摘要：為解決電致變色器件的顏色變化受外界環境顏色控制的問題，設計了一種基于單片機的便攜式顏色自適應識別電路。與傳統顏色識別電路相比較，該電路利用數字式的顏色傳感器來獲取外界環境顏色，產生的數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傳遞給下位機。結果表明，該電路能自動根據環境顏色提供-4～4 V范圍步進為0．1 V的電壓來驅動電致變色器件的顏色顯示，與傳統的顏色識別電路設計相比，識別的精度和速度都得到了明顯改善。
關鍵詞：顏色傳感器；顏色識剮；藍牙；單片機
顏色識別是模式識別領域的一個重要研究方向，利用顏色識別技術能使傳統依靠人眼進行顏色判別的方法發生根本變革。這種新型技術采用顏色傳感器獲取外界的顏色信息，進而通過基于計算機的信號處理技術實現顏色的精確識別。
顏色識別技術經歷了傳統模擬識別方法和現代數字化識別兩個階段。傳統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過修正的紅、綠、藍濾光片，經過光電轉換產生對應的模擬信號；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轉換電路才能實現和微控制器的接口，而AD轉換電路的引入增加了信號的處理時間，對整個系統的速度有很大的影響；此外，由于一般的AD轉換存在量化誤差，系統的精度受到很大的限制，這些使得傳統的顏色識別方法逐漸被現在的數字式化的顏色識別技術所替代。隨著半導體技術的發展，數字式的顏色傳感器逐步取代了傳統的光電二極管傳感器，這種技術把顏色傳感器所需的光學、機械、電子等信號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字量，因此可以通過數字處理技術來提高探測速度并保持檢測器輸出信號的精度。例如采用改進的動態檢測方法來提高顏色探測的速度，采用數字電路來處理顏色數據等。
雖然數字傳感器已經取得了一些成功，但其應用于市場的技術還不夠成熟，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、數字輸出等特點。本文采用TCS230來作為系統的探測部分，基于該器件設計的顏色識別系統可以應用于軍事領域，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。
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換器。它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉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，是業界第一個有數字兼容接口的RGB顏色傳感器。該數字兼容接口可以和微處理器直接連接，使電路設計變得簡單；此外，TCS230內部每個顏色通道有10位的數字轉換精度，大大提高了顏色的獲取精度。
1．2 引腳說明
TCS230引腳及內部結構圖如圖1所示。TCS230外部有8個引腳，其內部主要由光電二極管陣列和電流頻率轉換器組成，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計
2．1 便攜式顏色自適應識別電路設計原理
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框圖。整個系統實現的關鍵是系統的控制模塊，在本設計中采用單片機來進行數據和命令的控制。本文的主要工作是基于電致變色器件而設計相應的電路，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境的控制，從而起到識別作用。
傳統的顏色識別系統中涉及到多次模數-數模轉換，該轉換需要系統額外的處理時間，因此，減少這種模數-數模轉換的次數則能提高系統的處理速度，其中最主要的方法是采用數字式的顏色傳感器和帶模數轉換的單片機來實現。在本系統中采用了TCS230來作為外界顏色采集器件，其數字式的輸出接口可以直接和單片機進行數據交換，不需要采用模數轉換電路。單片機采用的是帶16位的數模轉換的低功耗器件AD-UC845，它可以把處理過的顏色數據通過內部集成的DA轉換電路轉換為模擬的信號，該信號用來驅動電致變色器件進行顏色重現。
系統的控制部分主要完成對顏色到電壓的轉換功能，通過顏色傳感器獲取外界環境的顏色值，然后通過處理把顏色值轉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，并得到顏色-電壓函數；系統在該函數的作用下自動根據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，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據，把電壓-顏色值存入存儲器建立一個數據庫；系統運行的時候，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缺點本系統采用第一種方法來實現顏色重現。
2．2 便攜式顏色探測自適應電路硬件圖
本系統的硬件框圖如圖3所示。主要由4個模塊組成：穩壓電源模塊，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。
系統中的穩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計，電路結構簡單。
單片機處理模塊中采用了EEPROM來存放擬合好的顏色-電壓參數值，系統在運行的時候會根據讀取的參數值給出顏色-電壓擬合函數，并在該函數的控制下進行顏色的重現。
電壓偏移模塊主要是負責對電壓進行極性的反轉和電壓的適當放大，由于電致變色器件的變色范圍有負電壓的出現，因此在本系統單電源供電的情況下必須采用偏移電路實現負極性電壓的輸出。
藍牙通信模塊是負責數據的上下位機通信，通過把獲取的顏色數據發送給上位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發送下位單片機。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計
在系統工作之前必須通過軟件對系統進行自平衡校準，采用的方法是：通過設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TCS230的輸出脈沖數，得出一個比例因子，通過這個比例因子可以把這些脈沖數變為255。在實際測試時，使用同樣的時間進行計數，把測得的脈沖數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轉換等，在環境顏色的跟蹤過程中需要運用一系列的算法來實現對復雜環境的顏色的提取，這需要對設計的程序進行不斷調試。
程序的功能(圖4)是程序設計的準則，在本系統的程序設計中，最主要的功能是命令識別和執行，命令用來對數據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。系統在命令的控制下實現顏色識別以及重現功能，通過控制對應的輸出接口才能輸出對應的電壓值，實現系統的設計目的。
程序的軟件框架圖則是軟件設計的算法的一種體現，本系統的主控程序(圖5)主要完成系統初始化、命令流、數據流的統一調度。通過主控程序的調度外圍部件能夠正常的完成系統的功能要求。
3 便攜式顏色識別自適應電路實物圖
按照設計的系統硬件電路圖，設計并制作了便攜式顏色自適應系統的裸版，如圖6所示。電路板采用兩層布線。通過對設計的電路進行測試，分析輸出的顏色參量，運用matlab對結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。表明本電路能實現所要求的功能。
4 結束語
利用數字式的顏色傳感器和單片機為電致變色器件設計了變色狀態受外界環境顏色變化的控制電路，電路簡單、成本低。由于電路工作時，會首先掃描電致變色器件的變色參數并儲存，因此電路能自適應地控制不同變色參數的電致變色器件。此外，采用藍牙通信方式用來實現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境，便于提高顏色獲取的精度。設計中采取減少電路中AD、DA轉換的次數，進一步提高了電路的工作速度。