实现提供了可能。
随着颜色传感器的广泛应用，颜色识别技术已成为工业自动化必不可少的部分，发展前景十分广阔。
三基色原理：
适当的选取三种基本颜色，任何颜色都能由这三种颜色按照不同的比例叠加合成，这三种颜色相互独立不能由其他颜色按比例配出，这三种颜色就称为三基色。
国际照明委员会（CIE）推荐使用红、绿、蓝作为三种基本颜色且此原理已在现代工业中有了非常广泛的应用。
RGB颜色模型如下图2.1所示。
由三基色原理可知自然界中所有色光都可由R、G、B三种基本颜色按照不同的比例叠加合成，当三基色分量都为0时，叠加出的光为黑色，对应于立方体坐标中的（0,0,0）点；当三基色分量都为255时，叠加出的光为白色光，对应于立体坐标中得（255,255,255）。
以由黑到白为对角线的正方体的其他六个顶点分别为红（255,0,0），黄（255,255,0），绿（0,255,0），青（0,255,255），蓝（0,0,255）和品红（255,0,255）。
每个颜色都有其独自RGB值。
2.2TCS230芯片的结构框图与特点
国产宏晶STC51系列单片机不但低功耗、高稳定性能而且具有低廉的价格，自上市以来成为国内单片机从业者的首选。
STC8952系列单片机便是目前国内使用最多的一种单片机类型。
其采用MCS-51为内核，并在此基础上做了很多改进使的芯片功能更加强大。
STC89C52型单片机参数如下：
1.指令代码与传统8051的代码完全兼容
2. 工作电压：
3.3V～5.5V
3. 工作频率：
0～40MHz
4. 8K 字节Flash
5. 片上集成512 K RAM
6. 通用I/O 口（32 个）
7.不需专用编程器，也不需专用得仿真器，可通过串口直接下载程序
8. 具有EEPROM 功能
9. 具有看门狗功能
10. 有3个 十六位定时器/计数器。
即T0、T1和T2
11. 有四个外部中断
12. 通用异步串行口
13. 工作温度范围：
0～75℃
14. PDIP 封装
TCS230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，TCS230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，当入射光投射到TCS230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。
下面简要介绍TCS230芯片各个引脚的功能。
在单一的TCS230芯片上集成四种类型的光电二极管，这些光电二极管表面分别镶嵌着红、绿、蓝三种颜色的滤光器，加上未镶嵌的中共64个，每种16个。
这四种带滤波器的光电二极管在传感器芯片内交叉排列，四种光电二极管能够均匀的就接收光源辐射，极大的地减小因入射光幅射不均而造成的误差，提高颜色识别的精确度。
工作时，通过引脚S2、S3选择所需滤波器的颜色类型。
TCS230传感器的可通过引脚S0、S1来选择输出频率定标，其输出频率范围为2Hz~500kHz。
下面简要介绍TCS230芯片各个引脚的功能。
S0、S1引脚用于选择电源关断模式和输出比例因子（2%，20%，100%）；引脚S2、S3用于选择滤波器的类型；OE可以控制输出的状态为频率输出使能引脚，当微处理器同接收控制多个芯片时，OE可作为芯片的片选信号；OUT为频率输出引脚，GND接电源地，VCC接+5V电源。
图1TCS230引脚图
TCS230的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反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出引脚时，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。
下表给出了TCS230颜色传感器使用时相关控制引脚的一些组合选项。
表1：
输出频率分频选择
S0
S1
输出频率分频比例
L
L
掉电
L
H
2%
H
L
20%
H
H
100%
表2：
滤光颜色选择
S2
S3
光电二极管类型
L
L
红色
L
H
蓝色
H
L
消除（无滤光）
H
H
绿色
2.3TCS230识别颜色的原理
（1）三原色的感应原理
通常所看到的物体颜色，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。
白色是由各种频率的可见光混合在一起构成的，也就是说白光中包含着各种颜色的色光（如红R、黄Y、绿G、青V、蓝B、紫P）。
根据德国物理学家赫姆霍兹（Helinholtz）的三原色理论可知，各种颜色是由不同比例的三原色（红、绿、蓝）混合而成的。
（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）白平衡和颜色识别原理
从理论上讲，白色是由等量的红色、绿色和蓝色混合而成的；但实际上，白色中的三原色并不完全相等，并且对于TCS230的光传感器来说，它对这三种基本色的敏感性是不相同的，导致TCS230的RGB输出并不相等，因此在测试前必须进行白平衡调整。
在本装置中，白平衡调整的具体步骤和方法如下：
将空的试管放置在传感器的上方，试管的上方放置一个白色的光源，使入射光能够穿过试管照射到TCS230上；根据前面所介绍的方法，依次选通红色、绿色和蓝色滤波器，分别测得红色、绿色和蓝色的值，然后就可计算出需要的3个调整参数。
当用TCS230识别颜色时，就用这3个参数对所测颜色的R、G和B进行调整。
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.颜色识别系统的硬件结构
本文介绍的基于单片机的颜色识别系统的硬件结构框图如图2所示，硬件电路部分主要是由单片机最小系统、颜色传感器TCS230组成的颜色采集系统和数码管显示电路。
首先是由颜色传感器TCS230进行颜色采集，直接输出数字量并且利用单片机的数字频率计的作用将各种颜色的频率输出，最红用数码管将其显示出来。
数码管显示电路
单片机系统电路
颜色采集电路
图2颜色识别系统系统框图
3.1单片机最小系统电路
STC89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
另外STC89X51可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。
（一）STC89C51主要功能、性能参数如下：
（1）内置标准51内核，机器周期：
增强型为6时钟，普通型为12时钟;
（2）工作频率范围：
0~40MHZ，相当于普通8051的0~80MHZ;
（3）STC89C51RC对应Flash空间：
4KB;
（4）内部存储器（RAM）：
512B;
（5）定时器\计数器：
3个16位；
（6）通用异步通信口（UART）1个；
（7）中断源:
8个；
（8）有ISP（在系统可编程\IAP（在应用可编程）,无需专用编程器\仿真器；
（9）通用I\O口：
32\36个；
（10）工作电压：
3.8~5.5V；
（11）外形封装：
40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等。
（二）STC89C51单片机的引脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。
读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。
只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。
上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作。
这是由硬件自动完成的，不需要我们操心，1然后再实行读引脚操作，否则就可能读入出错，为什么看上面的图，如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q^为1加到场效应管栅极的信号为1，该场效应管就导通对地呈现低阻抗，此时即使引脚上输入的信号为1，也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1。
若先执行置1操作，则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入，由于在输入操作时还必须附加一个准备动作，所以这类I/O口被称为准双向口。
89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
（三）STC89C51单片机最小系统：
最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单片机始终处于正常的运行状态。
电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成较复杂的功能。
STC89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。
用STC89C52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，结构如图2-3所示，由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
STC89C51单片机学习板是一款基于8位单片机处理芯片STC89C52RC的系统。
STC89C52RC是采用8051核的ISP（InSystemProgramming）在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8KBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。
STC89C52RC系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MAX810专用复位电路。
单片机最小系统是指让单片机能正常工作并发挥其功能所必须的组成部分。
对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:
单片机、晶振电路、复位电路等。
下面给出一个51系列单片机的最小系统电路。
图3单片机最小系统
3.2复位电路
基本的复位方式：
单片机在启动时都需要复位89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。
单片机系统的复位方式有：
手动按键复位和上电复位。
（1）手动按键复位
手动按键复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。
一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。
当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。
手动按钮复位的电路如所示。
由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。
图4按键复位图5上电复位电路图6复位电路
（2）上电复位
上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。
为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。
在图6的复位电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。
在本设计中采用了按键复位和上电复位的两种模式（如图7所示）。
3.3晶振电路
一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地。
图7晶振电路
晶振与单片机的脚XTAL2和脚XTAL1构成的振荡电路中会产生偕波，为了电路的稳定性起见ATMEL公司只是建议在晶振的两引脚处接入两个10pf-50pf的瓷片电容接地来削减偕波对电路的稳定性的影响，所以晶振所配的电容在10pf-50pf之间都可以的。
3.4TCS230颜色传感器与单片机的接口电路
在本设计中，颜色传感器TCS230主要与单片机的P1口和P3口连接。
P1口是准双向口I/O口。
P1口的输入输出特性与P0口作为通用I/O口似的特性一样；但是当P1口输出时可提供电流负载，不需要外接上拉电阻。
P1口能驱动4个TTL。
颜色传感器TCS230的引脚封装应经在TCS230的结构框图与特点处做了简单的介绍，下图是单片机与颜色传感器TCS230之间的接口电路。
图8TCS230与单片机的接口电路
颜色传感器TCS230的片选端口（OE）连接至单片机的P1.0口。
输出波形占空比控制端口S0.S1分别连接至单片机的P1.2和P1.3口。
滤波选择端口S2和S3风别连接至单片机的P1.4和P1.5口。
输出端口连接至单片机的定时计数端口P3.5。
3.5数码管显示电路
在进行数码管显示电路设计时采用138译码器作为数码管的位选，采用锁存器573作为数码管的段选控制，这样一方面为数码管的显示提供了驱动同时又节省了单片机的端口资源。
其电路如下：
图9数码管显示电路
动态显示：
数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制。
在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。
4.系统的软件设计
4.1总体流程图
系统软件主要包括：
组程序、白平衡矫正子程序和颜色比较子程序。
其中白平衡矫正子程序用于颜色标定；比较子程序用于颜色检测。
程序流程图如下：
图10总体流程图
4.2子程序流程图
子程序设计程序需进行白平衡调节，得出比例因子，再实现对物体颜色检验和校准，并在数码管上显示R.G.B值，下面给出了颜色识别子程序流程：
图11子程序流程图
利用C语言编译程序，待软件编译通过后下载入单片机，依据设计方案进行调节测试并记录下实验数据。
具体操作如下：
首先将颜色采集模块用个光效果的纸盒遮盖起来，铺上待测彩色纸板是传感器一段面对彩色纸板。
接通开发板电源，将待测彩色纸板平铺于桌面上，再把颜色采集模块平放在待测的纸板上方月一厘米出，然后记录下LCD显示出的数数值，对不同颜色的待测纸板重复上述步骤即可。
进行测试时要注意以下两个问题：
1） 颜色识别时要确保纸盒的密闭隔光性，避免外界光线对颜色传感器的
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