摘要：為解決電致變色器件的顏色變化受外界環(huán)境顏色控制的問題,，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的便攜式顏色自適應(yīng)識(shí)別電路,。與傳統(tǒng)顏色識(shí)別電路相比較,，該電路利用數(shù)字式的顏色傳感器來獲取外界環(huán)境顏色，產(chǎn)生的數(shù)字顏色信號(hào)易于單片機(jī)進(jìn)行處理,。在電路中,，下位機(jī)部分主要負(fù)責(zé)獲取電致變色器件變色參數(shù)及控制電致變色器件的顏色變化；而上位機(jī)部分主要負(fù)責(zé)把下位機(jī)獲取的電致變色器件變色參數(shù)進(jìn)行電壓到顏色的曲線擬合,，并通過藍(lán)牙通信把擬合曲線參數(shù)傳遞給下位機(jī),。結(jié)果表明，該電路能自動(dòng)根據(jù)環(huán)境顏色提供-4～4 V范圍步進(jìn)為0．1 V的電壓來驅(qū)動(dòng)電致變色器件的顏色顯示,，與傳統(tǒng)的顏色識(shí)別電路設(shè)計(jì)相比,，識(shí)別的精度和速度都得到了明顯改善。
關(guān)鍵詞：顏色傳感器,；顏色識(shí)剮,；藍(lán)牙；單片機(jī)
顏色識(shí)別是模式識(shí)別領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向,，利用顏色識(shí)別技術(shù)能使傳統(tǒng)依靠人眼進(jìn)行顏色判別的方法發(fā)生根本變革,。這種新型技術(shù)采用顏色傳感器獲取外界的顏色信息，進(jìn)而通過基于計(jì)算機(jī)的信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)顏色的精確識(shí)別,。
顏色識(shí)別技術(shù)經(jīng)歷了傳統(tǒng)模擬識(shí)別方法和現(xiàn)代數(shù)字化識(shí)別兩個(gè)階段,。傳統(tǒng)的顏色識(shí)別方法采用模擬顏色探測(cè)器件來進(jìn)行外界顏色獲取，這種探測(cè)器件通常是在獨(dú)立的光電二極管上覆蓋經(jīng)過修正的紅,、綠,、藍(lán)濾光片，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào),；如果用微控制器對(duì)這些模擬信號(hào)進(jìn)行處理,，就必須采用額外的AD轉(zhuǎn)換電路才能實(shí)現(xiàn)和微控制器的接口，而AD轉(zhuǎn)換電路的引入增加了信號(hào)的處理時(shí)間,，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的速度有很大的影響,；此外，由于一般的AD轉(zhuǎn)換存在量化誤差,，系統(tǒng)的精度受到很大的限制,，這些使得傳統(tǒng)的顏色識(shí)別方法逐漸被現(xiàn)在的數(shù)字式化的顏色識(shí)別技術(shù)所替代。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,，數(shù)字式的顏色傳感器逐步取代了傳統(tǒng)的光電二極管傳感器,，這種技術(shù)把顏色傳感器所需的光學(xué)、機(jī)械,、電子等信號(hào)處理集成在很小的芯片上極大地縮小了顏色傳感器的體積,。由于這種傳感器輸出的是數(shù)字量，因此可以通過數(shù)字處理技術(shù)來提高探測(cè)速度并保持檢測(cè)器輸出信號(hào)的精度,。例如采用改進(jìn)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法來提高顏色探測(cè)的速度,，采用數(shù)字電路來處理顏色數(shù)據(jù)等。
雖然數(shù)字傳感器已經(jīng)取得了一些成功，但其應(yīng)用于市場(chǎng)的技術(shù)還不夠成熟,，隨著美國TAOS(Texas Advanced Optoelectronic Solutions)公司最新推出的顏色傳感器TCS230的面世,，數(shù)字傳感器才真正被工程師們采用。這種顏色傳感器具有分辨率高,、可編程的顏色選擇,、數(shù)字輸出等特點(diǎn)。本文采用TCS230來作為系統(tǒng)的探測(cè)部分,，基于該器件設(shè)計(jì)的顏色識(shí)別系統(tǒng)可以應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,，也可以應(yīng)用于電致變色材料的變色研究以便獲得材料的變色參數(shù)。
1 TCS230簡介
1．1 主要特性
TCS230是美國TAOS公司推出的可編程光到頻率的轉(zhuǎn)換器,。它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)單一的CMOS(Comple-mentary Metal Oxide Semiconductor)電路上,，同時(shí)在單一芯片上還集成了紅、綠,、藍(lán)(RGB)3種濾光器,，是業(yè)界第一個(gè)有數(shù)字兼容接口的RGB顏色傳感器。該數(shù)字兼容接口可以和微處理器直接連接,，使電路設(shè)計(jì)變得簡單,；此外，TCS230內(nèi)部每個(gè)顏色通道有10位的數(shù)字轉(zhuǎn)換精度,，大大提高了顏色的獲取精度,。
1．2 引腳說明
TCS230引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。TCS230外部有8個(gè)引腳,，其內(nèi)部主要由光電二極管陣列和電流頻率轉(zhuǎn)換器組成，通過微處理器控制S0,，S1,，S2，S3的引腳電平可以控制TCS230輸出紅綠藍(lán)三顏色頻率值,，通過標(biāo)定可以得到數(shù)值化的BGB值,，該值可以采用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行處理識(shí)別。
2 便攜式顏色自適應(yīng)識(shí)別電路設(shè)計(jì)
2．1 便攜式顏色自適應(yīng)識(shí)別電路設(shè)計(jì)原理
電致變色器件是隨施加在器件上的電壓而顯示不同顏色的模擬器件,，一般變色的電壓范圍是-4～+4 V,，且不同顏色顯示的電壓差值在0．1 V左右，因此本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是如何輸出該電壓值,。
圖2為便攜式顏色探測(cè)自適應(yīng)系統(tǒng)框圖,。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是系統(tǒng)的控制模塊，在本設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令的控制,。本文的主要工作是基于電致變色器件而設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路,，電路的功能主要是控制電致變色器件的變色情況受外界環(huán)境的控制，從而起到識(shí)別作用。
傳統(tǒng)的顏色識(shí)別系統(tǒng)中涉及到多次模數(shù)-數(shù)模轉(zhuǎn)換,，該轉(zhuǎn)換需要系統(tǒng)額外的處理時(shí)間,，因此，減少這種模數(shù)-數(shù)模轉(zhuǎn)換的次數(shù)則能提高系統(tǒng)的處理速度,，其中最主要的方法是采用數(shù)字式的顏色傳感器和帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn),。在本系統(tǒng)中采用了TCS230來作為外界顏色采集器件，其數(shù)字式的輸出接口可以直接和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,，不需要采用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,。單片機(jī)采用的是帶16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換的低功耗器件AD-UC845，它可以把處理過的顏色數(shù)據(jù)通過內(nèi)部集成的DA轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為模擬的信號(hào),，該信號(hào)用來驅(qū)動(dòng)電致變色器件進(jìn)行顏色重現(xiàn),。
系統(tǒng)的控制部分主要完成對(duì)顏色到電壓的轉(zhuǎn)換功能，通過顏色傳感器獲取外界環(huán)境的顏色值,，然后通過處理把顏色值轉(zhuǎn)換為電致變色器件能夠精確顯示該顏色的電壓,。本文提出了兩種自適應(yīng)的顏色到電壓的轉(zhuǎn)換方法：第一種方法采用matlab的曲線擬合方法，通過擬合顏色-電壓曲線得到擬合參數(shù),，并得到顏色-電壓函數(shù),；系統(tǒng)在該函數(shù)的作用下自動(dòng)根據(jù)顏色值輸出對(duì)應(yīng)的電壓從而控制電致變色器件的顯示。第二種方法是采用比較大的存儲(chǔ)系統(tǒng),，通過控制部分不斷的給電致變色器件送入電壓,，然后獲取對(duì)應(yīng)的顏色數(shù)據(jù)，把電壓-顏色值存入存儲(chǔ)器建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫,；系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候,，會(huì)把外界的顏色值和存儲(chǔ)的顏色值進(jìn)行比對(duì)，若相同則把存儲(chǔ)的對(duì)應(yīng)電壓值輸出,。由于要頻繁的讀取存儲(chǔ)器,，該方法的速度比第一種方法慢。通過對(duì)比兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)本系統(tǒng)采用第一種方法來實(shí)現(xiàn)顏色重現(xiàn),。
2．2 便攜式顏色探測(cè)自適應(yīng)電路硬件圖
本系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示,。主要由4個(gè)模塊組成：穩(wěn)壓電源模塊，顏色傳感器模塊,，單片機(jī)處理模塊,，電壓偏移模塊和藍(lán)牙通信模塊。
系統(tǒng)中的穩(wěn)壓電源模塊可提供兩種不同的電壓值：9 V的電壓偏移模塊工作電壓和單片機(jī)3．3 V的工作電壓值(3．3 V也用來驅(qū)動(dòng)顏色傳感器,、藍(lán)牙模塊,、存儲(chǔ)芯片)，模塊中采用二極管來防止電源的反接而導(dǎo)致破壞系統(tǒng)的正常工作,。
顏色傳感器采用的是TCS230,，由于其工作電壓為3．3 V,，因此直接與單片機(jī)進(jìn)行接口設(shè)計(jì)，電路結(jié)構(gòu)簡單,。
單片機(jī)處理模塊中采用了EEPROM來存放擬合好的顏色-電壓參數(shù)值,，系統(tǒng)在運(yùn)行的時(shí)候會(huì)根據(jù)讀取的參數(shù)值給出顏色-電壓擬合函數(shù)，并在該函數(shù)的控制下進(jìn)行顏色的重現(xiàn),。
電壓偏移模塊主要是負(fù)責(zé)對(duì)電壓進(jìn)行極性的反轉(zhuǎn)和電壓的適當(dāng)放大,，由于電致變色器件的變色范圍有負(fù)電壓的出現(xiàn)，因此在本系統(tǒng)單電源供電的情況下必須采用偏移電路實(shí)現(xiàn)負(fù)極性電壓的輸出,。
藍(lán)牙通信模塊是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的上下位機(jī)通信,，通過把獲取的顏色數(shù)據(jù)發(fā)送給上位PC機(jī)，PC機(jī)在matlab的處理下,，擬合顏色-電壓曲線,，并把得到的擬合參數(shù)發(fā)送下位單片機(jī)。由于PC機(jī)的處理速度快,，因此擬合的時(shí)間很少,，主要的時(shí)間是上下位機(jī)之間的通信時(shí)間。
2．3 便攜式顏色自適應(yīng)識(shí)別電路軟件設(shè)計(jì)
在系統(tǒng)工作之前必須通過軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自平衡校準(zhǔn),，采用的方法是：通過設(shè)置單片機(jī)的定時(shí)器為固定時(shí)間,，然后選通三種顏色的濾波器，計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)TCS230的輸出脈沖數(shù),，得出一個(gè)比例因子,，通過這個(gè)比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?55。在實(shí)際測(cè)試時(shí),，使用同樣的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù),，把測(cè)得的脈沖數(shù)再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所對(duì)應(yīng)的R,、G和B的值,。校準(zhǔn)后則開始系統(tǒng)的正常工作，程序主要的工作是進(jìn)行信號(hào)的處理包括中值濾波,，A／D轉(zhuǎn)換等，在環(huán)境顏色的跟蹤過程中需要運(yùn)用一系列的算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的顏色的提取,，這需要對(duì)設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行不斷調(diào)試,。
程序的功能(圖4)是程序設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則，在本系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中,，最主要的功能是命令識(shí)別和執(zhí)行,，命令用來對(duì)數(shù)據(jù)流的方向進(jìn)行準(zhǔn)確控制，只有通過上下位機(jī)的命令二者之間的通信才能順利完成,。系統(tǒng)在命令的控制下實(shí)現(xiàn)顏色識(shí)別以及重現(xiàn)功能,，通過控制對(duì)應(yīng)的輸出接口才能輸出對(duì)應(yīng)的電壓值,，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的。
程序的軟件框架圖則是軟件設(shè)計(jì)的算法的一種體現(xiàn),，本系統(tǒng)的主控程序(圖5)主要完成系統(tǒng)初始化,、命令流、數(shù)據(jù)流的統(tǒng)一調(diào)度,。通過主控程序的調(diào)度外圍部件能夠正常的完成系統(tǒng)的功能要求,。
3 便攜式顏色識(shí)別自適應(yīng)電路實(shí)物圖
按照設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件電路圖，設(shè)計(jì)并制作了便攜式顏色自適應(yīng)系統(tǒng)的裸版,，如圖6所示,。電路板采用兩層布線。通過對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行測(cè)試,，分析輸出的顏色參量,，運(yùn)用matlab對(duì)結(jié)果進(jìn)行顏色一電壓曲線擬合，并最終在電致變色器件上面顯示出了顏色,，該顏色和從顏色傳感器檢測(cè)到的顏色一致,。表明本電路能實(shí)現(xiàn)所要求的功能。
4 結(jié)束語
利用數(shù)字式的顏色傳感器和單片機(jī)為電致變色器件設(shè)計(jì)了變色狀態(tài)受外界環(huán)境顏色變化的控制電路,，電路簡單,、成本低。由于電路工作時(shí),，會(huì)首先掃描電致變色器件的變色參數(shù)并儲(chǔ)存,，因此電路能自適應(yīng)地控制不同變色參數(shù)的電致變色器件。此外,，采用藍(lán)牙通信方式用來實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的通信,，這樣下位機(jī)的顏色傳感器可以方便的探測(cè)外界環(huán)境，便于提高顏色獲取的精度,。設(shè)計(jì)中采取減少電路中AD,、DA轉(zhuǎn)換的次數(shù)，進(jìn)一步提高了電路的工作速度,。