基于RGB230色敏探测器的颜色识别系统设计论文说明

1、摘要随着现代工业生产向高速化、自动化方向发展，需要准确测色的领域越来越广泛，要求也越来越高。很多文献只能得到被测物体颜色的RGB值，而如果能有效获得被测物体颜色的具体颜色信息，可以直接在LCD上显示颜色的英文屏幕，相对而言。更加直观和适用。针对这一问题，论文通过对颜色识别原理和方法的全面考察，最终确定采用RGB230色敏探测器与STC89C52单片机相结合，设计出一种高精度、高稳定、抗干扰、价格低廉的检测系统平台。根据设计的程序对信息进行处理和判断，最后将检测到的颜色结果显示在液晶屏上。最后，可以准确识别出红、绿、蓝三种颜色。关键词：RGB230颜色识别系统设计比色法STC89C52基于RGB

2、230色敏的颜色识别系统设计摘 要随着现代工业生产向高速化、自动化的方向发展，需要准确测色的领域越来越广泛，要求也越来越高。很多给定的文献只能得出被测物体颜色的RGB值，而如果能得出有效测量物体颜色信息的具体颜色，直接以英文液晶屏上显示的颜色，相对更直观.为解决这一问题，论文通过综合考察颜色识别原理和方法，最终确定采用RGB230色敏检测仪结合STC89C52单片机设计出高精度、高稳定性、抗干扰、价格低廉的颜色检测系统平台。在模拟成功的基础上，我们在实验室条件下，按照测色系统的设计方案进行搭建和调试，最终能够准确识别出红、绿、蓝的颜色。关键词： RGB230；颜色检测系统； HYPERLINK

3、 app:ds:colorimetry 比色法； STC89C52目录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc5346 摘要 PAGEREF _Toc5346 II HYPERLINK l _Toc20258 摘要 PAGEREF _Toc20258 三 HYPERLINK l _Toc20234 第1章绪论 PAGEREF _Toc20234 1 HYPERLINK l _Toc4740 1.1 研究目的和意义 PAGEREF _Toc4740 1 HYPERLINK l _Toc20721 1.2 国外研究现状 PAGEREF _Toc20721 1 HYPERLINK

4、 l _Toc17354 1.3 课题研究内容 PAGEREF _Toc17354 1 HYPERLINK l _Toc18125 第二章颜色测量的主要理论基础 PAGEREF _Toc18125 3 HYPERLINK l _Toc14668 2.1 配色 PAGEREF _Toc14668 3 HYPERLINK l _Toc1196 2.2 比色法 PAGEREF _Toc1196 4 HYPERLINK l _Toc14760 2.3 CIE 标准比色系统 PAGEREF _Toc14760 4 HYPERLINK l _Toc5712 第三章 系统硬件电路设计 PAGEREF _To

5、c5712 7 HYPERLINK l _Toc2734 3.1 白光LED补光灯电路 PAGEREF _Toc2734 7 HYPERLINK l _Toc22271 3.2 RGB230 色敏探测器 PAGEREF _Toc22271 8 HYPERLINK l _Toc23678 3.3 I/V转换电路 PAGEREF _Toc23678 9 HYPERLINK l _Toc6299 3.4 电压放大电路 PAGEREF _Toc6299 10 HYPERLINK l _Toc6825 3.5 A/D转换电路 PAGEREF _Toc6825 11 HYPERLINK l _Toc237

6、46 3.6 信息处理 PAGEREF _Toc23746 12 HYPERLINK l _Toc15194 3.7 LCD液晶显示器 PAGEREF _Toc15194 16 HYPERLINK l _Toc30675 第 4 章 系统软件设计 PAGEREF _Toc30675 18 HYPERLINK l _Toc9430 4.1 程序流程设计 PAGEREF _Toc9430 18 HYPERLINK l _Toc29943 4.2 算法设计 PAGEREF _Toc29943 18 HYPERLINK l _Toc17353 4.3 颜色检测子程序 PAGEREF _Toc17353

7、 19 HYPERLINK l _Toc2982 4.4 配色子程序 PAGEREF _Toc2982 19 HYPERLINK l _Toc321 4.5 LCD子程序 PAGEREF _Toc321 19 HYPERLINK l _Toc14924 第 5 章 实验测试与分析 PAGEREF _Toc14924 20 HYPERLINK l _Toc32072 5.1 系统软硬件测试 PAGEREF _Toc32072 20 HYPERLINK l _Toc30442 5.2 实验结果分析 PAGEREF _Toc30442 21 HYPERLINK l _Toc23415 5.3 影响测

8、量结果的因素 PAGEREF _Toc23415 22 HYPERLINK l _Toc11752 第 6 章 结论 PAGEREF _Toc11752 24 HYPERLINK l _Toc6395 参考文献 PAGEREF _Toc6395 25 HYPERLINK l _Toc18560 至 PAGEREF _Toc18560 26第一章简介在当今社会生产生活中，颜色检测的应用越来越广泛，无论是图像处理、材料分拣识别、产品质量检测、工业自动化，还是其他检测系统都需要检测颜色。然而，颜色传感器的快速发展使得生产过程中以人眼为主的颜色识别工作越来越多地被颜色传感器所取代，这为生产的自动化提供

9、了可能。1.1研究目的和意义在色彩科学发展的早期，目测法是主要的测色方法，但由于光照条件、背景亮度以及与测色人员的视觉和心理差异等因素，结果会有较大误差。由于这种方法存在很大的不足，限制了人类的发展，越来越多的人开始意识到颜色测量的重要性。随着科学技术的发展，我们的生产生活发生了翻天覆地的变化。数字化、高速化和自动化产品非常受欢迎。长期以来，在生产过程中，人眼对颜色的识别起着主导作用。越来越多的被相应的颜色传感器所取代，人们逐渐得到解放。这无疑节省了大量的物力和人力，方便了人们的生活。由于科学技术发展的趋势和人们生活的需要，对色彩探测器的研究是非常必要和有意义的。他们研发的产品市场广阔，将有利

10、于自动化行业及相关行业的发展。1.2 国外研究现状一些发达国家非常重视颜色检测，部分产品已达到适用水平。在 1960 年代，IDL 公司开发了一个原型。 1970年代后期，美国麦克白公司生产的MS-4045在线分光光度计趋于适用。 1980年代初，日本芝原电机研制的在线测色仪也取得了不错的效果。美国的Macbeth、SheLyn、Hennegan、BYK-Garder等，德国的Eltrotec、Zeiss、Optronic等欧美大型色彩控制仪器公司已经控制了世界色彩检测仪器市场。由于我国颜色识别兴起较晚，仪器测色理论与体系的研究领域一直处于相对落后的状态。很多企业仍然采用原有的视觉方式，严重制

11、约了我国色彩行业的发展。虽然部分企业采用了国外先进的测色仪器，但由于价格、生产工艺不统一等因素，国外未能完全打开中国的视野。颜色检测系统在实时检测和自动控制中具有重要意义。单片机和微机的引入，提高了颜色识别的速度和智能化。中国与国外还有很大差距。颜色识别的准确性、灵敏度、颜色范围和快速性已成为颜色识别的主要问题。有必要对传统的颜色识别系统进行深入研究，同时了解国外先进的颜色识别仪器可以给我们一定的启示。1.3 课题研究内容本毕业设计是基于RGB230色敏检测仪设计一种颜色检测系统，可以自动识别被检测物体的颜色。根据上述要求，本文阐述了RGB230色敏检测器与STC89C52相结合的检测系统。整

12、个系统主要分为传感器采集、I/V转换、电压放大、滤波、A/D转换、单片机处理。显示器和液晶显示七个模块。本文首先详细阐述了设计方案，然后详细解释了各个程序的功能特点，然后对搭建的电路系统进行了测试和分析。第二章测色的主要理论基础2.1 配色颜色是不同波长的电磁辐射作用于人类视觉器官所产生的视觉体验。光源、被观察物体和观察者是色觉形成的三个主要组成部分。人眼可以检测到波长在380nm-760nm范围内的光，称为可见光。物体的颜色是由物体对可见光的反射和透射特性决定的。由于物体的物理或化学性质，物体会吸收某些波长的光，同时反射其他波长的光。物体本身显示的颜色取决于吸收了哪些波长的光以及反射了哪些波

13、长的光。当反射光被观察者接收到时，观察者的大脑将具有一定成分的光波感知为特定的颜色。不同的光与物体相互作用产生不同的光波成分，从而产生多种颜色。任何物体的颜色都可以通过红、绿、蓝三基色按一定比例混合得到。颜色可以分为两类：无彩色和彩色。消色差是指由白色、黑色和各种深浅的灰色组成的系列，成为黑白系列。颜色是指除白色和黑色系列以外的所有颜色。颜色具有三个属性：色调、亮度和饱和度。色相用于表示红、黄、绿、蓝、紫等颜色相互区别的特征。亮度代表人眼对物体明暗的感知。物体的亮度越高，亮度越高；不发光物体的反射率越高，亮度就越高。饱和度是指颜色的纯度，用于评估颜色成分在整体视觉中的视觉特性。配色实验是比色学

14、中最基本的心理物理实验。实验证明了配色的一个基本定律，称为配色恒常定律：相互匹配的两种颜色，尽管条件不同，始终保持匹配，即无论颜色周围环境如何变化，或经过人眼已经适应了其他颜色的光再观察，视野中的两种颜色总是匹配的。实现与被测颜色颜色匹配所需的三基色数称为三刺激值。如果C表示匹配颜色的单位，则R、G、B表示产生混色的红、绿、蓝三基色的单位。 R、G、B、C分别代表红色、绿色、蓝色和匹配颜色的数量。当两半视场相互匹配时，这个结果可以用下式表示：(2.1)式中，符号“”代表视觉上的平等，即颜色相互匹配； R、G 和 B 是代数，可以是负数。一般来说，三色值可以用来定量描述颜色，但通过配色实验来获得

15、各种颜色的三色值是不现实的。因此，根据颜色相加原理，混合颜色的三刺激值是各成分颜色的三刺激值之和。将待测光的光谱分布函数与波长加权的光谱三色值相结合，得到各波长的三色值，再在可见光波长处积分，得到待测物的三色值。其计算公式为：(2.2)2.2比色法在色度上，我们不直接用三刺激值R、G、B来表示颜色，而是用三基色中的每一种与R+G+B总量的相对比值来表示颜色。将式(2.1)两边除以R+G+B，考虑C=R+G+B，可写为单位方程：(2.3)从方程可以看出，一个颜色单位的色度C只取决于三基色的刺激值在R+G+B总量中的相对比例。这个比值称为色度坐标，符号为r、g、b。表示，r+g+b=1。(2.4)

16、虽然色度坐标有r、g、b三个量，但由于r+g+b=1，本质上只有两个独立的量。以色度坐标表示的平面图称为色度图。因此，任何颜色在色度图上的位置都可以通过简单地给出两个坐标r和g来确定。2.3 CIE 标准比色系统使用三刺激值来定量描述颜色是一种可行的方法。为了统一被测物体颜色的三刺激值数据，将国际照明委员会（CIE）规定的颜色测量原理、基础数据和计算方法称为CEI标准比色系统。其中，CIE1931标准比色系统是1931年在英国剑桥召开的第八次CIE会议上建立的，包括CIE1931-RGB和CIE1931-XYZ两个系统。系统规定，任何物体的颜色都可以用红、绿、蓝三种颜色表示，即物体的颜色三刺激

17、值R、G、B或X、Y、Z。2.3.1 CIE1931-RGB色度系统国际照明委员会（CIE）综合了赖特（WDWright）和J.公会（J. Guild）的两个配色实验，规定两者使用的红、绿、蓝三基色的波长为700nm , 546.1nm, 435.8nm, 并取它们的实验结果的平均值来确定与等能光谱颜色相匹配的三刺激值，从而制定出CIE1931-RGB色度系统。经实验计算确定，当三基色的亮度比为1.0000：4.5907：0.0601时，可以匹配等能量的白光，故选择该比值作为红、绿、绿三基色的单位量。蓝色的。2.3.2 CIE1931-XYZ标准色度系统为了解决CIE1931-RGB色度系统计

18、算颜色三刺激值时出现负值的情况，CIE推荐了一种新的国际通用色度系统，即CIE1931-XYZ标准色度系统。系统用三个虚基色X、Y、Z代替CIE1931-RGB色度系统的R、G、B，选择匹配的等能白光确定三 刺激值的单位。在这个系统中，光谱三刺激值都是正的，所以在选择三基色时，三基色形成的颜色三角形必须能够包含整个光谱轨迹。 CIE1931-XYZ色度系统中的光谱三色值X、Y、Z和色度坐标x、y、z均变为正值。通过数学推导和坐标变换，两个系统中的三刺激值之间的关系为：(2.5)两系统色度坐标的换算公式为：(2.6)2.3.3 CIE1964标准色度系统为了满足大视场情况下颜色测量的需要，CIE

19、在1964年规定了一套CIE1964补充标准观察者光谱三刺激值和相应的色度图。这套系统称为CIE1964标准色度系统。该系统扩大了视野，可以更全面地表现颜色。研究表明，当人眼用于在“小视野”内观察颜色时，区分颜色差异的能力较低。随着视野从 2 增加到 10，颜色匹配的准确性也提高了。但是，如果进一步扩大视野，配色精度的提升并不大。2.4 颜色测量方法目前，根据获得三刺激值的方式不同，测色方法一般有目测法、分光光度法和光电积分法三种。RGB230色敏探测器的测量方法是光电积分法。它模拟人眼三刺激值的特性，利用光电积分效应直接测量颜色的三刺激值。它不测量某一波长的颜色刺激值，而是在整个测量波长范围

20、内一次对被测颜色的光谱能量进行积分，得到样品颜色的三刺激值X、Y、Z，然后计算样品的色度。坐标和其他色度参数。它使用能够对光谱响应进行滤光片校正的滤色片，使其符合 CIE 标准观察者。同时对光源进行过滤和校正，使其符合标准照明器的相对光谱功率分布。虽然在测量原理和具体成分的精度上有不足之处，但由于测色法是通过测量构成物体颜色的三基色来实现颜色检测的，所以精度极高，可以准确区分相似颜色的机器，即使是相同的颜色深浅不一。此外，它的测量速度快，实时性好，因此被用作为该颜色检测系统设计的传感器。第三章系统硬件电路设计由于RGB230色敏检测器的输出是nA量级的微弱电流信号，对于电流信号，首先要转换成电

21、压信号，经过放大和模拟后送到处理器做进一步的数据处理。 - 数字转换。单片机对这些信息进行处理和判断。当处理后的信号与存储的参考值一致，并在一定的误差范围内时，单片机在液晶显示器上显示颜色信息。为了获得处理器能识别的信号，整个系统主要分为七个模块：白光LED补光灯、传感器采集信号、I/V转换、电压放大、A/D转换、单片机处理器和LCD显示，如图 3.1 所示。图 3.1 系统硬件整体框图3.1 白光LED补光灯电路在本设计中，为了消除外部光源不稳定性的影响，RGB230色敏探测器的颜色采集模块需要在暗室中进行，因此需要额外增加一个稳定光源.采用高亮度白光LED作为光源，是一种稳定性极高、使用寿

22、命长、体积小、可长时间稳定工作的新型固体光源。为了保护白光LED不被烧坏，需要串联一个电阻来限制电流。该模块主要使用 4 个白色 LED 环绕 RGB230 色敏探测器。光线照射在被检测物体上，然后反射到RGB230色敏探测器，达到适当光强的目的。其电路原理图如图 3.2 所示。图 3.2 白光 LED 补光灯电路3.2 RGB230色敏探测器RGB230色敏探测器采用4pin表面贴装封装，其中3个分别输出R、G、B光电流，1个为阴极。它是三个集成在芯片上的 Si-PIN 光电二极管，并覆盖有各自经过校正的红色、绿色和蓝色滤光片。通过获得的红、绿、蓝三色值检测所有颜色。 .它是一个长 5.12

23、 毫米、宽 3 毫米的小型三色传感器，如图 3.3 所示。(a) 实物图 (b) 结构图图 3.3 RGB230 色敏检测器RGB230色敏探测器将光转化为R、G、B光电流，三个Si-PIN光电二极管直接接收光强，直接将光强转化为光电流。探测器采集彩色信号时，红、绿、蓝区域的三个引脚会输出电流信号，电流输出稳定，不会随温度变化而变化。当入射光照射到RGB230上时，通过彩色滤光片形成红、绿、蓝三种颜色分量，三个PN结会产生相应的光生载流子，形成光电流。其等效电路如图 3.4 所示。我们可以通过对输出的三路光电流进行处理来获得特定的颜色信息，从而确定不同的颜色。图 3.4 等效电路RGB230色

24、敏探测器具有小尺寸设计和同时记录三种颜色的特点，颜色传感器对相似颜色和色调的监测可靠性高。三个不同区域的颜色识别反应，类似于人眼。每个光电池对相应光谱滤光片颜色的光最敏感，主要是红、绿、蓝。传感器的测量方式是通过分析红、绿、蓝光的比例来确定被测物体的颜色。因为无论探测距离如何变化，都只能引起光强的变化，而三色光的比例不会改变，所以在目标有机械振动时也能被探测到。3.3 I/V转换电路根据被检测物体的颜色和照明光的强度，RGB230色敏探测器的输出信号一般在几十到几百纳安量级，如此小的微电流给测量带来不便。首先，需要将如此微弱的电流转换成电压信号，方便后续的A/D转换和单片机处理。更可靠的I/V

25、转换方法是通过电阻采样将微弱的电流信号转换为mV级的电压信号。它具有线性度好、外加工作电压低、暗电流低等优点。其基本原理图如图 3.5 所示。图 3.5 I/V 转换电路从上图所示的电路图中得到的输出电压为(3.1)式中， 是输入电流， 是采样电阻， 是与测量电流成正比的输出电压。如果运放的增益很高，而运放的输入失调电压很小，当运放的输入阻抗很大时，比采样电阻大2-3个数量级，所以I/V 转换的输出为：(3.2)因此，在设计电路时，寻找低输入偏置电流和低失调电压的运算放大器是重中之重。本设计通过查阅相关运算放大器数据和比较，选择了高精度、低噪声的高精度运算放大器OP177。它是可用的最高精度运

26、算放大器之一，在室温下最大失调电压仅为 25 V。在较低的输入偏置电流下提供较低的失调电压和漂移，并具有较高的带宽和压摆率。 OP177 的超低 VOS 与出色的 0.1 V/C 最大失调电压漂移相结合，无需外部 VOS 调节，从而提高了整个温度范围内的系统精度。由于微弱电流很容易受到外界干扰，所以需要在采样电阻上并联一个电容作为前置低通滤波器，滤除高频噪声，可以使系统更加稳定，消除运放负端输入接地的影响。3.4 电压放大电路不同颜色产生的微弱电流信号传输到相应的线路通道，需要将电流信号转换成0-5V的电压信号，以满足A/D转换的输入要求。 I/V转换后的电压信号大致可以达到几十到几百mV。这

27、个幅值的电压太小，无法输入到数字系统中，所以需要进一步放大电压信号。由于I/V转换后的电压输出为负，本设计采用反相电压放大电路，放大倍数为10，可以满足要求。其基本原理图如图 3.6 所示。图 3.6 电压放大电路考虑到RGB230色彩检测器产生的信号非常微弱，容易受噪声影响，本设计选用OP07芯片。它是一种低噪声、非斩波零稳双极运算放大器集成电路。由于 OP07 的输入失调电压非常低（OP07A 最大为 25V），因此 OP07 在许多应用中不需要额外的调零。 OP07 具有低输入偏置电流（OP07A 为 2nA）和高开环增益（OP07A 为 300V/mV）。这种低失调和高开环增益使得OP

28、07特别适用于高增益测量设备和放大传感器的微弱信号等。3.5 A/D转换电路放大滤波后的电压信号是模拟信号。要将此信号致到处理器进行进一步处理，需要将其转换为数字信号。因此，A/D 转换是本系统的核心电路之一。由于单片机系统需要对三路信号进行同步处理，在保证可靠性和准确性的前提下，为降低系统成本，满足输入数字信号倍数的要求，A /D 转换器选择具有 8 位串行输出的 ADC0809。芯片。其引脚结构如图 3.7 所示。图 3.7 ADC0809 芯片管脚ADC0809 是一个 CMOS 组件，带有一个 8 位 A/D 转换器、8 路多路复用器和微处理器兼容的控制逻辑。它是一个逐次逼近型A/D转

29、换器，可以直接与微控制器接口。 ADC0809要求输入模拟量：信号为单极性，电压范围为0-5V。如果信号太小，必须放大；转换过程中输入模拟量应保持不变。在输入之前添加一个采样保持电路。IN0-IN7 为 8 个模拟输入通道。 A、B 和 C 是地址输入线，用于选通 IN0-IN7 上的一个模拟输入。 ALE 是地址锁存使能输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存器和译码器将锁存A、B、C三条地址线的地址信号。译码后，将所选通道的模拟量转换为转换器。 ST 是转换开始信号。 ST跳到边沿时，所有寄存器清零；当下一个边沿开启时，A/D 转换开始；在转换期间，ST 应保持低电平。 EOC

30、是转换结束信号。 EOC为高时，表示转换结束；否则，表示正在进行A/D 转换。 OE为输出使能信号，用于控制三个输出锁存器将转换后的数据输出到单片机。 OE=1，输出转换后的数据； OE=0，输出数据线处于高阻状态。 D7-D0 是数字输出线。 CLK是时钟输入信号线。因为ADC0809部分没有时钟电路，所以需要的时钟信号必须由外界提供，频率一般为500KHz。 VREF(+)、VREF(-) 测试电压输入。ADC0809的数据输入输出公式为：(3.3)其中是模拟电压输入，是输出的 8 位二进制数转换后的十进制数。ADC0809采用串行数据接口与单片机通信，模拟ADC0809与单片机的通信时序

31、，脉冲信号由单片机提供。放大滤波后的R、G、B电压信号经ADC0809转换为模数，得到8位二进制信号，分别输入P0-P2端口。电路图如图 3.8 所示。图 3.8 A/D 转换电路3.6 信息处理在色彩检测系统中，单片机检测系统是整个系统的核心。它不仅控制整个系统的工作顺序，而且对采集并传输给它的数字信号进行实时处理，并显示检测结果。根据综合经济性和系统设计要求，选用STC89C52单片机。大多数STC89C52微控制器采用双列直插式DIP封装，共有40个引脚。 40 个引脚大致可分为 4 类：电源、时钟、控制和 I/O 引脚。 89C51单片机的主要引脚功能介绍如下，引脚图如图3.9所示：图

32、 3.9 STC89C52 MCU 引脚图(1) 电源Vcc芯片供电，接+5V； Vss接地端。(2) 时钟XTAL1、XTAL2晶振电路反相输入输出。使用振荡电路时，请连接外部石英晶体。(3) 控制线RST：复位输入信号，高电平有效。当振荡器工作时，超过两个机器周期的高电平被施加到 RST 以复位微控制器。：片外程序存储器访问使能信号，低电平有效。 =1，选择slice的程序存储器； =0，程序存储器都在芯片之外，不管片上是否有程序存储器。ALE/PROG：地址锁存使能信号输出。 ALE 以 1/6 振荡频率的固定速率输出，可用作外部输出的时钟或外部定时脉冲。：片外程序存储器读选通信号，低电

33、平有效。(4) 个 I/O 引脚STC89C52共有4个8位并行I/O口，共32个引脚。其中，P3.0和P3.1分别为串口输入口和串口输出口。下面对单片机的串口进行介绍。单片机的串口是可编程的全双工通信接口，具有UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）的所有功能，可以同时致和接收数据，也可以作为同步移位寄存器使用.它主要由两个独立的串行数据缓冲器SBUF（一个致缓冲寄存器，一个接收缓冲寄存器）和致控制器、接收控制器、输入移位寄存器和几个控制电路组成。单片机可以通过特殊功能寄存器SBUF访问串行接收或串行致寄存器，两个寄存器共用一个地址9

34、9H。串口方式一共有4种，具体如下。(1)模式0。在模式0中，串口为同步移位寄存器的输入/输出模式，主要用于扩展并行输入或输出口。数据有RXD（P3.0）引脚输入或输出，同步移位脉冲有TXD（P3.1）引脚输入。致和接收都是 8 位数据，低位在前，高位在后，波特率。(2) 方法一、方式一为异步通信端口，数据为10位，包括1个起始位、8个数据位和1个停止位。 TXD（P3.1）为数据致引脚，RXD（P3.0）为数据接收引脚。传输波特率是可变的。对于微控制器，波特率由定时器 1 的溢出率决定。(3)方式二、方式三。方式二、方式三为异步通信端口，数据为11位。 TXD（P3.1）为数据致引脚，RXD

35、（P3.0）为数据接收引脚。这两种模式下，起始位为1位，数据位为9位，停止位为1位，一帧数据为11位。模式2的波特率固定为晶振频率的1/64或1/32，模式3的波特率由定时器T1的溢出率决定。模式 2 和模式 3 的区别仅在于波特率的选择。在这两种模式下，接收到的停止位与 SBUF、RB8 和 RI 无关。3.6.1 MCU资源分配单片机的端口资源主要分配给色敏探测器和LCD液晶显示器。由于色敏探测器的输出信号是经过处理后的八位串行信号，所以需要接3个I/O口，而LCD液晶显示器也需要接2个I/O口. STC89C52单片机只有4个I/O接口，所以需要两台单片机进行双机通讯。主机的P0-P2口

36、分别接R、G、B信号，从机的P0、P2口接LCD1602。电路原理图如图 3.10 所示。图 3.10 单片机连接示意图3.6.2 复位电路复位是单片机的初始化操作。复位后，单片机从头开始执行程序。正常状态时为低电平，复位时为高电平。这里采用手动按键复位，复位端RST端与正电源之间连接一个按键。按下按钮时，高电平直接加到RST端。当程序运行不正确或操作错误使系统处于死锁状态时，需要按复位键重新启动。其电路原理图如图 3.11 所示。图 3.11 复位电路示意图3.6.3 时钟电路单片机具有时钟电路。因此，只需要通过芯片外部的XTAL1和XTAL2引脚连接时序控制元件（晶振和电容），就可以形成一

37、个稳定的自激振荡器。增益检查放大器，在芯片外部，晶振和微调电容连接在 XTAL1 和 XTAL2 之间。本设计使用的晶振频率为12MHz，ALE管脚输出的信号为时钟信号的6分频，即2MHz。其电路原理图如图 3.12 所示。图 3.12 时钟电路原理图3.6.4 分频电路由于ADC0809部分没有时钟电路，需要的时钟信号必须由外界提供，频率一般为500KHZ。 ALE端的输出频率为2MHz，不符合要求。因此，需要设计一个四分之一频率的电路。本设计采用74LS74芯片，是一个双D触发器，可用作寄存器、移位寄存器、振荡器、单稳态、分频计数器。其电路原理图如图 3.13 所示。图 3.13 四分频电

38、路示意图3.6.5 双机通讯由于单片机的资源不能满足要求，所以本设计采用两机通讯。主机处理输入的三路信号并将结果传送给从机，从机显示颜色检测结果。在本设计中，主机的TXD端直接连接从机的RXD端，主机的RXD端连接从机的TXD端。两个 MCU 系统必须共用一个地线，即将它们的系统电源地线连接在一起，这样两者才能被系统统一识别。还有一点需要注意的是，两个MCU应该使用相同的串口方式进行通信。必须保证两个单片机系统的通信波特率完全一致，否则将无法接收到正确的数据。通常，单片机与单片机之间的串行通信使用串口模式1。这里，两个单片机都使用串口模式1，串口波特率为9600bps。3.7 LCD液晶显示器

39、LCD1602是一个216字符的液晶显示模块，可以显示两行，每行16个字符，不能显示汉字。 5V电压驱动，带背光，只有并行接口，没有串行接口。其引脚图如图 3.14 所示。图 3.14 LCD1602 显示管脚示意图引脚 1：用于电源地。引脚 2：+5V 电源。 3脚：液晶显示器的对比度调节端。接地时对比度最高，接正电源时对比度最弱。使用 10K 电位器调整对比度。 4脚：RS为 HYPERLINK :/baike.baidu /view/6159.htm t _blank 寄存器选择， HYPERLINK :/baike.baidu /view/1547752.htm t _blank 高电

40、平时选择数据寄存器，低电平时选择 HYPERLINK :/baike.baidu /view/178142.htm t _blank 指令寄存器，接主单片机的P2.0口。第5脚：RW为读写选择端，读操作为高电平，写操作为低电平。由于我们只向显示器写入数据，所以它是接地的。引脚 6：E 为使能端。 E为高电平时，读取液晶模块的信息。当E为高电平跳到低电平时，液晶模块进行写操作。引脚 7-14：D0-D7 为 8 位双向数据线，连接到从机的 P0 端。引脚 15：BLA 为背光正极。引脚 16：BLK 是背光灯的负极。由于单片机的P0口没有上拉电阻，所以必须外接一个电阻。其电路原理图如图 3.15

41、 所示。图3.15 LCD液晶显示器示意图第四章系统软件设计RGB230色敏检测仪检测R、G、B三基色信号，同时检测光强信号。在颜色检测中，可以根据三基色与光强的比值来准确判断颜色。这样，考虑到光强的因素，就可以消除被测物与传感器的距离变化以及外界光强的微小变化带来的测量误差，提高检测精度。为提高软件功能，增强可移植性，减少程序数量，在软件设计中，采用多子程序的方法，将功能相同、用途多的程序设计成可任意调用的子程序.4.1 程序流程设计单片机系统软件需要完成数据采集、数据比较和颜色结果显示。其程序流程图如图 4.1 所示。图 4.1 程序流程图颜色检测系统软件主程序主要包括颜色检测子程序、配色

42、字程序和LCD液晶显示子程序。其中，颜色检测子程序用于获取被测颜色的R、G、B三基色分量，颜色匹配子程序用于将测得的三基色值与色库中的已知颜色值进行匹配. LCD液晶显示子程序 该程序用于显示颜色检测结果。4.2 算法设计由于这种设计只检测少量颜色，因此使用查找表方法来检测颜色。在本设计中，在主单片机和从单片机中分别建立了一个二维阵列颜色数据库。主单片机预先存储红、绿、蓝的R、G、B参考值，从单片机存储红、绿、蓝。颜色的英文字符串，两个单片机每一行对应的颜色是一样的。微控制器从颜色敏感检测器读取 RGB 数据，并将其与预存的颜色数据库进行比较，以获得最接近的颜色。其表达式如下：(4.1)其中，

43、Ured=;Ugreen=;Ublue=;red=;green=;blue=;,为未知颜色传感器值；,为参考颜色传感器值。RGB数据与三路电压有如下关系：(4.2)单片机颜色库中存储的所有颜色数据为3字节，R、G、B的参考值均为1字节。在单片机的每个比对周期中，将RGB230色敏探测器采集的数据与色库中的每种颜色代入式(4.1)进行匹配运算，确定距离最近的颜色为此时色敏检测器检测到的颜色。 .4.3 颜色检测子程序颜色检测子程序用于获取被测颜色的三基色值。首先，按照ADC0809芯片规定的时序进行模数转换。得到三路模数转换结果后，依次得到被测颜色的三基色的红、蓝、绿颜色值，分别为x、y、z。单

44、片机直接获取相关数据，通过计算得到测量结果输出。4.4 配色子程序将颜色检测子程序中得到的被测颜色的三基色值与色库中的颜色值进行匹配。具体方法如下：从色库中每种颜色的三基色比例中减去测得的三基色比例。结果取绝对值，将差值绝对值最小对应的色库中的颜色确定为被测颜色，即匹配成功。主控MCU通过致子程序void send(intk_num)，通过特殊功能移位寄存器SBUF将匹配成功颜色的行号传送给从属MCU。4.5 LCD子程序液晶显示子程序实现的功能是将色库匹配成功的颜色显示在LCD1608液晶显示屏上。首先通过初始化函数void init()初始化液晶显示屏，通过写命令函数void write_

45、(uchar)和写数据函数void write_data(uchar Data)接收主单片机的数据并显示相应的颜色) 在 LCD1608 液晶显示器上显示结果。如果检测到的物体颜色为绿色，液晶显示屏将显示“绿色”。第五章实验测试与分析在前面的章节中，对硬件设计和软件系统进行了详细的设计和讨论。本章将调试硬件和软件，分析测量结果，并提出优化方案。5.1 系统软硬件测试将设计好的电路放在面包板上，实际效果如图5.1所示。传感器、白光LED补光灯、I/V转换、电压放大、A/D转换、单片机处理、LCD显示七大模块级联调试，确保各模块正常工作。图 5.1 实物效果图为保证整个系统能够正常工作，首先要在标

46、准色卡上进行颜色采集，并将对应颜色的R、G、B值存入单片机的标准色库中。微型计算机。这就需要准备三组8路LED灯并联，每个LED灯串接一个电阻和一个公共地，三路数字信号分别连接到三组LED灯。由于颜色传感器需要避免外界光线的干扰，因此需要将整个系统放置在暗室中进行实验。将标准的红、绿、蓝纸板放在RGB230色敏探测器上方，通电，观察并记录LED灯。对于明暗条件，将其存储在颜色库中。颜色存储的颜色数据如表 5.1 所示。表5.1是色库中每种颜色的RGB值颜色RG乙红色的0 xBB0 x370 x1E绿色0 x190 x330 x17蓝色的0 x2B0 x530 x6E这种设计的颜色测量过程非常简

47、单。具体操作如下：首先，将整个电路放在暗室中，打开电源，将彩色纸板放在RGB230色敏探测器上方，观察LCD1602的显示。5.2 实验结果分析根据测试要求，分别识别出红、绿、蓝纸板的颜色。经过多次测试，该系统可以准确识别三种纸板的颜色，实现了快速有效识别不同颜色的功能。此外，如果检测到偏向某种颜色的纸板，LCD液晶显示器也会显示对应标准颜色的英文。图 5.2、图 5.3 和图 5.4 分别显示了红色、绿色和蓝色卡纸的检测结果。图 5.2 红色卡纸检测结果图 5.3 绿色卡纸检测结果图 5.3 蓝卡纸检测结果5.3 影响测量结果的因素要确定物体的颜色，必须知道三基色的刺激值。影响颜色检测精度的

48、参数主要包括照明光、物体反射、光源方向、观察方向和传感器特性等。任何一个参数的变化都会导致颜色检测结果的变化。(1) 光源的影响照射光包括太阳光和外部杂散光。太阳照射角度、云层厚度等天气条件会导致照射光线发生变化，从而导致被测物体颜色发生变化。为了弥补因光源变化引起的测量误差，Judd 等人。 1964 年提出了照明光校正模型，但尽管如此，照明光引起的物体颜色检测误差也不容忽视。(2) 光源方位和观察方位的影响光源的方向，即被测物体指向光源的法线方向，决定了有多少太阳光或外部杂散光作为入射光。观察方向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的光强。(3) 被测物表面反射条件的影响

49、传感器探头与被测物体的距离影响输出信号，可能会造成不同颜色信号的交叉，导致测量误差。因此，存在对输出特性影响最小的最佳距离，以确保颜色和输出信号是一对一的。一致。被测物体表面明显的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。相继提出了一种反射模型来补偿测量误差。第六章结论本系统采用RGB230色敏检测仪和STC89C52单片机相结合的颜色检测系统，可以方便快捷地获取被测颜色的颜色信息，并将颜色显示在液晶屏上。本文通过建立颜色识别系统的模型，推导出颜色识别算法。同时给出了相应的硬件设计电路和软件流程图，可以有效提高系统的颜色识别能力。通过多次实验测

50、试，系统实现了快速准确识别不同颜色的功能。很多文献只能得到被测物体颜色的RGB值，但是本文可以得到被测物体颜色的具体颜色信息，并在液晶屏上直接显示颜色的英文，这相对更直观。适用。但在系统研究和设计过程中也存在很多不足：颜色识别的核心难点是测色算法设计，很大程度上决定了颜色检测系统的识别精度。测量的颜色没有太多的颜色差异。在今后的工作中，需要对色彩空间进行划分，规划不同的色彩区间，从而实现更准确的色彩识别。本文采用STC89C52单片机。由于管脚的限制，需要两台单片机才能完成工作，使得电路设计复杂。因此，STM32微处理器可以用来控制和简化系统。该系统只能在暗室工作，因此程序需要进一步优化和完善

51、，以应对更多的识别场合和情况，增强通用性。参考1 徐宏.主观评价法在色彩研究中的应用J.光学技术。 1995 年， 1 ： 31-32。2 牟晶晶.工业在线测色方法及系统研究D .：大学， 2006。3 杜春玲，隋，雷测色仪及其发展J.现代仪器。 2005 年， 31（3） ： 56-57。4 季锋，冰若，王松基于单片机的颜色识别系统J.测控技术。 2004 年， 23(4) ： 26-28。5 陶，耿丽华，子等。基于FPGA和色敏传感器的颜色识别系统J.单片机与嵌入式系统的应用。 2009(8) ： 42-45。6 胡伟杰，唐顺清，朱正芳。现代色彩技术原理与应用M. ：科技大学， 2007。

52、7Hugh S.Fairman. CIELAB 逆转校准与验证J.颜色解析应用, 2005 , 3 : 66-688 何勇，王胜泽，光电传感器及其应用M. :化学工业。 2004.49Manuel Melgosa ，测试基于 CIELAB 的色差公式J.颜色分辨率应用， 2000，25，49-55 。 _10MAZeT sensor GmbH ，快速颜色识别与兼容的 3 元素颜色， 2003 年。11 曾辉颜色传感器技术研究进展J.传感器技术杂志。 2003 年， 22(4) ： 1-4。12宏光，吴宝玉，石焕芳，等.几种测色方法的比较J.应用光学， 2005 年， 26(3) ： 60-63

53、。13 Buluswar SD , Draper B A. 用于自动驾驶汽车的彩色机器视觉J.人工智能的工程应用， 1998，11 ： 245-256 。14 智波，王艳，尹天明基于TCS230的颜色识别系统设计J.机械和电子。 2010 年， 7 ： 54-57。15 李干，雷胜杰，方美华，等.辐射监测中弱电流测量的IV转换技术J.仪器仪表和分析监测。 2010（3） ： 28-31。16 G. de Graaf * , RFWolffenbuttel. CMOS 中的智能光学传感器系统，用于测量光强度和颜色。传感器与执行器J , 1998 , 6 : 115-l19.17 吴友玉，吴世赫，

54、凌玲。模拟电子技术基础M .：清华大学， 2009。18郭天祥.51单片机C语言教程M.电子工业， 2007。19 高峰.单片机原理与接口技术M. ：科学， 2007。20 庞小兵.在线颜色识别传感技术研究D. :科技大学, 2008.21 陆传英，于浩成，景辉，等.基于TCS230传感器的颜色检测系统J.大学学报，2008（6 ） ： 621-626。22 高富强，凌， .基于RGB的颜色识别系统设计J.传感器和微系统。 2012 年， 31（10） ： 84-87。至毕业论文即将完成，我的学生生活即将结束。我借此机会向过去四年来帮助过我的人表示最深切的感谢。首先，我想感受父母的爱，是一种难以用语言表达的感激；其次，我要