一種顏色識別電路的設計

解旭東　龍光利

摘要：針對生產過程中由人眼起主導作用的顏色識別精度不高、眼睛容易疲勞等問題，設計一種顏色識別電路，包括硬件和軟件兩部分。硬件部分由單片機最小系統、顏色采集模塊、液晶顯示模塊、語音錄放模塊等組成。軟件部分包括主程序、語音播報子程序、顏色采集子程序、液晶顯示子程序等。程序用C語言編寫，在keil4平臺編譯，通過后下載到單片機STC89C52上。將該單片機和其他元器件焊接在PCB板上，上電，顏色傳感器能對被測物體顏色（如白色、紅色、藍色、綠色、黃色、黑色等）進行檢測，液晶顯示屏能顯示被測物體的顏色，語音模塊可準確播報所采集的顏色。

關鍵詞：顏色識別;單片機;液晶顯示;語音播報

中圖分類號 TM914.4? ? ?文獻標識碼 A

文章編號：1009-3044（2022）08-0001-03

1 引言

在彩色圖像中，人類識別彩色圖像的主要感知特征之一是顏色。與幾何特征相比，顏色特征對圖像的平移、縮放和旋轉非常穩定，具有很強的魯棒性[1]。在當今工業化社會，顏色識別被廣泛應用于不同行業，如： 物體表面顏色識別（包含產品包裝顏色標準檢測、產品外觀特征顏色檢測、液體溶液顏色變化過程檢測與控制）、無人機車[2]、人臉檢測與識別、水果和蔬菜的自動篩選及成熟度或新鮮度檢測、白細胞自動識別、圖像內容檢索等。

2 RGB顏色模型

人眼對一個物體的外在特征之一是顏色，與光譜分布有關。在可見光范圍內，波長較長的光在人眼中產生紅色的感覺，波長較短的光產生藍色的感覺，而中等波長的光則產生綠色的感覺。根據 Helinholtz 的三基色理論，每種顏色是三基色（紅、綠、藍）的不同比例的混合物[3]，所以在測量顏色時，可以通過測量一種顏色中 R、G、B 三基色的比例來識別。每種顏色可以用三種基本顏色，以不同的比例混合。RGB 顏色模型如圖1所示。xyz 軸分別對應于 R （紅色）、 G （綠色）和 B （藍色）。原點（0，0，0）對應黑色，頂點（255，255，255）對應白色。立方體的其他六個角分別是紅色、黃色、綠色、青色、藍色和品紅色，每個 RGB 值對應一個唯一的顏色[4-5]。

3 硬件設計

設計的顏色識別電路硬件部分主要由單片機最小系統、顏色采集電路、液晶顯示電路、語音播報電路組成。單片機最小系統主要由STC89C52單片機、復位電路、時鐘電路構成。

3.1 顏色采集電路設計

顏色采集電路采用TCS3200D模塊[6]，其工作原理為： 入射光反射到光電二極管，光線由光電二極管轉換為電流模擬信號，在A/D轉換電路中經過信號放大后轉換成數字信號，最后發送至單片機進行處理。設計的TCS3200D與單片機的接口圖如圖2所示。TCS3200D模塊采用8引腳的SOIC表面貼裝式封裝，將64個光電二極管集成在一個芯片上，識別顏色時，先將所檢測物體中的紅光、綠光、藍光的強度轉換成脈沖信號，然后根據3種顏色所占的比例計算出被測量物體的顏色。

3.2 液晶顯示電路設計

液晶顯示電路采用工業字符型液晶LCD1602[7]，顯示內容為16×2，并且能同時顯示兩行，每行16個字符。設計的 LCD1602與單片機的接口圖如圖3所示。

3.3 語音播報電路的設計

語音播報電路采用集單片機、語音電路、SPI-Flash 存儲器于一體的可編程語音模塊WT588D[8]，設計的語音播報電路如圖4所示。在三線串口模式下，GND接地，VDD和VCC接5V電壓，P01，P02，P03分別與單片機P3.0，P3.1，P3.2口相連。選擇DAC輸出方式作為音頻輸出，音頻信號從DAC端輸出，經過R6、C6、C9后輸出到功放。R6為分流電阻，取值270Ω～1.2kΩ，阻值越大則輸出聲音越大。

4 軟件設計

4.1 主程序設計

顏色識別電路主程序設計中分別定義了語音播報子程序、顏色采集子程序、液晶顯示子程序、延時子程序等。主程序通過調用這幾個子程序實現設計要求的功能。延時子程序穿插于各個子程序之間頻繁調用，主程序流程圖如圖5所示。程序開始運行時，先進行初始化，進入顏色采集子程序進行白平衡采集顏色數據，將采集到的顏色發送至單片機處理，再進入液晶顯示子程序，在液晶顯示屏顯示RGB數值和顏色名稱，最后進入語音播報子程序，語音播報顏色名稱。若按下復位鍵則再次運行主程序。

4.2 顏色采集子程序設計

單片機STC89C52對顏色采集模塊TCS3200D的控制需要通過程序驅動來實現，程序主要完成兩方面的任務：利用單片機實現對TCS3200D進行初始化，并對其寄存器的地址定義和控制字的寫入;實現對TCS3200D的數據讀取。初始化TCS3200D要求SCLK和 [RST]都為低電平。TCS3200D子程序流程圖如圖6所示。

4.3 語音播報子程序設計

語音播報子程序選擇三線串口模式，三線串口控制模式由數據DATA、時鐘SCK 和片選CS組成， 時序模仿標準的SPI 通信方式[8]，語音播報子程序流程圖如圖7所示。

4.4 液晶顯示子程序設計

液晶顯示子程序主要實現對信息的顯示，第一行為RGB所對應的數值，第二行為所檢測出采集的顏色，液晶顯示子程序流程如圖8所示。

5 實驗結果

5.1 Proteus仿真

在仿真軟件平臺Proteus上設計電路圖[9]，利用Keil軟件編譯程序，通過后導入Proteus中進行調試，用一個脈沖發生器來代替顏色識別模塊，將采集到的信號傳至單片機，通過A/D轉換模塊轉成數字信號，最后用數碼管顯示出模擬采集的數值大小，仿真電路圖如圖9所示。由圖9中看出數碼管可以顯示脈沖大小，整個電路可以正常運行，即可以仿真正常顏色采集的數值大小。250460BF-818D-4010-ABDD-39EB0C58E054

5.2 硬件制作與調試

制作一個STC89C52單片機最小系統，由單片機底座、10k電阻，兩個22pF電容，一個滑動變阻器等組成，將語音播報電路WT588D和液晶顯示電路LCD1602各個引腳與單片機引腳焊接。在顏色傳感器四周安裝塑料支柱，以便采集顏色。通電調試，顏色識別電路的調試如圖10所示。通過顏色傳感器采集脈沖，在顯示屏上顯示出了RGB三個數值和所對應的顏色并語音播報出所采集的顏色名稱。

6 結束語

針對目前市場上的顏色識別系統價格昂貴、笨重難以攜帶、檢測不穩定等問題，設計了一種顏色識別電路，特點是單片機為核心，能進行顏色識別，可液晶顯示所測物體RGB數值和對應顏色，并可進行語音播報。

參考文獻：

[1] 潘海鴻，陳琳，黃炳瓊，等.基于TCS230傳感器的高精度顏色識別系統設計[J].微計算機信息，2009，25（16）：159-161.

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[7] 林嘉.基于89S52的LCD1602程序設計[J].電腦知識與技術，2012，8（26）：6376-6378.

[8] 王春武，劉春玲，秦政坤，等.基于WT588D模塊的語音播報系統設計[J].電子技術應用，2012，38（1）：115-117，121.

[9] 鐘健，王豐元，張明杰，等.基于Proteus仿真的無線溫度檢測系統低功耗研究[J].現代電子技術，2018，41（17）：112-115.

【通聯編輯：梁書】250460BF-818D-4010-ABDD-39EB0C58E054