基于STM32F103的TCS3200颜色传感器的使用

        团队布置的任务内容是2019年中国机器人大赛的题目，小车运行过程中需要对不同物料进行颜色上的识别。因此我最近就学了TCS3200颜色传感器的基本原理和代码的具体实现。网上对该模块的使用基本是基于Arduino的，对于基于STM32的介绍较少。鉴于此，补一篇代码可以跑STM32的笔记是有必要的（实际上为了凑一篇笔记赶紧交作业）

一、TCS3200芯片介绍

        TCS3200是TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器，它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时集成了三种颜色（RGB）的滤光器，是业界第一个具有数字兼容接口的RGB彩色传感器。

        工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤光器，该传感器的典型输出频率范围从2Hz~500kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100%、20%、2%的输出比例因子，或是电源关断模式。选择不同的输出比例因子，可以对输出频率范围进行调整，适应不同的测量范围。

        TCS3200适合于色度计测量应用领域。比如彩色打印、医疗诊断、计算机彩色监视器校准以及油漆、纺织品、化妆品和印刷材料的过程控制。
下图是其电路原理图（不看也行）

二、颜色识别原理

（一）三原色原理

         通常所看到的物体颜色，实际上是物体表面吸收了照射到它上面的白光中的一部分有色成分，而反射出的另一部分有色光在人眼中的反应。白色是由各种频率的可见光混合在一起构成的，也就是说白光中包含着各种颜色的色光(如红R、黄Y、绿G、青V、蓝B、紫P)。根据德国物理学家赫姆霍兹的三原色理论可知，各种颜色是由不同比例的三原色(红、绿、蓝)混合而成的。每一种颜色都一个标准值。由上面的三原色感应原理可知，特定颜色的值就是红绿蓝三种颜色标准值的线性组合。

(二)TCS3200的识别原理

        对于TCS3200来说，当选定一个颜色滤波器时，它只允许某种特定的原色通过，阻止其它原色的通过。例如：当选择红色滤波器时，入射光中只有红色可以通过，蓝色和绿色都被阻止，这样就可以得到红色光的光强；同理，选择其它的滤波器，就可以得到蓝色光和绿色光的光强。通过这三个光强值，就可以分析出反射到TCS3200D传感器上的光的颜色。TCS3200传感器有红绿蓝和清除4种滤光器，可以通过其引脚 S2 和 S3 的高低电平来选择滤波器模式，如下图。

L表示低电平，H表示高电平

        当被测物体反射光的红、绿、蓝三色光线分别透过相应滤波器到达TAOS TCS3200RGB感应芯片时，其内置的振荡器会输出方波，方波频率与所感应的光强成比例关系，光线越强，内置的振荡器方波频率越高。TCS3200传感器有一个OUT引脚，它输出信号的频率与内置振荡器的频率也成比例关系，它们的比率因子可以靠其引脚S0和S1的高低电平来选择，如下图。

        现在我们对光强值做了处理，令其转换成了波，又在它的基础上乘上了一个因子来转换成OUT引脚输出给主控板的信号频率。现在就差要得到对应颜色的RGB标准值，这需要我们就需要做 白平衡校正。

(三)白平衡校准

        白平衡就是告诉传感器什么是“白色”的。以白色为参照颜色，才能计算其他颜色的RGB标准值。从理论上讲，白色是由等量的红色、蓝色、绿色混合而成的。

Window画图功能中编辑颜色界面

而然实际上白色中的RGB并不是完全相等，并且TCS3200光传感器对三种颜色的敏感性并不相同，导致RGB输出并不相同。因此必须要做白平衡校正，使得TCS3200检测的`“白色”``输出的RGB值一样。

        白平衡的方法：把一个白色物体放置在TCS3200颜色传感器之下，两者相距10mm左右，点亮传感器上的4个白光LED灯，然后选通三原色的滤波器，让被测物体反射光中红、绿、蓝三色光分别通过滤波器，得到OUT引脚输出信号的脉冲数。在用白色的RGB标准值分别处以对应颜色就得到了三种颜色的比例因子。有了白平衡校正得到的RGB比例因子，就可以讲测得其他颜色的信号脉冲换算成RGB标准值了。

S = 255 N 0 (1) S={255\over N_0}\tag{1} S=N0​255​(1)
E = S ∗ N 0 (1) E=S*N_0\tag{1} E=S∗N0​(1)

N₀是白平衡是测得的脉冲数，S是RGB比例因子，E是当前检测颜色的RGB值。

三、颜色识别的思路、方法以及代码实现

（一）方法及思路

        根据上文的介绍，对颜色信号的采集基本上是以下步骤

我们的检测思路是：开一个定时器，间隔1s进入一次中断服务，在中断服务函数中采集信号并进行计算处理。1s检测RGB中的一种颜色。另外再开一个定时器，用来统计OUT引脚输出的脉冲数。第一次的检测做白平衡检测，用255除以脉冲数得到RGB比例因子，就可以用于之后的识别。所以白平衡进行一次，之后的检测都写在while函数里即可。开启串口通信，用printf函数把RGB值每隔4s打印一次，检查TCS3200传感器的识别结果。

（一）代码实现

我使用STM32CubeMax进行STM32开发，开发方式使用HAL库。用的板子型号是正点原子MINI板，芯片型号为STM32F103RCT6。

巨量的初始化函数自动生成，函数直接集成不同功能，谁用谁爽~~

这是我使用的GPIO口：

GPIO输出模式

PA4 —————— S0

PA5 —————— S1

PA6 —————— S2

PA7 —————— S3

PC4 —————— LED

定时器2外部时钟模式
PA0 —————— OUT

然后开了串口1 定时器1

定时器1采用内部时钟模式，经过倍频后APB2总线上的频率为72kHz，设置预分频系数和计数值分别为（7200-1）和（10000-1），这样定时间隔即为1s

定时器2采用外部时钟模式，统计OUT引脚输出的脉冲个数，计数方式为向上计数，65535溢出

打开串口1，采用异步传输方式，波特率为115200，8位字节的数据长度。没有奇偶校验位，数据发送停止位有1位。

下图是对时钟树的配置，在这里不多说

下面上代码：

我把有用的代码都写在了主函数文件里面，那些初始化函数啥的就不放出来，直接看有用的部分吧。另外声明，这些代码参考了http://www.eefocus.com/zhang700309/blog/13-08/296390_6c438.html，我改成了能在STM32板子上跑的代码。

  

#include "main.h"
#include "tim.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"
#include "stdio.h" //使用printf函数需要调用这个库

#define S0_L HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET); 

#define S0_H HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);

#define S1_L HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET); 

#define S1_H HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);

#define S2_L HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_RESET); 

#define S2_H HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_SET);

#define S3_L HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_RESET); 

#define S3_H HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_SET);

#define LED_OFF HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET); 

#define LED_ON HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);

float RGB_Scale[3];          //数组存储3个RGB比例因子
int count=0;               //统计脉冲数
int cnt[3];              //数组存储RGB三种颜色的脉冲值
int flag=0;               //滤波器选择模式标志

void SystemClock_Config(void);

void filter(int s2,int s3)  //滤波器模式选择函数，根据S2和S3的电位来选择红、绿、蓝、三种颜色的滤波器
{ 
    if(s2==0&&s3==0){ 
			S2_L;S3_L;
		}
    if(s2==0&&s3==1){ 
		  S2_L;S3_H;
		}
    if(s2==1&&s3==0){ 
			S2_H;S3_L;
		}
    if(s2==1&&s3==1){ 
		  S2_H;S3_H;
		}			
}



void TSC_WB(int s2, int s3)  //结束上一种颜色识别，开始下一种颜色的识别 
{ 
  count = 0;   //统计脉冲值清零
  flag ++;     //输出信号计数标志+1，进行下一个颜色的脉冲统计
  filter(s2, s3); //选择滤波器模式

}

int fputc(int c, FILE *stream)    //重定义printf函数，在川口打印数据
{ 

    HAL_UART_Transmit(&huart1, (unsigned char *)&c, 1, 1000);   
    return 1;
}


int main(void)
{ 
  HAL_Init();        //初始化函数
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM1_Init();
  MX_USART1_UART_Init();  
  MX_TIM2_Init();
   
  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1); //使能TIM1
  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);  //使能TIM2

  S0_L;
  S1_H;    //选择2%的输出比例因子
  LED_ON;   //打开白光LED进行白平衡
  HAL_Delay(4000);  //延时四秒等待识别
  //通过白平衡测试，计算得到白色物体RGB值255与1s内三色光脉冲数的RGB比例因子
  RGB_Scale[0] = 255.0/ cnt[0];     //红色光比例因子
  RGB_Scale[1] = 255.0/ cnt[1] ;    //绿色光比例因子
  RGB_Scale[2] = 255.0/ cnt[2] ;    //蓝色光比例因子
  //打印白平衡后的红、绿、蓝三色的RGB比例因子
  printf("%5lf\r\n",RGB_Scale[0]);
  printf("%5lf\r\n",RGB_Scale[1]);
  printf("%5lf\r\n",RGB_Scale[2]);
  //红、绿、蓝三色光分别对应的1s内TCS3200输出脉冲数乘以相应的比例因子就是RGB标准值
  //打印被测物体的RGB值
  for(int i=0; i<3; i++)
    printf("%d\r\n",(int)(cnt[i]*RGB_Scale[i])); 
  LED_OFF;  //关闭LED
  printf("白平衡调试结束\r\n");
   //白平衡结束后，就可以检测其他的颜色了，为了让它不断检测，我们让他循环起来
  while (1)
  { 
    flag=0;  //标志位清0 开始下一轮的识别
	count=0;   //脉冲数置为0，开始统计下一个脉冲数
	HAL_Delay(4000);  //延时4s 等待识别结果
	for(int i=0; i<3; i++)
      printf("%d\r\n",(int)(cnt[i] * RGB_Scale[i])); 

}

void SystemClock_Config(void)
{ 
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = { 0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = { 0};

  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  { 
    Error_Handler();
  }
  
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  { 
    Error_Handler();
  }
}

//定时器1的中断服务函数
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim){ 
	if(htim->Instance==htim1.Instance){ 
		 count=__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2);//将TIM2统计的脉冲数存入变量count
		 switch(flag){ 
         case 0:
            printf("->WB Start\r\n");
            TSC_WB(0, 0);   //选择让红色光线通过滤波器的模式
            break;
         case 1:
            printf("->Frequency R=");
            printf("%d\r\n",count);   //打印1s内的红光通过滤波器时，TCS3200输出的脉冲个数
            cnt[0] = count;    //存储1s内的红光通过滤波器时，TCS3200输出的脉冲个数
            TSC_WB(1, 1);  //选择让绿色光线通过滤波器的模式
            break;
         case 2:
            printf("->Frequency G=");
            printf("%d\r\n",count);   //打印1s内的绿光通过滤波器时，TCS3200输出的脉冲个数
            cnt[1] = count;    //存储1s内的绿光通过滤波器时，TCS3200输出的脉冲个数
            TSC_WB(0, 1);  //选择让蓝色光线通过滤波器的模式
            break;
 
         case 3:
            printf("->Frequency B=");
            printf("%d\r\n",count);   //打印1s内的蓝光通过滤波器时，TCS3200输出的脉冲个数
            printf("->WB End\r\n");
            cnt[2] = count;     //存储1s内的蓝光通过滤波器时，TCS3200输出的脉冲个数
            TSC_WB(1, 0);   //选择无滤波器的模式 
            break;
         default:
            count = 0;     //计数值清零
             break;
      }
   }
}

void Error_Handler(void)
{ 

}

void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{ 
  
}
#endif 

下面是实物接线，emmm，不太会拍，具体怎么接线参考其他文章吧。

现在我们来测试一下，打开串口助手。

可以看到我们接收到了来自传感器的信号，然后根据传来的数值做进一步处理。比如在这个比赛里，可以利用传来数据控制舵机呀，电机这些的下一步动作。不过这个测试还是有一些问题的，白平衡阶段和识别颜色阶段获得的脉冲数有异常的变动。我认为可能是硬件方面的问题，需要做进一步排查。欢迎大家积极讨论，发现问题。