基于TCS34725的RGB颜色识别 - 嘉立创EDA开源硬件平台

一、设计摘要

基于 TCS34725 颜色识别传感器的颜色测量系统。

1. TCS34725 通过 I2C 接口与 Air32F103 微控制器进行通信，读取 TCS34725 的颜色数据，并发送配置指令以调整传感器的工作参数；
2. 显示屏采用 SPI 接口与 Air32F103 之间数据传输，发送颜色数据和命令到显示屏，实现实时的数据展示；
3. UI界面设计移植了LVGL；
4. 移植了FreeRTOS保证实时性需求；
5. 与PC端通信使用USB虚拟串口实现，基于MODBUS通信协议。

二、总体设计框图

以下是颜色测量系统系统框图的系统框图：

图表 2 颜色测量系统系统框图

整个系统框图展示了 Air32F103微控制器通过 I2C 接口与 TCS34725 颜色传感器进行通信，并集成了1.69寸彩色TFT显示屏、USB虚拟串口、SWD下载电路以及电源与LDO电路。

1)        TCS34725 颜色传感器：感知环境中的颜色，并通过 I2C 接口将原始数据传输给 Air32F103 微控制器。

2)        1.69寸彩色 TFT 显示屏： 通过 SPI 接口接收 Air32F103 微控制器发送的颜色数据，将其显示在屏幕上。提供用户友好的界面，实时展示颜色测量结果。

3)        Air32F103 微控制器：I2C接口接收 TCS34725 传感器的颜色数据，进行数据处理与解析。同时，通过 SPI 接口与 TFT 显示屏通信，将处理后的数据发送给TFT显示屏进行实时展示。

4)        USB 虚拟串口：通过USB接口连接到计算机，为用户提供与系统进行通信的接口。这使得能够通过计算机监视系统的运行，并发送和接收必要的串口通信数据。

5)        SWD 下载电路：提供了用于固件下载和调试的 SWD 接口。在开发过程中，通过 SWD 接口可以方便地更新和调试 Air32F103 微控制器上的固件。

6)        电源与低压差稳压器（LDO）电路：用于为 TCS34725 颜色传感器、Air32F103 微控制器、屏幕提供稳定的电源，以保障它们的正常工作。

三、硬件电路组成

综上系统框图进行硬件电路设计如下。

对于 Type-C 周围电路，引脚 CC1、CC2 通过5.1KΩ接地，通过数据线与 PC 端连接后，使该设备被选中为 SLAVE （从机）状态；USB 输入正向电压与板载正向电压间放置防防反接二极管，保证电路安全；引出 DP、DN 差分数据线路，作为 USB 虚拟串口通信线路；并在 VBUS 与微控制器一引脚间接入 LED 灯珠与一限流电阻，方便系统运行调试可视化。

图 2 Type-C周围电路设计

        对于基本通信电路，引出 SWD 下载电路调试接口；Type-C 的DP、DN 差分数据线路通过22Ω电阻与微控制器 PA11、PA12 引脚连接，且 DP 数据线通过1.5KΩ电阻进行上拉，实现 USB 虚拟串口通信的硬件电路应用。

图 3 基础通信电路设计

对于电源与低压差稳压器（LDO）电路，选择常用的3.3V低压差线性稳压器 AMS1117-3.3 芯片作为 5V 转 3.3V 电源与低压差稳压器。该芯片成本低廉且性能稳定，具有过压保护功能，有助于防止外部电压的突然增加对系统的损害。3.3V 正向电压与 GND 之间设置三组 10uF、100nF 电容，计划设置在板载微控制器芯片、颜色识别传感器、TFT 显示屏驱动的正向电压输入引脚，减小布线中产生的电压纹波、降低电源噪声和稳定电源电压，减少对芯片的干扰，提供给各个组件一个可靠的工作环境。这对于颜色传感器的准确测量和微控制器的稳定运行至关重要。

图 4 电源与低压差稳压器（LDO）电路

对于微控制器芯片外围电路，考虑到 LVGL 及 FreeRTOS 运行频率要求，微控制器内部8M高速时钟无法满足最低运行要求，故设置外部晶振连接到 Air32F103 微控制器的时钟输入引脚，提供稳定的时钟源。Air32F103 的时钟源通过PLL进行分频，以获得不同的系统时钟频率。Air32F103 微控制器的外部引脚均引出可连接到各种外设，如 GPIO、USART、SPI、I2C 等，具体根据应用需求进行配置。

图 5 微控制器芯片外围电路

        对于 TCS34725 颜色传感器外围电路，3.3V 供应为 TCS34725 传感器提供工作电压。传感器使用 I2C 接口进行数据通信， SCL（时钟线）和SDA（数据线）连接到相应的微控制器引脚。微控制器引出引脚 LED_CONTROL 通过 NPN 三极管与白色灯珠连接，控制灯珠在照明条件不好的环境中提供照明，以便于TCS34725 颜色传感器进行正常的颜色信号采集。

图 6 TCS34725 颜色传感器外围电路

对于1.69寸彩色 TFT 显示屏外围电路，主要涉及到供电、显示控制、数据通信等方面。为确保1.69寸 TFT 显示屏提供稳定的工作电压，根据显示屏的规格，连接3.3V 电源引脚；连接微控制器的 SPI 引脚（MOSI、SCK）到 TFT 显示屏的相应 SPI 引脚。SPI 时钟频率设置正确，与显示屏规格兼容；连接微控制器的GPIO引脚到TFT显示屏的相应控制引脚（Chip Select、Data/Command、Reset），这些引脚用于控制数据传输、选择芯片、复位等操作；连接微控制器的GPIO引脚到TFT显示屏的背光控制引脚，以便可以调节背光亮度。

图 7 1.69寸彩色 TFT 显示屏外围电路

四、程序流程图

基于 TCS34725 颜色识别传感器的颜色测量系统，软件架构涉及 TCS34725颜色采集、基于滑动窗口AGAIN自动增益的实现、LVGL 显示、USB 虚拟串口实现基于 MODBUS 协议与 PC 端进行通信、MODBUS 协议虚拟寄存器实现、FreeRTOS系统移植等。以下分两部分对软件代码架构进行阐述。

图 8 颜色测量系统软件初始化

首先系统进行上电复位，进行 RCC 时钟树分频初始化，为各个外设和系统运行提供合适的运行频率；进一步进行外设的 GPIO 参数初始化，包括输入输出模式、输出速度限制、是否上下拉；进一步进行 USB 虚拟串口初始化、MODBUS 通信虚拟寄存器初始化，以便于 PC 端通过 USB s虚拟串口以 MODBUS 协议访问微控制器生成颜色测量系统的颜色、增益虚拟寄存器，读取数值；最后进行 FreeRTOS 任务初始化，共分为四线程任务。

第一线程任务为LVGL显示刷新回调相关任务；第二线程任务为USB虚拟串口及 MODBUS 通信相关任务；第三线程任务为显示屏显示数据刷新相关任务；第四线程任务为 TCS34725 颜色采集相关任务。

图 9 颜色测量系统运行代码架构

颜色测量系统完成功能初始化后，进行FreeRTOS系统运行，多线程运行任务。第一线程任务为 LVGL 显示刷新回调相关任务，周期回调 lv_tick_inc(LVGL_TICK) 函数，使 LVGL 获得运行时钟；第二线程任务为 USB 虚拟串口及  MODBUS 通信相关任务，周期回调 RS485_Service() 函数，进行串口数据处理及MODBUS通信协议识别并对 PC 端作出数据回复；第三线程任务为显示屏显示数据刷新相关任务，调用 lv_table_set_cell_value_fmt() 、 lv_led_set_color() 、 lv_bar_set_value() 函数对显示屏显示数据进行更新；第四线程任务为 TCS34725 颜色采集相关任务，周期调用 adjust_gain(rgb, &brightness_window) 、 TCS34725_GetRawData(&rgb) 函数进行AGAIN自动增益调节判断和颜色数据采集及处理。

五、实物展示

六、注意事项

我提供的源代码和这篇文章代码架构部分有些地方或许会有点出入，这篇文章代码架构部分是我做完这个小项目，写完全部代码后想到的最好的代码架构，源代码我还没来得及改。

七、演示视频

演示视频我不晓得咋上传，这里就放几张图片吧（代码调了好久）