随着电子技术的发展，电子产品对人们生活的影响越来越广泛，它使人们的工作、生活、学习变得越来越方便、快捷^[1-2]。在政府机关、企事业单位的办公室或实验室通常安装有饮水机，为工作和学习群体提供饮用水，而饮水机中的水是断断续续加热的，由于室内人员不能及时了解饮水机中的水是否已烧开，往往会出现等待而浪费时间的情况^[3]。本文提出了一种饮水机状态桌面监测系统设计方案，该系统以AT89S52单片机为控制核心，利用TCS230颜色传感器对饮水机状态进行采集，采用Qt Creator开发上位机软件，配合串口通信和TCP/IP网络通信协议，将饮水机的工作状态实时显示在电脑桌面的任务栏上，使用户可以及时了解饮水机中的水是否已烧开。

1. 系统设计要求和功能框图 1.1. 系统设计要求

本系统主要由3个模块组成：上位机软件模块、数据采集模块和服务器客户端软件模块。系统设计要求如下：

(1) 单片机将采集的RGB颜色数据传送给计算机；

(2) 计算机通过RGB数据判断饮水机中的水是否烧开，同时发送给局域网客户端；

(3) 客户端获取鼠标单击事件，然后显示饮水机的工作状态。

1.2. 系统框图和功能

系统的硬件部分包括AT89S52单片机控制核心、TCS230颜色传感器模块、饮水机指示灯模拟电路和1602液晶显示模块。液晶显示模块仅用于前期系统调试，调试完成后即可移除^[4-5]。系统工作原理框图如图 1所示。

2. 系统硬件设计 2.1. TCS230颜色传感器

TCS230是美国TAOS公司推出的一款数字式可编程彩色光/频率转换器^[6-7]。它在一个CMOS电路上集成了可配置的硅光电二极管、红绿蓝(RGB)3种滤光器和电流频率转换器，采用数字化输出，不需要额外的A/D转换电路，典型输出频率范围0.002 Hz~500 kHz；颜色获取精度高，能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度；电路结构简单，可以和微处理器直接相连。TCS230引脚和功能框图如图 2所示，其中，光电二极管阵列控制引脚S2、S3用于选择红、绿、蓝滤波器，经过电流—频率转换器后输出不同频率的方波信号；定标控制引脚S0、S1用于选择不同的比例因子，从而对输出频率范围进行调整以与不同频率计数器相匹配。

根据德国物理学家赫姆霍兹(Helmholtz)的三原色理论，任何颜色均是由不同比例的红、绿、蓝(RGB)三原色混合而成的，若能获取某种颜色中R、G、B分量值，就能确定其颜色。使用TCS230颜色传感器检测时，在配置其S2、S3引脚电平选定某一原色(红、绿、蓝)滤波器后，它将只允许某种特定的原色通过，当TCS230分别检测出某种颜色中R、G、B分量后，通过电流—频率转换器即可把光强线性转换为频率信号，根据量化得到的R、G、B值就可以计算出投射到TCS230上光的颜色。S0、S1和S2、S3功能配置组合如表 1所示。

2.2. 颜色检测电路设计

AT89S52单片机和TCS230构成的颜色检测电路如图 3所示。由单片机的P1口控制TCS230的各控制引脚，用于选择不同的滤波类型和输出比例因子。TCS230的输出端与单片机的定时/计数器T1的输入端P3.5口相连，设置T1为定时工作模式并初始化定时时长为10 ms。上电工作时，由单片机在一个定时周期内接收TCS230的OUT引脚输出的R、G、B脉冲，通过对颜色传感器输入的三原色因子脉冲进行计数，并通过计数的脉冲数来确定RGB数值，以此来判断饮水机当前的工作状态^[8]。此外，采用MAX232芯片设计了串口通信电路，以实现颜色检测电路与上位机之间的通讯。调试时，采用液晶显示器显示RGB数据来监测单片机的串口代码是否有误。实际实验中，可采用红色、蓝色和绿色LED代替热水器指示灯。

3. 系统软件设计

系统软件主要包括颜色检测程序、服务端程序和客户端程序3部分。颜色检测程序主要对AT89S52单片机编程，在Keil uVision5环境中用C语言开发。服务端和客户端程序采用Qt Creator开发，Qt Creator提供了丰富的开发工具和组件，具有开发效率高、免费开源等特点^[9]。

3.1. 颜色检测程序设计

按三原色理论，白色是由等量的红、绿、蓝三原色混合而成的，但实际上，白色中的R、G、B分量并不完全相等。因此，系统上电初始化后，首先需利用标准白色光源完成白平衡调整，即告诉颜色传感器什么是白色。通过白平衡调整，可计算得到一个三原色比例因子。然后由单片机的P1.0和P1.1口向颜色传感器的S2和S3引脚发出控制信号，从OUT端分别采集红、蓝、绿在10 ms内的脉冲个数，把测得的脉冲个数与三原色比例因子相乘即可得到对应的R、G、B值^[10]。单片机通过“颜色检测—串口发送—显示”等3个过程并进行循环检测，若R、G、B其中有一个发生变化，RGB数据就会发送给上位机，工作流程如图 4所示。

3.2. 服务端程序设计

服务端程序运行在上位机上，获取单片机硬件系统通过串口发送来的RGB数据，并判断是绿色还是红色，将提示信息发给局域网内所有运行客户端软件的电脑^[11-12]。

Qt软件库中并没有提供串口控制类，设计中使用第三方编写的qextserialportf类^[13]。对串口的初始化和窗口构造函数添加如下代码：

structPortSettings SerComset={BAUD 9600, DATA_8, PAR_NONE, STOP_1, FLOW_OFF, 500};//定义结构体，用来存放串口设置的各个参数

SerCom=newWin_QextSerialPort("com1", SerComset, QextSerialBase::EventDriven); //定义服务端串口对象，并传递参数

SerCom->open(QIODevice::ReadWrite); //串口打开方式，可读可写

connect(SerCom, SIGNAL(readyRead()), this, SLOT(SerComread())); //关联信号和槽函数，若串口缓冲区有数据，执行槽函数

串口初始化完成后，就设置了波特率、数据位、停止位、校验位，指定了程序读取哪个COM口^[14]。

槽函数void SerComread()被定义在mainwindow.cpp中，定义一个QByteArray的temp变量用来存放从串口读取的数据，三原色的因子存放在primary_divisor[3]这个数组中, 分别为R、G、B，每次数据接收完成后，判断颜色因子的分量值。根据条件得出结果，将结果发送给客户端。

服务端还要完成向客户端发送信息的任务，由于使用网络服务，因此，在工程文件.pro中加入代码QT += network，在mainwindow.h中添加private对象和Private slot函数：

QtcpComServer * tcpComServer;

QTcpSocket * clientConnection[3];

void sendtcpMsg(); //发送信息函数

void sendSocketMsg(qunit flag); //发送结果函数

tcpComServer和私有槽函数的初始化在mainwindow的构造函数中完成：

tcpComServer = new QTcpServer(this);

tcpComServer->listen(QHostAddress::Any, 5942))//初始化tcpComServer套接字，并让其监听整个网络地址的6060端口

由于所实现的功能均为数据发送，因此两个Private slot函数的定义基本是一样的。但是sendSocketMsg(quint16) 函数有参数传入，这个参数即是饮水机状态。sendtcpMsg()函数里的clientConnection[3]在每次有新的客户端连接时赋值，即表示产生新的TCP连接^[15]。

连接信号和槽函数定义如下：

connect(SerCom, SIGNAL(readyRead()), this, SLOT(SerComread()));

connect(tcpComServer, SIGNAL(newCon-nection()), this, SLOT(sendtcpMsg()));

到此，服务端的功能设计完成。

3.3. 客户端程序设计

客户端程序运行在局域网内需要显示饮水机状态的电脑上，它的任务就是接收服务器发送来的信息，用户通过单击操作，获取饮水机状态。为了完成客户端的功能，在widget.h中添加如下两个对象：

QPushButton * connectButton;

QTcpSocket * clientSocket;

定义QString message，存放服务器接收到的字符串；

定义char * status，存放饮水机状态；

添加私有槽函数：

void newTcpConnect();

void readTcpMsg();

这些对象都在widget的构造函数中完成初始化。

clientSocket = new QTcpSocket(this);

voidnewTcpConnect()函数用于获取用户填写的主机IP地址和端口号，并连接到主机。

void readTcpMsg()函数用于读取主机发来的信息，将信息存到message变量里，以便显示到桌面。

将connectButton和槽函数newConnect()关联在一起，即当按钮被按下时，客户端就会自动连接服务器。

connect(clientSocket, SIGNAL(readyRead()), this, SLOT(readTcpMsg()))关联了接收缓冲区与读缓冲区的readTcpMsg()函数，一旦服务器发送数据到缓冲区，缓冲区数据就会被读取并存放到message中，通过判断message里面的字符串是“yes”或“no”来判断水是否烧开。

为了实现窗口的托盘运行，需声明QSystemTrayIcon * trayIcon对象。通过在构造函数里初始化trayIcon = new QSystem TrayIcon (this)，并调用trayIcon->show()即可实现托盘运行。

void iconActivated(QSystemTrayIcon::ActivationReason reason)函数实现了对托盘左击，弹出气泡的功能, 避免了在不需要了解饮水机状态的情况下弹出窗口的麻烦。客户端巧妙利用改变托盘的titlec来通知用户饮水机的状态。^[16]

此函数可以获取左键单击双击，和单击滚轮等动作，此设计只采用鼠标左键单击动作。

void Widget::createActions()函数获取鼠标右键对托盘的动作，右键单击后弹出菜单：最小化、最大化、关闭和还原。此设计只选择了“托盘运行”和“关闭程序”。

4. 软件运行结果

客户端软件打开界面如图 5所示。输入主机IP和端口号，点击“连接”按钮，当“欢迎使用饮水机桌面监测系统”变为“已连接到饮水机”后，系统就可以实时监测饮水机的状态。

托盘运行状态如图 6所示，任务栏黑色的图标就是服务端托盘运行的图标。当客户端获取到饮水机状态时，对话气泡中的“……”就会变为“正在烧水”或“水已烧好”。

5. 结语

该系统具有结构简单、工作稳定可靠、实时性好等特点，只需将系统接入办公室或实验室内的局域网，就可以将饮水机的工作状态实时反映给用户计算机，方便用户随时获知饮水机中的水是否已烧开。