基于单片机的光色标测量系统知识分享.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。基于单片机的光色标测量系统-基于单片机的光色标测量系统王占宁（西北大学物理系，西安，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行处理和整个电路的控制。关键词单片机CCD色坐标StudyoftheTestingSystemofColorCoordinateBasedontheSingleChipMicroComputerWangZhanning(Dep.Ofphysics,Northwestuniv.,Xian710069)AbstractThispaperintruducesoneofusesofthesinglechipmicrocomputerinthetestingsystemofcolorcoordinate.Inthetestingsystemthelightsourceisdividedintotheunicolorlightofvariouswavelengthbyspectrograph.ThemagnitudeofvariouswavelengthlightismeasuredbytheCCD.Thesinglechipmicrocomputertreatswiththedataandthesinglechipmicrocomputerisusedtothecontrolofthewholecircuit.KeywordsSinglechipmicrocomputerChargecoupleddevicesColorcoordinate1前言色坐标是色度学的重要内容之一。色度学是研究人的颜色规律、颜色测量的理论与技术科学。这是一门本世纪发展起来的，以物理光学、视觉生理、心理物理等学科领域为基础的综合科学。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11931CIE-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=R（R）+G（G）+B（B）（1）R、G、B称为三刺激值。令r=g=b=（2）r、g、b表示了颜色光的色度，成为色度坐标。21931CIE-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）并在此基础上建立了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+1.1302BY=1.0000R+4.5907G+0.0601BZ=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系统结构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转换送入单片机进行数据处理。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。其结构图如下：透镜组狭缝光源棱镜会聚透镜线阵CCD图2WPL型摄谱仪的结构示意图2硬件电路2.189C51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基本功能部件。单片机内包含下列部件：·一个8位CPU；·一个片内振荡器及时钟电路；·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结构。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/OCPU振荡器及定时电路中断图38051单片机框图2.26264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。P2.2RDWRP2.7P2.4P2.3P2.1P2.0P0.78051P0.0ALEEAOEWECE1A12A11A10A9A8A7A6A5A4A36264A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0CE274LS373+5V图46264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内，KEY2的功能是采集待测光源的数据并保存在数据存储器内，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。P1.7P1.3P1.05V5V图5查询式键盘2.4CCD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、反输入端进行差分放大，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6CCD的输出信号U0及C波形图2.5A/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采样频率达到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，则打印机口地址为7FFFH。2.7系统的总体结构P2.3P2.0ALEPSEC8051P0P1WRRDP2.7373D0D7A/D7821D0D7打印机键盘A0A76264OEWECSD0D7CCDP1.0P1.1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结构。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、开始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NYYNYNYNYNYN图8主程序流程框图主程序清单：ORG0000HAJMPSTATORG0050HSTAT:NOPMAIN:MOVR1,#00HLCALLPJSF;执行PJSF子程序JNZMAIN;a!=0则转移LCALLJPAN;执行键盘子程序CJNER1,#4FH,MAIN;无按键按下则转移到MAINCJNEA,#0EH,NEXT;有按键按下执行下面的程序AJMPkey1;判断如果a=0e则执行KEY1子程序NEXT:CJNEA,#0DH,NEXT1;即采集数据子程序。执行完毕后AJMPkey2;回到MAIN程序。如果A！=0E则转向判断NEXT1:CJNEA,#0BH,RESET;A=0D，若相等则转移执行KEY2子程序，AJMPkey3;执行完毕后回到MAIN。往后依次类推，RESET:CJNEA,#07H,error;如果A！=0E，0D，0B，07则执行ERR程序LJMPKEY4ERROR:AJMPERR;|JPAN:MOVA,P1;keysub_programeANLA,#0FHCJNEA,#0FH,JXAJMPJPAN;#JX:MOV4FH,ALCALLYS1S;delay10msMOVA,P1ANLA,#0FHCJNEA,#0FH,YJAXAJMPJPANYJAX:CJNEA,4FH,JPANMOVR1,#4FHRET;+YS1S:MOVR7,#40H;delaysub_programeYS0:MOVR6,#0FFHYS1:DJNZR6,YS1DJNZR7,YS0RET;+PJSF:MOVA,P1;readdatafromthekeyboardCPLAANLA,#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程序开始初始化启动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0.6888msMAINNYYNN循环20次图9KEY1子程序流程框图KEY1子程序清单key1:SETBP3.3MOVR0,#40HMOVR3,#20MOVR5,#0CH;=LOP1:MOVDPTR,#0FEF3H;startA/DMOVXDPTR,A;判断启始点即C的上升沿HERE:JBP3.3,HEREMOVDPTR,#0FEF3H;readtheresultofA/DMOVXA,DPTRCJNEA,#0,LOP1lop2:MOVDPTR,#0FEF3H;startA/DMOVXDPTR,AHERE1:JBP3.3,HERE1MOVDPTR,#0FEF3H;readtheresultofA/DMOVXA,DPTRcjnea,#0,caijiajmplop2;=caiji:lcalldelay2;delay2.87mslop0:MOVDPTR,#0FEF7H;startA/DMOVXDPTR,A;1+2+2+1+2HERE2:JBP3.3,HERE2MOVDPTR,#0FEF7H;readtheresultofA/DMOVXA,DPTRmovxr0,aincr0lcallYS1Sdjnzr5,lop0YS1S:MOVR7,#40H;delay0.6888mssub_programeYS0:MOVR6,#0FFHYS1:DJNZR6,YS1DJNZR7,YS0RET3待测灯数据采集子程序即图KEY2子程序KEY2子程序与KEY1子程序结构及思想是一致的，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。开始初始化读取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行累加进行单位换算使得最终结果在0100之间MAIN图10KEY3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。开始判断打印机不忙？保护现场：DPTR，PSW，ACC进栈ASCII码送打印机打印停止打印机出栈MAIN图11KEY4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结束语单片机已广泛用于工农业生产中，它具有成本低，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，由于它成本低、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.北京：高等教育出版社，19922 吕能元等.MCS-51单片微型计算机原理·接口技术·应用实例.北京：科学出版社，19933 王庆有.CCD应用技术.天津：天津大学出版社，20004 荆其诚等.色度学.北京：科学出版社，1979-