1、本科毕业论文（20 届）简易光谱分析仪的设计所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 苏州大学本科生毕业设计（论文）- i -目 录前言 .2第 1 章 系统模块及其原理简介 .3第 1.1 节 系统结构框图 .3第 1.2 节 单片机介绍 .3第 1.3 节 光传感器介绍 .6第 1.4 节 三原色感应原理 .8第 1.5 节 LCD1602 简介 .9第 2 章 系统分析 .10第 2.1 节 系统原理分析 .10第 2.2 节 系统结构分析 .10第 3 章 系统设计 .11第 3.1 节 硬件设计 .11第 3.2 节 软件设计 .12第 4
2、章 系统测试 .19第 4.1 节 实验数据 .19第 4.2 节 实验结果 .19结论 .20参考文献 .21致谢 .22附录 .23附录 1：实物照片 .23附录 2：部分源程序 .25苏州大学本科生毕业设计（论文）第 1 页简易光谱分析仪的设计【摘要】：随着现代工业生产向高速化、自动化方向的发展，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。例如：图书馆使用颜色区分对文献进行分类，能够极大地提高排架管理和统计等工作；在包装行业，产生包装利用不同的颜色和装潢来表示其不同的性质或用途等。颜色的检测和识别，给生产生活带来了极大的便利。本论文首先介绍不同颜
3、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。【关键词】：传感器；单片机；光谱；Abstract : With the speed of modern industrial production, development of automation direction, the prod
4、uction process has long played a leading role by the human eye color identification work will increasingly be replaced by the corresponding color sensor. For example: library use color-coded classification of the literature, can greatly improve the management and statistical bent, etc.; in the packa
5、ging industry, packaging produced using different colors and decorated to represent their different properties or uses. Color detection and identification, to produce life has brought great convenience. This paper illustrated how to recognize color by using a TCS3200 Color-Sensor. In the beginning,
6、the paper reavealed different kinds of color-recognition technology. Under the induction principle 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
7、the light figures of RGB color afterwards. Subsequently, the processed data was displayed through 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 ha
8、rdware circuit digrams and follow charts were also demonstrated in this paper. The main features of this design are small volume, low cost and strong function.Key words:Sensors; SCM; spectrum;苏州大学本科生毕业设计（论文）第 2 页前言在现代科研和生产中，光谱仪器是最基本的仪器设备。在工业生产中，光谱分析成为了不可或缺的检测和分析手段。随着电子技术的发展，色光检测在生产生活中的运用已经产生了很大的经济效益
9、。对可见光的钻探国内外有很多的集成方案，目前的传感器通常是在独立的 PIN 二极管上覆盖经过修正的红、绿、蓝滤波片，然后对输出信号进行相应的处理，将颜色信号识别出来。本论文设计采用 TAOS 公司最新推出的颜色传感器 TCS3200，TCS3200 是 TAOS 公司推出的可编程彩色光到频率的转换器，它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的 CMOS 电路上，同时在同一块芯片上集成了红绿蓝（RGB ）三种滤波器，是业界第一个有数字兼容接口的 RGB 彩色传感器，TCS3200 传感器的输出信号是数字信号，可直接与微处理器相连接，可以实现微处理器控制 TCS3200 传感器。因为
10、输出的信号直接是数字量，并且能够实现每个彩色信道 10 位以上的转换精度，所以不需要更多的 A/D 转换电路，电路更简单。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 3 页第 1 章 系统模块及其原理简介第 1.1 节 系统结构框图本系统是基于 STC89C52 单片机控制的基础上，添加了 TCS3200 颜色传感器采集模块，TCS3200 驱动模块，四个白色 LED 补光模块， LCD1602 液晶显示模块，在这些模块的基础上实现的颜色识别系统。具体框图如下图 1-1：图 1-1 颜色识别系统框图第 1.2 节 单片机介绍1.2.1. STC89C52 硬件概述STC89C52 是一种低功耗、高性能
11、CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，这个性能使得STC89C52 单片机成为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线， 看门狗定时器，三个 16 位 定时器 /计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口。另外 STC89c52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种 软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/ 计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式
12、下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结， 单片机 一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T 可选。 苏州大学本科生毕业设计（论文）第 4 页EA/VP31X928RSTD7W6IN05LGCU图 1-2 STC89C52 单片机管脚图P0 口8 位漏极开路之双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平。对 P0 端口写 “1”时，引脚用作高阻抗输入。访问外部程序和数据存储器时，P0 口亦被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下，P0 不具有内部上拉电阻。在 FLASH 编程时，P0 口亦用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节
13、。程序校验时，需外部上拉电阻。P1 口有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“ 1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可作输入口用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL） 。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可作输入口用。作输入用时，被外部拉低的引脚因内部电阻，将输出电流（IIL） 。此外，P1.0 及 P1.2 分别作定时器/ 计数器 2 之外部计数输入（P1.0/T2 ）及时器/计数器 2 之触发输入（P1.1/T2EX ） ，详见表 1-1 所示。在 flash编程及
14、校验时，P1 口接收低 8 位地址字节。 表 1-1 P1 口的第二功能引脚号 第二功能P1.0 T2（定时器/计数器 T2 的外部计数输入），时钟输出P1.1 T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI（在系统编程用）P1.6 MISO（在系统编程用）苏州大学本科生毕业设计（论文）第 5 页P1.7 SCK（在系统编程用）P2 口有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1” 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可作输入口。作输入用时，被外部拉低的引脚因内部电阻，将输出电流（IIL） 。
15、在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行 MOVX DPTR） 时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口用很强的内部上拉发送 1。在用 8 位地址（如 MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁存器之内容。在 FLASH 编程及校验时，P2 口亦接收高 8 位地址字节及一些控制信号。 P3 口有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p3 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1” 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可用作输入口。作输入用时，被外部拉低的引脚因内部电阻之原因，将输出电流（IIL） 。P3 口亦作为 ST
16、C89C52特殊功能（第二功能）用，如表 1-2 所示。在 FLASH 编程及校验时，P3 口亦接收些控制信号。此外，P3 口亦接收些用于 FLASH 闪存编程及程序校验的控制信号。表 1-2 P3 口的第二功能引脚 第二功能 引脚 第二功能P3.0 RXD(串行输入口) P3.4 TO(定时/计数器 0)P3.1 TXD(串行输出口) P3.5 T1(定时/计数器 1)P3.2 INTO(外中断 0) P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.3 INT1(外中断 1) P3.7 RD(外部数据存储器读选通)RST复位输入。振荡器工作时，RST 引脚有两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
17、 ALE/PROG访问外部程序存储器或数据存储器时， ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般，ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定之脉冲信号，故它可对外输出时钟或用于定时目的。需注意：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。对 FLASH 存储器编程期间，该引脚亦用于输入编程脉冲（PROG） 。若必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的 8EH 单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。该位置位后，只有一条 MOVX 及 MOVC 指令方能将 ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 禁止位无效。PSEN程序
18、储存允许（PSEN ）输出是外部程序存储器之读选通信号，STC89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN 信号。 苏州大学本科生毕业设计（论文）第 6 页EA/VPP外部访问允许，要 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为 0000H-FFFFH） ，EA 端须保持低电平（接地） 。需注意：若加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。若 EA 端为高电平（接 Vcc 端） ，CPU 则执行内部程序存储器之指令。 FLASH 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源 Vp
19、p，当然这须是该器件是使用 12V 编程电压 Vpp。XTAL1振荡器反相放大器及内部时钟发生电路之输入端。XTAL2振荡器反相放大器之输出端。第 1.3 节 光传感器介绍TCS3200D 传感器有红绿蓝和清除 4 种滤光器，可以通过其引脚 S2 和 S3 的高低电平来选择滤波器模式，TCS3200D 有可编程的彩色光到电信号频率的转换器，当被测物体反射光的红、绿、蓝三色光线分别透过相应滤波器到达 TAOS TCS3200RGB 感应芯片时，其内置的振荡器会输出方波，方波频率与所感应的光强成比例关系，光线越强，内置的振荡器方波频率越高。TCS3200 传感器有一个 OUT 引脚，它输出信号的频
20、率与内置振荡器的频率也成比例关系，它们的比率因子可以靠其引脚 S0 和 S1 的高低电平来选择，图1-2 是 TCS3200 的引脚和功能框图。图 1-3 色光传感器模块TCS3200 采用 8 引脚的 SOIC 表面贴装式封装，在单一芯片上集成有 64 个光电二极管，这些二极管分为四种类型，其 16 个光电二极管带有红色滤波器；16 个光电二极管带有绿色滤波器；16 个光电二极管带有蓝色滤波器，其余 16 个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信息，这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能够最大限度地减少入射光辐射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度；另一方面，相同颜色的 16 个光电二极管是并
21、联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的位置误差。工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器，该传感器的典型输出频率范围从苏州大学本科生毕业设计（论文）第 7 页2Hz500kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择 100、20或 2的输出比例因子，或电源关断模式。输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。例如，当使用低速的频率计数器时，就可以选择小的定标值，使TCS3200 的输出频率和计数器相匹配。图 1-4 光电二极管的光谱响应从图 1-5 及表 1-3 可知：当入射光投射到 TCS3200 上时，通过光电二极管控制引脚S2、S3 的不同组
22、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。 下面简要介绍 TCS3200 芯片各个引脚的功能及它的一些组合选项。S0、S1 用于选择输出比例因子或电源关断模式；S2、S3 用于选择滤波器的类型；OE 反是频率输出使能引脚，可以控制输出的状态，当有多个芯片引脚共用微处理器的输出引脚时，也可以作为片选信号，OUT 是频率输出引脚，GND 是芯片的接地引脚，VCC为芯片提供工作电压，表 3.3 是 S0、S1 及
23、S2、S3 的可用组合。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 8 页图 1-5 TCS3200 的引脚和功能图表 1-3 S0、S1 及 S2、S3 的组合选项S0 S1 输出频率定标 S2 S3 滤波器类型L L 关断电源 L L 红色L H 2% L H 蓝色H L 20% H L 无H H 100% H H 绿色第 1.4 节 三原色感应原理由上面的介绍可知，这种可编程的彩色光到频率转换器适合于色度计测量应用领域，如彩色打印、医疗诊断、计算机彩色监视器校准以及油漆、纺织品、化妆品和印刷材料的过程控制和色彩配合。下面以 TCS3200 在液体颜色识别中的应用为例，介绍它的具体使用。首先了解一些
24、光与颜色的知识。1.4.1. 三原色的感应原理 通常所看到的物体颜色，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。白色是由各种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。1.4.2. TCS3200 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 TCS3200 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 TCS3200 传感器上的光的颜色。1.4.3. 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
