完整word版基于TCS230颜色传感器的色彩识别器的设计.docx
《完整word版基于TCS230颜色传感器的色彩识别器的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完整word版基于TCS230颜色传感器的色彩识别器的设计.docx（53页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
完整word版基于TCS230颜色传感器的色彩识别器的设计
图书分类号：
密级：
毕业设计（论文）
基于TCS230颜色传感器的色彩识别器的设计
THECOLORRECOGNITIONDESIGNBASEDONTCS230COLORSENSOR
学生学号
20070501116
学生姓名
蔡子伟
学院名称
信电学院
专业名称
电子信息科学与技术
指导教师
陈奎
2011年
5月
4日
徐州工程学院学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
论文作者签名：
日期：
年 月 日
徐州工程学院学位论文版权协议书
本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：
本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。
徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。
徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
论文作者签名：
导师签名：
日期：
年 月 日日期：
年 月 日
摘要
随着现代工业生产向高速化、自动化方向的发展，色彩识别广泛应用于各种工业检测和自动控制领域，而生产过程中长期以来由人眼起主导作用的颜色识别工作将越来越多地被相应的颜色传感器所替代。
如：
各种物体表面颜色识别（产品包装色标检测，产品外表特征颜色的检测，液体溶液颜色变化过程的检测与控制，等等）。
而本文就是介绍如何通过使用TCS230颜色传感器来实现色彩识别的功能的。
首先，通过了解一定深度的光与颜色的知识（主要是三原色的感应原理）以及深入学习研究TCS230识别颜色的原理，实现TCS230颜色传感器测量颜色的功能。
其次，对所测得的数据进行处理，转换成RGB三种颜色光数值。
最后，通过LCD将经过处理后的数据显示出来。
本设计具有体积小、成本低、功能强等特点。
关键字：
TCS230颜色传感器；AT89S51单片机；LCD1602；色彩识别
Abstract
Asthemodernindustrialproductiontohigh-speed,automaticdirectionofdevelopment,colorrecognitioniswidelyusedinvariousindustrialareasofdetectionandautomaticcontrol,andtheproductionprocesshaslongplayedaleadingrolebythehumaneyecolorwillbemoreandmorerecognitionBereplacedbythecorrespondingcolorsensor.Suchas:
allkindsofsurfacecolorrecognition（detectionofcolorproductpackaging,theproductslooklikethecolorofthetest,theliquidsolution,thecolorchangeprocessofdetectionandcontrol,etc.）.AndthisishowbyusingtheTCS230colorsensortoachievecolorrecognitionfunction.
First,byunderstandinglightandcolorofacertaindepthofknowledge（mainlyprimarycolorsoftheinductionprinciple）andidentifythecolor-depthstudyoftheprinciplesTCS230,TCS230colorsensortoachievethefunctionofcolor.Secondly,themeasureddataisprocessed,convertedintoRGBthreecolorsoflightvalues.Finally,theLCDwillbeprocessedbythedatadisplayed.Thedesignhasthecharacteristicsofsmallsize,lowcost,functionalityandsoon.
KeywordsTCS230Color-SensorAT89S51MCUColor-Recognition
1绪论
1.1研究背景
随着现代工业生产向高速化、自动化方向的发展，颜色识别广泛应用于各种工业检测和自动控制领域，而生产过程中长期以来由人眼起主导作用的颜色识别工作将越来越多地被相应的颜色传感器所替代。
如：
各种物体表面颜色识别（产品包装色标检测，产品外表特征颜色的检测，液体溶液颜色变化过程的检测与控制，等等）。
目前的颜色传感器通常是在独立的光电二极管上覆盖经过修正的红、绿、篮滤光片，然后对输出信号进行相应的处理，才能将颜色信号识别出来；有的将两者集合起来，但是输出模拟信号，需要一个A/D电路进行采样，对该信号进一步处理，才能进行识别，增加了电路的复杂性，并且存在较大的识别误差，影响了识别的效果。
而TCS230颜色传感器是美国TAOS公司生产的一种可编程彩色光到频率的转换器，比市面上见到的光转电压颜色检测仪器在性能上有更多的优势。
TCS230它对光的动态响应范围大于250,000～1，标准输出频率范围为2Hz～500kHz，TCS230有两个可编程的引脚，使用者可以对100%、20%、2%或者是动力关闭模块的输出量程进行选择使用。
TCS230在不需要DCs的情况下，给每个彩色通道至少能提供10字节的分辨。
TCS230可以用于彩色打印机、医疗诊断、LED检测、液体颜色识别、电脑彩色监控标准、颜色产品加工控制、和油漆、纺织品、化装品及打印材料的彩色搭配等颜色检测产品。
1.2色彩识别及颜色传感器技术的发展趋势
颜色传感器也叫色彩识别传感器。
标准的颜色测量方法是采用光谱光度测色仪,通过测量样品的三刺激值,从而得到样品的颜色。
目前,基于各种原理的颜色识别传感器有两种基本类型:
其一是RGB（红绿蓝）颜色传感器,检测的是三刺激值;其二是色差传感器,检测被测物体与标准颜色的色差。
这类装置许多是漫反射型、光束型和光纤型的,封装在各种金属和聚碳酸酯外壳中。
1.2.1颜色识别技术的研究成果
1）.MAZET公司最新推出的颜色传感器MTCSiCS，不仅能够实现颜色的识别与检测，色彩传感器具有高精度的3色测量（CIE），是测量光源系统的出色解决方案，其控制系统可以捕捉到目前的颜色状况，然后根据图像信号反馈的信息控制并达到相应的Yxy值。
相比别的传感器，在温度变化的情况下，MAZET的传感器性能不变，甚至在温度或者能量很高的情况下、MAZET的传感器也不会有任何老化。
MTCSiCS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MTCSiCS的引脚和功能框图。
从图1可知，当入射光投射到MTCSiCS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。
2）.德国ELTROTEC色标传感器可以检测出颜色的差异，ELTROTEC色标检测器具有灵敏度高、响应速度快、抗背景干扰能力强。
即使颜色上的细微差异或高光泽目标物也能够被ELTROTEC检测到，产品被广泛的运用于包装机械和印刷机械，造纸机械等自控系统中。
ELTROTEC色标检测器适用于必须快速和准确检测色标或其他用颜色对比作记号的场合。
在30多种不同的灰度等级中，色标检测器可检测所有类型的色标标记，可给不同的用户界面提供多种对比度检测技术，以满足广泛的应用领域，是业界最佳的色彩辨识仪器。
3）.FT50C-1颜色传感器：
自2001年，通过测试开始投入应用至今FT50C-1一直得到广泛应用。
该传感器使用直径4mm的圆光斑。
适合用于分选包装或检测不同类型的标签。
FT50C-2颜色传感器：
使用2mm的正方形光斑。
适合于检测非常微小的物体。
典型应用是：
检测小部件或检测细致的仪器。
FT50C-3颜色传感器：
使用1mm*5mm的长方形光斑。
专为检测长方形物体而设计。
典型应用为：
检测导管内半导体芯片的缺失和正确顺序。
4）.CS颜色检测器利用三色光方法鉴别颜色。
CS颜色检测器可以发射多种光谱组合，从而代替了传统的接收端滤式宽带光谱（易受周围光线影响）。
被检测物体的反射光线被接收并被数字化，通过集成的微处理器进行运算和标准化。
所有的红、绿、蓝（RGB）波长范围包括所有必要色度、饱和度和亮度等信息都被包括在最后的信号值中。
这些测量与保存的参考值在数微秒内进行比较，根据结果，改变开关输出的状态。
颜色检测器可利用接收光和发射光的颜色检测而鉴别物体-例如透明物体或液体。
根据工作需要，可以通过自学习模式存储一个或三个颜色参考值。
因为颜色检测器对周围光线极度不敏感，所以检测的可靠性不会被进入传感器一端的反映或光线影响。
1.2.2国内颜色传感器的研究成果与动态
1）.四川火狐公司推出的MCS颜色传感器是最小的三原色传感器，由三个Si-PIN光电管以及在片滤波器集成在一起的，每个光电管都各自有三种颜色之一的滤波器。
它具备小尺寸设计，高质量滤波器和三种颜色同步记录的特点。
三个不同区域的颜色识别响应，类似于人眼。
每个光电管对相应光谱滤波器的颜色光最敏感，主要是红色，绿色，蓝色。
对高动态工业颜色应用（允许信号频率到MHz范围），新的紧凑型颜色传感器是首选，适合低价格快速信号处理。
这种光电管的环型排列，适合辅助光纤测量信号的耦合。
这些传感器提供TO5和SOP8透明塑料或者玻璃封装。
2）.广州创光电子有限公司的PDIC903B颜色传感器主要用来检测环境亮度水平，并通过提供高度线性的成比例输出，来调节显示屏幕或键盘的背光。
可帮助便携式显示设备降低功耗，延长LCD屏幕的使用寿命。
这些经济型传感器可以根据制造商预先设定的模式来控制便携式LCD显示器的背光。
尺寸（宽x长x高）5.0x 5.0x1.0mm受光面积：
4.0x4.0mm波长范围:
390-700nm峰值波长:
620nm\550nm\470nm（三色）工作电压：
2.3-5V灵敏度范围：
3lx-80klx精确度：
输入电流500mμA时对数曲线上下偏差3%可提供样品。
广泛应用于：
移动设备PDA、移动电话、笔记本电脑和数码相机的键盘和显示屏背光控制。
3）.深圳市易创特自动化设备有限公司推出的新一代数字颜色传感器TCS3414CS，不但可以侦测颜色，同时还可以侦测色温。
其应用主要是带有液晶屏的数码产品如液晶电视，可视DVD，车载数码产品，另外如笔记本电脑，手机，PMP等移动设备也都有应用。
其产品的低档系列，以其优良侦测精度和优势的价格，尤其适合玩具类等产品开发应用。
4）.上海精电电子设备有限公司研发生产的颜色识别传感器、色标传感器系列产品，作为国内最专业的光学测量及检测设备研发及生产厂家特别在辨色识别，激光测距,光纤的技术上处于领先地位,运用了当今先进的数字化背景抑制技术,大大提高了测量精度和抗干扰能力,因为有这样的特点，使得该公司产品在国内市场有相当占有率，依靠合理的价格更适合国内市场的服务理念成为少数几家能与国外顶级品牌抗衡的高科技企业。
目前生产的超高功率RGB数字光纤传感器在检测时的方便性为一般传感器望尘莫及，RGB颜色传感器利用数模转换的高精度放大器，成为业界最佳的色彩辨识，即使颜色上的细微差异或高光泽目标物也能够轻易的检测。
1.3本论文的主要工作及意义
本文以色彩识别系统设计为目的，采用AT89S51单片机为核心，利用TCS230颜色传感器和LCD1602建立起来的。
文中给出整个系统的设计思路，包括，根据对三原色的感应原理和TCS230颜色传感器识别颜色的原理的分析，设计出一个合适的可行的实验环境。
其次，利用TCS230颜色传感器，在合适的环境下，对被测物体进行检测，将测得的数据进行A/D转换，转化成数字量。
最后，将转化后的数字量送到AT89S51单片机进行处理，得到被测物体所包含的RGB三原色的颜色值，之后利用LCD1602显示出来。
本文研究的色彩识别系统的意义在于降低了色彩识别的难度，而且检测结果能准确可信，将有利于自动化行业以及相关行业的发展，同时为这个领域以后的研究提出自己的一点见解。
另外，文中实现的颜色识别系统可用于机器人比赛的视觉识别系统。
2颜色识别及颜色传感器技术介绍
2.1色彩识别
正如我们所知道的那样，色彩实际上是频率连续的电磁波，理论上色彩是无限的，但是人们能分辨的色彩是有限的，而且存在着个体差异。
专业人士在设计一个色彩识别系统的时候，会很仔细地以5%甚至更小的区别来仔细调整色彩之间的比值。
当这些类似色并排在一起时，即使是没有经过训练的普通人，除了色盲意外，都能够看出它们之间的区别。
但是当一个色彩识别系统被确定并且单独展现时，普通人是无法区别出这5%什么更大的差异的。
因此大多数人会简单的将他们所看到的某个色彩归类到他们能用简单语言描述的一类颜色，比如红、黄、白，或在这个基础上加以设当的区分，比如橘黄，有点发白的橘黄等。
这种普通人感知的色彩可以被看作围绕着一个核心色的一个一个的区间，在这个区间中的所有颜色在色彩识别的时候，都会被看作是一种色彩。
初中同一色彩识别区间的所有色彩尽管值不一样，但是对于受众而言是一样的。
2.2色彩识别算法
2.2.1色彩识别的应用
在现今的工业化社会中，色彩识别被广泛的应用于各行各业之中，如：
各种物体表面颜色识别（产品包装色标检测，产品外表特征颜色的检测，液体溶液颜色变化过程的检测与控制，等等）。
又如：
图书馆使用颜色区分对文献进行分类，能够极大的提高排架管理和统计等工作；在包装行业，产品包装利用不同的颜色或装磺来表示其不同的性质或用途；在品牌的形象设计和品牌推广的竞争中，色彩系统是一个比较重要的部分，设计师都会花费大量的时间细致地调整不同色彩搭配之间的组合关系，以达到更好的视觉效果。
2.2.2色彩识别一般算法
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2.1RGB颜色模型
2）.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TCS230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。
2.3颜色传感器技术
2.3.1颜色检测的难点
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。
为弥补光源变化带来的测量误差,Judd等人在1964年提出了照射光修正模型,但尽管如此,照射光引起物体颜色检测的误差仍不容忽视。
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,为此,Phong,Shafer和Nayar等人先后提出了反射模型以弥补测量误差。
2.3.2颜色传感器
1）.RGB颜色传感器
RGB颜色传感器对相似颜色和色调的检测可靠性较高。
它的测量原理示意图如图2.21所示。
图2.2 RGB颜色传感器
在三个光电二极管上贴上三基色滤色片,三种光通过同一透镜发射后被目标物体反射,根据测出的数据求出颜色的成分。
由于这种颜色检测法是通过测量构成物体颜色的三基色实现颜色检测的,所以精密度极高,能准确区别极其相似的颜色,甚至相同颜色的不同色调。
RGB颜色传感器有两种测量模式:
一种是分析红、绿、蓝光的比例。
因为检测距离无论怎样变化,只能引起光强的变化,而三种颜色光的比例不会变,因此,即使在目标有机械振动的场合也可以检测;第二种模式是利用红绿蓝三基色的反射光强度实现检测目的,利用这种模式可实现微小颜色判别的检测,但传感器会受目标机械位置的影响。
无论应用哪种模式,大多数RGB颜色传感器都有导向功能,使其非常容易设置。
这种传感器大多数都有内建的某种形式的图表和阈值,利用它可确定操作特性。
利用全色色敏器件及相关分析手段可以较精确地测定颜色,一般来说,它至少需要三个光电二极管以及三个相应的滤光器,以获得颜色的三刺激值,因此结构和电路都比较复杂。
2）.色差传感器
在一些实际应用中（如分拣、质量监控等行业）,并不需要确切了解被测物的具体颜色,而只需要对两个物体的色差进行识别与判断,区别出从一种颜色到另一种颜色的变化。
例如,对家用电器、汽车外壳的色彩管理,对纸浆、油漆、彩色钢板等色彩进行读取和控制,只要检测出两种颜色存在一定的色差,就能将它们区分开来。
色差传感器已发展出硅双结、光纤、有机材料等多种,由于其价格便宜,动态响应效果好,能实现在线实时测量,所以除染色等特殊行业外,工业上一般都采用色差传感器。
硅双结型颜色传感器：
硅双结型颜色传感器的结构及主要特性如图2.3所示。
图2.3 硅颜色传感器的结构原理图与特性曲线
图2.3（a）中所示的N-P-N是结深不同的两个P-N结二极管,放大作用很小。
浅结二极管D1是N+-P结;深结二极管D2是P-N结,当有入射光照射时，N+，P，N每个区域及其间的势垒区中都有光子吸收,根据硅的光学性质,蓝紫光部分吸收系数大,经很短距离已吸收完毕,因此浅结光电二极管对蓝紫光的灵敏度高,而红外光的透射深度则一直达到深结区,因此深结光电二极管对红外光的灵敏度高。
这就是说此结构中的不同区域对同一波长入射光具有不同的灵敏度,这一特性提供了将这种器件用于颜色识别的可能性。
在不同波长的光照射下,两只光电二极管电流的比值I2/I1不同,I1是浅结二极管的短路电流,I2是深结二极管的短路电流。
由于单色入射光的波长与色敏器件的短路电流比的对数存在近似的线性关系,即
式中A和B值通过对预先测定数据拟合得到。
所以根据短路电流比,如图2.3（b）所示,就可以得到入射光的波长。
这种传感器的突出优点是:
短路电流比与光强无关,几乎只与入射光波长相关。
但色敏器件的输出电流很小,很容易受外界的干扰,因此需要对放大电路进行屏蔽。
液晶颜色传感器：
液晶颜色传感器由红外玻璃滤色片、电子控制双折射液晶和硅P2N结光电二极管组成,其结构截面如图2.4所示。
图2.4 颜色传感器结构
传感器的光灵敏度可近似表示为
Tr（λ）～Ir（λ）I（λ）Ph（λ）,
式中Tr（λ）为传感器的光谱灵敏度;Ir（λ）为透过红外滤色片的光强;I（λ）为透过液晶单元的光强;Ph（λ）为光电二极管检测到的光强;λ为入射光的波长。
透过液晶的光强I（λ）是加在液晶两端电压的函数,即
I（λ）=I0（λ）sin2（2ψ）sin2（πR/λ）,
R=（ne-n0）d–Rb
式中d为液晶层的厚度;ne为液晶层中非常光线的折射率;n0为液晶层中寻常光线的折射率;Rb为聚酯薄膜中的光延迟;R为液晶单元有效的光延迟;I0（λ）为射到液晶上的入射光强度;ψ为液晶分子轴在电极上的投影方向和起偏振器方向夹角。
其测量原理是利用红外玻璃滤色片滤掉入射光中的红外成分,改变液晶两端的电压,可以改变液晶层中的非常光折射率ne,从而改变光强I（λ）。
光电二极管检测到光强与存储在计算机中的颜色数据进行比较,就可知所测物体的颜色。
用该传感器检测采用同样材料编织而穿着方式不同的两件衣服,传感器输出电压的峰值有差异,这意味着这种传感器灵敏,可分辨出非常小的颜色差别。
光纤颜色传感器：
光纤是20世纪70年代为通信而发展的一种新型材料,与其它材料相比,光纤具有良好的传光性能和较宽的频带,因而被广泛地应用在通信领域中。
除此之外,光纤本身还是一个敏感元件,即光在光纤中传输时,光的特性如振幅、波长（颜色）、相位、偏振态等将随检测对象变化而相应变化。
光从光纤射出时,光的特性得到调制,通过对调制光的检测,便能感知外界的信息。
为充分发挥光纤的这一特性,自70年代中期以来出现了许多特殊的光纤传感器,如光纤强度、相位、（波长）颜色传感器等。
光纤颜色传感器的装置如图2.5所示。
图2.5 光纤颜色传感器的实验装置
光源发出的光由透镜耦
升级会员 