線陣圖像傳感器TCD1208AP在桑蠶選種中的應用

摘要：為了實現桑蠶選種自動化，設計了基于TCD1208AP桑蠶選種識別系統。介紹了用于系統的微控制器STC12C5412AD和線陣圖像傳感器TCD1208AP主要特點及內部結構，給出了系統的總體設計方案，闡述了硬件電路設計和軟件設計流程，最后對系統進行了安裝運行，驗證了系統的性能指標，達到了預期目標，為下一步的研究指明了方向。
關鍵詞：桑蠶選種；線陣圖像傳感器；驅動時序；異步串行通信；微控制器；LCD驅動

企業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，已經成為企業生產過程的瓶頸，制約著企業規模的進一步擴大。根據企業需求，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，開發了基于CCD的桑蠶選種識別系統，應用于生產線后，收到了較好的經濟效益和社會效益。

1 圖像識別系統基本工作原理
圖像識別系統由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用于顯示工作狀態和參數設置，STC12C5412AD是系統的核心，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的處理能力同步。電磁彈剔機構將圖像識別系統認為不合格品剔出傳送帶。
由專用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。
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。首先將優質繭與劣質繭放在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。當優質和劣質繭的成像亮度值差最大時，優質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+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2 212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3．4～5．5 V，工作頻率高達35 MHz，相當于普通MS51系列單片機420 MHz．12 K的用戶應用程序空間和512字節在片內RAM，并支持ISP和IAP編程，特別是內部集成了E2PROM、MAX810專用復位電路、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LCD AM19264。因CCD像元較多，LCD點陣少，通過多屏顯示一幀完成的圖像。該功能僅用于系統調試。