基于-单片机光色标测量系统.doc

- -基于单片机的光色标测量系统王占宁西北大学物理系，710069摘要 本文介绍MCS-51单片机在光色标测量系统的一种应用。该系统采用摄谱仪将光源分解为不同波长的单色光，通过线阵CCD测量各个波长的强度，利用单片机对数据进展处理和整个电路的控制。关键词 单片机 CCD 色坐标Study of the Testing System of Color Coordinate Based on the Single Chip Micro puterWang Zhanning(Dep. Of physics,Northwest univ.,Xian 710069)Abstract This paper intruduces one of usesof the single chip micro puter in the testing system of color coordinate. In the testing system the light sourceis divided into the unicolor light of various wavelength by spectrograph.The magnitude of various wavelength light is measured by the CCD.The single chip micro puter treats with the data and the single chip micro puter is used to the control of the whole circuit.Keywords Single chip micro puter Charge coupled devices Color coordinate1前言 色坐标是色度学的重要容之一。色度学是研究人的颜色规律、颜色测量的理论与技术科学。这是一门本世纪开展起来的，以物理光学、视觉生理、心理物理等学科领域为根底的综合科学。彩色电视、彩色摄影和彩色印刷、染料和涂料、纺织、造纸、交通信号、照明技术等都涉及到颜色测量问题。在这些工业和技术部门中，颜色指标是评定产品质量的重要一环。 摄谱仪光源现有的色坐标测量一起大都是 计算机数据采集卡 模式，由于采用了计算机使整套设备体积大 ，费用高，耗电量大。 光源 本系统采用A/D转换器和单片机代替了上述数据采集卡和计算机， 单片机A/D转换器 CCD 使得成本低，操作方便，只需按几下键盘即可。2色坐标原理1 1931CIE-RGB表色系统及色坐标 一般说来光源所发出的光都是由许多颜色的光按一定的比例组合而成的 。在混色实验中发现，所有颜色的 光都是可由某三种单色光按一定比例混合而成，这三种单色光中的任何一种都不能由其余两种混合产生。这三种单色光称为三原色。1931CIE规定RGB系统的三原色为： 红光R R=700.0nm绿光G G=546.1nm蓝光B B=435.8nm在RGB系统中，以白光作为标准，三原色R、G、B的光通量按R：G：B=1lm：4.5907lm：0.0601lm的比例相加混色可得到能量E=5.6508lm白光。于是规定：R=1lm，G=4.5907lm，B=0.0601lm为RGB系统三原色的单位量，简称基色量。任何一种颜色光F用数学表达式表示为： F=RR+GG+BB 1R、G、B称为三刺激值。令 r= g= b= 2r、g、b表示了颜色光的色度，成为色度坐标。2 1931CIE-XYZ表色系统 在1931CIE-XYZ表色系统中，由于用来标定光谱色的三刺激值R、G、B有时会出现负值，这给计算带来不便，也不易直观理解。因此提出了三个虚拟的三原色X、Y、Z并在此根底上建立了XYZ表色系统。三刺激值X、Y、Z与三刺激值R、G、B的关系如下： X=2.7689R+1.7517G+1.1302B Y=1.0000R+4.5907G+0.0601B Z=0.0000R+0.0565G+5.5943B (3)在X、Y、Z系统中的色坐标为：x= y= z= (4)根据颜色相加原理 X= Y= Z= 5由于光敏器件CCD对不同波长的光存在光电转换差异，实验中需对待测灯的相对光谱分布做以校正，即待测灯的的相对光谱能量分布为： P= 6在公式5中M为实验测得的待测灯在波长处的相对能量分布，M0为实验测得的标准灯在波长处的相对能量分布，P0为标准灯在波长处的能量分布。在公式4中， 、为配色函数。本实验采用XYZ表色系统。通过对M，M0的测定，代入上述公式6、5即可求得待测色坐标。3系统构造设计 放大打印机摄谱仪 CCD 驱动A/D单片机光源 键盘图1 色坐标测量系统框图 采用钨带灯作为标准光源，经过摄谱仪，被分解的光谱直接投射到线阵CCD上，经CCD转换的电信号被放大后，经A/D转换送入单片机进展数据处理。最后结果通过微型打印机打印。系统的硬件设计1光学系统的组成 本系统采用的是WPL型摄谱仪，光源照射小圆孔，产生点光源，点光源经平行透镜组准直，变成平行光。平行光照射到棱镜上，被分解成各束单色，经过会聚透镜照射到线阵CCD上。其构造图如下： 透镜组 狭缝 光源棱镜 会聚透镜 线阵CCD 图2 WPL型摄谱仪的构造示意图2硬件电路2.1 89C51单片机构造及简介：MCS-51单片机是在一块芯片中集成了CPU，RAM，ROM，定时器/计数器和多种功能的I/O线等仪态计算机所需要的根本功能部件。 单片机包含以下部件：·一个8位CPU；·一个片振荡器及时钟电路；·4K字节ROM程序存储器；·128字节RAM数据存储器·两个16位定时器/计数器·可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储器空间的控制电路；·32条可编程的I/O线四个8位并行I/O端口；·一个可编程全双工串行口；·具有五个中断源、两个优先级嵌套中断构造。 频率基准源 计数器 4K字节 程序存储器 128字节数据存储器2个16位定时器/事件计数器64K字节总线扩展控制 可编程串口可编程I/O CPU振荡器及定时电路中断 图3 8051单片机框图2.2 6264静态RAM的扩展6264是8K8位的静态随机存储器芯片，它采用CMOS工艺制造，由单一+5V供电，额定功耗200mW，典型存取时间200ns。 P2.2 RD WR P2.7 P2.4 P2.3 P2.1 P2.0 P0.78051 P0.0 ALE EAOEWECE1A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3 6264A2 A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0CE2 74LS373+5V 图4 6264与8051连接图2.3按键接口电路 本系统采用的是查询式键盘，共8键。前四键为功能键，后四键置空。KEY1的功能是采集标准光源的数据并保存在数据存储器，KEY2的功能是采集待测光源的数据并保存在数据存储器，KEY3的功能是将采集的数据处理，KEY4的功能是利用打印机将结果打印出来。键盘输入线直接于P1连接。 P1.7 P1.3 P1.0 5V 5V 图5 查询式键盘2.4 CCD的驱动电路本系统采用的是TCD1206UD的线阵CCD，它由2236个pn结光电二极管构成光敏单元阵列，其中前64个和后12个是用作暗电流检测而被遮蔽的；中间2160个光电二极管是暴光像敏单元。每个光敏单元的尺寸为14m长、14m高、中心距亦是14m。光敏元阵列总长30.24mm,光敏元的两侧是用作存储光生电荷MOS电容列。其驱动电路如图 所示。由晶体振荡器构成的脉冲信号源产生主时钟M。M脉冲经可编程逻辑器件ISPLS1产生SH、1、2、R四路驱动脉冲。在这四路驱动脉冲的作用下，TCD1206UD输出OS信号及D0S信号。将此二路输出信号分别送到差分放大器LF357的正、反输入端进展差分放大，抑制掉共模的R引起的干扰。SP及C是为用户提供的控制脉冲，SP与CCD输出的像元光电信号同步，用做采样保持控制信号。C的上升沿对应于CCD的第一个有效像素单元S1，因而可以用作行同步。CU064虚单元 2160输出单元 12虚图6 CCD的输出信号U0及C波形图2.5 A/D转换器连接电路 本系统A/D转换器有三个要求：1 分辨率8位，2 采样频率到达1MHz，3 大于等于两通道多路开关。一路通道接CCD为用户提供的控制脉冲C，用于判断暴光像敏单元的起始点；一路通道接CCD输出信号OS。转换定时时钟脉冲输入端CLOCK接CCD的SP端，因SP与CCD输出的像元光电信号同步，可以确保每次抽样在输出有效信号上。2.6 打印机的选择 单片机应用系统中，经常选用微型打印机，如PP40、GP16等。本系统采用的是GP16微型打印机，因其接口简单、功能强、能打印ASCII码字符。GP16与8051直接相连，作为一个外部扩展口，采用线性选址法，8051的P2.7接GP16的CS，那么打印机口地址为7FFFH。2.7 系统的总体构造 P2.3 P2.0 ALE PSEC8051 P0 P1 WR RD P2.7373D0 D7A/D7821 D0 D7 打印机键盘 A0 A7 6264OE WE CS D0 D7 CCDP1.0P1.1图7 系统总体框图4系统软件设计系统软件设计采用模块化构造。整个程序由主程序、标准灯数据采集、待测灯数据采集、数据处理及打印机打印等子程序模块组成。1主程序、 开场 main 调用键盘子程序是否有按键按下判断a=0e判断a=07判断a=0b判断a=0d 执行KEY1子程序 执行KEY4子程序 执行KEY2子程序 执行打印“错误 执行KEY3子程序A等于其他值 N Y Y NY N Y N Y N Y N图8 主程序流程框图主程序清单：ORG 0000HAJMP STATORG 0050HSTAT: NOPMAIN: MOV R1,#00HLCALL PJSF ;执行PJSF子程序JNZ MAIN ;a!=0 那么转移LCALL JPAN ;执行键盘子程序CJNE R1,#4FH,MAIN ;无按键按下那么转移到MAINCJNE A,#0EH,NEXT ;有按键按下执行下面的程序AJMP key1 ;判断如果a=0e那么执行KEY1子程序NEXT: CJNE A,#0DH,NEXT1 ;即采集数据子程序。执行完毕后AJMP key2 ; 回到MAIN程序。如果A！=0E那么转向判断NEXT1: CJNE A,#0BH,RESET ;A=0D，假设相等那么转移执行KEY2子程序，AJMP key3 ;执行完毕后回到MAIN。往后依次类推，RESET: CJNE A,#07H,error ;如果A！=0E，0D，0B，07那么执行ERR程序LJMP KEY4ERROR: AJMP ERR ;|JPAN: MOV A,P1 ;key sub_programeANL A,#0FHCJNE A,#0FH,JXAJMP JPAN;#JX: MOV 4FH,ALCALL YS1S ;delay 10ms MOV A,P1ANL A,#0FHCJNE A,#0FH,YJAXAJMP JPANYJAX: CJNE A,4FH,JPANMOV R1,#4FHRET;+ YS1S: MOV R7,#40H ;delay sub_programeYS0: MOV R6,#0FFHYS1: DJNZ R6,YS1DJNZ R7,YS0RET;+PJSF: MOV A,P1 ;read data from the keyboardCPL AANL A,#0FHRET2标准灯数据采集子程序即图KEY1子程序 首先初始化，启动A/D转换器的C通道，判断C的上升沿，亦即输出信号OS的有效光敏信号输出点。启动A/D转换器与CCD连接的OS通道，先延时2.78ms,采取第一个数据并保存，然后每隔0.688ms启动A/D转换器一次采数据并保存。连续取21个数据并保存，子程序执行完毕并转移到MAIN程序开场 初始化启动A/D读取C的数据A等于0启动A/D读取C的数据A等于0 延时2.87ms启动A/D读取U0的数据并存储 延时0.6888ms MAIN N Y Y N N 循环20次图9 KEY1子程序流程框图KEY1子程序清单key1:SETB P3.3 MOV R0,#40H MOV R3,#20 MOV R5,#0CH;= LOP1: MOV DPTR,#0FEF3H ;start A/D MOVX DPTR,A ;判断启始点即C的上升沿HERE: P3.3,HERE MOV DPTR,#0FEF3H ;read the result of A/D MOVX A,DPTRCJNE A,#0,LOP1lop2: MOV DPTR,#0FEF3H ;start A/D MOVX DPTR,AHERE1: P3.3,HERE1 MOV DPTR,#0FEF3H ;read the result of A/D MOVX A,DPTR cjne a,#0,caiji ajmp lop2;= caiji: lcall delay2 ;delay 2.87mslop0: MOV DPTR,#0FEF7H ;start A/D MOVX DPTR,A ;1+2+2+1+2HERE2: P3.3,HERE2 MOV DPTR,#0FEF7H ;read the result of A/D MOVX A,DPTR movx r0,a inc r0 lcall YS1S djnz r5,lop0YS1S: MOV R7,#40H ;delay 0.6888ms sub_programeYS0: MOV R6,#0FFHYS1: DJNZ R6,YS1 DJNZ R7,YS0 RET3待测灯数据采集子程序即图KEY2子程序KEY2子程序与KEY1子程序构造及思想是一致的，只是保存的位置不同而已。4数据处理子程序即KEY3子程序 初始化，将公式5中的P0与公式4中的X相乘，再除于公式5中的M0，再乘以M，并将结果保存。然后将各个的结果相加即为所求的结果X。同理Y、Z依次求得。执行完毕，转移到MAIN程序。其中P0、X是两个单字节，M0、M是单字节。开场 初始化读取P0和X的值两个双字节相乘 读取M0四字节除以单字节读取M单字节乘以四字节 保存结果不同进展累加进展单位换算使得最终结果在0100之间 MAIN图10 KEY3子程序流程框图5打印机子程序即图KEY4子程序将数据处理子程序所得的结果打印出来。执行完毕，转移到MAIN程序。 开场判断打印机不忙？ 保护现场：DPTR，PSW，ACC进栈ASCII码送打印机打印 停顿打印机 出栈 MAIN图11 KEY4子程序流程框图6 出错子程序如果操作有错误，如同时按下两个按键、除数为零等，打印机打印“出现错误，请重新操作。 执行完毕，转移到MAIN程序。5完毕语 单片机已广泛用于工农业生产中，它具有本钱低，实验仪器简单，开发周期短等特点。主要用作电路控制器。本文中详细介绍了用单片机测量色坐标，由于它本钱低、体积小、便携带、耗电少，具有广泛的应用前景。参考文献1 蔡美琴等.MCS-51单片机系统及其应用.：高等教育，19922 吕能元等.MCS-51单片微型计算机原理·接口技术·应用实例.：科学，19933 王庆有.CCD应用技术.XX：XX大学，2000荆其诚等.色度学.：科学，19794- word.zl