《基于单片机的颜色识别的智能分拣系统设计》13000字

引言现如今，我国的工业正在快速发展，而在过去的工业生产和操作过程中，颜色识别传感器主要由人类视觉控制，而现在这些颜色传感器正日益被相应的新型颜色识别传感器所取代，由于人体的某些生理原因，在人体自动识别中产生的准确度误差已经越来越严重地影响到计算机的快速发展和现代工业的发展，使人们现在对一种智能的颜色识别装置的需求越来越大，它可以取代传统的人眼自动检测颜色。色彩识别传感器模块是颜色精确检测控制装置中能够自动实现颜色精确检测的重要模块，目前市场上类似的颜色识别传感器都是独立的光电传感器，或者在二极管上经过多次改变由红、绿、蓝滤光片修正，将两个信号分别进行输入和输出分离并进行相应的颜色处理，可以识别并显示相应的信号；也有一些专家和学者将两种处理方式结合起来信号模拟经A/D转换进行射频采样，从而达到信号识别的目的。1绪论1.1选题的背景随着现代科学技术的不断发展带来了生产力的大幅度提高，同时也让企业意识到工业生产的需求仅仅依靠人力是无法满足的，一些危险作业也是无法依靠人力去完成，因此机器人的诞生是时代所需。最早的工业机器人是美国发明的，它是将一种零件从一个加工工位移动到另一个，并调整其位置，因为功能单一，逐渐被市场淘汰，视觉识别技术与机器人的结合成为现代主流趋势，机器在搬运、分拣、装配等各个领域蓬勃发展。随着我国劳动力成本的不断提高，机器操作代替人力操作已成为必然趋势。近几年视觉识别领域的各项研究成果正在不断地获得突破，视觉识别被广泛地应用在各个领域，对各行各业的发展与革新发挥了重大的作用。相比于人力，机器人的优势非常明显，机器人不会如同人类一样产生疲倦感，只要能源充足，就能够不停地运转。机器人拥有可靠的稳定性，能够严格按照设定好的程序执行指令，进行操作，具有高精准度。而且机器人的成本远远低于人工成本，从企业的角度来说，机器人的使用无疑更受欢迎。传统的机器人，程序固定，灵活度很低，对待加工分拣的工件要求却比较高。视觉识别技术的出现就像是在传统机器上安装了眼睛，大大提高了机器的灵活性，为企业的自动化改造提供了可能性。我国虽被称之为制造大国，却不是制造强国。我国企业的许多核心技术都掌握在别国手里，受制于人，产品的生产线自动化程度低，效率不高。机械手的出现加快了现代企业的转型的进度。随着现代企业对生产线自动化的要求不断提高，单一的机械手已经不能满足市场的需求，更加智能化的机械手成为时代所趋。分拣机械手不仅能够代替人力对物品进行分拣，还能够对同一物品设定一个统一的标准进行分拣，工作效率高，所需成本低。基于颜色识别的分拣机械手能够根据识别的图像，通过系统控制下的机械手对待测物品进行分拣，此方法精确度高，而且对于危险的作业能够替代人力完成，拥有视觉识别的分拣机械手，在农业、工业、水产行业等领域被广泛应用。1.2选题的意义本文提出的智能色彩识别系统的重要性在于它不仅降低了传统色彩信息识别的操作难度，通过准确可靠的示范数据，促进我国自动化制造业及相关技术产业的健康发展，同时，本文对这一技术领域未来的研究和发展提出了一些独到的见解，另外，本文所提到的自动颜色识别系统也应该是一个支持机器人参与比赛的自动视觉识别系统。1.3国内外研究现状目前，基于不同工作原理的激光颜色传感器主要包括两种基本技术：一种是RGB（红色、绿色、蓝色）激光颜色传感器进行互认，所检测到的颜色是互认颜色值的三种类型的互认光模拟；第二种是使用标准色差传感器来确定标准产品和其他标准产品测量的物体的最大颜色。这种密封通常用于长型反射、辐射和反射纤维，密封后，安装在各种磁性及其他聚碳酸酯材料的外壳内。过去工业上自动识别物体颜色的方法，它的颜色制作过程误差大、效率低下、稳定性也很差，而当前的工业颜色识别技术的发展以及应用技术要求比较高，所以那些识别方法已经很满足要求了；比如自动颜色测量光谱仪，这些高速低精度的自动颜色识别测量图像处理技术设备，其颜色制作过程成本高且便携性差，在应用领域仍然不能具有明显的工业技术性和局限性；因此为了更好地满足低成本技术和小成本、高效率、系统便携性好的工业颜色识别设计技术应用发展要求，设计者需要提出基于自动颜色识别系统自动识别颜色的设计解决方案。1.3.1国内研究发展现状学者的问题研究观点视角不一样,所有人关注的问题也不一致。深圳市三恩驰科技有限公司生产了一样便于携带的电脑色差仪，它可以使用光照定位，这是三恩驰科技有限公司独创的，是独一无二的。而且这款色差仪的PC端软件拥有知识产权，可进行色差分析、色差累积分析、色度指标、色样库管理等。这个系列色差仪的系统稳定性在业内是被夸赞的，令人难以企及的。四川火狐公司最新发布了一项颜色传感器，这个颜色传感器是由三个小型硅针片上光电池和光电滤波器组合而成，每个片上光电处理管都携带着一个三种不同颜色之一的片上光电滤波器。它具有同时兼备小型大尺寸芯片设计，高质量射频滤波器和可以同时进行记录三种特殊颜色这三个优点。每一个对应的光电二极管都是对相应的电子光谱仪和滤光片发出的颜色敏感，主要特点就是其具有红、绿、蓝三种颜色。机器视觉技术的设计是根据人眼的功能，通过摄像机和计算机来实现的。机器视觉技术被广泛的应用于水产行业、电子行业、农业等领域。由于我国在机器视觉技术方面起步比较晚，技术不够成熟，所以大多数的企业视觉识别机器都是来自外国的引进。2014年，周铭提出颜色识别自动分拣系统，但功能受限制，只能分拣三种颜色。2017年，贺向宇[18]基于视觉识别，设计了能够分拣四种颜色的机器。国内在机器视觉方面的研究专利虽不如欧美国家多，但近几年国内专利的申请数量在稳步攀升。目前，中国已经拥有超过100多家的国际机器视觉品牌，中国自己的机器视觉企业也超过了100家，中国的机器视觉正在蓬勃发展，促进了企业的革新和转型。目前，国内已知的饮料瓶回收色选设备，只有瓶片色选设备。目前国内还没有发现有研制整瓶颜色分选设备的企业。而欧美国家在颜色分选领域的技术比较成熟，国内的颜色分选设备基本依赖进口。TOMRA集团的PET色选机使用灵活、性能高效，能够根据获得的颜色信息从废料中分选出有价值的物料，如图1-1（a）所示。MendozaFA等研究的颜色分选设备是根据颜色采用支持向量机算法对黑豆进行等级划分，如图1-1(b)所示。TOMRA集团的PET色选机（b）黑豆根据颜色的等级划分图1-1颜色分选设备及颜色的等级划分随着养殖业、农业等领域规模的扩大，人工分拣已经逐渐被机器分拣所代替。通过机器识别鸡冠颜色的方法来对每个鸡笼进行检测，精准度高，能够进行批量生产。我国珍珠工业仍处于人工分级阶段，但利用机器视觉对珍珠进行分级的研究，进入21世纪，高校和企业纷纷加入到其中来。我国作为烟草大国，烟叶的分拣迫切的需要进行自动化改革。智能机器人技术近年来不断发展提高，除了最初的娱乐功能，还能代替人类进行高效的工作，参与企业的生产线，提高其自动化水准。“836”计划是国家一项重点计划，在该计划的支持下，机器人的研究成果已经取得了巨大的进展。机器视觉的发展，让企业看到了生产线完全自动化的可能性，对机器视觉的应用提出了更高的要求。颜色是一种基本视觉特征，在社会生产生活中起着重要的作用，显示颜色识别结果的设备称为分拣系统。分拣过程是物流系统的重要环节之一，是服务机器人与非结构化环境交互的关键构件。基于机器视觉的分选系统的研究在各个领域都颇受关注，现代行业自动化生产、分拣已经成为不可逆的趋势，随着视觉理论研究的不断深入，机器视觉在工业领域的应用将越来越广泛。1.3.2国外研究发展现状MTCSiCS是MAZET公司最新研发出来的颜色传感器，它可以进行三色测量（CIE）。它的控制系统可以捕捉到物体当前的颜色状态，然后根据图像信号的反馈控制并达到相应的Yxy值，与其他传感器相比，MAZET传感器的功率在温度变化时保持不变，即使温度或能量非常高。德国ELTROTEC色码检测仪可以检测色差，即使只是有轻微的色差，而且ELTROTEC检测仪还可以检测到光泽度比较高的物体。科学技术正在迅速发展，我国作为制造大国，却短缺成为制造强国的核心技术。我国现在的制造业大多数还处于制造工厂的状态，核心技术掌握在别人的手里，所以大力发展科技，提高我国的自动化水平刻不容缓。我国许多企业的流水线作业现在依然是依靠人工劳力，人工作业不仅效率低，而且成本越来越高，使用机械手代替人工进行劳作的方法，不仅效率高，节约成本，而且有效的提高了企业的自动化水平和企业竞争力。美国在1954年制造出了世界上第一台机器人，虽然它只是一台样机，但它的诞生标志着机器人在工业中的应用正式拉开帷幕。国内的机械手目前都是作为辅助部件参与工业加工，采用固定的编程方式进行工业工作，当外部环境或者工件加工工艺发生改变时，机械手将依旧按照程序进行操作，因此产生加工错误，灵活性差，自动化水平不高，所以现在单一的机械手逐渐被市场淘汰。基于视觉识别系统下的分拣机械手能够代替人工进行物品分拣，视觉识别与机械手的组合应用成为现代许多学者的研究热点。ELTROTEC色码检测仪适用于快速准确检测色码或其他场合，以颜色对比为特征。

2颜色识别相关理论2.1颜色识别在自动控制系统的出现后被提出的一种令人觉得新奇的检测技术，也是自动控制理论的简单应用，并得到了大力的发展，这个技术就是颜色识别。其实颜色自动识别系统很晚才被人提出去做，但是人们对其抱有很大期望，所以发展较快，而且它对于实时记录颜色方面有着重要的意义，这个识别系统一般是通过测量到的被测物体表面的RGB色值来确定物体真正的颜色，自动控制识别的传感器测量精度可达到0.01v，但是容易受到周围环境的影响，如果环境有所变化那么测量到的值也就会发生改变，其中温度的影响最为明显。现代社会中人们眼睛所能够准确地分辨到的各种颜色及其数量仍然很少或者是有限的，而且之间很可能还会存在着许多小的个体性差异，所以专业人士会给我们准备一个设计方案，这个方案可以让我们更熟悉和理解使用这种颜色强度识别系统，即使我们们仅仅只是一个几乎没有任何技术训练的普通人，除了很有可能会因为出现一些明显的色盲而发生误测，都仍然应该完全地能够清楚地认识和看出它们之间的明显颜色区分。2.2色彩空间现在人们都清楚可以用多种表示方式去描述颜色空间，如RGB、HSV、HSL等等，RGB颜色空间是最为普遍的一种方式，RGB就代表着红色、绿色、蓝色这三种颜色，如果我们将这三种颜色放在一起相互融合，那么就肯定会变成另外的一种颜色。如果我们使用RGB去比较颜色之间是否相似，这件事本身就是一个存在很大问题的事情，所以是不可取的，因为只要一个通道有一点点改变，最后融合在一起的颜色很大程度上就会发生改变，但是如果这三个通道是同时发生的改变，却只会使颜色最后的明暗发生变化，色调并不会产生变化。可能许多人不是很了解这方面的内容，所以这里简单介绍一下RGB颜色模型，如图2-1所示。RGB颜色模型其实就是一个坐标系统，它有3个轴，这三个轴分别代表R、G、B三基色，坐标原点(0,0,0)代表的颜色是黑色，离原点最远的点(255,255,255)代表的颜色为白色，从原点到离原点最远的顶点的连线上的点分别代表着从黑到白的不同灰度值，而这个立方体内其余各点就对应着我们不那么清楚地知道的颜色。图2-SEQ图2-\*ARABIC1RGB颜色模型2.3白平衡算法我们都知道这个世界上白色光是如何存在的，在学习物理上的光学知识时，我们了解到白色光是由赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫这七种颜色的光组成的，但是这七种颜色又是由红、绿、蓝三原色按不同比例混合得到的。现在我们用眼睛就可以看到的白色或其他颜色都与物体本身所具有的颜色、光源、物体的反射或透射特性、人眼的视觉感应等诸多因素有关。总的来说，白平衡就是让本来就是白色的物体它最后所成的像依然还是白色的，如果是这样的话，那其他景物的影像就会接近人眼的色彩视觉习惯。调整白平衡的过程叫做白平衡调整，白平衡的调整方式在前期设备上一般有三种：预备调整白平衡、手动去调整白平衡和自动跟踪然后调整白平衡。其实我们一般都是要按照写好的程序去运行这个调整过程，白平衡调整的程序运行后去推动白平衡的调整开关，然后白平衡调整电路就可以开始工作了，最后自动地完成调整的整个过程并记录调整后得到的结果。2.4颜色传感器的技术2.4.1颜色检测的难点物体关于视觉颜色学的信息十分广泛，对于颜色的信息确定一般需考虑其中的色调、明度及视觉饱和度三个基本因素或三者与原始色(红绿蓝)视觉刺激程度之间的比值。影响整个物体的颜色传感器检测结果精度和准确性的观察参数主要因素包括：参考光源、光源方位、观察者位置的方向、以及颜色传感器在工作时的性能等，任何一个被观察者所看到的参数发生变化后都可能直接引起整个被观察者所看到物体的颜色发生变化。(1)光源的影响光源中可能含有别的颜色的光，这些光会影响到物体颜色测量时的结果，这些都会影响以后的工业发展。Judd等多位研究人员在1964年这个时间段先后提出了一种基于照射光颜色变化更改修正后的测量误差模型，就是因为照射物体光源中的颜色亮度变化会给测量带来误差，但尽管他们做了这一系列的事情，照射光颜色变化修正引起的对照射物体的光源和颜色亮度变化检测的测量误差仍然存在，没有方法去改变。(2)光源方位的影响传感器的光强值会受到光源照射方位影响，从而物体颜色测量结果会有误差，由于我们的光源照射方位不同，仔细点就是说光线照到物体上的位置和角度不同，同一个物体可能会有完全不同的造型或者效果图出现，例如我们拍照时会找不同的角度，会站在不同的地方，就是因为光源照射方位和测量方位不同最后出来的照片效果也不一样，所以在实验中需要注意选择最佳的测量方位和位置，方能保证最准确的测量。(3)被测物体表面反射状况的影响当我们在测量时，传感器的探头与我们所需要检测的物体之间存在着一定的距离，而这个距离就会直接影响到输出的颜色信号，可能还会直接地造成不同的探头与输出信号之间相互交叉，导致我们测量上会形成误差，所以探头之间存在一个最佳的颜色距离，这个颜色距离对于探头输出特性值的影响最小。被激光在物体内部表面所测得的较明显微凹凸反射区域也很有可能给进入的输出反射信号的测量带来更多的反射误差，为此，Phong,Shafer和Nayar等研究者先后两次发展性地提出凹凸反射误差模型，从而有效地弥补了测量中的误差。2.4.2颜色传感器的分类（1）RGB颜色传感器RGB颜色传感器对相似的两种激光颜色和不同激光色调的应用激光强度检测的可靠性能的要求相对较高。在三个彩色光电微波发射器的二极管上分别直接贴上三个含有甲基色素的激光反射滤色片，三种光通过同一个的激光反射透镜直接进行激光发射后被不同发射目标三种颜色上的物体直接进行激光反射，根据激光透镜上检测出的激光反射强度数据值就可以精确求出三种不同颜色的主要化学成分。这种检测方法能够很准确地区别两种极其相似的构成物体的颜色。（2）色标传感器我们可以知道色标传感器主要是用于检测各种样式的标签，即使那些标签上的背景颜色有着很细微的差别，它也还是可以轻而易举地被检测到，色标传感器的处理速度很快，这是令人难以相信的一点。但是重要的是，即使标签和标签的背景之间的颜色可能会混合到一起，它还是能够自动适应颜色的波长，然后可以检测到灰度值之间的细小差别，这是它与别的传感器之间的差别或者说是它的优势。色标传感器也常常用来检测特定的标签或物体上的斑点，它不是直接就去测量物体的颜色，而是通过测量非色标区，然后与之相比较来实现色标检测。色标传感器如图2-2所示。图2-SEQ图2-\*ARABIC2色标传感器2.5颜色识别的应用在当今社会，一切都在快速的发展当中，颜色识别装置也是越来越多地被使用到各个行业当中，我们可以看到现在每个事物都有它的颜色，可能含有多种颜色。所以我们就会知道颜色识别可以运用到各种各样的产品检测(例如：对产品包装袋的颜色检测，产品物体外表色彩特征及各颜色的色彩检测，液体在水溶液中的颜色浓度变化及各过程的色彩检测与颜色控制等等)。又例如：在现代产品包装与装饰工业，产品包装技术人员会通过利用不同产品颜色或者其他装潢方式来分别表示自己的产品特点或者其使用用途，然后可以制造出更好的产品来获得大众的认可，吸引他们的注意。

3硬件设计3.1系统需求分析根据对颜色识别系统的功能要求，需要对系统进行全面的分析，以确定系统中各个功能环节中所需要的外围器件，以及在实际操作中需要注意的数据状态信息，使得系统满足项目实施要求。良好光室需求被测物体的光照情况直接影响着该物体颜色识别的测量结果，良好而固定光室是保证测量结果准确、高效的首要条件。（2）上位机控制需求在实际测量环境中，外部控制信号保证了目标物体的摄像和单帧图像采集传输的开关操作，使得整个图像颜色识别的人机操作变得简单而友好。（3）状态指示需求在图像数据传输过程中要实时反映传输情况，指引用户正确操作。（4）结果保存需求多种数据格式的保存形式可方便不同用户对历史测量数据的随时查看和后续的处理工作。3.2硬件方案设计及选择颜色识别系统主要以STC89C52RC单片机的颜色控制模块为基础，增加了颜色识别传感器数据采集模块TCS3200，TCS3200驱动控制模块，设计了具有白色节点的LED光显示模块和LCD1602液晶显示模块，在此基础上设计了一个颜色识别系统。该颜色识别系统的基本结构如图3-1系统框图所示。图3-SEQ图4-\*ARABIC1系统框架图3.3单片机最小系统设计3.3.1STC89C52RC单片机简介STC89C52RC单片机片内ROM全部采用FLASHROM技术，与MCS-51系列完全兼容。STC89C52RC芯片有40个引脚，包括主电源引脚、时钟电路引脚和控制信号引脚。STC89C52RC单片机引脚功能图如图3-2所示。图3-252单片机管脚功能图端口1是一个双向I/O端口，它的内部是具有提升电路的。类似地，如果端口1的输出设置为高电平，那么最后就会从这个端口输入数据。如果使用8052或8032，则P1.0可用作定时器2的外部脉冲输入引脚，而P1.1具有T2EX功能，并可用作外部中断输入的触发器，详见表3-1所示。表3-SEQ表3-\*ARABIC1P1口的第二功能引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）端口3是一个8位的双向I/O端口，可以控制四种TTL逻辑模式。当“1”被写入端口P3时，内部上拉电阻器将作为输入端口的端口上拉。同时，它还具有串行通信、外部中断控制、外部数据存储器的定时和计数控制等功能。P3端口也是STC89C52RC的一个特殊功能（第二个功能），如图3-3所示。在FLASH编程及校验时，P3口亦接收些控制信号。图3-3P3口的特殊功能XTAL1——振荡器外部额外正相信号输出放大器及内部额外反相信号时钟外部信号输出发生器为控制电路之外部反相信号输入端。XTAL2——振荡器是与反馈三相放电扩大器之间的输出端。STC89C52RC是一个片内具有一种小型低电压，高性能的并且具有一个CMOS8位数的小型单片机，片内还包括一个具有8k背景的硬件组，其中包括一个主机存储器和256bytes的RAM、功能强大的数据内存硬件。STC89C52RC有40个引脚，STC89C52RC最小系统如图3-4所示。图3-4STC89C52RC最小系统STC89C52RC单片机内部含有8K字节的闪存，32位I/O端口线，看门狗定时器，两个数据指针，三个16位定时器/计数器等等。除此之外，STC89C52RC的工作频率可以降低到0HZ，有一种节能模式可以支持两种软件可选。在空闲模式下，CPU停止工作后，但是串行接口和外部中断系统仍然可以继续工作。3.3.1电源电路电源电路为整个硬件部分提供所必需要的工作电压，本次使用的电源电路是一种从USB口取得+5v电压方法，其电路图如图3-5所示。图3-5电源电路图3.3.2复位电路图3-6复位系统电路图如图3-6所示，当电源打开瞬间，电路给电容C1充电，使得电流通过电容C1，给单片机REST送入高电平，实现上电复位，当电容充电完成后，右边电路断开，阻止电流的通过。如果出现程序跑飞现象的时候，可以按下左边复位按键K3，使得电流通过左边电路给单片机REST送入高电平，实现了按键复位。3.3.3时钟电路图3-7时钟系统电路图如图3-7所示，时钟电路中X1,X2管脚分别与单片机的XTAL1和XTAL2相连，其主要功能是为了给单片机提供频率，一般选用11.0592MHz的晶振，这种晶振能够保证单片机在进行串口通讯的时候降低串口通讯的误码率。3.4TCS3200颜色识别简介3.4.1TCS3200芯片的结构TCS3200是TAOS公司推出的一款可以将彩色光的频率进行转换的仪器。它的CMOS电路中将可配置的硅光电二极管和电流频率转换器集成到一起，并在一个芯片上集成了红、绿、蓝三种滤波器。它是业界第一款具有数字兼容接口的产品，TCS3200的输出信号是数字的，可以驱动标准TTL或CMOS逻辑输入，因此可以直接与微处理器或CMOS连接，其他的逻辑电路都是连接在一起的，因为输出信号是数字的，而且每个颜色通道都能达到10位以上的转换精度，所以不需要A/D转换电路，所以电路就更加简单明了，图3-8是TCS3200的引脚图。图3-8TCS3200引脚图3.4.2TCS3200传感器识别原理(1)三基色原理如果按照不同的比例搭配适当的三原色（红、绿、蓝），会产生不同的色彩感受。由三种颜色混合之后得到的颜色的光的亮度由三原色的亮度之和决定，色度由三原色各成分的比例值决定。这三种原色事实上都是相互独立的，任何一种原色都不能与另外两种颜色相匹配。一般来说，物体的颜色由来其实很简单，它实际上就是物体表面吸收照射在上面的白光（阳光）的一部分有色成分，然后在人们眼中反射另一部分有色光，这样我们就可以看到物体的颜色。白色是由各种频率的可见光混合而成，即白光中含有多种颜色（如红R、绿G、蓝B）。根据德国物理学家海林霍尔茨的三原色理论，各种颜色都是由三原色（红、绿、蓝）的不同比例混合而成。(2)TCS3200识别原理TCS3200颜色传感器的识别原理其实就是在我们选择一个特殊颜色背光滤波器时，它的存在只是为了阻止某种特殊背光原色的信号通过而已。例如：当我们首先选择了一个红色的蓝光滤波器时，入射光中只有一条光，而红色的光是我们可以直接穿透的，蓝色和绿色都会被光线阻断，这样就可以使我们成为可以直接获取得到带有红色光的黑白照度和绿色亮度；同时，选择其他两种滤波器，就已经成为可以直接获取带有蓝色入射光和带有绿色入射光的两种较弱的入射光。通过这三个单位数字的比值，我们就可以轻而易举的很精确地计算和得出激光投射在TCS3200传感器上的物体光线反射颜色。3.5液晶显示器简介LCD液晶显示器由于它具有独特的低电压和微功耗这种功能特性，在单片机系统中被广泛的应用和发展。现实生活中常用的液晶显示模块分为三类，分别是数字液晶显示模块、点阵字符液晶显示模块和点阵图形液晶显示模块。其中，图形液晶显示模块在全国范围内广泛被使用，但是我们的汉字不能像西文那样用字符模块显示，如果想要能够显示汉字，就必须使用图形模块，其电路图如下图3-9所示。图3-9LCD1602电路图每行的字符数和每个字符的位置是固定的；点阵液晶显示器是指整个液晶显示器由几个点组成。例如240128是240*128点，可以显示图形、汉字、字母、符号等，显示内容的大小由自己决定。字符型和图形型液晶都有控制器，不同控制器的指令不同。具体的液晶结构也需要不同的控制器，主要是晶格结构和扫描方式。分段式一般没有专用控制器，显示器相对固定，一般显示器内容直接开模。

4软件设计4.1上位机程序编写VisualBasic（简称VB）是微软公司推出的可视化开发工具，具有功能强大，易学易用的特点，在世界上被广泛的使用，是一种十分有生命力的Windows语言。通过VB编写一个可以观测到下位机经MAX232电路串口传输的数据，更加直观的观察被检测物品的颜色。在VB6.0进行编写程序，首先建立一个工程，添加主函数和各功能模块驱动文件，程序编写后进行编译，生成.exe可执行文件，打开上位机可执行文件后，为上位机初始化界面，在COM1/COM2/COM3三种串口选择目标串口，然后将数据线USB口插入所选择的目标串口，点击打开串口，此时指示灯的颜色从红色变为绿色，此时下位机和上位机可以进行数据传输，下位机液晶显示器上的RGB数值，在上位机中对应位置显示，并在上位机右侧将测得的颜色显示出来，显示流程如图4-1所示。图4-1颜色显示流程图图4-2初始化的上位机颜色显示图4-3打开串口上位机颜色显示4.2单片机程序4.2.1程序流程图程序初始化，首先判断是否有白平衡，如果没有的话，取一个白色不透光的纸板，盖住颜色传感器，然后给系统响应判断什么是白色。如果有白平衡的话，可以进行识别检测物品颜色，将所要检测物品放在颜色传感器上方，调用然后显示器上显示十进制后RGB数值，并每个0.25秒测试一次循环上述步骤，具体步骤流程如下图4-4所示。图4-4软件流程图4.2.2定义特殊功能寄存器通过调用sbit函数来定义液晶LCD数据命令使能端RS、RW、EN和颜色传感器的S2、S3、输出端，使LCD液晶显示电路、单片机、颜色传感器在软件层面连接起来，这样能够实现传感器检测信息传送到单片机进行数据处理，然后将处理后的数据传送到液晶显示器上显示，成为一个有机整体。4.2.3子程序设计（1）白平衡子程序白平衡的设置对于颜色采集尤为重要，需要预设一个初始条件，告诉单片机什么是白色，有一个“参照物”，然后将后面每次检测的颜色信息和这个“参照物”进行对比计算，才能正确计算出所检测的物品颜色信息。在上位机和下位机进行识别检测前需要进行白平衡调试，分别求出十进制红色、蓝色、绿色因子ryz、byz、gyz以便代入后面程序分别计算R、G、B的。首先初始化TH1、TL1的值，然后TR0=1、TR1=1开启计时和计数功能，启动后TL1每次加1，TL1由0加到255时，TH1加1，TH1每8位进1，为了计10毫秒的时间，TH1由55536加到65535后溢出，溢出时TF1置零并向系统申请中断[10]。关闭定时器，最后分别代入白平衡计算所得的ryz、byz、gyz的值，分别计算无符号整型十进制R、G、B的值并判断所得值是否合法，即是否大于255，若大于则取255。由于白色的RGB三色分别对应的是255/255/255，初始化后，对白平衡进行设置时，对放在颜色传感器上的物品颜色监测颜色信息，当液晶显示器显示255/255/255后，即为白平衡设置成功。其设置白平衡部分子程序流程图如下4-5所示：图4-5白平衡子程序流程图（2）颜色信息显示子程序本模块程序首先通过控制EA中断允许控制位，若EA=1则系统允许中断，EA=0则不允许中断。后调用写屏函数（DisPlayOneChar）控制LCD液晶显示显示十进制R、G、B的值。这个子程序的设计功能是要求单片机通过能够实现对颜色的采集，并将颜色采集的信息传给单片机，经过单片机数值计算后，调用写屏函数，在LCD液晶显示上显示出结果。首先初始化LCD，使能端E=高脉冲时，激活LCD芯片，然后设置RS=0、RW=1，检测LCD是否处于忙信号，若是处于忙信号，延时10毫秒继续读忙，直到不处于忙信号，表示可以接受外部指令和数据；设置RS=1、RW=0实现写入数据，将单片机白平衡子程序中计算出的颜色信息数值写入LCD中；再设置RS=0、RW=0实现显示地址功能，将刚写入的数据在LCD显示屏中显示出来。当液晶显示器中显示出计算出的数值时，表示整个采集颜色信息子程序完成预设功能。图4-6为LCD采集颜色信息子程序流程图。图4-6LCD采集颜色信息子程序流程图

5实物调试结果5.1实验过程由于本系统对软硬件相互关联性能的要求很高，其整个教学实验操作过程中间不断变化的过程很复杂，一般采用仿真系统无法完全实现。物体颜色识别的具体实验操作步骤如下：我们首先将自己做出的实物放置在一个无明显光源的地方，放置一张白纸在四个白色LED上使其成为白平衡状态，然后接通电源，将所有带有颜色的待测纸板准备好放在旁边拿下白纸，在白色LED上放置一个红颜色的物体，LCD液晶显示器上的数值会发生变化，在上面放置一个绿颜色物体记录它的数据位置即可。图5-1STC89C52RC单片机的实物图图5-SEQ图4-\*ARABIC2实物图图5-3电源电路图图5-4复位系统实物图图5-5白平衡状态图图5-6红色物体检测图图5-7绿色物体检测图5.2结果和误差分析经过多次的实验然后记录相应的数据可以得到一个结论：如果我们的被测物体红颜色较多，那么在LCD1602液晶显示器上显示的输出结果中R值就比较大，G值和B值就相对偏小；同样，如果是绿色多，那么G值就大。从实验数据中可以看出此次实验虽然实现了识别颜色的效果，但是还是存在着一定的误差，这些误差可能由多方面的原因造成，其中之一可能就是因为我们提供的环境不适宜，我们需要在颜色识别实验过程中避免外界光的干扰，否则会影响颜色识别的结果，其二可能就是我们操作上会出现失误，可能在动手操作实验时我们忘记了步骤，这样也会导致我们测到的数据不准确，我清楚地记得当时我忘了白平衡调整所得到的数据令人难以相信。此外这些可能的误差原因中还包括因为补光控制模块芯片中的LED发光二极管芯片发出的光不稳定。这些原因或多或少都会导致在本机测量的进行过程中存在一定的误差，只有不断地进行改善，才能达到减小测量误差的主要目的，所以此颜色识别装置的系统还是有待更进一步的技术研究。

结论与展望本课题要求设计一个能够识别物体颜色的装置，经过一系列的查找资料和不断研究，设计的装置已经能够实现颜色的识别。本论文主要需要研究的内容有几个方面，分别是介绍单片机、TCS3200颜色传感器等主要模块的功能，理解这些模块在本次设计中有何作用，其次对这个系统的软硬件模块进行设计，保证它的功能可以实现，最后需要测试编写程序来实现识别物体颜色的这一功能。现在已经做过多次实验成功验证了文中测试结论的客观准确性。但是由于我以前对这方面没有足够的了解，所以在本文研究的过程中存在着一些缺陷和不足之处：主要的一个问题就是对于RGB三种类型的颜色测量方式的算法设计，它运用到了数字图像方面的知识点，算法的性能好坏很大程度上直接决定了这三种颜色最后的测量结果，而且又难以构造出准确的颜色测量方式。根据本文已计划完成的研究工作，对未来需要继续进行的工作我希望能对之前的工作有进一步的改进和完善：（1）需要去学习更多关于颜色算法方面的知识，熟练掌握对图像进行处理的常用颜色算法。本文对我们进行测得的RGB三种颜色信号进行颜色的分别处理我们只是精确选取了频率倒数中的前三位，所以在