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(dòng)化，設(shè)計(jì)了基于TCD1208AP桑蠶選種識(shí)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(dòng)時(shí)序；異步串行通信；微控制器；LCD驅(qū)動(dòng)

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(shí)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(huì)效益。

1 圖像識(shí)別系統(tǒng)基本工作原理
圖像識(shí)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(dòng)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(shí)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(dòng)，使蠶繭的軸向與傳送的運(yùn)動(dòng)方向一致，排成一列，送至圖像識(shí)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(dòng)CCD拍攝，經(jīng)CCD內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器對各個(gè)感光像素元進(jìn)行數(shù)字化，并送至相應(yīng)存儲(chǔ)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(gè)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(shí)，外觀色澤暗淡，有時(shí)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(shí)，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(shí)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(dòng)時(shí)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。