一款基于STC12C5410AD的簡單的顏色識別系統

黃天明

（廣西醫科大學組織學與胚胎學教研室，廣西 南寧，530021）

在組胚、解剖等形態學科的教學和科研中，經常要對一些物體的表面顏色或溶液的濃度和顏色進行判斷和比較，在很多時候依靠的都是人眼的目視測色，這不僅受到照明及觀察條件的制約[1]，且由于人主觀意識的存在，會有較大的波動，缺乏可比性。而專業的顏色檢測系統則由于價格昂貴，難以普及。我們基于STC12C5410AD單片機設計了一款簡單實用的顏色識別系統，其成本低廉，且可滿足一般日常檢測的需要。

1 顏色測量原理

顏色是人眼視覺系統對光的一種知覺[2]，視覺上的色感覺既與物質本身的分光和吸收特性有關，又與照明條件、觀測條件以及觀察者的視覺特性等有關[3]。目前對顏色的定量描述可采用CIE推薦的X、Y、Z表色系統，引用三刺激值X、Y、Z及相應的色品坐標x、y、z表征。光輻射照射到物體表面，其顏色是漫反射光對人眼形成刺激的結果，這個刺激結果可引用三刺激值X、Y、Z表示，而色坐標與三刺激值的關系如下：

再依據色度學的兩個實驗結論：（1）三原色合成法則，即任何顏色都能用R（紅）、G（綠）、B（藍）三色的單色光按一定比例混合而成；（2）顏色的加法法則，即在一般的應用中，顏色的混合滿足簡單的加法關系。因此在CIE系統中，有如下關系：

因此，通過測量物體表面對三基色光的反射比例可得到RGB值，最終可計算出描述物體表面顏色所需要的色度坐標x、y、z值[4]。

2 測量系統的構成

本測量系統為降低成本，便于普及，使用的都是成本較低且較易獲得的元件，主要由STC12C5410AD單片機、一個高靈敏度的可見光光敏二極管和三個高亮度發光二極管（分別發出紅、綠、藍光）構成的反射式光電采樣器、LMV358放大電路、8位LED數碼管等構成。系統的結構如下圖所示：

圖1 測量系統結構圖

2.1 STC12C5410AD單片機

STC12C5410系列單片機是由宏晶科技生產的單時鐘/機器周期（1T）的兼容8051內核單片機，其速度比普通8051單片機快了12倍。有10K字節片內Flash程序存儲器，512字節片內RAM 數據存儲器，另有8通道10位ADC及4通道捕獲/比較單元，2個硬件16位定時器，4路PCA還可再實現4個定時器[5]。已完全可以滿足本系統對硬件資源的的需求。系統主要的資源分配如下：P2.1-P2.3分別控制三個發光二極管的開關（P2.1：紅； P2.2：綠； P2.3：藍）；P1.0設置為10位高速A/D轉換模式，用于對光敏二極管電壓信息的采樣和轉化；P2.4、P2.5、P2.6用于連接LED數碼管控制芯片；Timer0作為 100μs 定時器，提供控制檢測及采樣的時基；選用的晶振為22.1184M。

2.2 反射式光電采樣器

為減少成本，我們采用普通高亮度的紅、綠、藍發光二極管作為檢測光源，用高靈敏度的可見光光敏二極管作為光電傳感器。其布局如下所示：

圖2 反射式光電采樣器結構圖

用一個大金屬圓筒做成的探測頭內面全部涂黑，防止因漫反射造成的干擾。大圓筒里面有四個小圓筒，小圓筒的開口處要高于大圓筒的下緣2cm。放置光敏二極管的小圓筒位于正中央，其余三個小圓筒以間隔120度角均勻的分布在大圓筒的周邊，其內分別放置紅、綠、藍發光二極管，開口偏向中央，使得聚焦光斑在平齊大圓筒的開口處正好處于大圓筒的正中央。為了防止干擾，小圓筒的內面和外面也都涂黑，且光敏二極管要放置在高于小圓筒下緣開口處1cm的地方，以防被二極管發出的光線直接照射到。

CIE規定RGB三基色的波長分別為紅色700nm、綠色546.1nm和藍色435.8nm[4]。我們所用的發光二極管單色性稍差，因此不適用于精密測量的場合。但由公式（1）、（2）可知，色坐標x、y、z其實是一個比例系數，在所用RGB光源基本恒定的情況下，可用標準色卡對公式（2）RGB的系數進行修正，則所得的色坐標亦可滿足一般情況下對物體表面顏色識別的需要。

光敏二極管選用的是北京光電器廠生產的2CU1A可見光光敏二極管，其工作的光譜范圍為0.4~1.1μm，峰值波長為0.86~0.9μm，可滿足我們檢測光譜的需要；且光敏二極管在一定光強范圍內，開路電壓隨光強變化的斜率很大，并具有線性的光電流[6]，配合放大電路即可滿足一般微弱光檢測的需要；但噪聲稍大，且靈敏度稍欠缺，如經濟條件允許，選用光電倍增管則效果更好。

2.3 放大電路

放大電路采用了SOP8封裝的LMV358，其額定工作電壓為2.7-5V，為低電壓滿幅輸出運放。電路原理如下圖所示：

圖3 采樣及放大電路原理圖

圖中，P1.0端接光敏二極管模擬電壓信號輸出，P2.1、P2.2、P2.3分別輸出單片機對紅、綠、藍發光二極管的控制信號，通過穩壓電路使二極管的控制電壓保持恒定。第一級運放構成同相緩沖器，其可隔離后級電路對輸入信號的干擾，且可增加驅動能力，使電容C4能快速跟蹤輸入信號，達到記憶背景光強度的目的。第二級為減法器，實現對（總輸入信號-背景光信號）的放大。從圖中可以看出，P2.1、P2.2、P2.3端分別通過控制Q1、Q2、Q3控制反射光電采樣器的紅、綠、藍發光二極管，Q4控制著第一級緩沖器輸出給記憶電容C4的充電。當P2.1、P2.2、P2.3均為低電平時，Q1、Q2、Q3均處于截止狀態，發光二極管熄滅，此時光敏二極管輸出的為背景光信號，此時Q4導通，使記憶電容的電壓等于背景光信號，第二級減法器的輸入此時相等，P1.0輸出為“0”。當P2.1、P2.2、P2.3中有一個為高電平時，相應的Q1、Q2或Q3導通，點亮發光二極管，此時采樣器輸出的為（背景光+反射光）信號，但是此時Q4截止，將第一級輸出與記憶電容隔開，C4上仍保持著原來背景光的信號。第二級減法器的輸入則為：（反射光+背景光）-背景光=反射光，從而達到消除背景光的目的，此時P1.0輸出為放大后的反射光信號。

控制時序如下：

圖4 反射式光電采樣器控制時序示意圖

3 系統的標定及測量

從理論上來說，白色是由等量的紅色、綠色和藍色混合而成的，但實際上，由于光敏二極管對不同波長光的靈敏度不一樣，從而檢測出來的數值并不完全相等，因此使用前要先用標準白色比色卡對系統進行標定。標定步驟如下：

將標準白色比色卡置于探測頭處，盡量使比色卡緊貼著探頭，避免外界光線的干擾。

打開控制開關，由單片機依次控制紅、綠、藍發光二極管發光，及光敏二極管采樣，通過對光敏二極管電壓的檢測及A/D轉換，分別獲得三色光對應的反射數值，由于我們使用的是10位A/D轉換，滿幅值為210=1024，故由可得出三色光的比例系數。

標定完成后，以后檢測時，由以下公式即可獲得R、G、B值：

將校正后的R、G、B值代入公式（2）和公式（1），即可得出色坐標x、y、z值，從而對物體表面的顏色進行判斷和比較[4]。

4 顏色識別系統測試結果

我們制作此顏色識別系統的目的是對標本的表面顏色或染料的濃度進行差異識別，并不需要獲得精準的色度坐標。因此我們沒有用專業的測試儀器對其檢測結果進行測試，而是用以下方法驗證其檢測效果：

取兩片只有微弱色差的比色卡，用本儀器分別對其重復進行20次測量。

配制兩種不同濃度的HE染色液，分別滴一滴到白色濾紙上，用本儀器分別對其重復進行20次測量。

用統計學方法對以上計算結果分別進行組內和組間分析。通過分析可知：（1）在對同一比色卡或同一濃度HE染色液的檢測數值進行比較時，P值均大于0.05，差異無統計學意義。（2）在對不同比色卡或不同濃度HE染色液顏色的檢測數值進行比較時，P值均小于0.05，差異有統計學意義。由此可見，用本顏色識別系統進行檢測時，其數值是較為穩定可靠的，且對微小的色差有較好的分辨能力。

5 討論

本顏色識別系統以STC12C5410AD單片機為核心，所用元件皆較易獲得，成本較低，易于推廣普及。且其性能較穩定，完全可滿足日常一般顏色的識別檢測需要。假如我們把發光二極管和光敏二極管分置于兩側分別做成檢測光源和檢測頭，即可對一些透明的物體或溶液進行顏色或濃度的識別檢測，其應用范圍就更加廣了。

[1]劉娟.顏色測量方法[J].印刷質量與標準化,2008(6):34-37.

[2]廖寧放,石俊生,吳文敏.數字圖文圖像顏色管理系統概論[M],北京:北京理工大學出版社,2009:10

[3]樊海燕. 顏色測量方法及基本原理[J],印刷工業,2008(6):78-82

[4]張宇,馮毅,林曉瓏.等.基于三基色原理的回復反射器顏色測量研究[J],儀器儀表學報,2009,30(6):792-795.

[5]宏晶科技,STC12C5410AD系列單片機器件手冊[M],深圳:宏晶科技,2007:7

[6]宋俊磊,楊勇,王典洪.光微變及微光的光敏二極管探測電路的研究[J]光電技術應用.2005(20):25-27,52.