線陣圖像傳感器TCD1208AP在桑蠶選種中的應(yīng)用

摘要：為了實(shí)現(xiàn)桑蠶選種自動化，設(shè)計(jì)了基于TCD1208AP桑蠶選種識別系統(tǒng)。介紹了用于系統(tǒng)的微控制器STC12C5412AD和線陣圖像傳感器TCD1208AP主要特點(diǎn)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，闡述了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)流程，最后對系統(tǒng)進(jìn)行了安裝運(yùn)行，驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能指標(biāo)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，為下一步的研究指明了方向。
關(guān)鍵詞：桑蠶選種；線陣圖像傳感器；驅(qū)動時序；異步串行通信；微控制器；LCD驅(qū)動

    企業(yè)化桑蠶選種育種目前仍由人工逐粒進(jìn)行辨別分檢完成，工作繁瑣，效率低下。隨著人力資源成本的提升，已經(jīng)成為企業(yè)生產(chǎn)過程的瓶頸，制約著企業(yè)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大。根據(jù)企業(yè)需求，利用高速線陣圖像傳感器TCD1208AP(高速線陣圖像傳感器TCD1208AP簡稱CCD)和單片機(jī)STC12C5412(單片機(jī)STC12C5412簡稱MCU)，結(jié)合桑蠶選種要求和其體型特征，開發(fā)了基于CCD的桑蠶選種識別系統(tǒng)，應(yīng)用于生產(chǎn)線后，收到了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 圖像識別系統(tǒng)基本工作原理
    圖像識別系統(tǒng)由CCD傳感器、光學(xué)鏡頭、三色獨(dú)立控制照明燈、通信電路、電磁彈剔機(jī)構(gòu)、LCD顯示電路及MCU、電源電路等組成，如圖1所示。

    光學(xué)鏡頭與CCD構(gòu)成圖像采集電路，其線陣與輸送帶平行。三色獨(dú)立控制照明燈為CCD提供所需的恒定一致的光源，其紅、綠、藍(lán)三色可分別控制。LCD用于顯示工作狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置，STC12C5412AD是系統(tǒng)的核心，不但模擬CCD工作所需的驅(qū)動脈沖，還要對成像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，按設(shè)定數(shù)據(jù)控制三色照明燈工作，并通過異步串行半雙工RS-485通信線路控制傳送帶的速度與系統(tǒng)的處理能力同步。電磁彈剔機(jī)構(gòu)將圖像識別系統(tǒng)認(rèn)為不合格品剔出傳送帶。
    由專用機(jī)構(gòu)將預(yù)留蠶種的繭輸入到傳送帶上，通過振動，使蠶繭的軸向與傳送的運(yùn)動方向一致，排成一列，送至圖像識別系統(tǒng)。
    被檢繭通過鏡頭在CCD上成像，MCU按設(shè)定數(shù)據(jù)控制三色照明燈工作并啟動CCD拍攝，經(jīng)CCD內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器對各個感光像素元進(jìn)行數(shù)字化，并送至相應(yīng)存儲器，供單片機(jī)讀取。占用像素元的數(shù)量與體形大小成正比，像素的數(shù)值與亮度成反比。一屏圖像2 160像素元，常被三只繭的成像所占用。MCU讀出繭在CCD的成像數(shù)據(jù)，選擇其中一個完整的，分析所占像素和亮度值，得出體形數(shù)據(jù)和體色數(shù)據(jù)，并與設(shè)定的數(shù)據(jù)相比較，判定是否合格，不合格者則剔出傳送帶。
    優(yōu)良的繭體型大、圓潤飽滿、色澤明亮潔白，當(dāng)繭內(nèi)蛹有病或已死掉時，外觀色澤暗淡，有時帶有色斑。首先將優(yōu)質(zhì)繭與劣質(zhì)繭放在CCD進(jìn)行測量。MCU不斷調(diào)整三色照明燈各色的比例，并讀出相應(yīng)的成像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對，經(jīng)LCD(am19264—2)模擬成像。當(dāng)優(yōu)質(zhì)和劣質(zhì)繭的成像亮度值差最大時，優(yōu)質(zhì)和劣質(zhì)繭的成像亮度值的中值以及所占用的像素?cái)?shù)即是判斷繭合格與否的依據(jù)，三色照明燈的值即為設(shè)定值。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 器件選擇
    CCD傳感器采用日本東芝生產(chǎn)的高靈敏度、暗電流小、高速的TCD1208AP。TCD1208AP使用+5 V單電源，2 160像素元，長寬14μm×14μm，輸入信號有二相CCD時鐘脈沖。一路轉(zhuǎn)移脈沖和一路復(fù)位脈沖，輸出有信號輸出和補(bǔ)償輸出，一行輸出2 212像元組成。圖2為TCD1208AP驅(qū)動時序。

    單片機(jī)選用高性能28PDIP封裝的STC12C5412AD。STC12C5412AD是新型的采用1T流水線／精簡指令集結(jié)構(gòu)，兼容MS51系列單片機(jī)，工作電壓3．4～5．5 V，工作頻率高達(dá)35 MHz，相當(dāng)于普通MS51系列單片機(jī)420 MHz．12 K的用戶應(yīng)用程序空間和512字節(jié)在片內(nèi)RAM，并支持ISP和IAP編程，特別是內(nèi)部集成了E2PROM、MAX810專用復(fù)位電路、可編程看門狗電路、四路8 bit PWM輸出，8路10bit A／D高速轉(zhuǎn)換電路等實(shí)用特色電路，有效提高了新產(chǎn)品的可靠性。
    顯示屏選用192x64點(diǎn)陣的蘭背光LCD AM19264。因CCD像元較多，LCD點(diǎn)陣少，通過多屏顯示一幀完成的圖像。該功能僅用于系統(tǒng)調(diào)試。
2．2 電路接口設(shè)計(jì)
    圖3為TCD1208AP驅(qū)動電路。SH為CCD光電荷轉(zhuǎn)移脈沖，其下跳沿即每幅圖像輸出的起始位。CLK1、CLK2為兩相交互脈沖電壓(相位差180°)，它們將轉(zhuǎn)換到移位寄存器上光電荷向輸出極傳送。RS為復(fù)位脈沖，清除移位寄存器輸出電荷后所余電荷，為下一次輸出作準(zhǔn)備。OS為CCD的信號輸出，DOS為CCD的補(bǔ)償輸出。

    圖4為電磁彈剔控制電路。主要功能是將經(jīng)圖像識別系統(tǒng)確定不符合要求的繭彈出傳送帶。

    圖5為紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三色照明電路中的紅燈一路，由PWM_R驅(qū)動。綠、藍(lán)由PWM_G、PWM_B驅(qū)動，電路與紅燈控制線路一樣。通過改變脈沖寬度實(shí)現(xiàn)亮度的調(diào)整。通過改變?nèi)珶舨煌炼冉M合，實(shí)現(xiàn)特定的光色輸出，使CCD靈敏度最高，提高系統(tǒng)識別的準(zhǔn)確率。

    圖6為單片機(jī)的接口驅(qū)動電路。LCD連接點(diǎn)陣液晶顯示屏AMl9264，用于設(shè)置控制參數(shù)的顯示和調(diào)試時模擬顯示成像結(jié)果。P1．0、P1．1、P1．2工作在A／D轉(zhuǎn)換模式。按鍵采用分壓式結(jié)構(gòu)，按下其中不同的鍵，在KEY端表現(xiàn)為不同的電壓，由單片機(jī)內(nèi)部集成的A／D轉(zhuǎn)換電路的P1．0數(shù)字化后進(jìn)行按鍵功能識別。按鍵用于工作參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)調(diào)試。P1．1和P1．2分別對CCD傳感器輸出信號和補(bǔ)償信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，處理后形成模擬圖像，通過LCD模擬顯示，并根據(jù)設(shè)置條件驅(qū)動相應(yīng)電路工作?？烧{(diào)電位器P2用于調(diào)整LCD的對比度。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    單片機(jī)控制程序采用Kile C51 V7．0編寫，全部模塊化結(jié)構(gòu)，嵌入了看門狗、軟件濾波等抗干擾措施。系統(tǒng)軟件由主程序、初始化程序、CCD驅(qū)動程序、LCD驅(qū)動程序、體形分析、體色分析和按鍵設(shè)置程序等幾個模塊組成。主程序流程圖如圖7所示。

    體形分析、體色分析程序是系統(tǒng)的關(guān)鍵。要完成繭體形分析，需要CCD對縱向圖像采樣7次以上，采樣次數(shù)代表它的直徑，縱向占用像素最多一幀則代表繭的最大長度。這一參數(shù)與桑蠶選種生產(chǎn)線傳送帶運(yùn)行速度和MCU的性能密切相關(guān)。體形分析程序則與光的泄漏、三色照明燈的衰減、繭的個體差異、生產(chǎn)線傳送帶運(yùn)行速度等相關(guān)。通過在實(shí)踐中不斷修改程序，完善功能，協(xié)調(diào)各項(xiàng)參數(shù)，最終達(dá)到基本目標(biāo)。

4 結(jié)束語
    通過將微處理器與線陣圖像傳感器的有機(jī)結(jié)合，對軟件系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，初步實(shí)現(xiàn)了桑蠶選種的自動識別，提高了生產(chǎn)效率。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行可靠，成本低廉。在22只／秒速度時，識別準(zhǔn)確率高達(dá)99％，在25只／秒速度時識別準(zhǔn)確率降為92％。但系統(tǒng)還存在以下兩問題：1)初始化數(shù)據(jù)有很多人為和環(huán)境因素，難以共享，不易推廣；2)識別速度和準(zhǔn)確性還待有識之士，協(xié)助共同解決。