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)計了一種基于單片機的便攜式顏色自適應識別電路。與傳統(tǒng)顏色識別電路相比較，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)字顏色信號易于單片機進行處理。在電路中，下位機部分主要負責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;而上位機部分主要負責把下位機獲取的電致變色器件變色參數(shù)進行電壓到顏色的曲線擬合，并通過藍牙通信把擬合曲線參數(shù)傳遞給下位機。結(jié)果表明，該電路能自動根據(jù)環(huán)境顏色提供-4～4 V范圍步進為0.1 V的電壓來驅(qū)動電致變色器件的顏色顯示，與傳統(tǒng)的顏色識別電路設(shè)計相比，識別的精度和速度都得到了明顯改善。

????????引言

　　顏色識別技術(shù)經(jīng)歷了傳統(tǒng)模擬識別方法和現(xiàn)代數(shù)字化識別兩個階段。傳統(tǒng)的顏色識別方法采用模擬顏色探測器件來進行外界顏色獲取，這種探測器件通常是在獨立的光電二極管上覆蓋經(jīng)過修正的紅、綠、藍濾光片，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生對應的模擬信號;如果用微控制器對這些模擬信號進行處理，就必須采用額外的AD轉(zhuǎn)換電路才能實現(xiàn)和微控制器的接口，而AD轉(zhuǎn)換電路的引入增加了信號的處理時間，對整個系統(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)的顏色識別方法逐漸被現(xiàn)在的數(shù)字式化的顏色識別技術(shù)所替代。隨著半導體技術(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。

　　本文采用TCS230來作為系統(tǒng)的探測部分，基于該器件設(shè)計的顏色識別系統(tǒng)可以應用于軍事領(lǐng)域，也可以應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)換器集成在一個單一的CMOS(Comple-mentary Metal Oxide Semiconductor)電路上，同時在單一芯片上還集成了紅、綠、藍(RGB)3種濾光器，是業(yè)界第一個有數(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)計變得簡單;此外，TCS230內(nèi)部每個顏色通道有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外部有8個引腳，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輸出紅綠藍三顏色頻率值，通過標定可以得到數(shù)值化的BGB值，該值可以采用計算機來進行處理識別。

　　2 便攜式顏色自適應識別電路設(shè)計

　　2.1 便攜式顏色自適應識別電路設(shè)計原理

　　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)計的重點是如何輸出該電壓值。

　　圖2為便攜式顏色探測自適應系統(tǒng)框圖。整個系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵是系統(tǒng)的控制模塊，在本設(shè)計中采用單片機來進行數(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)計相應的電路，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，從而起到識別作用。

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　　傳統(tǒng)的顏色識別系統(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)換的單片機來實現(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進行數(shù)據(jù)交換，不需要采用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。單片機采用的是帶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，該信號用來驅(qū)動電致變色器件進行顏色重現(xiàn)。

　　系統(tǒng)的控制部分主要完成對顏色到電壓的轉(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)的作用下自動根據(jù)顏色值輸出對應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，然后獲取對應的顏色數(shù)據(jù)，把電壓-顏色值存入存儲器建立一個數(shù)據(jù)庫;系統(tǒng)運行的時候，會把外界的顏色值和存儲的顏色值進行比對，若相同則把存儲的對應電壓值輸出。由于要頻繁的讀取存儲器，該方法的速度比第一種方法慢。通過對比兩種方法的優(yōu)缺點本系統(tǒng)采用第一種方法來實現(xiàn)顏色重現(xiàn)。

　　2.2 便攜式顏色探測自適應電路硬件圖

　　本系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示。主要由4個模塊組成：穩(wěn)壓電源模塊，顏色傳感器模塊，單片機處理模塊，電壓偏移模塊和藍牙通信模塊。

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　　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3.3 V的工作電壓值(3.3 V也用來驅(qū)動顏色傳感器、藍牙模塊、存儲芯片)，模塊中采用二極管來防止電源的反接而導致破壞系統(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，因此直接與單片機進行接口設(shè)計，電路結(jié)構(gòu)簡單。

　　單片機處理模塊中采用了EEPROM來存放擬合好的顏色-電壓參數(shù)值，系統(tǒng)在運行的時候會根據(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)的控制下進行顏色的重現(xiàn)。

　　電壓偏移模塊主要是負責對電壓進行極性的反轉(zhuǎn)和電壓的適當放大，由于電致變色器件的變色范圍有負電壓的出現(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現(xiàn)負極性電壓的輸出。

　　藍牙通信模塊是負責數(shù)據(jù)的上下位機通信，通過把獲取的顏色數(shù)據(jù)發(fā)送給上位PC機，PC機在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。由于PC機的處理速度快，因此擬合的時間很少，主要的時間是上下位機之間的通信時間。

　　2.3 便攜式顏色自適應識別電路軟件設(shè)計

　　在系統(tǒng)工作之前必須通過軟件對系統(tǒng)進行自平衡校準，采用的方法是：通過設(shè)置單片機的定時器為固定時間，然后選通三種顏色的濾波器，計算這段時間內(nèi)TCS230的輸出脈沖數(shù)，得出一個比例因子，通過這個比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?55。在實際測試時，使用同樣的時間進行計數(shù)，把測得的脈沖數(shù)再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所對應的R、G和B的值。校準后則開始系統(tǒng)的正常工作，程序主要的工作是進行信號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用一系列的算法來實現(xiàn)對復雜環(huán)境的顏色的提取，這需要對設(shè)計的程序進行不斷調(diào)試。

　　程序的功能(圖4)是程序設(shè)計的準則，在本系統(tǒng)的程序設(shè)計中，最主要的功能是命令識別和執(zhí)行，命令用來對數(shù)據(jù)流的方向進行準確控制，只有通過上下位機的命令二者之間的通信才能順利完成。系統(tǒng)在命令的控制下實現(xiàn)顏色識別以及重現(xiàn)功能，通過控制對應的輸出接口才能輸出對應的電壓值，實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計目的。

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　　程序的軟件框架圖則是軟件設(shè)計的算法的一種體現(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。

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　　3 便攜式顏色識別自適應電路實物圖

　　按照設(shè)計的系統(tǒng)硬件電路圖，設(shè)計并制作了便攜式顏色自適應系統(tǒng)的裸版，如圖6所示。電路板采用兩層布線。通過對設(shè)計的電路進行測試，分析輸出的顏色參量，運用matlab對結(jié)果進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到的顏色一致。表明本電路能實現(xiàn)所要求的功能。

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　　4 結(jié)束語

　　電路工作時，會首先掃描電致變色器件的變色參數(shù)并儲存，因此電路能自適應地控制不同變色參數(shù)的電致變色器件。此外，采用藍牙通信方式用來實現(xiàn)上下位機之間的通信，這樣下位機的顏色傳感器可以方便的探測外界環(huán)境，便于提高顏色獲取的精度。設(shè)計中采取減少電路中AD、DA轉(zhuǎn)換的次數(shù)，進一步提高了電路的工作速度。