黃天明

（廣西醫(yī)科大學(xué)組織學(xué)與胚胎學(xué)教研室，廣西 南寧，530021）

在組胚、解剖等形態(tài)學(xué)科的教學(xué)和科研中，經(jīng)常要對(duì)一些物體的表面顏色或溶液的濃度和顏色進(jìn)行判斷和比較，在很多時(shí)候依靠的都是人眼的目視測(cè)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(shí)的存在，會(huì)有較大的波動(dòng)，缺乏可比性。而專業(yè)的顏色檢測(cè)系統(tǒng)則由于價(jià)格昂貴，難以普及。我們基于STC12C5410AD單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)單實(shí)用的顏色識(shí)別系統(tǒng)，其成本低廉，且可滿足一般日常檢測(cè)的需要。

1 顏色測(cè)量原理

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

再依據(jù)色度學(xué)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：（1）三原色合成法則，即任何顏色都能用R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）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(yīng)用中，顏色的混合滿足簡(jiǎn)單的加法關(guān)系。因此在CIE系統(tǒng)中，有如下關(guān)系：

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

2 測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成

本測(cè)量系統(tǒng)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(jī)、一個(gè)高靈敏度的可見光光敏二極管和三個(gè)高亮度發(fā)光二極管（分別發(fā)出紅、綠、藍(lán)光）構(gòu)成的反射式光電采樣器、LMV358放大電路、8位LED數(shù)碼管等構(gòu)成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖1 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 STC12C5410AD單片機(jī)

STC12C5410系列單片機(jī)是由宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的兼容8051內(nèi)核單片機(jī)，其速度比普通8051單片機(jī)快了12倍。有10K字節(jié)片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，512字節(jié)片內(nèi)RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，另有8通道10位ADC及4通道捕獲/比較單元，2個(gè)硬件16位定時(shí)器，4路PCA還可再實(shí)現(xiàn)4個(gè)定時(shí)器[5]。已完全可以滿足本系統(tǒng)對(duì)硬件資源的的需求。系統(tǒng)主要的資源分配如下：P2.1-P2.3分別控制三個(gè)發(fā)光二極管的開關(guān)（P2.1：紅； P2.2：綠； P2.3：藍(lán)）；P1.0設(shè)置為10位高速A/D轉(zhuǎn)換模式，用于對(duì)光敏二極管電壓信息的采樣和轉(zhuǎn)化；P2.4、P2.5、P2.6用于連接LED數(shù)碼管控制芯片；Timer0作為 100μs 定時(shí)器，提供控制檢測(cè)及采樣的時(shí)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(lán)發(fā)光二極管作為檢測(cè)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(jié)構(gòu)圖

用一個(gè)大金屬圓筒做成的探測(cè)頭內(nèi)面全部涂黑，防止因漫反射造成的干擾。大圓筒里面有四個(gè)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(gè)小圓筒以間隔120度角均勻的分布在大圓筒的周邊，其內(nèi)分別放置紅、綠、藍(lán)發(fā)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(nèi)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(fā)出的光線直接照射到。

CIE規(guī)定RGB三基色的波長分別為紅色700nm、綠色546.1nm和藍(lán)色435.8nm[4]。我們所用的發(fā)光二極管單色性稍差，因此不適用于精密測(cè)量的場(chǎng)合。但由公式（1）、（2）可知，色坐標(biāo)x、y、z其實(shí)是一個(gè)比例系數(shù)，在所用RGB光源基本恒定的情況下，可用標(biāo)準(zhǔn)色卡對(duì)公式（2）RGB的系數(shù)進(jìn)行修正，則所得的色坐標(biāo)亦可滿足一般情況下對(duì)物體表面顏色識(shí)別的需要。

光敏二極管選用的是北京光電器廠生產(chǎn)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(cè)光譜的需要；且光敏二極管在一定光強(qiáng)范圍內(nèi)，開路電壓隨光強(qiáng)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(cè)的需要；但噪聲稍大，且靈敏度稍欠缺，如經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(hào)輸出，P2.1、P2.2、P2.3分別輸出單片機(jī)對(duì)紅、綠、藍(lán)發(fā)光二極管的控制信號(hào)，通過穩(wěn)壓電路使二極管的控制電壓保持恒定。第一級(jí)運(yùn)放構(gòu)成同相緩沖器，其可隔離后級(jí)電路對(duì)輸入信號(hào)的干擾，且可增加驅(qū)動(dòng)能力，使電容C4能快速跟蹤輸入信號(hào)，達(dá)到記憶背景光強(qiáng)度的目的。第二級(jí)為減法器，實(shí)現(xiàn)對(duì)（總輸入信號(hào)-背景光信號(hào)）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(lán)發(fā)光二極管，Q4控制著第一級(jí)緩沖器輸出給記憶電容C4的充電。當(dāng)P2.1、P2.2、P2.3均為低電平時(shí)，Q1、Q2、Q3均處于截止?fàn)顟B(tài)，發(fā)光二極管熄滅，此時(shí)光敏二極管輸出的為背景光信號(hào)，此時(shí)Q4導(dǎo)通，使記憶電容的電壓等于背景光信號(hào)，第二級(jí)減法器的輸入此時(shí)相等，P1.0輸出為“0”。當(dāng)P2.1、P2.2、P2.3中有一個(gè)為高電平時(shí)，相應(yīng)的Q1、Q2或Q3導(dǎo)通，點(diǎn)亮發(fā)光二極管，此時(shí)采樣器輸出的為（背景光+反射光）信號(hào)，但是此時(shí)Q4截止，將第一級(jí)輸出與記憶電容隔開，C4上仍保持著原來背景光的信號(hào)。第二級(jí)減法器的輸入則為：（反射光+背景光）-背景光=反射光，從而達(dá)到消除背景光的目的，此時(shí)P1.0輸出為放大后的反射光信號(hào)。

控制時(shí)序如下：

圖4 反射式光電采樣器控制時(shí)序示意圖

3 系統(tǒng)的標(biāo)定及測(cè)量

從理論上來說，白色是由等量的紅色、綠色和藍(lán)色混合而成的，但實(shí)際上，由于光敏二極管對(duì)不同波長光的靈敏度不一樣，從而檢測(cè)出來的數(shù)值并不完全相等，因此使用前要先用標(biāo)準(zhǔn)白色比色卡對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定步驟如下：

將標(biāo)準(zhǔn)白色比色卡置于探測(cè)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(guān)，由單片機(jī)依次控制紅、綠、藍(lán)發(fā)光二極管發(fā)光，及光敏二極管采樣，通過對(duì)光敏二極管電壓的檢測(cè)及A/D轉(zhuǎn)換，分別獲得三色光對(duì)應(yīng)的反射數(shù)值，由于我們使用的是10位A/D轉(zhuǎn)換，滿幅值為210=1024，故由可得出三色光的比例系數(shù)。

標(biāo)定完成后，以后檢測(cè)時(shí)，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(biāo)x、y、z值，從而對(duì)物體表面的顏色進(jìn)行判斷和比較[4]。

4 顏色識(shí)別系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

我們制作此顏色識(shí)別系統(tǒng)的目的是對(duì)標(biāo)本的表面顏色或染料的濃度進(jìn)行差異識(shí)別，并不需要獲得精準(zhǔn)的色度坐標(biāo)。因此我們沒有用專業(yè)的測(cè)試儀器對(duì)其檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行測(cè)試，而是用以下方法驗(yàn)證其檢測(cè)效果：

取兩片只有微弱色差的比色卡，用本儀器分別對(duì)其重復(fù)進(jìn)行20次測(cè)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(duì)其重復(fù)進(jìn)行20次測(cè)量。

用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)以上計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行組內(nèi)和組間分析。通過分析可知：（1）在對(duì)同一比色卡或同一濃度HE染色液的檢測(cè)數(shù)值進(jìn)行比較時(shí)，P值均大于0.05，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。（2）在對(duì)不同比色卡或不同濃度HE染色液顏色的檢測(cè)數(shù)值進(jìn)行比較時(shí)，P值均小于0.05，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。由此可見，用本顏色識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，其數(shù)值是較為穩(wěn)定可靠的，且對(duì)微小的色差有較好的分辨能力。

5 討論

本顏色識(shí)別系統(tǒng)以STC12C5410AD單片機(jī)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(wěn)定，完全可滿足日常一般顏色的識(shí)別檢測(cè)需要。假如我們把發(fā)光二極管和光敏二極管分置于兩側(cè)分別做成檢測(cè)光源和檢測(cè)頭，即可對(duì)一些透明的物體或溶液進(jìn)行顏色或濃度的識(shí)別檢測(cè)，其應(yīng)用范圍就更加廣了。

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