基于tcs3200颜色传感器的色彩识别器的设计本科毕业论文(编辑修改稿)

基于tcs3200颜色传感器的色彩识别器的设计本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 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 所示。 图 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 , 王明 ： 基于 TCS3200 颜色传感器的色彩识别系统的设计 8 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 所示。 图 硅颜色传感器的结构原理图与特性曲线 王明 ： 基于 TCS3200 颜色传感器的色彩识别系统的设计 9 图 (a)中所示的 NPN 是结深不同的两个 PN 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 PN 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 (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 所示。 P S iN S i入 射 光红 外 滤 波 片起 偏 振 器聚 酯 薄 膜液 晶检 偏 振 器S i O 2光 电 二 极 管输 出 电 压加 电 压玻 璃 图 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 王明 ： 基于 TCS3200 颜色传感器的色彩识别系统的设计 10 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 所示。 图 光纤颜色传感器的实验装置 光源发出的光由透镜耦合到光纤束 ,在光纤束的出射端经分光板反射到达被测物 ,RGB 标准滤色片同装在一个旋转盘上 ,当旋转盘转动时 ,物体反射的不同波长的光相 王明 ： 基于 TCS3200 颜色传感器的色彩识别系统的设计 11 继经过滤色片到达光探测器 ,从光敏管电流强弱 ,即可反映被测图样颜色。 与传统传感器相比它具有以下优点 : (1) 利用光纤束解决了普遍存在的光能量和光源散热问题。 (2) 结构小而紧凑 , 便于安装 , 可实现在线检测 ,传感头高度密封 ,适于恶劣条件 ,具有可靠的抗干扰措施。 (3) 响应速度快 ,便于与计算机接口自动地判断或记数。 有机静电感应颜色传感器 ： 近年来 ,已有越来越多的研究者提出采用有机材料制成光电传感器 ,这种传感器成本低 ,应用范围广 ,但目前 还只处于实验室研究阶段。 1986 年 Tang 曾报道了利用有机材料制成光电转换效率很高的太阳能电池 ,由此可见有机材料具有良好的光敏性能 ,所以有机材料颜色传感器被认为是很有发展前景的一种传感器。 Kudo 利用两种染料制成了一种 P 型有机静电感应传感器 (static induction t ransistor ,SIT) ,并研究了其光电特性。 图 是 Kudo 制成的有机静电感应颜色传感器的结构图。 有机静电感应颜色传感器有两个有机半导体层 ,分别是酞青蓝和部化青两种染料 ,酞青蓝和部化青膜的厚度分别为 80nm和 140nm,它们通过真空沉降方法覆盖在涂有锡铟氧化物的玻璃片上 ,酞青蓝和部化青膜之间具有 P 型半导体特性。 有机染料膜上面覆盖一层金属金 (Au)并与锡铟氧化层形成测量电极 ,酞青蓝和部化青膜之间有一非常薄的铝电极。 当加载在铝电极上的电压增加时 ,测量电极之间的电流增加 ,反之 ,测量电极间的电流减少。 Kudo 对有机静电感应颜色传感器进行了光敏实验 ,光从部化青膜侧照射 ,在两个测量电极上加载 的输入电压 ,电极间的测量电流 IDS 则随着加载在铝电极上的电压 (VG)变化而变化的 ,测量结果如图 所示。 图 有机静电 感应传感器结构 王明 ： 基于 TCS3200 颜色传感器的色彩识别系统的设计 12 图 有机静电感应传感器的光敏特性 从图 中还可以看出 ,IDS 在 600nm 时有一峰值 ,这说明酞青蓝层对 600nm 光的吸收性非常强。 从 Kudo 的实验结果可知 ,有机材料的光敏特性不仅与电压 VG 有关 ,还与有机材料本身有关 ,所以利用有机材料完全有希望发展出一种新型的价格低廉且性能优良的颜色传感器。 本章小结 本章对 色彩识别与各种颜色传感器技术进行了深入的介绍， 主要包括色彩识别的一般算法（白平衡算法），以及色彩识别在现实社会中的一些具体应用，另外还介绍了几种主要的传 感器技术， 为后面的色彩识别系统的设计做好了准备。 王明 ： 基于 TCS3200 颜色传感器的色彩识别系统的设计 13 3 基于 TCS3200 的 硬件 设计 本论文主要是研究和设计色彩识别系统。 本系统是以 AT89S52 单片机为核心，以TCS3200 颜色传感器和 LCD1602 为子系统建立起来的。 AT89S52 单片机简介 本系 统 采用 ATMEL 公司生 产 的 AT89S52 单 片机作 为 微 处 理器。 AT89S52 与 MCS51系列 单 片机完全兼容，它采用静 态时钟 方式，可以大大 节 省耗 电 量。 AT89S52 是一个低 电压 ，高性能 CMOS 8 位 单 片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只 读 程序存 储 器和256 bytes 的随机存取数据存 储 器 (RAM)，功能 强 大的 AT89S52 单 片机已 经应 用于 较 复 杂的系 统 控制 场 合。 AT89S52 有 40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 2 个外中断口， 3 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口， 2 个读写口线，AT89S52 可按照常规方法进行编程，亦可在线编程。 其将通用之微处理器及 Flash 存储器结合，特别是可反复擦写的 FLASH 存储器可有效降低开发成本。 AT89C52 及 AT89S52 之别，在于 C 及 S， C 表示需用并行编程器下载 （接线多且复杂）， S 表示可支持 ISP 下载，可在 89S52 系统板上面预留 ISP 下载接口 ,AT89S52 引脚如 图 所示 ,实物图如图。 图 S52单片机管脚图 图 S52单片机实物图 AT89S52 的主要性能和参数 （ 1）与 MCS51 单片机完全兼容的指令和引脚排列以及工作特性。 （ 2）片内程序存储器内含 8K 可重复擦写的 Flash 程序存储器。 （ 3）片内数据存储器内含 256 字节的 RAM。 王明 ： 基于 TCS3200 颜色传感器的色彩识别系统的设计 14 （ 4） 3 个可编程的 16 位计数器 (定时器 )和 32 个可编程 I/O 口线。 （ 5）串行口是具有一个全双工的可编程的串行通信口。 （ 6）中断系统是具有 8 个中断源、 6 个中断矢量、 2 个优先权的中断机构。 （ 7）低功耗模式有空闲模式和掉电模式。 （ 8）编程频率是 324MH,编程启动电流是 1mA。 （ 9） AT89S52 的工作电压为 5V。 AT89S52 的主要功能 图 52单片机管脚功能图 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。