數(shù)字溫度傳感器在測(cè)色系統(tǒng)中的應(yīng)用

李　婷　谷玉?！⌒煨×?/p>

摘 要：光電積分式測(cè)色系統(tǒng)中一般使用硅光電池作為光電探測(cè)器，硅光電池的溫度漂移特性會(huì)影響測(cè)量的穩(wěn)定性。為達(dá)到更好的性能指標(biāo)，需要對(duì)測(cè)色系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾妷貉a(bǔ)償。通常采用分時(shí)間段對(duì)電壓值進(jìn)行線性補(bǔ)償，實(shí)際上待測(cè)電壓值并不是嚴(yán)格按照時(shí)間線性變化的，而是按照溫度線性變化的。使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20跟蹤實(shí)時(shí)溫度，分析溫度與待測(cè)電壓值的線性關(guān)系，獲取溫度補(bǔ)償系數(shù)，通過(guò)軟件對(duì)測(cè)色系統(tǒng)進(jìn)行電壓補(bǔ)償。當(dāng)引入溫度傳感器后，測(cè)色系統(tǒng)的測(cè)色色差ΔE均小于0.15 ，完全達(dá)到了國(guó)家計(jì)量院規(guī)定的要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法在測(cè)色系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中是切實(shí)可行的。

關(guān)鍵詞：DS18B20;測(cè)色系統(tǒng);溫度漂移;電壓補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TP202文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004 373X(2009)02 183 03

Application of Digital Temperature Sensor in Color Measurement System

LI Ting,GU Yuhai,XU Xiaoli

(Beijing Key Lab.:Measurement and Control of Mechanical and Electrical System,Beijing Information Science & Technology University,Beijing,100192,China)

Abstract：The color measurement system takes silicon photocell as its photo detectors,the temperature characteristic of silicon photocell would produce influences to the measuring stability of system,and proper voltage compensating is needed to make the performance indicators more excellently.Usually,voltage can be linearity compensated base to hours,but actually the changes of the voltage value in accordance with temperature rather than hours.Digital temperature sensor DS18B20 is designed for tracking the current temperature,analyzing the linearity relation between temperature and voltage value.After achieving the coefficient of voltage compensating,voltage would be compensated by software editor.Basing on stipulations that instituted by National Institute of Metrology,the value of chromatic aberration is less than 0.15,which has already up to scratch by using DS18B20,the results indicate that this method is feasible and actuality for practical applications in the color measurement system.

Keywords：DS18B20;color measurement system;temperature drifting;voltage compensating

基金資助：機(jī)電系統(tǒng)測(cè)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目（KF20061123207）

在光電積分式測(cè)色系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常選用硅光電池作為光電探測(cè)器，硅光電池能夠把光信息(能量)直接轉(zhuǎn)化成電信息(能量)，便于對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理。由于標(biāo)準(zhǔn)光源照明體燈管壁溫度較高，對(duì)探測(cè)器內(nèi)部的溫度影響很大，硅光電池受溫度影響產(chǎn)生電壓漂移，這勢(shì)必會(huì)影響到測(cè)量的精度和穩(wěn)定性［1］。通過(guò)研究硅光電池的光電轉(zhuǎn)換特性隨溫度變化的規(guī)律，設(shè)計(jì)了使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20的一種V－T曲線控制補(bǔ)償方法，對(duì)測(cè)色系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾妷貉a(bǔ)償，使其達(dá)到更好的性能指標(biāo)［2］。

1 硅光電池特性

在測(cè)色系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器把采集到的被測(cè)樣本的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),采集輸出的電信號(hào)極其微弱，需要對(duì)這些電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大處理，在這些環(huán)節(jié)中引起溫度漂移的原因主要有2點(diǎn)：

(1)硅光電池的溫度特性對(duì)輸出電壓有很大影響［3］；

(2) 在放大電路中，任何參數(shù)的變化，如電源電壓的波動(dòng)、元件的老化、半導(dǎo)體元件參數(shù)隨溫度變化而產(chǎn)生的變化，都將產(chǎn)生輸出電壓的漂移。

硅光電池的溫度特性［4］是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移,影響測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo),因此溫度特性是硅光電池的重要特性之一。從圖1中可以看出硅光電池開路電壓隨溫度上升而明顯下降,短路電流隨溫度上升卻是緩慢增加的。因此，在采用硅光電池作為檢測(cè)元件時(shí),應(yīng)考慮溫度漂移的影響,并采用相應(yīng)的補(bǔ)償措施。

圖1 硅光電池的溫度特性

2 DS18B20實(shí)時(shí)溫度采集

DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單線式智能數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式，其中：DQ為數(shù)字信號(hào)輸入／輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)［5］主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。

圖2 DS18B20的內(nèi)部測(cè)溫電路框圖

DS18B20的測(cè)溫原理［6］如圖2所示：每次測(cè)量前，首先將-55 ℃所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中。減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值。

3 V－T曲線控制溫度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方案

光源產(chǎn)生的熱量和探測(cè)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)使得光電探測(cè)器內(nèi)部溫度隨測(cè)量時(shí)間的增加不斷升高，硅光電池采集的三路模擬信號(hào)的電壓值隨之逐漸下降。針對(duì)這種現(xiàn)象通常采用分時(shí)間段對(duì)這三路信號(hào)的電壓值進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)表明，時(shí)間與電壓值的關(guān)系并不能作為準(zhǔn)確的控制3路模擬信號(hào)電壓值補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)： 一方面，按時(shí)間變化采集的3路模擬信號(hào)的電壓值并不是完全線性的；另一方面，硅光電池的溫度特性才是產(chǎn)生溫度漂移最主要的原因。

這里采用溫度傳感器DS18B20獲取實(shí)時(shí)溫度，結(jié)合電壓值分析得出溫度補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行電壓補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)電壓－溫度曲線（V－T曲線）控制補(bǔ)償。根據(jù)溫度傳感器的測(cè)溫原理，設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)V－T曲線補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ到y(tǒng)總體框圖如圖3所示。按照式（1），結(jié)合實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)分析得到適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償系數(shù)K，實(shí)現(xiàn)溫度上升時(shí)，對(duì)實(shí)測(cè)電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，使補(bǔ)償后的實(shí)測(cè)電壓值具有良好的穩(wěn)定性。

V-V0=K×（T-T₀）(1)

式中，V0為電壓初始值;V為電壓實(shí)測(cè)值；T為實(shí)測(cè)溫度;T₀為溫度初始值；K為溫度補(bǔ)償系數(shù)。

圖3 測(cè)溫系統(tǒng)總體框圖

3.1 溫度補(bǔ)償系數(shù)的選擇

V－T曲線控制溫度補(bǔ)償?shù)暮诵脑谟跍囟妊a(bǔ)償系數(shù)K的選擇，根據(jù)式（1）得到：

K= (V-V0)/ (T-T₀)(2)

在測(cè)色系統(tǒng)中，把調(diào)零后第一次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)白板時(shí)獲得的電壓值和溫度值作為式（2）中的電壓和溫度的初始值。連續(xù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)白板，能夠獲取不同溫度時(shí)3路模擬信號(hào)的電壓值，隨著溫度的升高，硅光電池產(chǎn)生的電壓漂移會(huì)反應(yīng)在這些電壓值中。結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算電壓值隨溫度線性變化的曲線斜率，所得的曲線斜率即為溫度補(bǔ)償系數(shù)K。將溫度補(bǔ)償系數(shù)K引入到電壓補(bǔ)償中，對(duì)于每次測(cè)量所得的電壓值，都可以結(jié)合實(shí)測(cè)的溫度對(duì)電壓測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償，得到實(shí)際的電壓值。如式（3）所示：

V璽 = V+ K×(T-T₀)(3)

式中，V璽為實(shí)際的電壓值;V為電壓測(cè)量值；T為溫度實(shí)測(cè)值;T₀為溫度初始值；K為溫度補(bǔ)償系數(shù)。

3.2 硬件實(shí)現(xiàn)

WSC－Y型測(cè)色色差計(jì)選用STC89C58RD+新一代超強(qiáng)抗干擾/高速/低功耗單片機(jī)作為主處理器［7］完成主要的測(cè)控任務(wù)。單片機(jī)單總線上掛接的DS18B20采用外接VDD供電方式(而未用寄生供電)，系統(tǒng)中CPU采用22 MHz晶振，DQ端為P₁.1。系統(tǒng)主要部分硬件電路如圖4所示。

圖4 DS18B20硬件電路

圖5 測(cè)溫流程圖

3.3 軟件實(shí)現(xiàn)

DS18B20簡(jiǎn)單的硬件接口是以相對(duì)復(fù)雜的接口編程為代價(jià)的。由于DS18B20通過(guò)單總線與單片機(jī)進(jìn)行通信，所以DS18B20與單片機(jī)的接口協(xié)議是通過(guò)嚴(yán)格的時(shí)序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)3個(gè)步驟：初始化、ROM操作指令、存儲(chǔ)器操作指令。必須先啟動(dòng)DS18B20開始轉(zhuǎn)換，再讀出溫度轉(zhuǎn)換值。另外，DS18B20在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意從測(cè)溫結(jié)束到將溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，所以在讀取溫度結(jié)束后需要延時(shí)1 s后，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這是必須要保證的，否則將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤，輸出錯(cuò)誤的溫度值［8］。基于DS18B20的通信協(xié)議［9］編寫溫度傳感器控制程序，對(duì)DS18B20的操作的程序流程圖如圖5所示。

3.3.1 初始化子程序

測(cè)溫系統(tǒng)采用P₁.1作為為通信端口，在DS18B20初始化的過(guò)程中，單片機(jī)首先發(fā)出1個(gè)復(fù)位脈沖，保持低電平時(shí)間要大于480 μs，然后單片機(jī)釋放總線，等待DS18B20的應(yīng)答脈沖，P₁.1口收到0則初始化成功，收到1則初始化失敗。這樣，單片機(jī)與溫度傳感器就完成了1次初始化通信。

3.3.2 讀取溫度數(shù)據(jù)

使用默認(rèn)的12位轉(zhuǎn)換精度，外接供電電源，完成一次轉(zhuǎn)換并讀取溫度值的程序［10］如下：

DS18B_Init（）；// 初始化DS18B20

DS18B_W_Byte(0xCC)； //跳過(guò)讀序號(hào)列號(hào)的操作

DS18B_W_Byte(0x44)；// 啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換

DS18B_W_Byte(0xBE)； //讀取溫度寄存器

a=DS18B_R_Byte（）；

b=DS18B_R_Byte（）；

return(fv)； //f璿定義為浮點(diǎn)型的當(dāng)前溫度值

3.3.3 V－T曲線控制補(bǔ)償子程序

溫度補(bǔ)償函數(shù)的實(shí)現(xiàn)如下：

temp=DS18B_R_T（）； //讀測(cè)量時(shí)溫度

temp=temp-temp0；//將當(dāng)前溫度與調(diào)白時(shí)比較，對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償

s_vol［s_n］［X_RED］= adc(0)+temp*S_ABE.ktemp；//基于溫度進(jìn)行電壓補(bǔ)償

s_vol［s_n］［Y_GREEN］ = adc(1)+temp*S_ABE.ktemp；// S_ABE.ktemp為溫度補(bǔ)償系數(shù)

s_vol［s_n］［Z_BLUE］ = adc(2)+temp*S_ABE.ktemp；

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

將V－T曲線控制補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)方案應(yīng)用到測(cè)色系統(tǒng)后，先將色差計(jì)預(yù)熱30 min后，使光源趨于穩(wěn)定，對(duì)儀器定標(biāo)，每隔5 min測(cè)量專用工作白板1次。測(cè)量中，白板保持不動(dòng)，測(cè)量結(jié)果良好。表1和表2分別是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償前和溫度補(bǔ)償后，測(cè)量同一塊標(biāo)準(zhǔn)白板半小時(shí)的測(cè)量結(jié)果。

表1 溫度補(bǔ)償前預(yù)熱30 min后的測(cè)量結(jié)果

時(shí)間/min刺激值X刺激值Y刺激值Z 色品坐標(biāo) x y色差ΔE

082.61 87.50 91.59 0.315 60.333 90.00

582.60 87.5291.540.315 7 0.334 00.08

1082.58 87.5491.900.315 8 0.333 90.16

1582.53 87.5091.800.315 60.331 60.19

2082.51 87.4891.75 0.315 40.334 10.21

表2 溫度補(bǔ)償后預(yù)熱30 min后的測(cè)量結(jié)果

時(shí)間/min刺激值X刺激值Y刺激值Z 色品坐標(biāo) x y色差ΔE

082.6187.5091.590.315 60.333 90.00

582.6287.4591.600.315 40.333 80.01

1082.6087.4891.580.315 8 0.334 00.02

1582.59 87.41 91.590.315 80.334 20.05

2082.55 87.4391.560.315 60.334 10.10

由測(cè)量數(shù)據(jù)可見(jiàn),在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償后，測(cè)色系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度大大提高，誤差明顯變小。引入溫度傳感器后，測(cè)色系統(tǒng)的測(cè)色色差ΔE均小于0.15 ，測(cè)量的重復(fù)性完全達(dá)到了國(guó)家計(jì)量院規(guī)定的15 min內(nèi)ΔE＜0.2的要求。根據(jù)測(cè)色系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)要求，采用靈活的溫度補(bǔ)償技術(shù)，和切實(shí)可行的電壓補(bǔ)償方法，有效地完成了測(cè)色系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在使用了數(shù)字溫度傳感器對(duì)測(cè)色系統(tǒng)的實(shí)測(cè)電壓進(jìn)行補(bǔ)償之后，減少了測(cè)量誤差，提高了儀器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。

參考文獻(xiàn)

［1］張桂彬,谷玉海,童亮,等.全自動(dòng)測(cè)色儀系統(tǒng)誤差分析及技術(shù)改造.北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2007,22(2):28－31.

［2］楊建芳，谷玉海，劉振宇.單總線技術(shù)的硅光電池特性實(shí)驗(yàn)裝置.北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2007,22(2):32－35.

［3］李永安.光電池光特性的電子測(cè)量.物理實(shí)驗(yàn),2005,25(6):9－11.

［4］杜梅芳，姜志進(jìn).光電池非線性區(qū)PN結(jié)光生伏特效應(yīng)的研究.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002(1):65－67,72.

［5］孟憲玲.淺析數(shù)字溫度傳感器DS18B20的應(yīng)用.中國(guó)科技信息，2007（3）:70－71,74.

［6］陸澤春.DS18B20集成溫度傳感器原理及其應(yīng)用.今日科苑，2007（4）:73.

［7］徐華英,徐秋華,趙莉,等.用DS18B20和單片機(jī)構(gòu)成的最小測(cè)溫系統(tǒng).中國(guó)計(jì)量,2003(6):61－64.

［8］張海.基于AT89C51和DS18B20的最簡(jiǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì).現(xiàn)代電子技術(shù),2007，30（9）:85－86,89.

［9］雷建龍.數(shù)字溫度傳感器DS18B20讀出數(shù)據(jù)錯(cuò)誤分析.電子器件，2007(6):2 178－2 182.

［10］姜元治.C程序在測(cè)色色差計(jì)檢定工作中的應(yīng)用.上海計(jì)量測(cè)試,2007,34(2):23.

作者簡(jiǎn)介 李 婷 女,1984年出生，河南信陽(yáng)人，碩士研究生。主要從事光機(jī)電一體化儀器方面的研究工作。