基于单片机便携式颜色自适应识别电路的设计

摘要：为解决电致变色器件的颜色变化受外界环境颜色控制的问题，设计了一种基于单片机的便携式颜色自适应识别电路。与传统颜色识别电路相比较，该电路利用数字式的颜色传感器来获取外界环境颜色，产生的数字颜色信号易于单片机进行处理。在电路中，下位机部分主要负责获取电致变色器件变色参数及控制电致变色器件的颜色变化；而上位机部分主要负责把下位机获取的电致变色器件变色参数进行电压到颜色的曲线拟合，并通过蓝牙通信把拟合曲线参数传递给下位机。结果表明，该电路能自动根据环境颜色提供-4～4 V范围步进为0．1 V的电压来驱动电致变色器件的颜色显示，与传统的颜色识别电路设计相比，识别的精度和速度都得到了明显改善。
关键词：颜色传感器；颜色识剐；蓝牙；单片机

    颜色识别是模式识别领域的一个重要研究方向，利用颜色识别技术能使传统依靠人眼进行颜色判别的方法发生根本变革。这种新型技术采用颜色传感器获取外界的颜色信息，进而通过基于计算机的信号处理技术实现颜色的精确识别。
    颜色识别技术经历了传统模拟识别方法和现代数字化识别两个阶段。传统的颜色识别方法采用模拟颜色探测器件来进行外界颜色获取，这种探测器件通常是在独立的光电二极管上覆盖经过修正的红、绿、蓝滤光片，经过光电转换产生对应的模拟信号；如果用微控制器对这些模拟信号进行处理，就必须采用额外的AD转换电路才能实现和微控制器的接口，而AD转换电路的引入增加了信号的处理时间，对整个系统的速度有很大的影响；此外，由于一般的AD转换存在量化误差，系统的精度受到很大的限制，这些使得传统的颜色识别方法逐渐被现在的数字式化的颜色识别技术所替代。随着半导体技术的发展，数字式的颜色传感器逐步取代了传统的光电二极管传感器，这种技术把颜色传感器所需的光学、机械、电子等信号处理集成在很小的芯片上极大地缩小了颜色传感器的体积。由于这种传感器输出的是数字量，因此可以通过数字处理技术来提高探测速度并保持检测器输出信号的精度。例如采用改进的动态检测方法来提高颜色探测的速度，采用数字电路来处理颜色数据等。
    虽然数字传感器已经取得了一些成功，但其应用于市场的技术还不够成熟，随着美国TAOS(Texas Advanced Optoelectronic Solutions)公司最新推出的颜色传感器TCS230的面世，数字传感器才真正被工程师们采用。这种颜色传感器具有分辨率高、可编程的颜色选择、数字输出等特点。本文采用TCS230来作为系统的探测部分，基于该器件设计的颜色识别系统可以应用于军事领域，也可以应用于电致变色材料的变色研究以便获得材料的变色参数。

1 TCS230简介
1．1 主要特性
    TCS230是美国TAOS公司推出的可编程光到频率的转换器。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(Comple-mentary Metal Oxide Semiconductor)电路上，同时在单一芯片上还集成了红、绿、蓝(RGB)3种滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的RGB颜色传感器。该数字兼容接口可以和微处理器直接连接，使电路设计变得简单；此外，TCS230内部每个颜色通道有10位的数字转换精度，大大提高了颜色的获取精度。
1．2 引脚说明
    TCS230引脚及内部结构图如图1所示。TCS230外部有8个引脚，其内部主要由光电二极管阵列和电流频率转换器组成，通过微处理器控制S0，S1，S2，S3的引脚电平可以控制TCS230输出红绿蓝三颜色频率值，通过标定可以得到数值化的BGB值，该值可以采用计算机来进行处理识别。

2 便携式颜色自适应识别电路设计
2．1 便携式颜色自适应识别电路设计原理
    电致变色器件是随施加在器件上的电压而显示不同颜色的模拟器件，一般变色的电压范围是-4～+4 V，且不同颜色显示的电压差值在0．1 V左右，因此本设计的重点是如何输出该电压值。
    图2为便携式颜色探测自适应系统框图。整个系统实现的关键是系统的控制模块，在本设计中采用单片机来进行数据和命令的控制。本文的主要工作是基于电致变色器件而设计相应的电路，电路的功能主要是控制电致变色器件的变色情况受外界环境的控制，从而起到识别作用。

    传统的颜色识别系统中涉及到多次模数-数模转换，该转换需要系统额外的处理时间，因此，减少这种模数-数模转换的次数则能提高系统的处理速度，其中最主要的方法是采用数字式的颜色传感器和带模数转换的单片机来实现。在本系统中采用了TCS230来作为外界颜色采集器件，其数字式的输出接口可以直接和单片机进行数据交换，不需要采用模数转换电路。单片机采用的是带16位的数模转换的低功耗器件AD-UC845，它可以把处理过的颜色数据通过内部集成的DA转换电路转换为模拟的信号，该信号用来驱动电致变色器件进行颜色重现。
    系统的控制部分主要完成对颜色到电压的转换功能，通过颜色传感器获取外界环境的颜色值，然后通过处理把颜色值转换为电致变色器件能够精确显示该颜色的电压。本文提出了两种自适应的颜色到电压的转换方法：第一种方法采用matlab的曲线拟合方法，通过拟合颜色-电压曲线得到拟合参数，并得到颜色-电压函数；系统在该函数的作用下自动根据颜色值输出对应的电压从而控制电致变色器件的显示。第二种方法是采用比较大的存储系统，通过控制部分不断的给电致变色器件送入电压，然后获取对应的颜色数据，把电压-颜色值存入存储器建立一个数据库；系统运行的时候，会把外界的颜色值和存储的颜色值进行比对，若相同则把存储的对应电压值输出。由于要频繁的读取存储器，该方法的速度比第一种方法慢。通过对比两种方法的优缺点本系统采用第一种方法来实现颜色重现。
2．2 便携式颜色探测自适应电路硬件图
    本系统的硬件框图如图3所示。主要由4个模块组成：稳压电源模块，颜色传感器模块，单片机处理模块，电压偏移模块和蓝牙通信模块。

    系统中的稳压电源模块可提供两种不同的电压值：9 V的电压偏移模块工作电压和单片机3．3 V的工作电压值(3．3 V也用来驱动颜色传感器、蓝牙模块、存储芯片)，模块中采用二极管来防止电源的反接而导致破坏系统的正常工作。
    颜色传感器采用的是TCS230，由于其工作电压为3．3 V，因此直接与单片机进行接口设计，电路结构简单。
    单片机处理模块中采用了EEPROM来存放拟合好的颜色-电压参数值，系统在运行的时候会根据读取的参数值给出颜色-电压拟合函数，并在该函数的控制下进行颜色的重现。
    电压偏移模块主要是负责对电压进行极性的反转和电压的适当放大，由于电致变色器件的变色范围有负电压的出现，因此在本系统单电源供电的情况下必须采用偏移电路实现负极性电压的输出。
    蓝牙通信模块是负责数据的上下位机通信，通过把获取的颜色数据发送给上位PC机，PC机在matlab的处理下，拟合颜色-电压曲线，并把得到的拟合参数发送下位单片机。由于PC机的处理速度快，因此拟合的时间很少，主要的时间是上下位机之间的通信时间。

2．3 便携式颜色自适应识别电路软件设计
    在系统工作之前必须通过软件对系统进行自平衡校准，采用的方法是：通过设置单片机的定时器为固定时间，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，得出一个比例因子，通过这个比例因子可以把这些脉冲数变为255。在实际测试时，使用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。校准后则开始系统的正常工作，程序主要的工作是进行信号的处理包括中值滤波，A／D转换等，在环境颜色的跟踪过程中需要运用一系列的算法来实现对复杂环境的颜色的提取，这需要对设计的程序进行不断调试。
    程序的功能(图4)是程序设计的准则，在本系统的程序设计中，最主要的功能是命令识别和执行，命令用来对数据流的方向进行准确控制，只有通过上下位机的命令二者之间的通信才能顺利完成。系统在命令的控制下实现颜色识别以及重现功能，通过控制对应的输出接口才能输出对应的电压值，实现系统的设计目的。

    程序的软件框架图则是软件设计的算法的一种体现，本系统的主控程序(图5)主要完成系统初始化、命令流、数据流的统一调度。通过主控程序的调度外围部件能够正常的完成系统的功能要求。

3 便携式颜色识别自适应电路实物图
    按照设计的系统硬件电路图，设计并制作了便携式颜色自适应系统的裸版，如图6所示。电路板采用两层布线。通过对设计的电路进行测试，分析输出的颜色参量，运用matlab对结果进行颜色一电压曲线拟合，并最终在电致变色器件上面显示出了颜色，该颜色和从颜色传感器检测到的颜色一致。表明本电路能实现所要求的功能。

4 结束语
    利用数字式的颜色传感器和单片机为电致变色器件设计了变色状态受外界环境颜色变化的控制电路，电路简单、成本低。由于电路工作时，会首先扫描电致变色器件的变色参数并储存，因此电路能自适应地控制不同变色参数的电致变色器件。此外，采用蓝牙通信方式用来实现上下位机之间的通信，这样下位机的颜色传感器可以方便的探测外界环境，便于提高颜色获取的精度。设计中采取减少电路中AD、DA转换的次数，进一步提高了电路的工作速度。