2顏色識別及顏色傳感器技術介紹2.1色彩識別正如我們所知道的那樣，色彩實際上是頻率連續的電磁波，理論上色彩是無限的，但是人們能分辨的色彩是有限的，而且存在著個體差異。專業人士在設計一個色彩識別系統的時候，會很仔細地以5%甚至更小的區別來仔細調整色彩之間的比值。當這些類似色并排在一起時，即使是沒有經過訓練的普通人，除了色盲意外，都能夠看出它們之間的區別。但是當一個色彩識別系統被確定并且單獨展現時，普通人是無法區別出這5%什么更大的差異的。因此大多數人會簡單的將他們所看到的某個色彩歸類到他們能用簡單語言描述的一類顏色，比如紅、黃、白，或在這個基礎上加以設當的區分，比如橘黃，有點發白的橘黃等。這種普通人感知的色彩可以被看作圍繞著一個核心色的一個一個的區間，在這個區間中的所有顏色在色彩識別的時候，都會被看作是一種色彩。初中同一色彩識別區間的所有色彩盡管值不一樣，但是對于受眾而言是一樣的。2.2色彩識別算法2.2.1色彩識別的應用在現今的工業化社會中，色彩識別被廣泛的應用于各行各業之中，如：各種物體表面顏色識別（產品包裝色標檢測，產品外表特征顏色的檢測，液體溶液顏色變化過程的檢測與控制，等等）。又如：圖書館使用顏色區分對文獻進行分類，能夠極大的提高排架管理和統計等工作；在包裝行業，產品包裝利用不同的顏色或裝磺來表示其不同的性質或用途；在品牌的形象設計和品牌推廣的競爭中，色彩系統是一個比較重要的部分，設計師都會花費大量的時間細致地調整不同色彩搭配之間的組合關系，以達到更好的視覺效果。2.2.2色彩識別一般算法1).色彩空間通常所看到的物體的顏色,實際上是物體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應。任何一種顏色都可以用三種基本顏色按照不同的比例混合得到。這里介紹一種最典型的顏色模型,即RGB模型。如圖2.1所示,在這個顏色模型中,3個軸分別為R、G、B。原點對應的為黑色(0,0,0),離原點最遠的頂點對應白色(255,255,255)。由黑到白的灰度分布在從原點到最遠頂點間的連線上,正方體的其他六個角點分別為紅、黃、綠、青、藍、和品紅。需要注意的一點是,RGB顏色模型所覆蓋的顏色域取決于顯示設備因光電的顏色特性。每一種顏色都有唯一的RGB值與它對應。圖2.1RGB顏色模型2).白平衡算法顏色實際就是物體對光的反射或投射而表現出來在人眼中的反映,而TCS230就是通過分別檢測一種顏色反映出來的光的紅、綠、藍分量,通過把光強線性轉換為頻率信號,量化出R、G、B值,從而計算出顏色。值得注意的是,不同的光線通過物體反映出來的光強是不同的,而且非標準白光(RGB三者不相等)在物體上反映出來的光強分量也是不同的。為解決這個問題,就要進行白平衡,即首先測量出基準光源的RGB光強值,再測量出在標準光源下物體所反映出的光強值,兩者之比就是物體的反射(或透射)性質,即物體的實際顏色,如公式(1),(2),(3)。R=P物紅/P源紅(1)G=P物綠/P源綠(2)B=P物藍/P源藍(3)由于在RGB坐標下的顏色標準坐標為0-255之間,所以把所得結果乘以255,即得到標準的RGB值。透明物體直接測量光源的光強-頻率值,不透明物體需要用白紙測量反射光源。3基于TCS230的設計3.1MCS-51單片機簡介MCS-51系列單片機是美國Intel公司在1980年推出的高性能8位單片機，它包含51和52兩個子系列。對于51子系列，主要有8031、8051、8751三種機型，它們的指令系統與芯片引腳完全兼容，僅片內程序存儲器有所不同，8031芯片不帶ROM，8051芯片待4KB的ROM，8751芯片待4KB的EPROM。51子系列單片機的主要特點為：4k／8k字節程序存儲器；128／256字節數據存儲器；32條I／O口線；111條指令，其中大多數是單字節指令；21個專用寄存器：2個可編程定時／計數器：5個中斷源，2個優先級；一個全雙工串行通信口；外部數據存儲器尋址空間為64k字節：外部程序存儲器尋址空間64k字節；邏輯操作位尋址功能MCS-51系列單片機應用十分廣泛，各種教材和應用資料也很多。盡管INTEL公司本身沒有在品種和功能上對MCS-51系列單片機作進一步的擴展，但是由于lNTEL公司開放了MCS-51系列單片機的核心技術，加之51系列單片機已經成為8位通用單片機的公認標準，因此，許多著名的半導體生產廠家。如Atmel、Philips、Cygnal、Dallas等紛紛推出以80C51為基核的各具特色、性能優異、功能強大的單片機，形成了龐大的80C51系列單片機家族，為熟悉51系列單片機的人們提供了最廣泛的選擇空間，也為51系列單片機注入了勃勃的生機。圖3.1C51單片機管腳圖圖3.2C51單片機實物圖3.2顏色傳感器及硬件電路的連接3.2.1顏色傳感器TCS230芯片的結構框圖與特點:TCS230是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉換器，它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉換器集成在一個單一的CMOS電路上，同時在單一芯片上集成了紅綠藍（RGB）三種濾光器，是業界第一個有數字兼容接口的RGB彩色傳感器，TCS230的輸出信號是數字量，可以驅動標準的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接，由于輸出的是數字量，并且能夠實現每個彩色信道10位以上的轉換精度，因而不再需要A/D轉換電路，使電路變得更簡單，圖3.3是TCS230的引腳和功能框圖。圖3.3TCS230的引腳和功能圖圖3.3中，TCS230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。工作時，通過兩個可編程的引腳來動態選擇所需要的濾波器，該傳感器的典型輸出頻率范圍從2Hz－500kHz，用戶還可以通過兩個可編程引腳來選擇100％、20％或2％的輸出比例因子，或電源關斷模式。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠適應不同的測量范圍，提高了它的適應能力。例如，當使用低速的頻率計數器時，就可以選擇小的定標值，使TCS230的輸出頻率和計數器相匹配。從圖3.3可知：當入射光投射到TCS230上時，通過光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的濾波器；經過電流到頻率轉換器后輸出不同頻率的方波（占空比是50％），不同的顏色和光強對應不同頻率的方波；還可以通過輸出定標控制引腳S0、S1，選擇不同的輸出比例因子，對輸出頻率范圍進行調整，以適應不同的需求。下面簡要介紹TCS230芯片各個引腳的功能及它的一些組合選項。S0、S1用于選擇輸出比例因子或電源關斷模式；S2、S3用于選擇濾波器的類型；OE反是頻率輸出使能引腳，可以控制輸出的狀態，當有多個芯片引腳共用微處理器的輸出引腳時，也可以作為片選信號，OUT是頻率輸出引腳，GND是芯片的接地引腳，VCC為芯片提供工作電壓，表3.1是S0、S1及S2、S3的可用組合。表3.1S0、S1及S2、S3的組合選項S0S1輸出頻率定標S2S3濾波器類型LL關斷電源LL紅色LH2%LH藍色HL20%HL無HH100%HH綠色3.2.2TCS230顏色傳感器與51單片機的連接TCS230是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉換器，該傳感器具有分辨率高、可變成的顏色選擇與輸出定標、單電源供電等特點；輸出為數字量，可直接與微處理器連接。圖3.4為TCS230顏色傳感器的實物圖。圖3.4TCS230顏色傳感器實物管腳圖圖3.5TCS230與單片機的連接圖3.2.3LCD1602與51單片機的連接1、液晶顯示器簡介液晶顯示器簡稱LCD顯示器，它是利用液晶經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、顯示內容豐富等特點，在單片機應用系統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、驅動器來對LCD顯示器進行掃描、驅動，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。現在往往將LCD控制器、驅動器、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據就可以實現顯示所需的信息。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。（1）、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3.6。圖3.6CA1602A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電源第3腳：Vo，液晶顯示偏壓信號第4腳：RS，數據/命令選擇端，高電平時選擇數據寄存器，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據。第6腳：E，使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。第7-14腳：D0-D7，為8位雙向數據線。第15腳：A，背光源正極第16腳：K，背光源負極（2）、指令格式與指令功能LCD控制器HD44780內有多個寄存器，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3.2。表3.2HD44780內部寄存器選擇表RSRW寄存器及操作00指令寄存器寫入01忙標志和地址計數器讀出10數據寄存器寫入11數據寄存器讀出總共有11條指令，它們的格式和功能如下表3.3：表3.3控制命令表序號指令RSRWD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關控制0000001DCB5光標或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符發生存儲器地址0001字符發生存儲器地址8置數據發生存儲器地址001顯示數據發生存儲器地址9讀忙標志或地址01BF計數器地址10寫數到CGRAM或DDRAM10要寫的數據內容11從CGRAM或DDRAM讀數11讀出的數據內容液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執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3.7是1602的內部顯示地址。圖3.71602的內部顯示地址1602液晶模塊內部的字符發生存儲器（CGROM）已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數字、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”。（3）、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。2、1602顯示器與單片機的連接在本設計中，1602顯示器與單片機的連接如下圖3.8所示：圖3.81602顯示與單片機連接圖3.3TCS230顏色識別原理簡介TCS230識別顏色的原理:由上面的介紹可知，這種可編程的彩色光到頻率轉換器適合于色度計測量應用領域，如彩色打印、醫療診斷、計算機彩色監視器校準以及油漆、紡織品、化妝品和印刷材料的過程控制和色彩配合。下面以TCS230在液體顏色識別中的應用為例，介紹它的具體使用。首先了解一些光與顏色的知識。三原色的感應原理：通常所看到的物體顏色，實際上是物體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應。白色是由各種頻率的可見光混合在一起構成的，也就是說白光中包含著各種顏色的色光（如紅R、黃Y、綠G、青V、藍B、紫P）。根據德國物理學家赫姆霍茲（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）TCS230識別顏色的原理：由三原色感應原理可知，如果知道構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TCS230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TCS230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TCS230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TCS230的RGB輸出并不相等，因此在測試前必須進行白平衡調整，使得TCS230對所檢測的"白色"中的三原色是相等的。進行白平衡調整是為后續的顏色識別作準備。在本裝置中，白平衡調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TCS230上；根據前面所介紹的方法，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個調整參數。當TCS230識別顏色時，就用這3個參數對所測顏色的R、G和B進行調整。這里有兩種方法來計算調整參數：1、依次選通三顏色的濾波器，然后對TCS230的輸出脈沖依次進行計數。當計數到255時停止計數，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TCS230每種濾波器所采用的時間基準，在這段時間內所測得的脈沖數就是所對應的R、G和B的值。2、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TCS230的輸出脈沖數，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變為255。在實際測試時，室外同樣的時間進行計數，把測得的脈沖數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。

4色彩識別器系統的設計與實現4.1系統結構框圖色彩識別系統是基于MCS-51系列單片機控制的基礎上，添加了TCS230顏色傳感器采集模塊，TCS230驅動模塊，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的色彩識別系統，色彩識別系統的設計如圖4.1系統框架所示。圖4.1系統框架圖4.2色彩識別系統實物圖4.2TCS230驅動模塊TCS230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TCS230初始化、定時器初始化和顏色采集，具體程序如下：voidTCS230Inital(void){ DDRC=DDRC|0x0f;PORTC=PORTC|0x0f; PORTC=PORTC|0x20; DDRC=DDRC|0x20; PORTC=PORTC&0xdf;TCS230Mode(FrequencyMode,PhotoDiodeMode);}voidTimerInital(void){ TCCR1A=0x00; TCCR1B=0x06; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; ICR1H=0x00;ICR1L=0x00;OCR1AH=0x00;OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; ASSR=0x00;TCCR2=0x07; TCNT2=0xb7; OCR2=0x00;TIMSK=0x40;}unsignedcharTCS230Mode(unsignedcharFOutMode,unsignedcharPhotoType){ if(FOutMode==F_POWERDOWN) {PORTC=PORTC&0xfc; } elseif(FOutMode==F_100_2) { PORTD=PORTD&0xfe;PORTD=PORTD|0x02;} elseif(FOutMode==F_100_20) { PORTD=PORTD&0xfd;PORTD=PORTD|0x01;} elseif(FOutMode==F_100_100) { PORTD=PORTD|0x03; } else { return1; } FrequencyMode=FOutMode; if(PhotoType==PH_RED) {PORTD=PORTD&0xf3; } elseif(PhotoType==PH_CLEAR) { PORTC=PORTC&0xf7;PORTC=PORTC|0x04; } elseif(PhotoType==PH_BLUE) { PORTC=PORTC&0xfb;PORTC=PORTC|0x08; } elseif(PhotoType==PH_GREEN) { PORTC=PORTC|0x0c; } else { return2; } PhotoDiodeMode=PhotoType; return0; }4.3TCS230顏色采集模塊的設計4.3.1TCS230顏色采集模塊與51單片機的接口本設計中，TCS230模塊主要與51單片機的P1口和P3口連接。P1口是準雙向口，它只能作通用I/O接口使用。P1口的輸出只由一個場效應管與內部上拉電阻組成。其輸入輸出原理特性與P0口作為通用I/O接口使用時一樣，當其輸出時，可以提供電流負載，不必像P0口那樣需要外接上拉電阻。P1口具有驅動4個LSTTL負載的能力。TCS230顏色傳感器與51單片機具體的連接方式如圖4.3所示。4.3.2TCS230顏色采集模塊的軟件設計本設計的TCS230顏色采集模塊主要是利用定時器/計數器T0和外部中斷INT0來實現的。流程圖4.4所示。圖4.3TCS230與51的連接圖圖4.4顏色采集模塊軟件流程圖1、定時器/計數器：MCS-51系列中51子系列有兩個16位的可編程定時/計數器：定時/計數器T0和定時/計數器T1；52子系列有三個，比51子系列多一個定時/計數器T2.每個定時/計數器都有多種工作方式，其中T0有四種工作方式；T1有三種工作方式，T2有三種工作方式。通過編程可設定工作于某種方式。在本設計中，設置T0的工作方式為方式0，定時1ms，賦初值為TH0=0xe0，TL0=0x18，在定時器/計數器T0中斷函數voidtimer0(void)中重新給定時器/計數器T0賦初值，并且設定了一個變量lck，用來計數定時器/計數器T0中斷的次數，當變量lck達到1000時，表明定時了一秒鐘，而外部中斷0的中斷函數voidint0(void)中定義的變量dispcount在定時一秒時間達到時候的值就是此時所選擇的某種顏色通道的頻率值。具體程序如下：voidinitTimer(void)//定時器初值1ms{TMOD=0x0;TH0=0xe0;TL0=0x18;}voidtimer0(void)interrupt1 //定時1秒,每一秒中斷一次，所記得數就是頻率{TH0=0xe0;TL0=0x18;lck++;if(lck==1000){disp=dispcount; lck=0; dispcount=0;}}2、MCS-51單片機提供5個硬件中斷源：2個外部中斷源INT0和INT1；2個定時器/計數器T0和T1的溢出中斷TF0和TF1；本設計中采用外部中斷請求INT0來接收傳感器的輸出值。TCS230顏色傳感器的OUT輸出端與外部中斷INT0（P3.2）管腳相連接，在外部中斷INT0的中斷函數voidint0(void)中定義了一個變量dispcount，當接收一個脈沖信號時，dispcount就會加1，在定時/計數器T0設定的一秒時間內所累計的數值就是頻率。具體程序如下：voidint0(void)interrupt0 //外部中斷0，TCS230的OUT端口接到INT0端口{dispcount++;//每一次中斷，計數加一}3、RGB三種色彩通道采集：voidred()//紅色通道{ P1=0x01; delay1ms(1100); date=disp/100; date=(255.0/153)*date;} //153是在純白情況下測得的紅色通道頻率值voidgreen()//綠色通道{ P1=0xc1; delay1ms(1100); date=disp/100; date=(255.0/145)*date; } //145是在純白情況下測得的綠色通道頻率值voidblue() //藍色通道{ P1=0x81; delay1ms(1100); date=disp/100; date=(255.0/183)*date; } //183是在純白情況下測得的藍色通道頻率值4.44個白色LED補光模塊的設計因為本設計的TCS230顏色采集模塊需要在密閉的環境下實現，所以需要另外添加一個穩定的光源。本模塊主要是用4個白色的LED光，照在待檢測的物體上，然后反射到TCS230顏色傳感器上，達到合適的光強的目的。電路圖設計如圖4.5所示。4.5LCD1602液晶顯示模塊4.5.1LCD1602液晶顯示模塊硬件設計本設計中的LCD1602液晶顯示模塊主要是和MCS-51單片機的P0口和P2口連接的。P0口是一個三態雙向口，可作為地址/數據分時復用接口，也可作為通用的I/O接口。它由一個輸出鎖存器、兩個三態緩沖器、輸出驅動電路和輸出控制電路組成。P2口也是準雙向口，它有兩種用途：通用I/O接口和高8位地址線。與P1口相比，它只在輸出驅動電路上比P1口多了一個模擬轉換開關MUX和反相器。LCD1602與51單片機的具體連接方式如圖4.6所示。圖4.5白色LED補光模塊電路圖4.5.2LCD1602液晶顯示模塊軟件設計圖4.6LCD1602與51單片機的具體連接圖圖4.7LCD1602顯示模塊流程圖本設計的LCD1602液晶顯示模塊主要是利用比較經典的LCD顯示方法來進行設計的，即字符串的方式進行輸出顯示。流程圖如圖4.7所示。首先，將MCS-51單片機處理所得的最終數據送入uchar*int2str(uintd)函數，此函數的功能是將接收到的整型數d的每個位的數字取出，放到一個字符型的數組str[]中，以便LCD1602輸出顯示，具體程序如下：uchar*int2str(uintd)//整型數轉化成字符型數組函數{ str[0]='0'+d/100; str[1]='0'+d%100/10; str[2]='0'+d%10; r