【我爱DIY】基于STM32F072的色彩构成原理演示仪

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jinglixixi 提问时间：2017-8-12 12:15 /

基本介绍：

我们生活在一个色彩缤纷的世界，要展示色彩的构成原理，借助一个演示装置是一个十分自然的想法。那该如何来设计色彩构成原理演示仪呢？

它主要涉及以下的问题：

1）要有RGB类的发光器件，以便通过红、绿、蓝三基色来合成不同的色彩以供演示。

2）要能便捷的调节三基色的比例构成。

3）要具有一定的语音解说功能，以便指导装置的使用。

4）具有小巧的体积，以便于携带和使用。

5）避免采用电池供电方式，以利于环保。

思路说明：

基于上述的综合分析，这里选取STM32F072开发板作为处理的核心，它不但能提供设计所需要的运算处理能力，且在尺寸规格上也较为适宜。更为重要的是它在开发板上载有感应器件，可以滑动的方式快速设置参数，而非按键那样一个个地键入数字，从而能有效地提升响应性。

为了能实时性地演示色彩的合成效果，这里选取TFT彩色液晶屏作为显示器件，在配备小字库的情况下，还能够实现中文界面显示。

由于该色彩演示仪是供教学演示使用，为增强其演示效果，特为它配备了语音讲解功能。为了简化设计的复杂度，这里直接引用了MP3语音播放模块，并将播放的语音信息存放到mini SD卡中，因而在播放信息量上具有十分明显的优势。此外，该语音播放模块具有两种控制方式，一种是简单的I/O控制方式，另一种则是使用串行通讯方式，故使用起来十分方便，也利于在其它应用方面做进一步的扩展。

设计思路：

在色彩学中有多种色彩模式，如RGB模式、CYMK模式、Lab模式等。其中CYMK模式是用于印刷领域的，它符合我们日常的调色常识，如使用红色与黄色相调和，则可以调和成橙色，使用蓝色与黄色相调和，则可以产生绿色，若将红绿蓝三色混合到一起则是黑色，由于这样产生的黑色并不完全符合印刷的需要，故又单独增添了符合要求的黑色并以K来表示。对于RGB模式则不然，它适于显示屏之类的发光体，它在色彩合成方面则是基于色彩的三基色原理，即红色与蓝色相叠加会形成粉色，而红色与绿色相叠加，则会形成黄色，当红绿蓝三色混合后则是白色，当红绿蓝色都不含有时就是黑色。故二者中一个是符合减色原理，另一个则是符合加色原理。

因此在显示色彩合成效果时，我们选取TFT彩色液晶屏即可满足要求，其合成色彩的原理便是按RGB色彩模式。为了达到明显的演示效果，特在演示界面设置了RGB的色彩样本框及色彩合成样本框，以便实时地观察不同色彩成分的显示效果和作用。

原理图：

演示仪由色彩显示、语音播放、滑动输入及USB供电等模块组成，详见图1所示，其实物图则如图2所示。

图2 实物构成图

功能实现：

在功能实现方面主要涉及界面的规划及程序设计这两部分，其中界面的规划会影响到使用时的方便性，而程序设计则直接关系到功能的实现。

1.界面规划

在界面规划上，主要涉及主界面和演示界面。主界面的作用在于介绍该设计的性能及环境配置，演示界面的作用则在于突出设计用途和功效。主界面如图3所示，演示界面则见图4。

图3 主界面

图4 演示界面

2.程序代码

为了节省GPIO资源，所以选取了TFT串口显示屏，它与STM32F072的连接关系如下：

CS --PB.4

SCK --PB.3

SDI --PB.2

DC --PB.6

REST --PB.5

为控制各引脚的高低电平输出，其定义语句如下：

#define LCD_CS_High() HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_4,GPIO_PIN_SET);
#define LCD_CS_Low() HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_4,GPIO_PIN_RESET);
#define LCD_SCK_High() HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_3,GPIO_PIN_SET);
#define LCD_SCK_Low() HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_3,GPIO_PIN_RESET);
#define LCD_SDI_High() HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_2,GPIO_PIN_SET);
#define LCD_SDI_Low() HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_2,GPIO_PIN_RESET);
#define LCD_DC_High() HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_6,GPIO_PIN_SET);
#define LCD_DC_Low() HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_6,GPIO_PIN_RESET);
#define LCD_REST_High() HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET);
#define LCD_REST_Low() HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);

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TFT显示屏的引脚配置函数如下:

void GPIO_Configuration(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
__GPIOB_CLK_ENABLE();
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3|GPIO_PIN_4;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}

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由于感应板的数值范围与色彩的表现空间存在一定的差异，故在色彩显示时需要进行相应的变换处理以形成16位的565色彩格式。

色彩随动显示程序如下：

static void ProcessSensors(void)
{
if ((MyLinRots[0].p_Data->StateId == TSL_STATEID_DETECT) ||
(MyLinRots[0].p_Data->StateId == TSL_STATEID_DEB_RELEASE_DETECT))
{
//读取感应器件的数据
dat=MyLinRots[0].p_Data->Position;
if(k==0)
{
//实现红色分量的样本色
R=dat;
LCD_ShowString(10,40,32,16,16,"R:");
LCD_ShowNum(40,40,R*2+1,3,16);
LCD_ShowString(80,40,32,16,16,"->");
R=R/4<<11;//色彩值处理
LCD_Fill(180,40,220,80,R);
}
if(k==1)
{
//显示绿色分量的样本色
G=dat;
LCD_ShowString(10,100,32,16,16,"G:");
LCD_ShowNum(40,100,G*2+1,3,16);
G=G/2<<5; //色彩值处理
LCD_Fill(180,100,220,140,G);
}
if(k==2)
{
//显示蓝色分量的样本色
B=dat;
LCD_ShowString(10,160,32,16,16,"B:");
LCD_ShowNum(40,160,B*2+1,3,16);
B=B/4; //色彩值处理
LCD_Fill(180,160,220,200,B);
}
//显示色彩分量叠加后的样本色
LCD_ShowString(10,220,48,16,16,"Color:");
LCD_Fill(180,220,220,260,R+G+B);
}
}

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利用板载用户键切换RGB色彩对象的程序如下：

while(BSP_PB_GetState(BUTTON_USER) != GPIO_PIN_SET)
{
/* Execute STMTouch Driver state machine */
if (TSL_user_Action() == TSL_STATUS_OK)
{
ProcessSensors(); // Execute sensors related tasks
}
}
// 切换色彩对象
k++;
if(k>=3) k=0; //实现色彩对象轮回
if(k==0)
{
// 指示当前操作对象为红色
LCD_ShowString(80,40,32,16,16,"->");
LCD_Fill(80,160,120,180,WHITE);
}
if(k==1)
{
// 指示当前操作对象为绿色
LCD_ShowString(80,100,32,16,16,"->");
LCD_Fill(80,40,120,80,WHITE);
}
if(k==2)
{
// 指示当前操作对象为蓝色
LCD_ShowString(80,160,32,16,16,"->");
LCD_Fill(80,100,120,120,WHITE);
}
// 等待用户键释放
while(BSP_PB_GetState(BUTTON_USER) != GPIO_PIN_RESET)
{
}

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MP3语音模块控制程序：

语音播放部分主要是通过MP3播放模块来实现，这样有利于节省MCU资源并可形成并行处理关系。为节省连线，可以采用通讯方式来控制MP3播放模块。MP3播放模块的引脚功能如图5所示。

图5 MP3播放模块引脚图

其与MCU的连接关系为：

Rx --PA.09

Tx --PA.10

BUSY --PD3

对串口通讯的设置如下：

/* UART configured as follows:
- Word Length = 8 Bits
- Stop Bit = One Stop bit
- Parity = None
- BaudRate = 9600 baud
- Hardware flow control disabled (RTS and CTS signals) */
UartHandle.Instance = USARTx;
UartHandle.Init.BaudRate = 9600;
UartHandle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
UartHandle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
UartHandle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
UartHandle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
UartHandle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
UartHandle.AdvancedInit.AdvFeatureInit = UART_ADVFEATURE_NO_INIT;

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播放指令被存放在数组中，的内容如下：

unsigned char play_cmd [10] = { 0X7E, 0xFF, 0x06, 0X0D, 00, 00, 00, 0xFE, 0xee, 0XEF};

使用播放指令的语句为：

HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t*)play_cmd, 10, 5000);

串口通讯的测试界面如图6所示。

图6 通讯测试界面

使用方法：

在接通电源后，首先启动主界面的显示，随后即由扬声器播放出该演示仪的功能介绍及操作方法。伴随语音的讲解，显示界面也自动进入演示界面。

在演示界面下，可依据RGB的顺序来设置色彩的比例构成，并在对应的色彩样本框中指示色彩的效果。由于引入了感应板来设置色彩比例参数，故在参数设置时要比按键方式更便捷，且色彩随动效果更更快、更流畅。在进行色彩的切换时，是使用开发板上的蓝色用户键，伴随色彩的选取会在对应色彩行显示出对应的提示符“->”，以便于识别和操作。

结束语

尽管该设计的功能不是十分复杂，但所涉及的内容还是较为丰富的，既有基于TFT屏的字符、中文及色彩的显示，也有语音的存储和播放；特别是感应器件的所用，能够快速地对参数进行设置，极大地增强人机交互性能。此外，以该设计为基础能进一步拓展系统的功能。

源程序：