基于rgb230色敏探测器的颜色识别系统设计毕业设计(编辑修改稿)

基于rgb230色敏探测器的颜色识别系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

放大A/D转换单片机处理LCD显示GBR光 信 号四 个 白 光 L E D补 光 模 块待测物体 图 系统硬件整体框图 白光 LED 补光电路 本设计中，为了消除外界光源不稳定的影响， RGB230 色敏探测器 颜色采集模块需要在暗室中进行，所以需要另外添加一个稳定的光源。 采用高亮度白光 LED 作为光源，它是一种新型固体光源，具有极高稳定性、长使用寿命及较小的体积，且能够长时间稳定工作。 为保护白光 LED 不被烧坏，需要串联一个电阻，起到限流的作用。 本模块主要是用 4个白光 LED 围绕在 RGB230 色敏探测器四周，其光照射在待检测的物体上，然后反射到 RGB230 色敏探测器上，达到合适的光强的目的。 其电路原理图如图。 图 白光 LED补光电路 长春理工大学 光电信息学院 本科毕业设计 10 RGB230 色敏探测器 RGB230 色敏探测器采用 4 个 引脚的表面贴片式封装，其中 3 个分别输出 R、 G、 B光电流，还有 1 个为阴极。 它是三个 SiPIN 光电二极管集成在一块芯片上上面，并分别覆盖各自经过修正的红、绿、蓝滤色片，通过获得的红、绿、蓝三刺激值来实现对所有颜色的检测。 它是很小的三基色传感器，长为 ，宽为 3mm，如图 所示。 (a)实物图 (b)结构图 图 RGB230色敏探测器图 RGB230 色敏探测器将光转换为 R、 G、 B光电流，三个 SiPIN 光电二极管用于直接接收光强，直接把光强转换为光电流。 该探测器采集颜色信号时，红、绿、蓝区三个引脚都会输出电流信号，电流输出稳定，不会随温度的改变而改变。 当入射光照射到RGB230 上时，透过带有颜色的滤色片形成红、绿、蓝三个颜色分量，三个 PN 结都将产生相对应的光生载流子，形成光电流。 其等效电路如图 所示。 我们可通过处理输出的三路光电流得出具体颜色信息，从而确定出不同的颜色。 图 等效电路 RGB230 色敏探测器具备小尺寸设计和三种颜色同步记录的特点，且该颜色传感 器对相似颜色和色调的监测可靠性较高。 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的光最为敏感，主要是红色，绿色，蓝色。 该传感器的测量模式是分析红、绿、蓝光的比例，从而确定待测物体的颜色。 因为检测距离不管怎样变化，只能引起光强的变化，而三种颜色光的比例不会改变，所以在目标有机械振动的场合也可检测。 I/V 变换电路 根据探测物体颜色、照明光强度的不同， RGB230 色敏探测器的输出信号一般在几十到几百纳安量级，这样小的微电流给测量带来了不便。 首先，要将这样微弱的电流转换成电压信 号，以便于后续 A/D 转换和单片机处理。 比较可靠的 I/V转换方法是通过电阻采样的方法将微弱电流信号转化为 mV量级的电压信号。 它具有良好的线性特性，外加工作电压低，暗电流小等优点。 其基本原理长春理工大学 光电信息学院 本科毕业设计 11 图如图 所示。 图 I/V转换电路 根据上图所示的电路图得到的输出电压为   /o u t f S B O S o u tV R I I V V A     () 式中，为输入电流，为采样电阻，为与被测电流成比例的输出电压。 若运算放大器的增益很高，并且运算放大器的输入 失调电压很小，当运算放大器的输入阻抗很大，比采样电阻要大 23个数量级，于是 I/V 转换的输出为： out f SV R I () 因此在设计电路时，寻找输入偏置电流小、失调电压低的运算放大器是重中之重。 通过查阅相关运算放大器资料并进行比较，本设计选用了高精度、低噪声的高精密运放 OP177。 它是目前精度性能最高的运算放大器之一，失调电压在室温下的最大值仅为25 μ V。 在更低的输入偏置电流条件下可提供更低的失调电压和漂移以 及更高的带宽及压摆率。 OP177 的超低 VOS结合出色的 μ V/176。 C 失调电压漂移最大值，无需进行外部 VOS 调节，从而可提高整个温度范围内的系统精度。 由于微弱电流容易受到外界的干扰，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，可以使得系统更稳定，去除运放负端输入接地的影响。 不同颜色产生的微弱电流信号传送到对应的线路通道上，需要把电流信号转换成05V的电压信号，以满足 A/D 转换的输入要求。 而经过 I/V 变换后的电压信号大致能达到几十到几百 mV，这个幅值的电压还太小， 不能输入到数字系统，因此要对电压信号进行进一步放大。 由于 I/V 变换后的电压输出为负，因此本设计采用反相的电压放大电路，放大倍数为 10，使之能够满足要求。 其基本原理图如图 所示。 长春理工大学 光电信息学院 本科毕业设计 12 图 电压放大电路 考虑到 RGB230 颜色探测器产生的信号十分微弱，很容易受到噪声影响，所以本设计选择 OP07 芯片。 它是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。 由于OP07 具有非常低的输入失调电压（对于 OP07A 最大为 25μ V），所以 OP07 在很多应用场合不需要额外的调零措施。 OP07 同时具有输入偏置电流低（ OP07A 为177。 2nA）和开环增益高（对于 OP07A 为 300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得 OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。 A/D 转换电路 经过放大滤波后的电压信号为模拟信号，要将此信号送入为处理器中进行进一步处理，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同步对三路信号进行处理，在保证可靠性和精度的前提下，为降低系统的成本，满足对输入数字信号倍数的要求， A/D转换器选用 8位串行输出的 ADC0809 芯片。 其引脚结构 如图 所示。 图 ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、 8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS 组件。 它是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。 ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 0－ 5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电长春理工大学 光电信息学院 本科毕业设计 13 路。 IN0－ IN7 为 8 条模拟量输入通道。 A， B 和 C 为地址输入线，用于选通 IN0－ IN7上的一路模拟量输入。 ALE 为地址锁存允许输入线，高电平 有效。 当 ALE 线为高电平时，地址锁存与译码器将 A， B， C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。 ST 为转换启动信号。 当 ST 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行 A/D 转换；在转换期间， ST 应保持低电平。 EOC 为转换结束信号。 当 EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行 A/D 转换。 OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。 OE＝ 1，输出转换得到的数据； OE＝ 0，输出数据线呈高阻状态。 D7－ D0为数字量输出线。 CLK 为时钟输入信号 线。 因 ADC0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为 500KHz。 VREF(+)， VREF(－ )考电压输入。 ADC0809 的数据输入输出公式为： 5 / 255in outVV （ ） 其中 inV 为模拟电压输入， outV 为由输出的八位二进制数转换而成的十进制数。 ADC0809 采用串行数据接口与单片机通行，用 单片机模拟 ADC0809 的通信时序，脉冲信号由单片机提供。 放大滤波后的 R、 G、 B 电压信号分别通过 ADC0809 进行模数转换，得到八位二进制信号分别输入 P0P2 口，其电路图如图 所示。 图 在颜色检测系统中，单片机检测系统是整个系统的核心。 它不但控制着整个系统工作的时序，而且还要对采集传输到其内部的数字信号进行即时处理，同时还要将检测的结果显示出来。 综合经济性和系统设计的要求，选择了 STC89C52 单片机。 长春理工大学 光电信息学院 本科毕业设计 14 STC89C52 单片机大多采用双列直插 DIP 封装，共 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 所示： 图 （ 1）电源 Vcc—— 芯片电源，接 +5V； Vss—— 接地端。 （ 2）时钟 XTAL XTAL2—— 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 使用内部振荡电路时外接石英晶体。 （ 3）控制线 RST：复位输入信号，高电平有效。 在振荡器工作时，在 RST 上作用两个机器周期以上的高电平，将单片机复位。 ：片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。 =1，选择片内 程序存储器； =0，则程序存储器全部在片外，而不管片内是否有程序存储器。 ALE/PROG：地址锁存允许信号输出。 ALE 以 1/6 振荡频率的固定速率输出，可作为对外输出的时钟或用作外部定时脉冲。 ：片外程序存储器读选通信号，低电平有效。 （ 4） I/O引脚 STC89C52 共有 4 个 8 位并行 I/O 端口，共 32 个引脚。 其中， 与 分别为串行输入口和串行输出口。 下面是单片机串行口方面的介绍。 单片机的串行口是一个可编程全双工的通信接口，具有 UART（通用异步收发器）的全部功能，能同时进行数据的发送与接收，也 可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（一个发送缓冲寄存器，一个接收缓冲寄存器）和发送控制器、接收控制器、输入移位寄存器及若干控制们电路组成。 单片机可通过特殊功能寄存器 SBUF 对串行接收或串行发送寄存器进行访问，两个寄存器共用一个地址 99H。 一共有 4 种串行口方式，详细介绍如下。 长春理工大学 光电信息学院 本科毕业设计 15 （ 1）方式 0。 方式 0 时，串行口为同步移位寄存器的输入 /输出方式，主要用于扩展并行输入或输出口。 数据有 RXD（ ）引脚输入或输出，同步移位脉冲有 TXD（ ）引脚输入。 发送和接受均为 8 位数据，低位 在先，高位在后，波特率为。 （ 2）方式 1。 方式 1 是 10 位数据的异步通信口，其中 1位起始位， 8位数据位，1 位停止位。 TXD（ ）为数据发送引脚， RXD（ ）为数据接收引脚。 其传输波特率是可变的，对于单片机，波特率由定时器 1的溢出率决定。 （ 3）方式 2， 3。 方式 2， 3时为 11 位数据的异步通信口。 TXD（ ）为数据发送引脚， RXD（ ）为数据接收引脚。 这两种方式下，起始位 1位，数据位 9 位，停止位 1 位，一帧数据为 11 位。 方式 2的波特率固定为晶振频率的 1/64 或 1/32，方式3 的波特率由定时器 T1的溢出率决定。 方式 2 和方式 3 的差别仅在于波特率的选取方式不同，在这两种方式下，接收到的停止位与 SBUF， RB8 及 RI都无关。 单片机资源分配 单片机的端口资源主要分配给色敏探测器和 LCD 液晶显示，由于色敏探测器输出信号经过处理后输出的是八位串行信号，需要与是 3个 I/O 口进行连接， LCD 液晶显示也需要与。