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1、 西安工程大学基于TCS230颜色传感器的色彩识别器的设计学号：0813014148姓名： 专业：电子信息科学与技术指导老师：2012年4月15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TCS23
2、0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AbstractAs the modern industrial production to high-speed, automatic direction of development, color recognition is widely used in various industrial areas of
3、detection and automatic control, and the production process has long played a leading role by the human eye color will be more and more recognition Be replaced by the corresponding color sensor. Such as: all kinds of surface color recognition (detection of color product packaging, the products look
4、like the color of the test, the liquid solution, the color change process of detection and control, etc.). And this is how by using the TCS230 color sensor to achieve color recognition function.First, by understanding light and color of a certain depth of knowledge (mainly primary colors of the indu
5、ction principle) and identify the color-depth study of the principles TCS230, TCS230 color sensor to achieve the function of color. Secondly, the measured data is processed, converted into RGB three colors of light values. Finally, the LCD will be processed by the data displayed. The design has the
6、characteristics of small size, low cost, functionality and so on.Keywords TCS230 Color-Sensor AT89S51 MCU Color-Recognition目 录摘要II1 绪 论31.1 研究背景31.2 色彩识别及颜色传感器技术的发展趋势31.2.1 颜色识别技术的研究成果31.2.2 国内颜色传感器的研究成果与动态41.3本论文的主要工作及意义52 颜色识别及颜色传感器技术介绍62.1 色彩识别62.2 色彩识别算法62.2.1色彩识别的应用62.2.2色彩识别一般算法62.3颜色传感器技术72.3
7、.1颜色检测的难点72.3.2颜色传感器82.4本章小结123 基于TCS230的设计133.1 MCS-51单片机简介133.2 颜色传感器及硬件电路的连接143.2.1 颜色传感器143.2.2 TCS230颜色传感器与51单片机的连接153.2.3 LCD1602与51单片机的连接163.3 TCS230颜色识别原理简介203.4液晶显示器各种图形显示的原理简介213.5本章小结214 色彩识别器系统的设计与实现224.1 系统结构框图224.2 TCS230驱动模块234.3 TCS230颜色采集模块的设计244.3.1 TCS230颜色采集模块与51单片机的接口244.3.2 TCS
8、230颜色采集模块的软件设计254.4 4个白色LED补光模块的设计274.5 LCD1602液晶显示模块284.5.1 LCD1602液晶显示模块硬件设计284.5.2 LCD1602液晶显示模块软件设计284.6 本章小结315 色彩识别系统的实验325.1色彩识别的实验过程325.2 实验结果分析325.3 本章小结326 结论与展望336.1 结论336.2展望33致谢34参考文献35附录 1 外文翻译36附录2 程序代码45附录3 电路图481 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
9、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。TC
10、S230它对光的动态响应范围大于250,0001，标准输出频率范围为2Hz500kHz，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。1.3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
11、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
12、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
13、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
14、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、
15、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。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
16、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
17、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
18、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。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
19、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
20、感器材料等多种,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：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
21、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。传
22、感器的光灵敏度可近似表示为Tr() Ir()I()Ph() ,式中Tr()为传感器的光谱灵敏度;Ir()为透过红外滤色片的光强;I()为透过液晶单元的光强;Ph()为光电二极管检测到的光强;为入射光的波长。透过液晶的光强 I()是加在液晶两端电压的函数,即I () = I0()sin2 (2) sin2 (R/) ,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()为射到液晶上的入射光强度;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
23、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()。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
24、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
25、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2.6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
26、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2.5V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2.7所示。从图2.7中还可以看出,ID
27、S 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。3 基于TCS230的设计 本论文主要是研究和设计色彩识别系统。本系统是以AT89S51单片机为核心，以TCS230颜色传感器和LCD1602为子系统建立起来的。3.1 MCS-51单片机简介MCS-51系列单片机是美国Intel公司在1980年推出的高性能8位单片机，它包含51和52两个子系列。对于51子系列，主要有8031、8051、8751三种机型，它们的指
28、令系统与芯片引脚完全兼容，仅片内程序存储器有所不同，8031芯片不带ROM，8051芯片待4KB的ROM，8751芯片待4KB的EPROM。51子系列单片机的主要特点为：4k8k字节程序存储器；128256字节数据存储器；32条IO口线；111条指令，其中大多数是单字节指令；21个专用寄存器：2个可编程定时计数器：5个中断源，2个优先级；一个全双工串行通信口；外部数据存储器寻址空间为64k字节：外部程序存储器寻址空间64k字节；逻辑操作位寻址功能MCS-51系列单片机应用十分广泛，各种教材和应用资料也很多。尽管INTEL公司本身没有在品种和功能上对MCS-51系列单片机作进一步的扩展，但是由于
29、lNTEL公司开放了MCS-51系列单片机的核心技术，加之51系列单片机已经成为8位通用单片机的公认标准，因此，许多著名的半导体生产厂家。如Atmel、Philips、Cygnal、Dallas等纷纷推出以80C51为基核的各具特色、性能优异、功能强大的单片机，形成了庞大的 80C51系列单片机家族，为熟悉51系列单片机的人们提供了最广泛的选择空间，也为51系列单片机注入了勃勃的生机。 3.2 颜色传感器及硬件电路的连接3.2.1 颜色传感器TCS230芯片的结构框图与特点: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CM
30、OS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，图3.3是TCS230的引脚和功能框图。图3.3 TCS230的引脚和功能图图3.3中，TCS230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，这些二极管分为四种类型，其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
31、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2Hz500kHz，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TCS230
32、的输出频率和计数器相匹配。从图3.3可知：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
33、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S0S1输出频率定标S2S3滤波器类型LL关断电源LL红色LH2%LH蓝色HL20%HL无HH100%HH绿色3.2.2 TCS230颜色传感器与51单片机的连接TCS230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3.4为TCS230颜色传感器的实物图。TCS230颜色传感器的S0管脚接51单片机的P1.0管脚，S1管脚接P1.1管脚，O
34、E管脚接P1.2管脚，GND管脚接地，Vcc管脚接电源，OUT管脚接P3.2管脚，S2管脚接P1.6管脚，S3管脚接P1.7管脚。如下图3.5所示。图3.4 TCS230颜色传感器实物管脚图图3.5 TCS230与单片机的连接图3.2.3 LCD1602与51单片机的连接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。液晶显示器按其功能可分为三类：笔段式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。前两种可显示数字、字符和符号等
35、，而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形，达到图文并茂的效果。字符型液晶显示器模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式液晶显示模块。它是由若干个5*7或5*11等点阵符位组成的，每一个点阵字符位都可以显示一个字符。点阵字符位之间有一定点距的间隔，这样就起到了字符间距和行距的作用。要使用点阵型LCD显示器，必须有相应的LCD控制器、驱动器来对LCD显示器进行扫描、驱动，以及一定空间的ROM和RAM来存储写入的命令和显示字符的点阵。现在往往将LCD控制器、驱动器、RAM、ROM和LCD显示器连接在一起，称为液晶显示模块LCM。使用时只要向LCM送入相应的命令和数据就可以实现显示所需
36、的信息。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。本文将介绍16*2字符型液晶显示模块CA1602A的应用。（1）、字符型液晶显示模块CA1602A的外观与引脚CA1602A字符型液晶显示模块是2行16字的5*7点阵图形字符的液晶显示器，它的外观形状如图3.6。图3.6 CA1602A的外观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
37、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（2）、指令格式与指令功能LCD控制器HD44780内有多个寄存器，通过RS和RW引脚共同决定选择哪一个寄存器，选择情况见表3.2。表3.2 HD44780内部寄存器选择表RSRW寄存器及操作00指令寄存器写入01忙标
38、志和地址计数器读出10数据寄存器写入11数据寄存器读出总共有11条指令，它们的格式和功能如下表3.3：表3.3 控制命令表序号指令RSRWD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存储器地址0001字符发生存储器地址8置数据发生存储器地址001显示数据发生存储器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内
39、容液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图3.7是1602的内部显示地址。图3.7 1602的内部显示地址1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大 小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址 41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。（3）、LCD显示器的初始化LCD
40、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。2、1602显示器与单片机的连接在本设计中，1602显示器与单片机的连接如下图3.8所示：Vss管脚接地，Vcc管脚接+5V电源，Vo管脚接地，RS管脚接P2.0管脚，RW管脚接P2.1管脚，E管脚接P2.7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。图3.8 1602显示与单片机连接图3.3 TCS230颜色识别原理简介TCS230识别颜色的原理:由上面的介绍可知，这种可编程的彩色光到频率转换器适合于
41、色度计测量应用领域，如彩色打印、医疗诊断、计算机彩色监视器校准以及油漆、纺织品、化妆品和印刷材料的过程控制和色彩配合。下面以TCS230在液体颜色识别中的应用为例，介绍它的具体使用。首先了解一些光与颜色的知识。（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
42、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；同时，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： 白平衡就是告诉系统什么是白色。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T
43、CS230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，使得TCS230对所检测的白色中的三原色是相等的。进行白平衡调整是为后续的颜色识别作准备。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
44、通三颜色的滤波器，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，室外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。3.5本章小结本章主要介绍了TCS230颜色传感器和LCD1602液晶显示器的相
45、应原理，以及它们与单片机的连接方式及相应的电路原理图，其中对TCS230颜色传感器的内部结构和各个管脚以及它们的功能作了详细介绍，另外对颜色传感器识别颜色的原理以及液晶显示器显示各种图形的原理进行了一定深度的介绍，为后面整个系统的具体设计提供了很好的帮助。4 色彩识别器系统的设计与实现4.1 系统结构框图 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4.1系统框架所示。实物图如4.2所示。图 4.1 系统框架图4.
46、2 色彩识别系统实物图4.2 TCS230驱动模块TCS230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，这些二极管分为四种类型，其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。本模块主要包括TCS230初始化、定时器初始化和颜色采集，具体程序如下：void TCS230Inital(void) DDRC= DDRC|0x0f;PORTC = PORTC|0x0f;PORTC = PORTC|0x20;DDRC= DDRC|0x20;PORTC = PORTC&0xdf;TCS230Mode(FrequencyMode,PhotoDiodeMode);void TimerInital(void)TCCR1A=0x00;TCCR1B=0x06;TCNT1
