一款基于STC12C5410AD的简单的颜色识别系统

2011-09-03黄天明

生命科学仪器 2011年4期

黄天明

（广西医科大学组织学与胚胎学教研室，广西南宁，530021）

在组胚、解剖等形态学科的教学和科研中，经常要对一些物体的表面颜色或溶液的浓度和颜色进行判断和比较，在很多时候依靠的都是人眼的目视测色，这不仅受到照明及观察条件的制约[1]，且由于人主观意识的存在，会有较大的波动，缺乏可比性。而专业的颜色检测系统则由于价格昂贵，难以普及。我们基于STC12C5410AD单片机设计了一款简单实用的颜色识别系统，其成本低廉，且可满足一般日常检测的需要。

1 颜色测量原理

颜色是人眼视觉系统对光的一种知觉[2]，视觉上的色感觉既与物质本身的分光和吸收特性有关，又与照明条件、观测条件以及观察者的视觉特性等有关[3]。目前对颜色的定量描述可采用CIE推荐的X、Y、Z表色系统，引用三刺激值X、Y、Z及相应的色品坐标x、y、z表征。光辐射照射到物体表面，其颜色是漫反射光对人眼形成刺激的结果，这个刺激结果可引用三刺激值X、Y、Z表示，而色坐标与三刺激值的关系如下：

再依据色度学的两个实验结论：（1）三原色合成法则，即任何颜色都能用R（红）、G（绿）、B（蓝）三色的单色光按一定比例混合而成；（2）颜色的加法法则，即在一般的应用中，颜色的混合满足简单的加法关系。因此在CIE系统中，有如下关系：

因此，通过测量物体表面对三基色光的反射比例可得到RGB值，最终可计算出描述物体表面颜色所需要的色度坐标x、y、z值[4]。

2 测量系统的构成

本测量系统为降低成本，便于普及，使用的都是成本较低且较易获得的元件，主要由STC12C5410AD单片机、一个高灵敏度的可见光光敏二极管和三个高亮度发光二极管（分别发出红、绿、蓝光）构成的反射式光电采样器、LMV358放大电路、8位LED数码管等构成。系统的结构如下图所示：

图1 测量系统结构图

2.1 STC12C5410AD单片机

STC12C5410系列单片机是由宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，其速度比普通8051单片机快了12倍。有10K字节片内Flash程序存储器，512字节片内RAM 数据存储器，另有8通道10位ADC及4通道捕获/比较单元，2个硬件16位定时器，4路PCA还可再实现4个定时器[5]。已完全可以满足本系统对硬件资源的的需求。系统主要的资源分配如下：P2.1-P2.3分别控制三个发光二极管的开关（P2.1：红； P2.2：绿； P2.3：蓝）；P1.0设置为10位高速A/D转换模式，用于对光敏二极管电压信息的采样和转化；P2.4、P2.5、P2.6用于连接LED数码管控制芯片；Timer0作为 100μs 定时器，提供控制检测及采样的时基；选用的晶振为22.1184M。

2.2 反射式光电采样器

为减少成本，我们采用普通高亮度的红、绿、蓝发光二极管作为检测光源，用高灵敏度的可见光光敏二极管作为光电传感器。其布局如下所示：

图2 反射式光电采样器结构图

用一个大金属圆筒做成的探测头内面全部涂黑，防止因漫反射造成的干扰。大圆筒里面有四个小圆筒，小圆筒的开口处要高于大圆筒的下缘2cm。放置光敏二极管的小圆筒位于正中央，其余三个小圆筒以间隔120度角均匀的分布在大圆筒的周边，其内分别放置红、绿、蓝发光二极管，开口偏向中央，使得聚焦光斑在平齐大圆筒的开口处正好处于大圆筒的正中央。为了防止干扰，小圆筒的内面和外面也都涂黑，且光敏二极管要放置在高于小圆筒下缘开口处1cm的地方，以防被二极管发出的光线直接照射到。

CIE规定RGB三基色的波长分别为红色700nm、绿色546.1nm和蓝色435.8nm[4]。我们所用的发光二极管单色性稍差，因此不适用于精密测量的场合。但由公式（1）、（2）可知，色坐标x、y、z其实是一个比例系数，在所用RGB光源基本恒定的情况下，可用标准色卡对公式（2）RGB的系数进行修正，则所得的色坐标亦可满足一般情况下对物体表面颜色识别的需要。

光敏二极管选用的是北京光电器厂生产的2CU1A可见光光敏二极管，其工作的光谱范围为0.4~1.1μm，峰值波长为0.86~0.9μm，可满足我们检测光谱的需要；且光敏二极管在一定光强范围内，开路电压随光强变化的斜率很大，并具有线性的光电流[6]，配合放大电路即可满足一般微弱光检测的需要；但噪声稍大，且灵敏度稍欠缺，如经济条件允许，选用光电倍增管则效果更好。

2.3 放大电路

放大电路采用了SOP8封装的LMV358，其额定工作电压为2.7-5V，为低电压满幅输出运放。电路原理如下图所示：

图3 采样及放大电路原理图

图中，P1.0端接光敏二极管模拟电压信号输出，P2.1、P2.2、P2.3分别输出单片机对红、绿、蓝发光二极管的控制信号，通过稳压电路使二极管的控制电压保持恒定。第一级运放构成同相缓冲器，其可隔离后级电路对输入信号的干扰，且可增加驱动能力，使电容C4能快速跟踪输入信号，达到记忆背景光强度的目的。第二级为减法器，实现对（总输入信号-背景光信号）的放大。从图中可以看出，P2.1、P2.2、P2.3端分别通过控制Q1、Q2、Q3控制反射光电采样器的红、绿、蓝发光二极管，Q4控制着第一级缓冲器输出给记忆电容C4的充电。当P2.1、P2.2、P2.3均为低电平时，Q1、Q2、Q3均处于截止状态，发光二极管熄灭，此时光敏二极管输出的为背景光信号，此时Q4导通，使记忆电容的电压等于背景光信号，第二级减法器的输入此时相等，P1.0输出为“0”。当P2.1、P2.2、P2.3中有一个为高电平时，相应的Q1、Q2或Q3导通，点亮发光二极管，此时采样器输出的为（背景光+反射光）信号，但是此时Q4截止，将第一级输出与记忆电容隔开，C4上仍保持着原来背景光的信号。第二级减法器的输入则为：（反射光+背景光）-背景光=反射光，从而达到消除背景光的目的，此时P1.0输出为放大后的反射光信号。

控制时序如下：

图4 反射式光电采样器控制时序示意图

3 系统的标定及测量

从理论上来说，白色是由等量的红色、绿色和蓝色混合而成的，但实际上，由于光敏二极管对不同波长光的灵敏度不一样，从而检测出来的数值并不完全相等，因此使用前要先用标准白色比色卡对系统进行标定。标定步骤如下：

将标准白色比色卡置于探测头处，尽量使比色卡紧贴着探头，避免外界光线的干扰。

打开控制开关，由单片机依次控制红、绿、蓝发光二极管发光，及光敏二极管采样，通过对光敏二极管电压的检测及A/D转换，分别获得三色光对应的反射数值，由于我们使用的是10位A/D转换，满幅值为210=1024，故由可得出三色光的比例系数。

标定完成后，以后检测时，由以下公式即可获得R、G、B值：

将校正后的R、G、B值代入公式（2）和公式（1），即可得出色坐标x、y、z值，从而对物体表面的颜色进行判断和比较[4]。

4 颜色识别系统测试结果

我们制作此颜色识别系统的目的是对标本的表面颜色或染料的浓度进行差异识别，并不需要获得精准的色度坐标。因此我们没有用专业的测试仪器对其检测结果进行测试，而是用以下方法验证其检测效果：

取两片只有微弱色差的比色卡，用本仪器分别对其重复进行20次测量。

配制两种不同浓度的HE染色液，分别滴一滴到白色滤纸上，用本仪器分别对其重复进行20次测量。

用统计学方法对以上计算结果分别进行组内和组间分析。通过分析可知：（1）在对同一比色卡或同一浓度HE染色液的检测数值进行比较时，P值均大于0.05，差异无统计学意义。（2）在对不同比色卡或不同浓度HE染色液颜色的检测数值进行比较时，P值均小于0.05，差异有统计学意义。由此可见，用本颜色识别系统进行检测时，其数值是较为稳定可靠的，且对微小的色差有较好的分辨能力。