線陣圖像傳感器TCD1208AP在桑蠶選種中的應用

　　企業(yè)化桑蠶選種育種目前仍由人工逐粒進行辨別分檢完成，工作繁瑣，效率低下。隨著人力資源成本的提升，已經成為企業(yè)生產過程的瓶頸，制約著企業(yè)規(guī)模的進一步擴大。根據企業(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STC12C5412（單片機STC12C5412簡稱MCU），結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)，應用于生產線后，收到了較好的經濟效益和社會效益。
　　
　　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、光學鏡頭、三色獨立控制照明燈、通信電路、電磁彈剔機構、LCD顯示電路及MCU、電源電路等組成，如圖1所示。　　
　　光學鏡頭與CCD構成圖像采集電路，其線陣與輸送帶平行。三色獨立控制照明燈為CCD提供所需的恒定一致的光源，其紅、綠、藍三色可分別控制。LCD用于顯示工作狀態(tài)和參數設置，STC12C5412AD是系統(tǒng)的核心，不但模擬CCD工作所需的驅動脈沖，還要對成像數據進行分析判斷，按設定數據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。電磁彈剔機構將圖像識別系統(tǒng)認為不合格品剔出傳送帶。
　　
　　由機構將預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按設定數據控制三色照明燈工作并啟動CCD拍攝，經CCD內部AD轉換器對各個感光像素元進行數字化，并送至相應存儲器，供單片機讀取。占用像素元的數量與體形大小成正比，像素的數值與亮度成反比。一屏圖像2160像素元，常被三只繭的成像所占用。MCU讀出繭在CCD的成像數據，選擇其中一個完整的，分析所占像素和亮度值，得出體形數據和體色數據，并與設定的數據相比較，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，當繭內蛹有病或已死掉時，外觀色澤暗淡，有時帶有色斑。首先將繭與劣質繭放在CCD進行測量。MCU不斷調整三色照明燈各色的比例，并讀出相應的成像數據進行分析比對，經LCD（am19264—2）模擬成像。當和劣質繭的成像亮度值差zui大時，和劣質繭的成像亮度值的中值以及所占用的像素數即是判斷繭合格與否的依據，三色照明燈的值即為設定值。
　　
　　2、硬件電路設計
　　
　　2．1器件選擇
　　
　　CCD傳感器采用日本東芝生產的高靈敏度、暗電流小、高速的TCD1208AP。TCD1208AP使用+5V單電源，2160像素元，長寬14μm×14μm，輸入信號有二相CCD時鐘脈沖。一路轉移脈沖和一路復位脈沖，輸出有信號輸出和補償輸出，一行輸出2212像元組成。圖2為TCD1208AP驅動時序。　　
　　單片機選用高性能28PDIP封裝的STC12C5412AD。STC12C5412AD是新型的采用1T流水線／精簡指令集結構，兼容MS51系列單片機，工作電壓3．4～5．5V，工作頻率高達35MHz，相當于普通MS51系列單片機420MHz．12K的用戶應用程序空間和512字節(jié)在片內RAM，并支持ISP和IAP編程，特別是內部集成了E2PROM、MAX810復位電路、可編程看門狗電路、四路8bitPWM輸出，8路10bitA／D高速轉換電路等實用特色電路，有效提高了新產品的可靠性。
　　
　　顯示屏選用192x64點陣的蘭背光LCDAM19264。因CCD像元較多，LCD點陣少，通過多屏顯示一幀完成的圖像。該功能僅用于系統(tǒng)調試。
　　
　　2．2電路接口設計
　　
　　圖3為TCD1208AP驅動電路。SH為CCD光電荷轉移脈沖，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°），它們將轉換到移位寄存器上光電荷向輸出極傳送。RS為復位脈沖，清除移位寄存器輸出電荷后所余電荷，為下一次輸出作準備。OS為CCD的信號輸出，DOS為CCD的補償輸出。　　
　　圖4為電磁彈剔控制電路。主要功能是將經圖像識別系統(tǒng)確定不符合要求的繭彈出傳送帶。　　
　　圖5為紅（R）、綠（G）、藍（B）三色照明電路中的紅燈一路，由PWM_R驅動。綠、藍由PWM_G、PWM_B驅動，電路與紅燈控制線路一樣。通過改變脈沖寬度實現(xiàn)亮度的調整。通過改變三色燈不同亮度組合，實現(xiàn)特定的光色輸出，使CCD靈敏度zui高，提高系統(tǒng)識別的準確率。　　
　　圖6為單片機的接口驅動電路。LCD連接點陣液晶顯示屏AMl9264，用于設置控制參數的顯示和調試時模擬顯示成像結果。P1．0、P1．1、P1．2工作在A／D轉換模式。按鍵采用分壓式結構，按下其中不同的鍵，在KEY端表現(xiàn)為不同的電壓，由單片機內部集成的A／D轉換電路的P1．0數字化后進行按鍵功能識別。按鍵用于工作參數設置和系統(tǒng)調試。P1．1和P1．2分別對CCD傳感器輸出信號和補償信號進行模數轉換，處理后形成模擬圖像，通過LCD模擬顯示，并根據設置條件驅動相應電路工作。可調電位器P2用于調整LCD的對比度。
　　
　　3、軟件系統(tǒng)設計
　　
　　單片機控制程序采用KileC51V7．0編寫，全部模塊化結構，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驅動程序、LCD驅動程序、體形分析、體色分析和按鍵設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，采樣次數代表它的直徑，縱向占用像素zui多一幀則代表繭的zui大長度。這一參數與桑蠶選種生產線傳送帶運行速度和MCU的性能密切相關。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、生產線傳送帶運行速度等相關。通過在實踐中不斷修改程序，完善功能，協(xié)調各項參數，zui終達到基本目標。
　　
　　4、結束語
　　
　　通過將微處理器與線陣圖像傳感器的有機結合，對軟件系統(tǒng)的合理設計，初步實現(xiàn)了桑蠶選種的自動識別，提高了生產效率。經實際運行，該項目設計合理，運行可靠，成本低廉。在22只／秒速度時，識別準確率高達99％，在25只／秒速度時識別準確率降為92％。但系統(tǒng)還存在以下兩問題：1）初始化數據有很多人為和環(huán)境因素，難以共享，不易推廣；2）識別速度和準確性還待有識之士，協(xié)助共同解決。