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(jìn)行外界顏色獲取,，這種探測器件通常是在獨(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)生對應(yīng)的模擬信號;如果用微控制器對這些模擬信號進(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(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,。

　　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(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(lán)(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(lán)三顏色頻率值，通過標(biāo)定可以得到數(shù)值化的BGB值,，該值可以采用計算機(jī)來進(jìn)行處理識別,。

　　2 便攜式顏色自適應(yīng)識別電路設(shè)計

　　2.1 便攜式顏色自適應(yīng)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(diǎn)是如何輸出該電壓值,。

　　圖2為便攜式顏色探測自適應(yīng)系統(tǒng)框圖。整個系統(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,，從而起到識別作用,。

　　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(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，該信號用來驅(qū)動電致變色器件進(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)的作用下自動根據(jù)顏色值輸出對應(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(yīng)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(yùn)行的時候,，會把外界的顏色值和存儲的顏色值進(jìn)行比對，若相同則把存儲的對應(yīng)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(diǎn)本系統(tǒng)采用第一種方法來實(shí)現(xiàn)顏色重現(xiàn),。

　　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(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)動顏色傳感器、藍(lán)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(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，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(jìn)行顏色的重現(xiàn),。

　　電壓偏移模塊主要是負(fù)責(zé)對電壓進(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,，因此擬合的時間很少，主要的時間是上下位機(jī)之間的通信時間,。

　　2.3 便攜式顏色自適應(yīng)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(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(shí)際測試時,，使用同樣的時間進(jìn)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(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)對復(fù)雜環(huán)境的顏色的提取，這需要對設(shè)計的程序進(jìn)行不斷調(diào)試,。

　　程序的功能(圖4)是程序設(shè)計的準(zhǔn)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(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)顏色識別以及重現(xiàn)功能,，通過控制對應(yīng)的輸出接口才能輸出對應(yīng)的電壓值,，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計目的。

　　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,。

　　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(yīng)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(jìn)行測試,，分析輸出的顏色參量,，運(yùn)用matlab對結(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

　　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(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(jìn)一步提高了電路的工作速度,。