一種便攜式顏色自適應(yīng)識(shí)別電路的實(shí)現(xiàn)

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。

引言

　　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(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。

　　本文采用TCS230來作為系統(tǒng)的探測部分，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)。