1、本科毕业论文题 目 基于 TCS3200 颜色传感器 的 色 彩 识 别 系 统 的 设 计 学 院 信息科学技术学院 专 业 电子信息工程 毕业届别 2013 届 姓 名 指导教师 职 称 讲 师 XXXXXXXXX 大学教务处制二一三年五月王明：基于 TCS3200 颜色传感器的色彩识别系统的设计i目 录摘要i关键词iiiAbstract iiivKey wordsiiiv1 绪 论 11.1 研究背景11.2 色彩识别及颜色传感器技术的发展趋势11.2.1 颜色识别技术的研究成果11.2.2 国内颜色传感器的研究成果与动态31.3 本论文的主要工作及意义 42 颜色识别及颜色传感器技术介
2、绍52.1 色彩识别52.2 色彩识别算法52.2.1 色彩识别的应用 52.2.2 色彩识别一般算法 52.3 颜色传感器技术 62.3.1 颜色检测的难点 62.3.2 颜色传感器 72.4 本章小结 123 基于 TCS3200 的硬件设计 133.1 AT89S52 单片机简介133.1.1 AT89S52 的主要性能和参数13王明：基于 TCS3200 颜色传感器的色彩识别系统的设计ii3.1.2 AT89S52 的主要功能143.2 TCS3200 颜色识别原理简介163.2.1 TCS3200 芯片的结构框图与特点 163.2.2 TCS3200 识别颜色的原理 183.3 液晶
3、显示器 LCD1602 简介193.3.1 字符型液晶显示模块 CA1602A 的外观与引脚 193.3.2 指令格式与指令功能203.3.3 LCD 显示器的初始化 213.4 本章小结224 色彩识别器系统的设计与实现 234.1 系统结构框图 234.2 AT89S52 单片机最小系统 244.3 TCS3200 驱动模块的设计 254.4 TCS3200 颜色采集模块的设计 274.4.1 TCS3200 颜色采集模块与 52 单片机的接口274.4.2 TCS3200 颜色采集模块的软件设计284.5 4 个白色 LED 补光模块的设计314.6 LCD1602 液晶显示模块314.
4、6.1 LCD1602 液晶显示模块硬件设计324.6.2 LCD1602 液晶显示模块软件设计324.7 本章小结 34王明：基于 TCS3200 颜色传感器的色彩识别系统的设计iii5 色彩识别系统的实验 355.1 色彩识别的实验过程355.2 实验结果分析 355.3 本章小结 366 结论与展望 376.1 结论 376.2 展望 37参考文献 38致谢 40附录 1 程序代码 41附录 2 电路图 48基于 TCS3200颜色传感器的色彩识别系统的设计王明（XXXX 大学信息科学技术学院电子信息工程专业，陕西西安，650000）摘要：随着科技的发展，现代工业生产向高速化、自动化方向
5、不断进步，色彩识别技术已经广泛应用于各种工业检测和自动控制领域，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。本文主要介绍如何通过使用 TCS3200 颜色传感器来实现色彩识别的功能。本论文首先介绍不同颜色识别技术，利用三原色的感应原理以及 TCS3200 识别颜色的原理，实现 TCS3200 颜色传感器测量颜色的功能，并对所测得的数据进行处理，转换成 RGB 三种颜色光数值，通过 LCD 将经过处理后的数据显示出来。最后在此理论基础上设计了系统的总
6、体方案，通过硬件实现了系统功能。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。本设计具有体积小、成本低、功能强等特点。关键字：TCS3200 颜色传感器；AT89S52 单片机；颜色识别 王明：基于 TCS3200 颜色传感器的色彩识别系统的设计ivTHE COLOR RECOGNITION DESIGN BASED ON TCS3200 COLOR SENSORWang Ming（ Major in Electronic and Information Engineering in the College of Information Science and Technology ofXXXX Uni
7、versity， shanxixian， 650000）Abstract：With the rapid development of science and technology, modern manufacturing industry has been making great advances towards high-speed growth and automation. Meanwhile, the color-recognition technology has been widely-used in the fields of industrial inspection an
8、d automatic control. The color-recognition work, which used to rely on human eyes for years, is now increasingly replaced by a specific color-sensor. There are numerous examples in terms of the application of color-sensors, including recognizing color on the surface of objects, color detection of bo
9、th product packaging and its appearance features, and color detection and control of liquid solution, etc.This paper illustrated how to recognize color by using a TCS3200 Color-Sensor. In the beginning, the paper reavealed different kinds of color-recognition technology. Under the induction principl
10、e of three primary colors and the operating principle of a TCS3200 Color-Sensor, the color-recognition function of this device was practiced. Secondly, this paper analyzed the data and converted it into the light figures of RGB color afterwards. Subsequently, the processed data was displayed through
11、 a LCD. And in the third part, the overall project was designed based on the above-mentioned theories. And with the help of hardwares, the project was finally put into practice. Additionally, relavant hardware circuit digrams and follow charts were also demonstrated in this paper. The main features
12、of this design are small volume, low cost and strong function.Keywords: TCS3200 Color-Sensor；AT89S52MCU；Color-Recognition王明：基于 TCS3200 颜色传感器的色彩识别系统的设计11 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
13、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 TCS3200 颜色传感器是美国TAOS 公司生产的一种可编程并且能实现彩色光到频率转换的转换器，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。TCS3200 它对光的动态响应范围大，标准输出频率范围为 2Hz500kHz，TCS3200 有两个可编程的引脚，使用者可以对1
14、00%、20%、2%或者是动力关闭模块的输出量程进行选择使用。TCS3200 在不需要 DCs 系统的情况下，给每个彩色通道至少能提供 10 字节的分辨。TCS3200 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。1.2 色彩识别及颜色传感器技术的发展趋势颜色传感器也叫色彩识别传感器。标准的颜色测量方法是采用光谱光度测色仪,通过测量样品的三刺激值,从而得到样品的颜色。目前,基于各种原理的颜色识别传感器有两种基本类型: 其一是 RGB(红绿蓝) 颜色传感器, 检测的是三刺激值 ; 其二是色
15、差传感器 ,检测被测物体与标准颜色的色差。这类装置许多是漫反射型、光束型和光纤型的, 封装在各种金属和聚碳酸酯外壳中。1.2.1 颜色识别技术的研究成果（1) MAZET 公司最新推出的颜色传感器 MTCSiCS，不仅能够实现颜色的识别与检测，色彩传感器具有高精度 3 色测量(CIE)，是测量光源系统的出色解决方案，其控制系王明：基于 TCS3200 颜色传感器的色彩识别系统的设计2统可以捕捉到目前的颜色状况，然后根据图像信号反馈的信息控制并达到相应的 Yxy 值。相比别的传感器，在温度变化的情况下，MAZET 的传感器性能不变，甚至在温度或者能量很高的情况下、MAZET 的传感器也不会有任何
16、老化。MTCSiCS 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。当入射光投射到 MTCSiCS 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。（2) 德国 ELTROTEC 色
17、标传感器可以检测出颜色的差异，ELTROTEC 色标检测器具有灵敏度高、响应速度快、抗背景干扰能力强。即使颜色上的细微差异或高光泽目标物也能够被 ELTROTEC 检测到，产品被广泛的运用于包装机械和印刷机械，造纸机械等自控系统中。ELTROTEC 色标检测器适用于必须快速和准确检测色标或其他用颜色对比作记号的场合。在 30 多种不同的灰度等级中，色标检测器可检测所有类型的色标标记，可给不同的用户界面提供多种对比度检测技术，以满足广泛的应用领域，是业界最佳的色彩辨识仪器。（3) FT50C-1 颜色传感器：自 2001 年，通过测试开始投入应用至今 FT50C-1 一直得到广泛应用。该传感器使
18、用直径 4mm 的圆光斑。适合用于分选包装或检测不同类型的标签。FT50C -2 颜色传感器：使用 2mm 的正方形光斑。适合于检测非常微小的物体。典型应用是：检测小部件或检测细致的仪器。FT50C-3 颜色传感器：使用 1mm*5mm 的长方形光斑。专为检测长方形物体而设计。典型应用为：检测导管内半导体芯片的缺失和正确顺序。（4） CS 颜色检测器利用三色光方法鉴别颜色。CS 颜色检测器可以发射多种光谱组合，从而代替了传统的接收端滤式宽带光谱（易受周围光线影响）。被检测物体的反射光线被接收并被数字化，通过集成的微处理器进行运算和标准化。所有的红、绿、蓝（RGB）波长范围包括所有必要色度、饱和
19、度和亮度等信息都被包括在最后的信号值中。这些测量与保存的参考值在数微秒内进行比较，根据结果，改变开关输出的状态。颜色检测器可利用接收光和发射光的颜色检测而鉴别物体-例如透明物体或液体。根据工作需王明：基于 TCS3200 颜色传感器的色彩识别系统的设计3要，可以通过自学习模式存储一个或三个颜色参考值。因为颜色检测器对周围光线极度不敏感，所以检测的可靠性不会被进入传感器一端的反映或光线影响。 1.2.2 国内颜色传感器的研究成果与动态（1） 四川火狐公司推出的 MCS 颜色传感器是最小的三原色传感器，由三个 Si-PIN光电管以及在片滤波器集成在一起的，每个光电管都各自有三种颜色之一的滤波器。它
20、具备小尺寸设 计，高质量滤波器和三种颜色同步记录的特点。三个不同区域的颜色识别响应，类似于人眼。每个光电管对相应光谱滤波器的颜色光最敏感，主要是红色，绿色，蓝色。对高动态工业颜色应用（允许信号频率到 MHz 范围），新的紧凑型颜色传感器是首选，适合低价格快速信号处理。这种光电管的环型排列，适合辅助光纤测量信号的耦合。这些传感器提供 TO5 和 SOP8 透明塑料或者玻璃封装。（2） 广州创光电子有限公司的 PDIC903B 颜色传感器主要用来检测环境亮度水平，并通过提供高度线性的成比例输出，来调节显示屏幕或键盘的背光。可帮助便携式显示设备降低功耗，延长 LCD 屏幕的使用寿命。这些经济型传感器
21、可以根据制造商预先设定的模式来控制便携式 LCD 显示器的背光。尺寸（宽 x 长 x 高）5.0x 5.0 x 1.0mm 受光面积：4.0x4.0mm 波长范围 :390-700nm 峰值波长:620nm 550nm470nm(三色)工作电压：2.3-5V 灵敏度范围：3 lx-80k lx 精确度：输入电流 500mA 时对数曲线上下偏差 3% 可提供样品。广泛应用于：移动设备 PDA、移动电话、笔记本电脑和数码相机的键盘和显示屏背光控制。（3） 深圳市易创特自动化设备有限公司推出的新一代数字颜色传感器TCS3414CS，不但可以侦测颜色，同时还可以侦测色温。其应用主要是带有液晶屏的数码产
22、品如液晶电视，可视 DVD，车载数码产品，另外如笔记本电脑，手机，PMP 等移动设备也都有应用。 其产品的低档系列，以其优良侦测精度和优势的价格，尤其适合玩具类等产品开发应用。（4） 上海精电电子设备有限公司研发生产的颜色识别传感器、色标传感器系列产品，作为国内最专业的光学测量及检测设备研发及生产厂家特别在辨色识别，激光测距,光纤的技术上处于领先地位,运用了当今先进的数字化背景抑制技术,大大提高了测量精度和抗干扰能力,因为有这样的特点，使得该公司产品在国内市场有相当占有率，依靠合理的价格更适合国内市场的服务理念成为少数几家能与国外顶级品牌抗衡的高科技企业。目前生产的超高功率 RGB 数字光纤传
23、感器在检测时的方便性为一般传感器望尘莫及， 王明：基于 TCS3200 颜色传感器的色彩识别系统的设计4RGB 颜色传感器利用数模转换的高精度放大器，成为业界最佳的色彩辨识，即使颜色上的细微差异或高光泽目标物也能够轻易的检测。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 AT89S52 单片机为核心，利用 TCS3200 颜色传感器和 LCD1602 建立起来的。文中给出整个系统的设计思路，包括，根据对三原色的感应原理和 TCS3200 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 TCS3200 颜色传感器，在合适的环境下，对被测物体进行检测，
24、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 AT89S52 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。王明：基于 TCS3200 颜色传感器的色彩识别系统的设计52 颜色识别及颜色传感器技术介绍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
25、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
26、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潢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,
