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算多少多少


本 科 毕 业 设 计
基于 TCS3200D 颜色传感器的 色彩识别设计
姓 学 专 年 学 名 院 业 级 号 于源 信息与电气工程学院 电气自动化 2010 20103615596 刘飞

指导教师







独 创 声 明
本人郑重声明:所呈交的毕业论文(设计) ,是本人在指导老师 的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争 议。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本论文(设计)不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。 此声明的法律后果由本人承担。

作者签名: 年 月 日

毕业论文(设计)使用授权声明
本人完全了解鲁东大学关于收集、保存、使用毕业论文(设计) 的规定。 本人愿意按照学校要求提交论文(设计)的印刷本和电子版,同 意学校保存论文(设计)的印刷本和电子版,或采用影印、数字化或 其它复制手段保存论文(设计) ;同意学校在不以营利为目的的前提 下,建立目录检索与阅览服务系统,公布论文(设计)的部分或全部 内容,允许他人依法合理使用。 (保密论文在解密后遵守此规定)

论文作者(签名) : 年 月 日

毕业设计开题报告
姓名 于源 性别 男 学院
信息与电气工程学院

年级

1004

学号

2010361559 6

题 目 课题来源

基于 TCS3200D 颜色传感器的色彩识别设计
学生自拟 课题类别 应用研究

选题意义(包括科学意义和应用前景,研究概况,水平和发展趋势,列出主要参考文献目录) : 现代工业正在向着高速化、自动化高速的发展,在工业检测和自动控制领域,颜色识别技术将 得到广泛应用,颜色传感器的广泛应用将逐步取代人眼检测,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。目前一般的颜色传感 器是在独立的光电二极管上覆盖修正过的的蓝、绿、红滤光片,然后再对输出信号进行处理,才可 以识别出颜色信号;还有的将两者集合,可是输出量是模拟信号,这就需要一个 A/D 电路进行采样, 进一步处理以后才能进行识别,电路的复杂性就增加了,就会增加识别误差,影响了识别效果。 TCS3200D 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,比目前市面上常 见的光转电压颜色检测仪器在性能上有很大提升。TCS3200D 对光的动态响应范围大于 250,000~1, 标准输出频率范围为 2Hz~500kHz,TCS3200D,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。TCS3200D 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。TCS3200D 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。 本设计通过使用 TCS3200D 与 STM32 单片机的组合实现色彩识别器的设计, 从而能够简单方便的 识别出物体的颜色。 参考文献: 张松灿,肖本贤.高分辨率颜色传感器 TCS3200D 的原理和应用[D].合肥工业大学.2005. 卢 川 英 , 于 浩 成 , 孙 敬 辉 , 孟 中 . 基 于 TCS3200D 传 感 器 的 颜 色 检 测 系 统 [J]. 吉 林 大 学 学 报.2008.11.

研究主要内容和预期结果(说明具体研究内容和拟解决的关键问题,预期结果和形式,如在理论上 解决哪些问题及其价值,或应用的可能性及效果) : 课题研究的内容主要是实现对色彩的识别与上位机显示。系统可由色彩传感器、单片机或嵌入 式系统两部分组成,TCS3200D 颜色传感器作为数据采集端,单片机或嵌入式作为处理器。实现与完 善后,系统可以用于需要色彩识别的一些场合。 要解决的主要问题有:颜色传感器的原理、应用和电路设计;单片机或嵌入式系统的开发以及 TCS3200D 的应用电路。

拟采取的研究方法和技术路线(包括理论分析、计算,实验方法和步骤及其可行性论证,可能遇到 的问题和解决方法,以及研究的进度与计划) : 第一阶段: 做好前期的准备工作, 通过各种途径查阅各种相关的资料, 学习了解颜色传感器的原理、 应用和电路设计;掌握单片机或嵌入式系 统的开发以及TCS3200D的应用电路; 第二阶段:制作仿真电路部分,编写相应的程序代码,进行软件仿真; 第三阶段: 购买硬件, 进行硬件调试, 发现并解决设计存在的问题和缺陷, 最终实现色彩量的采集, 显示和处理; 第四阶段:编写、修改论文,最终定稿。

指导教师意见(对论文选题的意义、应用性、可行性、进度与计划等内容进行评价,填写审核结果: 同意开题、修改后再开题、不同意开题) : 色彩识别器的设计对现代化工业有着重要意义, 本设计将 TCS3200D 与 STM32 单片机结合具有相 当大的可行性。 同意开题

签名: 年 院(系)毕业论文(设计)领导小组意见: 月 日

(签章) 年 月 日

毕业设计结题报告
姓名 于源 性别 男 学院
信息与电气工程学院

年级

1004

学号

2010361559 6

题 目 课题来源

基于 TCS3200D 颜色传感器的色彩识别设计
学生自拟 课题类别 应用研究

本课题完成情况介绍(包括研究过程、实验过程、结果分析、存在的问题及应用情况等。 )

首先建立颜色识别系统的大概模型,并演算出颜色识别算法,然后了解 STM32 单 片机的功能及优势,对颜色识别系统进行软硬件的设计。 通过对不同颜色的纸片进行颜色检测来实验设计是否达到预期成果。 从实验结果看大体上能正确的检测出纸片的颜色,但是还存在轻微的误差。 造成误差的原因可能跟光照环境和传感器的敏感度不同有关,还需改进。

指导教师评语: 该论文经过对 TCS3200D 及 STM32单片机的深入研究,设计出基于 TCS3200D 的色彩识别器, 系统构架层次分明,设计全面,能较好的实现颜色识别器的功能。选题具有一定的实用价值, 且论文的撰写符合规范性要求。 经审阅,该设计是一个优秀的本科毕业设计,同意结题 签名: 年 月 日

院(系)毕业论文(设计)领导小组意见:

(公章) 年 指导教师 评定成绩 月 日

毕业设计成绩评定表
学院: 姓 名 题 目
信息与电气工程学院

学号:20103615596 总成绩:

于源

基于 TCS3200D 颜色传感器的色彩识别设计

评 阅 人 评 语

评定成绩:

签名:







答 辩 小 组 评 语

答辩成绩:

组长签名:







注:总成绩=指导教师评定成绩(50%)+评阅人评定成绩(20%)+答辩成 绩(30%) ,将总成绩由百分制转换为五级制,填入本表相应位置。

目录
1 绪 论.......................................................................................................................... 1 2 TCS3200D 颜色识别原理简介 ................................................................................. 2 3 色彩识别器系统的设计与实现................................................................................ 3 3.1 系统结构框图.................................................................................................. 3 3.2 STM32F103C8T6 单片机简介 ........................................................................ 3 3.3 颜色传感器...................................................................................................... 4 3.4 TCS3200D 颜色传感器与 STM32 单片机的连接 ......................................... 5 3.5 TCS3200D 颜色采集模块的设计 ................................................................... 5 3.6 4 个白色 LED 补光模块的设计 ...................................................................... 7 4 色彩识别系统的实验................................................................................................ 7 4.1 色彩识别的实验过程....................................................................................... 7 4.2 实验结果分析................................................................................................... 7 5 结论与展望................................................................................................................ 7
参考文献........................................................................................................................................... 8 致 谢............................................................................................................................................... 10

鲁东大学本科毕业设计

基于 TCS3200D 颜色传感器的色彩识别设计
于源
(信息与电气工程学院,电气自动化专业,2010 级 4 班,20103615596)

摘 要:现代工业的高速化发展注定了颜色识别器将代替人眼检测,本设计的目的就是通过使用 TCS3200D 颜色传感器和 STC89C52RC 单片机的组合实现颜色数据获取,并通过上位机显示完 成颜色识别器的设计实现识别物体颜色的功能。

关键词:颜色传感器;STM32;颜色识别

Color recognition sensor based design TCS3200D
Yu Yuan (Information and Electrical Engineering,Electrical Automation,1004,20103615596) Abstract:Speed development of modern industry doomed color recognition will replace

the human eye to detect, this design is the use of TCS3200D color sensor, STC89C52RC microcontroller design and color through the PC display identifier. After efforts to complete the design of the color recognition, to achieve a color object recognition capabilities, we believe we can play an important role in the design of industrial applications.
Key words: TCS3200D; STC89C52RC microcontroller; color recognition

1 绪 论
现代工业的高速发展注定了人眼颜色检测将被自动颜色检测设备所代替, 所以 颜色识别器的地位将迅速提升, 一个好的颜色识别器将在工业生产中发挥重要作用 。 本文以色彩识别系统的设计为目的,采用 stm32F103C8T6 单片机为核心,利用 TCS3200d 颜色传感器实现功能并通过计算机显示。

1

鲁东大学本科毕业设计

2 颜色传感器识别颜色的原理
(1)三原色的感应原理: 平常我们看到的物体的颜色,实际上是物体的表面吸收照射在它表面上的太阳光 中的一部分以后,另一部分反射出来的有色光进入人的眼睛,这些光就是人看到的颜 色。白色光是包含了所有颜色的光,由各种频率的光构成。根据三原色理论可知,所 有颜色都是由三原色(RGB)按不同比例混合而成的[2]。 (2)TCS3200D 识别颜色的原理: 借助三原色理论,如果知道三原色的值,就可以知道物体的颜色。拿 TCS3200D 来讲,选择其中一个颜色通道后,只能有一种原色通过,别的颜色就会被阻止通过。 例如:如果我们选择红色通道,就只有红色光可以通过,其他所有的光都无法通过, 我们就可以获得红色光的光强; 同样, 也能获得其他两个颜色的光强。 通过这三个值, 我们可以对照 RGB 颜色查询对照表确定物体的颜色。 (3)白平衡调节原理: 调整白平衡的目的是确定一个标准的白色 RGB 值。 白色在理论上是由红色、 绿色、 蓝色三种色光等量混合后形成的[2];但是现实中,白色中的红绿蓝三种色光通常都不 会完全相等,而且光传感器对三种色光的敏感性也不完全相同,这就导致光传感器的 RGB 输出并不相等,调整白平衡的意义也正在于此,只有调整白平衡才可以使输出的 RGB 是相等的。我们按照以下步骤来调整白平衡:将一个空试管放置在传感器上方, 试管上方放置白色 LCD 灯,使其能够透过试管照射到传感器上;[2]分别选择红、绿、 蓝三个通道,分别测出红、绿、蓝的值,这样就可以计算出 3 个调整参数。也可以直 接找一张白纸,让传感器对着白纸测量。[2] TCS3200D 得到物体颜色参数时, 就以这个标准的白色 RGB 值来进行调整。 下面两 种方法都可以用来计算调整参数:1、依次分别选择红、绿、蓝滤波器。当计数器到 达 255 是就停止记数,计算出三个滤波器分别用的时间,以这三个时间作为实际测试 时的时间基准,其中得到的脉冲数就分别是 R、G、B 值。2、将定时器设定为某一时 间(例如 20ms) ,分别选择三种滤波器,记下输出的脉冲数,计算出比例因子,借助 这个比例因子就可以把刚才所得的脉冲数转化为 255。[2]公式如下: 红色 R=255×red/red–bace 绿色 G=255×green/green–bace 蓝色 B=255×blue/blue–bace

2

鲁东大学本科毕业设计

3 色彩识别器系统的设计与实现
3.1 系统设计思路 1.用 TCS3200D 对目标进行检测并将检测的数据转化成数字量。 2.将获得的数字量送到 stm32 单片机进行处理,得到目标所包含的 RGB 值,然后通过 上位机显示出来。

3.2

系统结构框图
色彩识别系统是建立在 stm32 系列单片机的基础上, 利用 TCS 颜色传感器及相关

模块,基于这些模块所实现的颜色识别系统。图 1 就是颜色识别系统的系统框架。

图 1

系统框架

3.2 STM32F103C8T6 单片机简介
STM32F103C8T6 单片机参数介绍[1]: 类别:集成电路(IC) 家庭:嵌入式-微控制器 芯体尺寸:32-位 速度:72MHz 输入/输出数:37 程序存储器类型:FLASH RAM 容量:20K x 8 振荡器型:内部 封装/外壳:48-LQFP 包装:托盘

3

鲁东大学本科毕业设计

图 2 STM32F103C8T6 单片机管脚图

图 3 STM32F103C8T6 单片机实物图

3.3 颜色传感器
TCS3200D 芯片的结构框图与特点 : TCS3200D 可以以数字量输出因此可以直接连接逻辑电路,不需要再用到 AD 转换电 路。[9]
TCS230 1 2 3 4 S0 S1 OE GND S3 S2 OUT Vcc 8 7 6 5

输出 光电二极管阵 列 S2 S3 电流--频率转 换器 S0 S1 OE

图4

TCS3200D 一共有 64 二极管,由四个种类的二极管组成,每类 16 个:分别是带有 红、绿、蓝滤波器的二极管以及不带任何滤波器的二极管,此类二极管不会阻止任何 光,所有的光电二极管都是交叉排列,目的是尽可能减少入射光辐射,以此增强颜色 识别的准确度;相同的二极管都采用并联连接,并且均匀地分布,这样可以极大程度 的减少位置上的误差。滤波器由两个引脚控制,且两个引脚都是可编程引脚,输出频 率为在 2-500HZ 之间,输出比例因子也是由两个引脚控制,分别有 100%,20%,2%,这 两个引脚也可以控制电源关断模式。
4

鲁东大学本科毕业设计

通过给 S0/S1 接不通的高低电平可以选择不同的输出比例因子; S2、 S3 两个引脚 的组合可以选择滤波器类型; OE 负为输出始能, 作用是控制输出状态, GND 为接地线, VCC 是工作电压,OUT 的作用是频率输出。[2] 表 1 是各个引脚的功能介绍合。
表1

S0 L L H H

S1 L H L H

输出比例因子 关断电源 2% 20% 100%

S2 L L H H

S3 L H L H

滤波器类型 红色 蓝色 无 绿色

3.4 TCS3200D 颜色传感器与 STM32 单片机的连接
TCS3200D 颜色传感器的 S2 管脚接 stm32 单片机的 PA3 管脚,S3 管脚接 PA4 管 脚,OUT 管脚接 PA0 管脚,S0 管脚接高电平,s1 管脚接高电平,OE 管脚接低电平如 下图 5 所示。

图 5 TCS3200D 与单片机的连接图

3.5 TCS3200D 颜色采集模块的设计

RGB 三种色彩通道采集 本设计中,PA3,PA4 控制 s2、s3 选通三种颜色滤波器,OUT 接 PA0 作为外部中断 引脚以测量 TCS3200D 产生的脉冲数。
5

鲁东大学本科毕业设计

依次选择 TCS3200D 的三种颜色滤波器值,通过定时器设定时间 20ms,在 20ms 内 通过外部中断 PA2 引脚测量 TCS3200D 产生脉冲数。[2] 图 6 为 TCS3200D 操作流程图。
初始化 stm32

设置定时器 20ms

选择红色通道 否 20ms 到了 吗吗 是 记录值

选择绿色通道

20ms 到了 吗吗 是 记录值



选择蓝色通道 否 20ms 到了 吗吗 是 显示 RGB 值

图 6 TCS3200D 操作流程图

6

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3.6 4 个白色 LED 补光模块的设计
因为本设计的 TCS3200D 颜色采集模块需要在密闭的环境下实现,所以需要另外 添加一个稳定的光源。本模块由 4 个 LED 补光灯构成,这四个补光灯可以使传感器能 够获得从物体表面反射回的光,从而得到合适的光强。

4 色彩识别系统的实验
4.1 色彩识别的实验过程
本实验具体操作如下:将传感器置于全黑环境中,分别放入不同颜色的纸片,记 录电脑上显示的颜色数据。 图 7 为本次试验所得实验结果。

颜色 纯白

结果 第一次 第二次 第三次 第一次 第二次 第三次 第一次 第二次 第三次 第一次 第二次 第三次

R 253 255 249 166 166 166 078 075 069 035 028 031
图7

G 246 250 252 036 047 036 131 128 133 043 045 042

B 243 253 250 044 041 040 061 062 058 107 101 105

图 像

纯红

纯绿

纯蓝

4.2 实验结果分析
通过实验可以看出当红色时 R 值会特别大,同样绿色和蓝色 G 和 B 会特别大,这 样就实现了色彩识别功能,但是可以看出测试结果与标准值还存在着些许误差,这可 能跟外界的干扰有一定关系,也可能跟传感器自身对颜色的敏感程度也有关系,还需 要进一步改进。

5 结论与展望
本论文是以 STM32F103C8T6 单片机为基础,利用 TCS3200D 颜色传感器模块,实
7

鲁东大学本科毕业设计

现色彩识别系统的设计。整体上实现了对物体颜色的识别功能,相信随着现代化工业 的发展,色彩识别器会在工业生产中占有举足轻重的地位。

参考文献
[1] 范书瑞, 李琦, 赵燕飞.Cortex-M3 嵌入式处理器原理与应用[M].北京:北京电 子工业出版社,2011. [2] 黄智伟等. ARM 微控制器应用设计与实践[M].北京:北京航天航空大学出版社, 2012. [3] 谭浩强等.C 语言程序设计教程[M].北京:高等教育出版社,2006. [4]胡建民.颜色传感器 TCS3200D 及颜色识别电路[J].单片机与嵌入式系统应用.2006. [5]郑喜凤,黄娉,刘贵华.三基色亮度计的设计和应用[J].微计算机信息.2009. [6] 张 伟.单片机原理及应用[M].机械工业出版社,2002.1. [7] 杨 杰,谢元媛. 基于 TCS3200D 芯片颜色测量系统的研究[J]. 新疆电力设计 院.2010. [8] 可荣硕,马晓军,张思博. 基于 RGB 色彩空间的颜色识别系统设计[J]. 微计算机信 息.2010. [9] 胡建民. 颜色传感器 TCS3200D 及颜色识别电路 [EB/OL]. [10] 张松灿, 肖本贤. 高分辨率颜色传感器 TCS3200D 的原理和应用 [EB/OL]. [11]刘增辉. 颜色传感器技术研究进展[J]. 传感器技术.2003.

附录 A 程序代码
#include "stm32f10x.h" #include "stdio.h" int main(void) { RCC_Configuration(); NVIC_Configuration(); GPIO_Configuration(); USART_Configuration(); EXIT_Configuration();
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while (SysTick_Config(720000)); GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1); GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2); printf("\r\nSTART\r\n"); while (1) { GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_3); GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4); num = 0; SysTick->LOAD=720000; timeflag=0; while(timeflag==0); red=255*num/800; GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_3); GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4); num = 0; SysTick->LOAD=720000; timeflag=0; while(timeflag==0); blue=255*num/930; GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_3); GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4); num = 0; SysTick->LOAD=720000; timeflag=0; while(timeflag==0); green=255*num/680; if(timeflag2>100) { timeflag2=0; printf("\r\nred=%d blue=%d green=%d\r\n",red,blue,green); } } }

extern u32 timeflag; extern u32 timeflag2; void SysTick_Handler(void) { timeflag=1; timeflag2++; }

9

鲁东大学本科毕业设计

/************************************************************************ ******* * Function Name : EXTI0_IRQHandler * Description : This function handles External interrupt Line 0 request. * Input : None * Output : None * Return : None ************************************************************************* ******/ extern u32 num; void EXTI0_IRQHandler(void) { num++; // printf("%d\r\n",num); EXTI_ClearFlag(EXTI_Line0); }

致 谢
本论文是在导师完成刘飞在教师的指导下,在每个步骤中,从研究思路,数据采 集,倾注了导师的心血和汗水。在做毕业设计的这段时间里,我的每一次进步都离不 开导师细心的教导与帮助,导师精益求精的高尚品质,不断进取的精神,严于律己宽 以待人的做事态度,永远是我学习的榜样;在此论文成稿之际,我谨向老师致以诚挚 的谢意。 同时也感谢10级的同学们,感谢你们在完成论文的过程中提供的宝贵建议,这4 年的时间,我们朝夕与共,共同学习;感谢你们让我的生活中充满了欢声笑语;这些 都将是我终生都难忘的回忆 。 还要感谢我的父母,这么多年来无论物质上还是精神上,你们都给与我莫大的支 持,正是因为你们的支持我才能走到今天这一步。无论何时何地,无论前途艰险,你 们无私的爱都会使我鼓起勇气迈步向前。我爱你们。
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鲁东大学本科毕业设计

最后, 也感谢各位评审老师能在百忙之中抽出时间来对我的论文进行审阅, 谢谢。

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