基于RGB三基色原理的手持式色度儀的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種基于RGB三基色原理的手持式顏色檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)以MCS系列顏色傳感器和PICl8F系列單片機(jī)為核心，根據(jù)微電流測(cè)量原理，采取了有效的抗干撫措施，實(shí)現(xiàn)可靠的信號(hào)采集和處理，從而快速、準(zhǔn)確地獲得了物體的顏色信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)基本滿足設(shè)計(jì)要求，擁有廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：RGB三基色原理顏色檢測(cè)數(shù)據(jù)處理

       顏色傳感技術(shù)是現(xiàn)代顏色測(cè)量?jī)x器核心技術(shù)之一，已發(fā)展為集光學(xué)、機(jī)械、電子于一體的系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)向高速化、自動(dòng)化方向的發(fā)展。對(duì)產(chǎn)品顏色的檢查和顏色品質(zhì)的控制提出了嚴(yán)格的要求，使用顏色測(cè)量?jī)x器也成為了對(duì)產(chǎn)品顏色進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)的主要手段。

       在顏色的檢測(cè)與識(shí)別中，影響其準(zhǔn)確度的參數(shù)有很多．如照明光源、傳感器特性、接收部分、信號(hào)處理等，都會(huì)直接影響到測(cè)量的結(jié)果。如何處理好這些參數(shù)從而得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果是目前的主要問(wèn)題之一。目前在檢測(cè)中三基色(RGB)顏色傳感器應(yīng)用較為廣泛，本文將介紹一種基于RGB三基色原理的手持式顏色檢測(cè)儀的實(shí)現(xiàn)方法。

1 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理
       如圖1所示，本系統(tǒng)主要由顏色傳感器、照明光源、信號(hào)處理電路、單片機(jī)和液晶顯示等部分組成。

1．1 顏色傳感器
       RGB三基色傳感器是通過(guò)測(cè)量構(gòu)成物體顏色的三基色的反射比率實(shí)現(xiàn)顏色檢測(cè)的，由于其精密度極高，所以能準(zhǔn)確區(qū)別極其相似的顏色，甚至是相同顏色的不同色調(diào)。本設(shè)計(jì)方案選用的是MCS系列的RGB三基色顏色傳感器。

1．2 照明光源
       本設(shè)計(jì)要求的測(cè)量光譜范圍為380nm～750nm，而白色光基本能夠覆蓋此光譜范圍，因此選擇白色貼片發(fā)光二極管照明。用白色光照明代替多種單色光模擬白光照明，從理論和具體實(shí)踐上都能提高照明效果，并且簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法。多個(gè)白色發(fā)光二極管組成環(huán)形45°(照明)/0°(測(cè)量)環(huán)形照明系統(tǒng)。

1.3 信號(hào)處理電路
       顏色傳感器的輸出信號(hào)一般是納安級(jí)的微小電流，這給測(cè)量帶來(lái)了不便。首先，要將微小的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，以便后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)進(jìn)行處理，同時(shí)還要完成放大的過(guò)程。如何在盡量減小失真的情況下完成光電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大，是測(cè)量工作中必須要解決的問(wèn)題。

1．3．1 微電流測(cè)量原理
       微電流信號(hào)源可以看作是內(nèi)阻非常大的電流源IS，具有接地端的微電流測(cè)量原理如圖2所示。對(duì)于輸入阻抗和放大倍數(shù)均無(wú)窮大的理想運(yùn)算放大器來(lái)講，輸出電壓V0=ISRf。理論上，只要電阻Rf取得足夠大，即使電流IS很小，也可得到較大的輸出電壓V0。

       實(shí)際上，運(yùn)算放大器輸入阻抗不是無(wú)窮大，電阻Rf的增大要受到運(yùn)算放大器輸入阻抗的限制?？紤]到偏置電流IB對(duì)被測(cè)電流IS的分流，則V0=-(IS-IB)Rf，如果IB大于IS，則IS無(wú)法測(cè)量。

       影響微電流測(cè)量靈敏度的首要因素是運(yùn)算放大器的偏置電流IB，其次是噪聲電壓和零點(diǎn)漂移。要實(shí)現(xiàn)微電流測(cè)量，運(yùn)算放大器要滿足：①偏置電流IB<被測(cè)電流IS；②輸入阻抗RI>>反饋電阻Rf；③增益、共模抑制比高；④失調(diào)電壓及漂移?。虎菰肼曅?。

1.3.2 電路分析和設(shè)計(jì)
       在器件選擇方面，運(yùn)放的輸入偏置電流IB是主要誤差源之一。本方案選用AD公司生產(chǎn)的AD8608芯片作為電流轉(zhuǎn)換放大的主芯片，如圖3所示。為了能測(cè)量納安級(jí)電流，圖2中的Rf要選1010數(shù)量級(jí)的電阻，這樣大的電阻精度低，穩(wěn)定性差，噪聲也大，因此在圖3中用小電阻組成T型網(wǎng)絡(luò)代替高阻Rf，并在運(yùn)放的輸出端接上RC濾波電路，用來(lái)驅(qū)除高頻噪聲信號(hào)和斬波尖峰噪聲的干擾，對(duì)提高電路的穩(wěn)定性是很有好處的，但一般時(shí)間常數(shù)較大，不適合測(cè)量快變信號(hào)。C與R組成反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以降低帶寬，防止T型網(wǎng)絡(luò)與C1相移產(chǎn)生自激振蕩。

1．3．3 提高性能的措施
       (1)不接運(yùn)算放大器的平衡電阻
       實(shí)驗(yàn)證明，在高內(nèi)阻電流源的微電流放大器中，運(yùn)算放大器接平衡電阻不僅很難使輸入電阻平衡，反而會(huì)增加電路噪聲，所以圖3中AD8608運(yùn)算放大器同相端不接平衡電阻，而是直接接地。

       (2)降低運(yùn)算放大器的工作溫度
       由運(yùn)算放大器的溫度特性可知，溫度每升高10℃，運(yùn)算放大器的偏置電流將增加1倍，從而降低微電流測(cè)量的靈敏度和準(zhǔn)確度。為此，應(yīng)盡可能地降低電源電壓．增大負(fù)載電阻(大于10k&Omega;)，以減小運(yùn)算放大器的工作電流，降低工作溫度。

       (3)減小PCB的漏電流
       在微電流測(cè)量中，提高PCB的絕緣強(qiáng)度和減少漏電流非常重要。通常意義上等效于絕緣的納安級(jí)的漏電流就會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成嚴(yán)重的影響，所以要采取措施嚴(yán)格控制PCB板的漏電流：選用漏電流遠(yuǎn)小于pA級(jí)的高絕緣電路板，如環(huán)氧玻璃板；輸入信號(hào)采用絕緣好、不產(chǎn)生靜電、吸濕性小的聚四氟乙烯接線柱；在電路板上用接地屏蔽環(huán)將運(yùn)算放大器的同相、反相輸入端包圍起來(lái)并接地，使其等電位，保證它們之間漏電流為零；電路安裝好后，清除殘留雜質(zhì)，元件和電路板做清潔、干燥、防潮處理。

       (4)提高信噪比
       電阻選低噪聲的l％精度的金膜電阻；電容選低噪聲的瓷介、云母或鉭電容；電源兩級(jí)LC濾波，降低噪聲；電源線盡量遠(yuǎn)離輸入信號(hào)線；信號(hào)輸入線用盡量短的屏蔽電纜；在電源部分和放大器的輸出、輸入部分大面積敷銅，放大器的輸入部分與電源一點(diǎn)接地；整個(gè)微電流放大器用金屬屏蔽。

1．4 測(cè)量控制電路
       本系統(tǒng)中采用PICl8Fxx8系列單片機(jī)為核心，利用其內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器采集電流電壓轉(zhuǎn)換后的信號(hào)，與參考數(shù)據(jù)比較，得到顏色編碼，送液晶屏顯示，如圖4所示。

2 軟件設(shè)計(jì)
       本系統(tǒng)采用匯編語(yǔ)言編程，有利于提高程序運(yùn)行速度。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論
       實(shí)驗(yàn)中測(cè)量使用的樣品是《中國(guó)建筑色卡》。這是一套供建筑行業(yè)使用的事物顏色標(biāo)準(zhǔn)樣品，其顏色表示方法是依據(jù)GB／T15608-1995《中國(guó)建筑顏色體系》的標(biāo)號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。色卡的編碼是根據(jù)GB／T 18922-2002《建筑顏色的表示方法》的要求制作的。

3．1 實(shí)驗(yàn)
       此系統(tǒng)已進(jìn)行顏色檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，從《中國(guó)建筑色卡》中選取了若干種標(biāo)準(zhǔn)顏色進(jìn)行測(cè)量。圖6是該顏色體系轉(zhuǎn)換成RGB顏色體系后綠顏色刺激值的實(shí)際測(cè)量情況。

3．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析
       從圖6的曲線可以看出，由于各種干擾因素的存在，實(shí)驗(yàn)中對(duì)于分辨極其相近顏色的情況還不甚理想，主要的干擾因素包括：

       (1)照明光源對(duì)測(cè)量靈敏度的影響
       照明光源的穩(wěn)定性直接影響到顏色傳感器輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性。用白光照明相比較用單一色光模擬的優(yōu)越性確實(shí)存在，但其自身也存在問(wèn)題，例如色溫相對(duì)不穩(wěn)定、平衡性不太理想等。

       (2)反饋電阻對(duì)電流電壓轉(zhuǎn)換靈敏度的影響大阻值的反饋電阻精度低，穩(wěn)定性差，噪聲也大，而小阻值的反饋電阻容易使被測(cè)信號(hào)淹沒(méi)在噪聲中。

       (3)色卡校準(zhǔn)問(wèn)題

       每一套標(biāo)準(zhǔn)色卡都有使用期限，使用一段時(shí)間后，容易出現(xiàn)走色、變色等情況，需要重新清潔、保養(yǎng)或更換等。

       顏色檢測(cè)在工業(yè)、生產(chǎn)自動(dòng)化和辦公自動(dòng)化等領(lǐng)域用處很大，有效、便捷、可靠地測(cè)量出被測(cè)物體的顏色是顏色檢測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。RGB三基色傳感器保證了測(cè)量的精確性，而放大電路和以單片機(jī)為核心的控制電路保證了數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性和快速性。本文所述的手持式顏色檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)應(yīng)用廣泛，對(duì)快速、方便、準(zhǔn)確地獲得顏色信息技術(shù)做了探索，必將推動(dòng)國(guó)內(nèi)此類技術(shù)的進(jìn)一步研究。