第一周任务

3.21更新，改为串口控制采集
具体代码详见github

简介

本周要求完成MCU功能验收，需要通过微控制器板读取传感器数据，提供的开发板为NUCLEO-F411RE，颜色传感器为TCS34725，使用I2C通信，提供红色，绿色，蓝色（RGB）和清晰光感应值的数字输出；距离传感器为VL6180

TCS34725数据处理与算法选择

在获取传感器底层数据后，系统引入了 RGB 到 HSV 色彩空间的转换算法。其主要原因如下：

消除光照干扰： 传感器原始的 RGB 输出对光照变化极其敏感，亮度的微小改变会导致 R、G、B 三个维度的数值同时发生剧烈变化，难以设定固定的判定阈值。

特征解耦： HSV 色彩空间将“颜色分类（色相 H）”与“光照强度（明度 V）”在数学上进行了分离。

提升识别鲁棒性： 通过转换，判定逻辑可主要依赖于受光照影响极小的色相（H）参数。这大幅降低了复杂光照环境对验收测试的干扰，确保了微控制器能够稳定、准确地识别目标物体的真实颜色。

为什么不采用简单的 RGB 归一化算法？

虽然对原始 RGB 数据进行归一化（如求取 R/(R+G+B) 比例）也能在一定程度上抵消光照强度的变化，但在实际 MCU 编程与验收测试中存在局限性：

1. 阈值设定复杂： 归一化 RGB 仍需同时依赖三个通道的比例区间来圈定某种颜色，缺乏直观性，调试难度大。

2. 消色差物体（黑白灰）识别困难： 在低照度或面对黑、白、灰等无色相物体时，归一化会放大传感器噪声，且无法有效区分这三种状态。

3. HSV 的降维优势： HSV 模型不仅将光照（V）解耦，还引入了饱和度（S）特征。系统可通过设置 S 的阈值轻松过滤掉黑白灰与环境噪声，随后仅通过一维的色相（H）角度即可完成颜色的精准分类，大幅简化了判定逻辑并提高了系统的鲁棒性。

使用说明

I2C 配置

• 颜色传感器 TCS34725 使用 I2C1 接口
• 接线：D15 (SCL)、D14 (SDA)
• 距离传感器 VL6180 使用 I2C3 接口
• 接线：D7(SCL)、D5(SDA)、D6(GPIO中断)

校准步骤

1. 烧录固件后，观察板载 LED 快速闪烁（校准模式）
2. 将传感器对准白色物块，按下蓝色按钮
3. LED 变为缓慢闪烁
4. 将传感器对准黑色物块，按下蓝色按钮
5. 校准完成后进入命令等待状态（串口不会自动连续输出）

测量操作步骤（串口命令）

1. 上位机串口发送 color?，单片机执行一次颜色测量并返回一条颜色结果
2. 上位机串口发送 distance?，单片机执行一次距离测量并返回一条距离结果
3. 发送其他命令返回 ERR,BADCMD

输出格式示例

RAW(C=3117,R=1329,G=1325,B=1561),RGBN(0,0,0),HSV(H=0,S=0,V=0),PCT(0,0,0),COLOR=黑色
distance:189

字段说明

字段	含义
C	总光强（清晰光）
R/G/B	红/绿/蓝分光强
RGBN	光强归一化后的 RGB 值（0-255）
PCT	RGB 百分比（相对光强比例，%）
H	色相（0-359°）
S	饱和度（0-100%）
V	亮度（0-100%）
COLOR	识别的颜色名称
distance	距离

校准流程

步骤如下：

1. 发送 ERR,10，LED 快闪提示采集白基准
2. 按键确认后，采集白基准
3. 发送 ERR,11，LED 慢闪提示采集黑基准
4. 按键确认后，采集黑基准
5. LED 保持 500ms 后熄灭，进入正常运行

串口协议与错误码

正常数据

请求命令：

color?
distance?

颜色行：

RAW(C=...,R=...,G=...,B=...),RGBN(...),HSV(H=...,S=...,V=...),PCT(...),COLOR=...

距离行：

distance:<mm>

或

distance:NA

未知命令：

ERR,BADCMD

错误码（ERR,<code>）

• 01：TCS34725 初始化失败
• 02：颜色原始数据读取失败
• 03：校准失败
• 04：颜色消息构建失败
• 20：VL6180 初始化失败
• 23：VL6180 读取距离失败
• 24：UART2 中断接收启动失败
• 10：提示开始白基准采样
• 11：提示开始黑基准采样

注意事项

• 为保证测量准确，应当使传感器和物块的距离保持固定
• 校准是识别精度的前提，建议每次上电后按流程重新完成黑白基准采样
• 当前参数为固定阈值策略，不同光照环境下可能需要调整颜色区间参数