基于试纸颜色识别的尿液分析仪设计

南 阳 理 工 学 院本科生毕业设计（论文）学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 自动化 学 生： 赵刚 指导教师： 黄大勇 完成日期 2014 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）基于试纸颜色识别的尿液分析仪设计Urine Analyzer Design Based on Color Recognition 总 计： 31 页表 格： 3 个插 图： 25 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）基于试纸颜色识别的尿液分析仪设计 Urine Analyzer Design Based on Color Recognition学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 赵刚 学 号： 1209624086 指 导 教 师（职称）： 黄大勇（副教授）评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院Nan yang Institute of Technology基于试纸颜色识别的尿液分析仪设计基于试纸颜色识别的尿液分析仪设计自动化专业 赵刚摘 要尿液分析是临床上至关重要的一项初步检查，是医学诊断中最为常用的方法之一。目前市场上的各种尿液分析仪种类繁多，本论文采用最新TCS230 芯片设计的快速检测尿液是否健康的一种分析仪。系统中包含了键盘控制、液晶显示、步进电机驱动、试纸感应、微型热敏打印机输出、颜色识别、上位机串行通讯等模块。与以往的尿液检测仪对比，本论文尿液检测设计更稳定、更精确、更快捷，成本更低。关键词颜色识别，单片机，MCS51，尿液试纸。Urine Analyzer Design Based on Color RecognitionAutomation Specialty ZHAO GangAbstract：Urine analysis is a preliminary examination on clinical critical, is one of the most commonly used method for medical diagnosis。There are many kinds of various urine analyzer on the market at present，This paper uses the TCS230 chip design of rapid detection of urine analyzer is a healthy。The system includes Keyboard control、Liquid crystal display m、Stepper motor drive、Paper induction、Miniature thermal printer output module、The color recognition module、Serial communication module etc.Compared with the urine analyzer in the past, This paper urine detection design more stable, more accurate, more efficient, lower cost.Key words: Color recognition, Microcontroller, MCS51，Urine dipstick目 录1 引 言.11.1 课题意义及其目的11.2 研究主要内容和预期目标11.2.1本课题工作内容.11.2.2本课题预期达到的目标.12 系统总体方案设计.12.1.1尿液分析仪的工作原理.12.1.2尿液分析仪的系统框图.22.2 MCU主控模块设计.32.2.1主控模块设计思路.32.2.2主要芯片功能介.33 显示、键盘模块设计63.1 显示模块设计.63.2 键盘模块设计84 打印输出模块设计104.1 微型热敏打印机设计104.1.1 工作原理104.1.2 主要器件选取114.2 热敏打印机硬件电路114.2.1 LTP1245热敏打印头11 4.3进纸步进电机控制.155 试样感应及运动控制模块165.1试样条感应模块工作原理.165.2试样条感应运动模块.175.3步进电机控制模块.19 6 颜色采集与数据处理206.1颜色识别的算法分析.236.2颜色传感器.236.3颜色传感器的软件编程.25结束语.26参考文献27致谢28281 引 言 1.1课题意义及其目的近年来，随着社会的进步和科学技术的发展，尿常规在临床上是至关重要的一项初步检查，不少病变早期就可以出现在蛋白尿或者尿沉渣中。若发现尿异常，通常是尿路或肾脏疾病的一个明显特征，尿液检测也是提供病理过程中本质的重要线索。近年来有许多人强调，主治医生应该为患者尿常规的检查亲力亲为，这也十分有利于医生在第一时间发现肾脏、尿路等疾病。从而可以及早发现病情，得到及时的治疗，具有十分广泛的社会意义。目前在医院中使用的尿液检测仪种类繁多，但是技术成熟，性能稳定，操作快捷简便、价格相对便宜的尿液分析仪仍是凤毛麟角。随着计算机技术的快速发展、新型的高性能低成本的芯片不断涌现，时代的发展迫切需要对这种设备进行更新设计，推陈出新，使其更稳定、更精确、更快捷和更低成本。1.2 研究主要内容和预期目标1.2.1本课题主要完成的工作内容包括：（1）尿液分析仪的主系统板设计：保证系统稳定性、抗干扰性设计基础上重点解决定标值存储易失性问题。（2）试样条感应及运动电机的控制：实现高速测试。（3）颜色采集与比对：重点解决精确度问题。（4）键盘、显示、打印输出设计及系统程序：保证操作简单、快捷。1.2.2 本课题预期达到的目标和以往的尿液分析仪相比，要保证仪器使其更稳定、更精确、更快捷和更低成本。2 系统总体方案设计2.1.1 尿液分析仪的工作原理尿液分析仪也称尿化学分析仪，是检测尿液中是否含有化学成分的自动化仪器设备，它也是医学界中对尿液自动化检测分析常用的重要工具，这种仪器具有操作简单、快速等优势。尿化学分析用尿液试样条检测，不同的厂商提供不同种类的试样条供选择。通常这些的试样条是一个塑料条，上面有一个或几个含有化学物质的反应块，尿液与试剂块接触后产生颜色变化。此仪器大多用微电脑控制，采用感光元器件采纳反射光的方式并针对颜色的变化来进行测定。试纸条是一种对尿液半定量检测十分方便快捷的方法。2.1.2 尿液分析仪的系统框图图 2.1 XX400 型尿液分析仪系统框图2.2 MCU 主控模块设计2.2.1 主控模块设计思路主控模块框图如图 2.2 所示：图 2.2 主控模块框图本文系统采用了MCS51 系列单片机做为主控系统，51 系列的单片机具有八位的数据处理功能，应用广泛、技术成熟、功能强大、性能稳定、价格低廉，市场供应商也最多，更重要的一点就是许多外接口芯片都可兼容。尤其是近些年，微电子技术的飞越发展，工程师们又开发出了更多51 内核的新型微处理器芯片，功能更强大、价格却更便宜。根据本系统功能的要求，八位机 11.0592MHz 的 51 单片机足够满足设计要求。由于外围接口比较多（键盘、步进电机、液晶显示等等）需要扩展两片可编程并行I/O接口芯片8255；采用74HC573数据缓冲器；采用译码器法设计地址，用74LS138 3 线8 线译码器芯片实现。本系统需要采用具有内部寄存器功能的DAS12887芯片做为实时时钟，一方面是为系统提供精确的实钟效果，另一方面也是为试样条感应器供给频率为1KHz的载波；采用DAS1230 做为存储测试值， 32K的存储容量，可存储近千条的试样条测试值。选择 P89v51RD2微控制器可以解决系统需要中文的菜单和系统程序在一起需要 ROM 空间大约60K的问题，也能解决需要存放一些易修改，不易丢失的定标值等重要数据的问题。整个系统软件的编程采用 KeilC 语言，编程环境需要是 uvision2 和 MedWin 混和平台。2.2.2 主要芯片功能介绍1、飞利浦89v51RD2是一款80C51微控制器，包含64kB程序存储器和1024字节的数据存储器。程序存储器同时支持并行与串行在系统编程（ISP）技术。并行编程的方式提供快速分组编程（页编程）方式，降低了编程成本，节约了上市时间。ISP可以在软件控制的范围内对成品中的元器件进行重复的编程，应用十分广泛。P89V51RD2并可以在应用中进行编程（IAP），实时对 Flash 程序存储器进行重新配置，即便应用程序在运行中也可以。如图2.3，P89v51RD2的引脚图：图 2.3 P89v51RD2 引脚图2、DS1230非易失性 RAM，存储容量32K，拥有掉电保存功能，内置装有电池，数据存储时间十年以上，并且与 6264 芯片管脚兼容，测试的值则存储在DS1230，能够存储 1K试样条的测试值,而每个试样条仅32个字节。管脚图如图 2.4 。图 2.4 DS1230 管脚图3、DAS12C887选取美国达拉斯半导体公司研发的DS12C887作为时钟日历芯片，自身带有锂电池和晶体振荡器，采用CMOS技术制成，在没有外接电源的情况下可工作10年之久。DS12C887功能丰富，可直接代替IBM PC上的DS12887,它的管脚同时也与MC146818B,DS12887兼容。选用DS12C887芯片设计的时钟具有良好的微机接口也无需任何外围电路。其功耗小、性能稳定可靠、精度高、外围接口简单的优点占有广泛市场。图 2.5 DS12C887 的管脚图4、其它芯片：8255：可编程并行I/O接口芯片，每片可扩展三个并行I/O口，为了给报警、键盘、显示等提供足够的系统并行口资源，采用了2片8255。74LS138：三线-八线译码器，输出端做为外部芯片的片选信号，输入端采用 P2口高位地址线，用来提高地址线使用效率。74HC573：为地址锁存器，51单片机的 P0 口为地址数据分时复用，数据和地址线分开要采用地址锁存器，在对PCB布线时74HC573的管脚排列布线时较其他芯片而言更为方便。3显示、键盘模块设计3.1显示模块设计显示模块选取的是内置 T6963C 控制器的图形点阵式显示模块 SG24064-02D，T6963C是点阵式液晶图形显示控制器,与80等系列的8位单片机接口,T6963C具有硬件初始值设置功能，显示驱动所需的占空比参数(占空比可从1/16到1/128)，引脚电平可以设置驱动传输的字节数行及字符的字体，致使T6963C的初始化在上电时就能够完成，软件操作就可全部用于显示画面的设计上。内置T6963的液晶显示模块已经实现了T6963C与显示缓冲区RAM及列、行驱动器的接口，同时也已用硬件设置了液晶屏的结构（单、双屏），数据传输方式，显示窗口长度、宽度等。内藏 T6963C 得到单屏结构点阵图形液晶显示模块的方框图如图 3.4 所示。图 3.1 液晶显示模块内部示意图MPU 与模块之间有两种访问方式，一种是间接控制，一种是直接访问，本系统采用的是直接访问方式。8051数据口P0口可直接与液晶显示模块的数据口连接，由于T6963接口适用于51系列的 MPU，并允许MPU随时访问显示缓冲区甚至可以进行位操作，所以可直接用 8051 的WR、RD作为液晶模块的写、读控制信号，液晶显示模块 RESET、HALT 连+5V。C/D信号由 8051 地址线提供，片选信号可由地址线设码产生，为 0 时数据地址，为 1 时指令地址。在汇编程序中对其访问可用MOVX 指令， C51程序中可以直接引用地址。表 3.1 为SG24064-02D 的引脚功能介绍。图 3.2 直接访问方式表 3.1图形点阵式显示模块引脚功能序号符号功能1FG0V液晶铁框引出端，将此端接地2VSS11.0V逻辑电源地3VDD11.0V逻辑电源正4VO-LCD驱动电压输入端，请参照图11-2连接5/WRL-H写数据信号，上升沿锁存6/RDL-H读数据信号，上升沿锁存7/CELLCD选通信号，低有效8C/DH/L命令货数据，高电平9NC-没有连接10/RSTL复位信号，低有效11-18DB0-DB7H/L位数据总线19FSH/L字体选择20VOUT-10VLCD模块DC/DC 电路输出端21LED+11.0V背光电源正端22LED-0V背光电源负端3.2鍵盘模块设计根据系统对16 个按键定义，如图 3.2所示：图 3.3按键控制板简图行列设计为44，对于按键数量较多的情况适合使用矩阵式键盘（也称行列式键盘），它由列线和行线组成，按键分布在行、列的交叉点上。如图 3.2 所示：图 3.4 键盘电路图为了节省系统的时间，系统采用键盘使用中断方式，检测到有按键则从中断进入键盘程序，无操作下则不检测键盘。由于不需要实时对键盘进行检测，便大大提高了系统的工作效率。产生中断后，键盘中断子程序中采用线反转法来判断键值。图 3.5 键值判断子程序4打印输出模块设计本系统要求打印机必须具有随时打印测试结果的效果，选用了热敏微型打印机最为打印输出模块，热敏微型打印机其字迹清晰、速度快、噪声小、无需更换色带的特点大大超越了传统打印机。4.1 微型热敏打印机设计主要由串行通讯、步进电机驱动、主控芯片、缺纸检测、温度过高保护、等模块组成，其中串行通讯模块实现与主机通讯，接收打印数据，步进电机驱动模块实现控制打印纸进纸及走纸速度，打印机的主控芯片采用 51 单片机，缺纸检测模块可以检测到打印头的缺纸信号，温度过高保护模块实现对打印头加热元件进行的过热保护。如图 4.1 为51 单片机与各模块的接口功能图。图 4.1 热敏微型打印机系统模块功能图4.1.1 工作原理热敏打印机只能使用专用的热敏纸，热敏纸上涂有一层遇热就会产生化学反应而变色的涂层，热敏打印机芯上有一排微小的半导体元件，这些元件排得很密，从 200dpi到 600dpi 不等，这些元件在通过一定电流时会很快产生高温，当热敏纸的涂层遇到这些元件时，在极短的时间内温度就会升高，热敏纸上的涂层就会发生化学反应，现出颜色。热敏打印机接收到打印数据后，将打印数据转换为位图数据，然后按照位图数据的点控制打印机芯上的发热元件通过电流，这样就把打印数据变成打印纸上的打印内容了。4.1.2 主要器件选取选择热敏打印头主要考虑清晰度、打印宽度、打印速度、价格等参数，这些参数是由加热元件的个数、加热元件排列密度、步进电机步距转速、加热元件受热反应时间来决定，通常高清晰度、高速打印头中所含加热元件的个数也就越多，加热元件是关键部件，也是最易损坏的部件，在系统设计过程中稍微不注意，通电时间过长，就会导致其损坏，所以在高清晰、高速打印头中基本都加有热敏电阻以便进行过热保护设计。本系统经过综合考虑选择 LTP1245 热敏打印头进行设计。主控芯片内置程序存储器，存储主控程序和打印字库，同时还需要一部分数据存储器用做打印数据的缓存区。本系统中采用了 STC89C58 做主控芯片，内置 32K 字节的程序存储器存放程序和常用字库，1280 字节的数据存储器，还有 24K 字节的 EEPROM 可随时扩展字库。4.2 热敏打印机硬件电路4.2.1 LTP1245 热敏打印头图 4.2 LTP1245 热敏微型打印头内部结构打印头有两根扁平电缆接口，其中一根为 20 芯，是加热元件控制部分，另一根 9芯是步进电机与其它元件控制部分。 表 4.1 是 20 芯扁平电缆的管脚功能说明 序号名称输入/输出功能描述1Vp输入加热元件工作电压2Vp输入加热元件工作电压3GND-地4GND-地5GND-地6DAT输入数据串行输入端7CLK输入数据传送信号同步端8/LATCH输入数据锁存端9DST6输入热敏打印头打印激活指示信号端10DST5输入热敏打印头打印激活指示信号端11DST4输入热敏打印头打印激活指示信号端12DST3输入热敏打印头打印激活指示信号端13DST2输入热敏打印头打印激活指示信号端14DST1输入热敏打印头打印激活指示信号端15TH-热敏电阻的输出端16Vdd输入（5v）17GND-地18GND-地19Vp输入加热元件工作电压20Vp输入加热元件工作电压其中，Vp 为加热元件工作电压，取值范围在 4.2V 至 8.5V 之间，电压越高，加热时间越短，打印速度也就越快。Vdd 是控制电路逻辑电平，取值范围在 4.5V 至 5.5V之间。LTP1245 有 384 个加热元件，排列成行，每次可打印一行，与加热元件相对应有384 个移位寄存器以便控制加热元件，这些数据是主控芯片通过 DAT 和 CLK 管脚串行移位输入，每行 384 位数据传输完毕后，给 LATCH 管脚置低将数据锁存。DST1DST6 是启动加热控制信号端，每 64 个点为一个控制块，共六个控制块，可以分别进行加热，这样的设计是为了避免加热时产生的瞬时大电流，因为打印内容的不确定性，在同一时刻启动加热元件的个数也不相同，所以每次加热时的电流也不一样，在打印一行数据时采用 1、3、5 同时加热，然后 2、4、6 同时加热的方式。DST 的高电平脉宽，也就是元件加热时间的控制是设计的关键问题，如果时间太短，打印字迹过浅，或者无法打印，但是如果时间过长，则会导致加热元件的损坏，同时还要考虑到前一行加热后的余热积累等问题。加热时间公式：t：加热时间（毫秒）E：环境热能影响系数：主要包括环境温度、纸张选择。在 25时使用普通热敏打印纸时值为 1。V：加热电压影响系数：当加热电压 Vp 大于 5.5V 的时候 V=Vp1.2-1.8，当加热电压 Vp 小于 5.5V 的时候 V=Vp1.4-2.9。R；打印头电阻系数= RH：打印头实际电阻 178.5Rc：公共端点电阻 0.1rc：Vp 与 GND 之间电阻（）N：同一时间内启动加热元件的个数C：加热周期系数11.15/(1.9+W)，W2000/步进电机频率本系统采用 5V 的加热电压，在常温下步进电机频率采用 200PPS 时，加热脉宽为 45 毫秒。H 管脚是热敏电阻的输出端，在实际的应用中，由于打印内容的不确定性，尤其是在高速打印设计中，施加电压较高，极易损坏加热元件，所在打印头内置热敏电阻，通过对热敏电阻的测量，可以设计过热保护电路。表 4.2 是九芯的扁平电缆管脚说明，其中四根管脚是步进电机控制端，其它还包括缺纸检测、进纸头方向等器件。表 4.2 步进电机与其它部分控制管脚功能序号名称功能描述1HS进纸方向检测2Vhs进纸方向检测发光管电平端3GND地4PS缺纸检测输出信号5Vps缺纸检测电源6Error! No bookmark name given.电机驱动信号7B电机驱动信号8A电机驱动信号9电机驱动信号缺纸检测和进纸方向是采用发光二级管和感光三极管组成，如图 4.3 所示，其中VHS 为进纸方向检测发光管电平端，HS 为进纸方向感光管输出端，VPS 是缺纸检测发光管电平端，PS 为缺纸信号感光管输出端。HS 信号为高电平表示进纸方向正确，PS 信号为高电平表示存在打印纸。图 4.3 进纸方向与缺纸检测内部结构4.3 进纸步进电机控制打印头的步进电机为四相步进电机，工作电压 4.2V-8.5V，工作电流每相 0.15A，工作频率在 501000PPS。步进电机的工作时序，在正常进纸时以“步 1步 2步 3步 4”的顺序送出控制信号，在退纸时以“步 4步 3步 2步 1”的顺序送出控制信号。步进电机驱动设计采用打印头数据手册(Data Sheet)中推荐的参考电路设计。5.试样感应及运动控制模块5.1 试样条感应模块工作原理试样条感应模块是保证系统运动控制模块正常运行的关键，其工作原理如图 5.1所示：图 5.1 运动控制模块工作原理示意图本系统为了实现快速批量检测，采用连续运动装置：首先把试样条放置在试样托盘上，在其上方有四个发光管和四个感光元件，发光管是高亮度红色发光二极管，感光管为光敏电池，感光电池在光照时会产生微弱电压，在本系统中是采集试样条的反射光，将电压滤波放大后经 AD 转换送入 CPU 进行判断。托盘是黑色的，试样条前端为白色，当有试样条放置在托盘上的时候，CPU 会检测到，这时推条装置在推条电机的带动下向右拉动，将试样条送至右侧的运条托盘上，运条托盘中有 9 个试样条位置，每测试一次向右移动一个位置，测试装置中包括测试头和测试电机，测试头的运动是纵向，依次采集试样条中每一个试样块的颜色值，测试头工作原理会在下章节中介绍。5.2 试样条感应运动模块图 5.2 TLC4066 模拟开关通道图 5.3 发光二极管与感光电池图 5.4 GAL16v8 外围控制电路图 5.5 GAL16v8 内部原理图(a) 带通滤波(b)放大保持5.3 步进电机控制模块根据设计要求,要求实现快速试纸分析,所以在机械上设计了三个步进电机,为了更方便的驱动步进电机,系统才用 ucn5804 步进电机专用芯片进行驱动。图 5.7ucn5804 芯片管脚图1、ucn5804 管脚介绍：管脚 1：管脚 1、3、6、8 分别对应四相脉冲输出的 B、D、C、A。主 CPU 给 ucn5804输送脉冲，芯片按顺序输出 A、B、C、D 脉冲信号，该信号接到步进电机的脉冲输入端。管脚 2：管脚 2、7 接+12V。管脚 4：管脚 4、5 接地。管脚 9：控制电机脉冲输出方式，若 9 脚为低电平，脉冲每次输出两相脉冲信号（AB-BC-CD-DA-AB），即主 CPU 每送入一个脉冲，芯片向电机输出两相电脉冲；若 9 脚为高电平，芯片每次输出两相脉冲信号（A-B-C-D-A），即主 CPU 每送入一个脉冲，芯片向电机输出两相电脉冲。管脚 10：控制电机接收脉冲后的步长，若 10 脚为低电平，芯片控制电机每步运行一整个步长，即芯片送出的脉冲顺序为 A-B-C-D-A 或 AB-BC-CD-DA-AB；若 10 脚为高电平 ， 芯 片 控 制 电 机 每 步 运 行 半 个 步 长 即 芯 片 送 出 的 脉 冲 顺 序 为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。管脚 11：5804 芯片的脉冲输入端，信号由主 CPU 送入。每送入一个信号，芯片送出一个控制信号。CPU 不产生输入信号时，芯片不产生输出脉冲。管脚 12：管脚 12、13 接地。管脚 14：控制电机的正反转，若 14 脚为低电平，电机正转；若该脚为高电平，电机反转。管脚 15：5804 芯片的片选信号，该脚为低时芯片可以工作，为高时芯片不工作。管脚 16：接+5V 电源。2、ucn5804概述与工作特点ucn5804是一片集成步进电机驱动芯片，它的输出管脚可以接到步进电机的输入端，直接驱动步进电机工作。在信号输出端接一反向二极管后连到步进电机上，芯片可以承受最大1.5A的反向电流以及最大35V的电压。Ucn5804可选择多种工作方式，在单脉冲输出状态下，电机可以按四相四拍的工作方式运行（A-B-C-D-A）。在双脉冲输出状态下，电机可以按四相四拍的工作方式运行（AB-BC-CD-DA-AB）或四相八拍的工作方式（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）。5.8芯片驱动脉冲时序分配见ucn5804 芯片的连接电路以图 5.8 为例：芯片的脉冲输入端，方向控制，片选分别接到 P1 口的 P1_0、P1_2、P1_3。根据电机运转的实际需要，由主 CPU 送不同的控制字。图 5.9 基于 ucn5804 的驱动电路图电机正转的程序为：#include void delay() /延时时间可自己设定void main()for(;)P1=0x09;delay();/延时不可过短，否则会丢步P1=0x08;/P1.0 口产生一个下跳沿脉冲电机反转的程序为：#include void delay() /延时时间自己设定void main()for(;)P1=0x09;delay();/延时不可过短否则会丢步P1=0x08;/P1.0 口产生一个下跳沿脉冲6颜色采集与数据处理6.1 颜色识别的算法分析测量被测对象物的颜色，就可通过测量其所包含的 R、G、B 成分各自所占的比例识别出来，但是在尿液试纸条的测试实验过程中，不是所有的 RGB 值在测试项目中都有很明显的反应，例如下图是尿胆原试纸条在不同光线下的反射率反应图，图中每个曲线代表了不同的尿胆原含量的浓度值从图中可以看出可以根据波长为 570nm（绿色）的光线反射率的大小很理想的判断出尿胆原浓度。所以程序中在测试尿胆原项目时，我们只读取绿色滤光片的值进行判断。图 6.1 尿胆原试纸条反射率与波长的关系6.2 颜色传感器传统尿液分析仪的颜色识别均采用非结晶硅光传感器，在反射光处加三色滤光片，或采用不同波长的照射光源，通过反射光在硅光传感器上产生电流，经过电流/电压转换、电压放大、多路开关、AD 转换，然后送入单片机进行处理。本系统采用最新的颜色传感器 TCS230，在提高测量精度的同时又使检测硬件更加简单。TCS230 是 TAOS(Texas Advanced Optoelectronic Solutions)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，同时在单一芯片上还集成了红绿蓝(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它逻辑电路相连接。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 6.2 是 TCS230 的引脚封装和功能框图。图 6.2 TCS230 引脚图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。这些二极管共分为四种类型。其中 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。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。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。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 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入引脚时，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。图 6.3 是 S0、S1 及 S2、S3 的可用组合。图 6.3 管脚功能定义系统光源采用 6 个白光二极管，二极管可以通过 9C102 数字电位器进行亮度调节。6.3 颜色传感器的软件编程TCS230 的软件编程非常简单，需要用到两个定时器资源，OUT 引脚接 CPU 的 T1输入，用定时器 T1 设置为计数方式进行频率计数，用定时器 T0 设定为定时方式进行定时，在固定的时间内采集到的频率值即为颜色值。为了保证系统数据的处理，这个值还要进行相应的标度转换，通过白平衡测试后所得到的比例系数进行调整。在试纸基座上有个测试区域是个标准白块，系统开机时的自检时首先进行“追光”，在标准白块上调整标准光源的亮度，使之达到系统定标预设值，这样可以减小环境光对系统测试值的影响，同时进行系统白平衡测试。结束语本设计的主控板，外围器件包括两片可编程并行口扩展芯片 8255、译码器74LS138、