基于多色光电二极管的颜色识别装置 - 图文

清华大学2012届毕业设计说明书

频率的可见光混合在一起构成的，也就是说白光中包含着各种颜色的色光（如红R、黄Y、绿G、青V、蓝B、紫P）。根据德国物理学家赫姆霍兹（Helinholtz）的三原色理论可知，各种颜色是由不同比例的三原色（红、绿、蓝）混合而成的[12]。 2. TCS230识别颜色的原理

由三原色感应原理可知，如果知道构成各种颜色的三原色的值，就能够知道所测试物体的颜色。对于TCS230来说，当选定一个颜色滤波器时，它只允许某种特定的原色通过，阻止其他原色的通过。例如：当选择红色滤波器时，入射光中只有红色可以通过，蓝色和绿色都被阻止，这样就可以得到红色光的光强；同时，选择其他的滤波器，就可以得到蓝色光和绿色光的光强。通过这三个值，就可以分析投射到TCS230传感器上的光的颜色。 3. 白平衡和颜色识别原理

白平衡就是告诉系统什么是白色。从理论上讲，白色是由等量的红色、绿色和

蓝色混合而成的；但实际上，白色中的三原色并不完全相等，并且对于TCS230的光传感器来说，它对这三种基本色的敏感性是不相同的，导致TCS230的RGB输出并不相等，因此在测试前必须进行白平衡调整，使得TCS230对所检测的\白色\中的三原色是相等的。进行白平衡调整是为后续的颜色识别作准备。在本装置中，白平衡调整的具体步骤和方法如下：将空的试管放置在传感器的上方，试管的上方放置一个白色的光源，使入射光能够穿过试管照射到TCS230上；根据前面所介绍的方法，依次选通红色、绿色和蓝色滤波器，分别测得红色、绿色和蓝色的值，然后就可计算出需要的3个调整参数。

当TCS230识别颜色时，就用这3个参数对所测颜色的R、G和B进行调整。

这里有两种方法来计算调整参数：

（1）依次选通三颜色的滤波器，然后对TCS230的输出脉冲依次进行计数。当计数到255时停止计数，分别计算每个通道所用的时间，这些时间对应于实际测试时TCS230每种滤波器所采用的时间基准，在这段时间内所测得的脉冲数就是所对应的R、G和B的值。

（2）设置定时器为一固定时间 （例如10ms），然后选通三种颜色的滤波器，计算这段时间内TCS230的输出脉冲数，计算出一个比例因子，通过这个比例因子

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可以把这些脉冲数变为255。在实际测试时，室外同样的时间进行计数，把测得的脉冲数再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所对应的R、G和B的值。 4.应用中需要注意的问题

（1）颜色识别时要避免外界光线的干扰，否则会影响颜色识别的结果，最好

把传感器、光源等放置在一个密闭、无反射的箱子中进行测试。

（2）对光源没有特殊的要求，但是光源发出的光要尽量集中，否则会造成传

感器之间的相互干扰。

（3）当第1次使用TCS230时，或TCS230识别模块重启、更换光源等情况时，

都需要进行白平衡调整。 3.3 光电二极管的工作原理 3.3.1 光电二极管的定义及原理

光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。

光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子——空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。光电二极管和普通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路图中文字符号一般为VD。 3.3.2 光电二极管的种类、特性与用途

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1. PN型

特性：优点是暗电流小，一般情况下，响应速度较低。

用途：照度计、彩色传感器、光电三极管、线性图像传感器、分光光度计、照相机曝光计。

2. 发射键型

特性：使用Au薄膜与N型半导体结代替P型半导体 。 用途：主要用于紫外线等短波光的检测。 3. PIN型

特性：缺点是暗电流大，因结容量低，故可获得快速响应 。

用途：高速光的检测、光通信、光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传真。 4. 雪崩型

特性：相应速度非常快，因具有倍速做用，故可检测微弱光。 用途：高速光通信、高速光检测。 3.4 STC89C51 单片机[22]

STC系列单片机是美国STC公司最新推出的一种新型51内核的单片机。片内含有Flash程序存储器、SRAM、UART、SPI、A\\D、PWM等模块。该器件的基本功能与普通的51单片机完全兼容。 3.4.1 STC89C51的性能参数和主要功能

1.内置标准51内核，机器周期：增强型为6时钟，普通型为12时钟； 2.工作频率范围：0~40MHZ，相当于普通8051的0~80MHZ； 3.STC89C5xRC对应Flash空间：4KB\\8KB\\15KB； 4.内部存储器（RAM)：512B； 5.定时器\\计数器：3个16位； 6.通用异步通信口（UART）1个； 7.中断源:8个；

8.有ISP(在系统可编程）\\IAP(在应用可编程),无需专用编程器\\仿真器； 9.通用I\\O口：32\\36个；

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10.工作电压：3.8~5.5V；

11.外形封装：40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等。 3.4.2 STC89C51单片机的引脚功能说明

STC89C51引脚分布如图3.4所示。

图 3.4 单片机引脚图 图3.5 单片机实物图

1. VCC:电源电压 2. GND:接地

3. P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时可作为高阻抗输入端用。

4. P1口:P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTE逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P 1.1/T2EX ),如表3.5。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

引 脚 号 功能特性 P1.0 T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出 第 22 页 共 51 页