（机械电子工程专业论文）全自动测色色差计数据处理系统研究.pdf

摘要 颜色在许多行业已经成为产品质量评定的重要指标，例如印染、油漆、汽车、 建筑等行业，因此针对颜色测量的各种仪器应运而生。在工业生产过程中，光 电积分式测色仪由于廉价、易携带等特点，应用最为广泛。目前国内生产光电 测色仪器的厂家很多，规模一般都很小，生产的仪器不仅稳定性差，而且操作 步骤繁琐，使用起来很不方便，这就要求开发出一种稳定性好、操作便利的测 色产品。全自动测色色差计是光电积分式的颜色测量仪器，是根据色度学原理 和卢瑟条件设计的智能型测色仪器。它的发明、改进和使用对我国产品颜色评 定行业的发展起到了推动作用。 为了提高测色色差计的系统稳定性，分析、研究了该仪器的系统稳定性问题， 在相关色度学理论的基础上，设计了一种采用光电积分型测量方法，研制了对 物体表面颜色进行测量并给予色差报告的检测系统。该仪器系统采用的国际照 明委员会推荐的o d ( o 度照明垂直接收) 几何条件，中位值平均的滤波算法及 数字模拟接地分离接法、电路补偿、屏蔽接线的噪声抑制方法，解决了系统稳 定性问题，经实验验证，达到了一级品标准。同时对基于色差计的屏幕颜色仿 真实验。 设计了仪器的硬件系统和软件系统。该仪器系统采用硅光电池作为光电传感 器，以a t 8 9 c 5 l r d 2 微控制器为核心，实现了对色样的颜色测量、色度数据存储 和显示、数据分析及色差报告等功能。通过串口通信，利用编写的p c 机颜色管 理软件对仪器进行远程控制和颜色测量，实现了在p c 机上屏幕颜色仿真软件。 该软件能直观的显示出被测色样与标准色样之间颜色差别。软件系统包括单片 机系统和p c 机软件系统。单片机系统采用k e i lc 开发工具，实现仪器的各种功 能和全汉化操作；p c 机软件采用v i s u a lc + + 6 o 集成开发工具，实现颜色管理、 屏幕颜色仿真及仪器系统固件升级功能。 完成了新型产品的研制，通过了北京计量科学研究所根据国家和行业有关标 准进行的产品实验检测。 关键词：全自动；测色色差计；稳定性；数据处理 摘要 a b s t r a c t c o l o ri si m p o n 觚ti n d e x e sf 研“a l l l a t i o no fp r o d u c tq u a l i t ymv 撕o u sf i e l d s ， g u c h 鹪p r i n t i n ga 1 1 dd y e i n g ，p a i n t ，v e l l i c l e 锄d 觚c h i t e c t i l r c s o ，a l ll 【i n d so fc 0 1 0 r m e 鹊u r 锄锄ti n s 仇l m e m se l l l e 唱e 勰t h et i m 龉r c q u i r e t h eo p t o e l e c 仃o l l i ci n t e 鲥 c o l o rm e 鹪l l r 锄c i l ti n s 仇l l l l e i l tw i d e i yl l s c df o rm a i nf e a t u r eo f b a r g a i np r i c ea i l de a s y l oc a r r yi nt h ei l l d u s t r yp f o c e s 8 c 0 1 0 rm e 勰1 1 r e m e i l ti n s t r u m e i l ti sp r o d u c t e di nm a n y m a i l u f k t i l r e r sa th o m e ，w l l i c ha r es m a l ls c a l eo fp r o d u c t i o n ，粕dn o to n l yp o o r l y s t a b i l 时b u ta l s oi n c o n 啪i c ei nu s e o na c c o m to ft h i s ，an c ws t a b i l i t ya n de 鹅y o p e 眦i o n c o l o rm e 硒u r c m e n ti n s t n l m e mi sn e e d e dt o d e v e l o p m e n t t h e o p t o e l e c t m n i ci n t e g m lc o l o rm e 髂嗍肌ti n s 协i m e n ti sd e s i 印e do nt h eb 踮i so f c o i o r i m e 缸cp r i n c i p l ea n dl u m e rc o n d i t i o ni m e l l i g e n tc o l o r i m e t c r s 抽s t m m c n t t h e i n v 伽t j o n 、i m p r o v c i i l e n t 甜l du s i n go f c o l o rm e a s u 删e n ti n s n l l i n e n t h a si m p e t u s e st o t h ed e v e l o p m e n to fc v a l u a t i o no f p r o d u c tc 0 1 0 rf i e l da th o m e h 1o r d e rt 0 曲p r o v et l l es t a ：b i l i t ) ro fo p t o e l e c 仃o i l i ci n t e g r a lc o l o rm e 船u r 锄饥t i i i s t m m t ，a n a l y z ea n ds t i l d ya b o mi 1 1 s 饥i m e ms t a b i l i t y ，a n do nt h eb a s i so f 也e r e l e v 肌tm e o r yo fc o l o r i m e t 吼at e s ts y s t e mi sd e s i 鲫e df o ro b j e c tc o l o r 印p e a r a n c e m e a s u r e n l e ma i l di t sc 0 1 0 r - d i f r e r e n c er e p o r tu s i n gp h o t o e l e c t r i ci i l t e 铲a t i n gm e t h o d n l eo d ( 0i 1 1 砌i n a t i o n s v e r t i c a lr e c e i v e s ) g e o m e 时c o n d i t i o nw h i c hi sr e c o m m e n d e d b yt h ei n t e m a t i o n a l i l l u m i n a t i o nc o 衄n i s s i o n ，t h ef i n e ra l g o r i t h mo fa v e r a g e c e n t e 卜p o s i t i o nv a l u e s ，t h es 印盯a l c dd i 西t a l - s i m u l a l i o ne a n h i n g ，a i l dt h es h i e l dw i r i n g m e t h o dw h i c hc a na b a t en o i s ei sa d o p t e dd u r i n gt h em 1 1 l l i n gt i m e ，舭dm ep r o b l 锄 o fs ”t e ms t a b i l i t yi ss o l v e da l l dt h ei i l s 仉= l i n e n ti si l n p r o v e di 1 1 t oaf i r s t m t ep r o d u c t m e a n w h i l e 勰o r l eo f i t se x 托= i l d e du s e c 0 1 0 rs i m u l a t i o ni ns c r e e ni ss t u d i e d t h ek l r d w a r es y s t 唧a 1 1 ds o n w a r eo f t l l ec o l o r i m e t e ri l l s t n 埘1 e n ti sd e s i 印e d t h e i i l s 们m l e n tt a k e sp h o t o d i o d e s 嬲i t sd c t e c t o 瑙，t 王l em i c r o - c o n t r o l l e rs y s t e mw i l i c h k e m e li st h ea t 8 9 c 5 1 r d 2s y s t e mo nc h i p ，w h i c hi sr e s p o n s i b l ef o rt h ea 1 1 胁c t i o i i s 蚰c h 嚣s i 印a ls a m p l i n 函d a _ t a s t o r a g c ，a n dr c s u l td i s p l a yo nl c d o ro u t p u tv i a m i c r 0 - p r i m c r b yu s i n go fs 舐a lc 叫眦u n i c a t i o n a 1 1 dc o l o rm a l l a 百n gs o f m 盯e n m n i n go np cm a c l l i n et od or e i i l o t ec o n t r o la i l dc o l o rm e 硒u r e m e n t ，a i l d 、，i s u a l i i 摘要 d i s p l a 撕n gc o l o rd i 行每r e n c eo fb 咖e e i lm e 弱i l r 卸ds 锄p l 铝a i l ds t a i l d a r ds 锄p l e s b y i n g c o l o rs i m u l a t i o ni l l r e e ns o 脚a r c s o f w a r cs y s t e r ni n c l u d e ss i i l g l ec 撕p r n i c r o c o m p u t e rs y s t e m 觚dp cs o f t 、a r ew l l i c h 舢p cm a c h i n c s i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e rs y s t e ma d o p t i n gk e i lcd e v e l o p i n gl ( i tr e a l i z e sa l lt h e c t i o 璐0 f i n s 协l m e n ta n dc 砸n e s eo p 嗽t i o n 印v i r o m n e n t ，t h ep cs o r w a r cs y s t c i i ld e v e l o p e di n v i s u a lc + + 6 oi m e 伊砒e dd e v e l o p m 饥tt o o lt oa c l l i e v ec o l o rm 锄雒；c ! m e n t 、c o l o r s i m u l a t i o ni ns c r e c n 卸di 珊t r l 珊e n ts y s t e mf i 硼w a r cu p d a t ef i l n c t i o n d e v e l o p e ds a i i l p l em a c h i i l e sh a v ep 豁s c du s e rp r o b a t i o na n dt h ep r o d u c tt c s t i n g b yb e i j i n gh l s t i t i i t eo f m e 仃0 l o g y c o r d i n gt ot h er c l a t i o l l a is t a l l d a r do f t h es t a t ea l l d t | a d e k e yw o r d s ：a u t o m a t i c ；c o l o rm e a s u r c m e mh l s t m m e n t ；s t a b i l i t y ；d a t ap r o c 器s i i l g i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：哆谚影 年弓月2 7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 i i 签名：罗亚以 沙o 年3 月7 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着我国工农业生产的发展，颜色已经成为评定许多产品质量的重要指标， 现有分光光度计和光电积分式两大类颜色测量方法。分光光度计是通过测量物 体的光谱辐亮度因数或光谱透射比，再利用c i e 推荐的标准照明体的光谱功率 分布和标准观测者光谱三刺激值，经积分计算出物体颜色的三刺激值和色度坐 标，其测量精度高，稳定性好，但价格昂贵。光电积分式测色仪是利用三个或 四个经过滤色器校正的探测器模拟c m 标准观测者，通过计算得出物体颜色三 刺激值。对于不需要配色的行业来说，测量速度快、易携带、廉价且具有一定 精度和稳定性的光电式测色仪就能满足其要求。 本课题是在原有w s c y 型测色色差计的基础上进行设计的，以完善色差计 的功能，提高精度、稳定性及降低仪器成本，提高经济效益。w s c y 型测色色差 计已通过北京市计量科学研究所鉴定，规格为物体表面色绝对值x 。y 。z 州 色差e ，白度值w ，黄度指数y ，彩度值c ，色调值h 。准确度x ( y 、z ) 1 5 ；x ( y ) o 0 2 ；w 3 4 ) 2 4 2 白度评价及计算 ( 2 8 ) 被测物体的自度是指该物体的表面在可见光区域内相对于完全白( 标准白) 物体漫反射辐射能的大小的比值，用百分数表示，即白色的程度，称为白度“”。 国内个行业分别指定了本行业的理想白度公式，如甘茨白度、亨特白度、蓝光 白度、建筑白度、陶瓷自度公式，分别为本行业服务。国际照明委员会( c i e ) 1 9 8 6 年公布推荐的中性白度公式“”为计算白度的公式，并必须与淡色调公式并用。 白度公式： 形o = k o + 8 0 0 ( z 叫。一五o ) + 1 7 0 0 ( y 叫。一y l o ) l( 2 9 ) 4 0 彬o 5 k o 一2 8 0j 第2 章颜色测量理论 淡色调公式： l o _ 1 0 0 0 洌掣l o _ ) 娩 一3 乙。 5 ) ( 2 1 5 ) q i = o( d i _ 5 ) 其中i 指c r t 彩色显色器r 、g 、b 三信道。若此c r t 彩色显色器r 、g 、 b 缓冲器输入值分别为d r = 4 0 ，d c = 1 4 0 ，d b = 8 0 ，则可计算q 。、q 6 和q a ， q r = 1 0 2 4 0 2 5 5 一o 0 2 “= o 0 0 8 9 q 6 = 1 0 2 1 4 0 2 5 5 一0 0 2 “= 0 2 2 7 9( 2 1 6 ) q 。= 1 0 2 8 0 2 5 5 一0 0 2 2 “= o 0 5 5 6 根据色光混合原理，相应颜色的三刺激值x 、y 、z 如式( 2 1 7 ) ： x = x r 。+ q g 。+ q rx b 。 = 0 0 0 8 9 3 3 1 7 + o 2 2 7 9 3 0 2 2 + 0 0 5 5 6 1 1 7 1 = 7 。8 3 y = q ry r 姒+ q gy g 姒+ qy b = o 0 0 8 9 1 7 4 6 + o 2 2 7 9 5 7 3 8 + o 0 5 5 6 5 1 6 = 1 3 5 2 ( 2 1 7 ) z = q 。z r 哪+ 如z 6 + q rz b r 嘲 = o 0 0 8 9 1 6 9 + 0 2 2 7 9 l o 0 2 + 0 0 5 5 6 6 0 7 9 = 5 6 8 利用显示器白场的三刺激值，相应颜色的c i e l a b 坐标如( 2 1 8 ) ： l 球= 1 1 6 ( y y 。) “3 1 6 = 1 1 6 ( 1 3 5 2 8 0 o o ) “3 1 6 = 4 8 1 a = 5 0 0 ( x x n ) “3 一( y y 。) “3 ( 2 1 8 ) = 5 0 0 ( 7 8 3 7 5 1 ) ”一( 1 3 5 2 8 0 0 ) “3 = 一4 1 1 b 术= 2 0 0 ( y y 。) “3 一( z z 。) “3 = 2 0 0 ( 1 3 5 2 8 0 0 ) “3 一( 5 6 8 7 2 5 ) “3 = 2 5 o 2 5 2 颜色仿真算法 1 初始数据准备 为了在彩色显示器上仿真具有特定光谱分布的实际反射样品颜色，首先必须 将从快速测色系统的通讯接口获得的样品色光谱反射比数据p ( 九) 转换成c i e 6 第2 章颜色测量理论 三刺激值x 、y 、z ，如式( 2 1 9 ) 所示。 x 3 一 y m z 3 蚰 p 3 o 0 p 3 ： 0o o o ： o p 7 。 p 3 s o p 3 9 0 ： p 7 8 0 ( 2 1 9 ) 刚妻驯摊薹藏摊 ( 2 _ z ， 刚建 c 8 f c r f x r z8 一x8 z t c g f x g zr x r z g c b f c r f x b y r x r y b c r f x r y 6 一x g yr c 8 f x l 】，i ( 2 2 2 ) 【z j 式中r 、g 、b 是荧光粉三原色的量，即驱动c r t 显示的一组数值，如式( 2 2 3 ) f = x r ( y gz b y b z 6 ) + x g ( y b z r y r z b ) + x b ( y rz g y c z r ) ( 2 2 3 ) 1 7 1i_ m 瑚 m x y z 姗 娜 娜 一x y z p。l k = 1，j x y z l 第2 章颜色测量理论 眺赫嘲阍 汜z s ，i y i = io 2 2 2o 7 0 70 0 7 1 i i g i( 2 2 5 ) l z ll o 0 2 0o 1 3 0 o 9 3 9 ll b l 将f 及c r 、c g 、c b 的值代入式( 2 2 1 ) ，可得出在上述条件下由x y z 向r g b 的实 刚豢撼 图2 6 流程图 1 8 ( 2 2 6 ) 圈 辫 第3 章仪器系统设计及实现 第3 章仪器系统设计及实现 测色色差计系统包括硬件系统和软件系统。测色仪由光源系统、探测系统 和数据处理系统3 大模块组成，系统结构图如图3 1 所示。光源系统采用寿命 长且符合d 6 5 光源的卤钨灯；探测系统由硅光电池和模拟人眼色觉特性的滤色 器组成；数据处理系统包括对采集信号a d ( 模数) 、信号放大、数字滤波及 m c u ( m i c r oc o n t r 0 1 l e ru n i t ) 运算处理和显示打印等1 输出。光电积分式测色 仪的测头由光源系统及探测系统组成，即光电积分式测色仪的测头由卤钨灯、 滤色器、硅光电池、隔热玻璃、凸透镜、通光筒、挡板、积分球等组成。测色 仪测量范围为3 8 0 n m 到7 8 0n i l l 的可见光。通过r s 一2 3 2 硬件协议接口与p c 机进 行数据和机内的存储数据，用户可以通过p c 机完成系统定标和仪器初始化等各 种操作。 嘲褥脂一篓 图3 1 系统结构框图 3 1 系统硬件设计及实现 本课题是在原w s c y 自动测色色差计的基础上进行设计，扩展仪器功能，提 高仪器精度和稳定性。对原w s c y 自动测色色差计上的微控制器、键盘电路、 液晶显示器、a d c 转换器等元件进行了分析选型。光电测色仪是仿照人眼感色 的原理制成的，采用了能感觉红、绿、蓝三种颜色的受光器，将各自所感受光 电的光电流加以放大处理，得出各色的刺激量，从而获得这一颜色信号。信号 源的稳定性直接影响到仪器的稳定性和精度。信号源选用卤钨灯，因卤钨灯光 9 第3 章仪器系统设计及实现 源辐射光谱的波长范围在可见光波段( 3 8 0 7 8 0 硼) 内呻】。 3 1 1 卤钨灯稳流电源 测色仪光源具有良好的稳定至关重要。卤钨灯发光强度的稳定性和准确性除 了与其本身质量有关外，还取决于供电电源的稳定性和准确性。电源的参数对 于标准灯发光强度的影响可由下式描述例： 1 工作电压对发光强度的影响： d ? ! 卢3 6 d 口何( 3 1 ) 式( 3 1 ) 中d 确发光强度的变化；d 蝴工作电压的变化，若要求发光强度 d k = 0 0 0 5 ，则d 眦k = o 0 0 1 4 。 2 工作电流对发光强度的影响： d 户6 d j z( 3 2 ) 式( 3 2 ) 中d 们为电流的变化，若要求发光强度变化d 矽狄= o 0 0 5 ，则 d 们 = o o 0 0 8 3 。 上述结果表明工作电流的变化对发光强度更灵敏。因此给卤钨灯供电时，采 用稳流电源供电比稳压电源供电更合理和更优越。 对卤钨灯来讲，除应采用稳流源供电外，在使用中还切忌电压( 或电流) 冲 击。所谓电压( 电流) 冲击是指突然给灯丝施加不超过损坏程度的较高电压( 电 流) ，因为灯丝在通电时产生热膨胀，断电时产生收缩，如工作电压或电流突 然施加变化，灯丝受到冲击其机械结构发生变化，这是影响灯的稳定性及寿命 的重要因素之一。所以，卤钨灯工作时应逐渐地从零电流或零电压增加，关机 时，也应逐渐降低电流或电压，然后再关，在实际应用时通常规定开机1 5 s 2 5 s ， 电流( 或电压) 从零到达额定值，关机时也是一样，这样可避免过急的热胀冷 缩给灯丝造成的损坏，这对延长灯的寿命有着重要的作用。 选择具有防冲击的稳流驱动电源供卤钨灯使用，灯的驱动方式更合理，光源 的稳定性得到了很大的提高。 3 。1 2 微控制器选型 系统设计是在原有c 8 0 5 1 f 0 2 0m c u 的基础上进行的，由于c 8 0 5 l f 0 2 0m c u 一是有许多功能用不到，造成资源浪费，二是价格比较高，所以选用能实现各 第3 章仪器系统设计及实现 个功能的、价格低廉的a t 8 9 c 5 1 r d 2m c u 作为处理器。a t 8 9 c 5 1 r d 2 是a t m e l 公司 生产的微处理器。“。a t 8 9 c 5 1 r d 2 与8 0 5 2 兼容的高速c i p - 5 1 内核，与m c s 一5 1 指令集完全兼容，内置6 4 k b 的高性能的c m o sf l a s h 程序存储器、2 5 6 b 的内部 r a m 、1 7 9 2 b 的片上扩展r a m 及2 0 4 8 b 的e e p r o m 等特点。a t 8 9 c 5 1 r d 2 芯片引脚 图如图3 2 所示： 3 1 3 仪器输入输出设备 图3 2a t 8 9 c 5 1 r d 2 芯片引脚图 测色色差计是测量颜色、样品颜色与标准颜色之间颜色差别的仪器，它不仅 需要存储样品颜色参数，而且要控制测量过程、将测量结果通过l c d 或者微型打 印机打印出来，便于信息交流。测色色差计的输入输出设备有键盘、l c d 和微型 打印机。 1 键盘电路设计 为了便于操作，设计了1 2 个功能键分别为：调零、调白、测量、显示、复位、 移位、打印、编辑、换行、退格、f 1 、f 2 键，1 2 个数字键0 9 、负号和小数点键 可实现编辑功能，共计2 4 个键。键的主要功能是把机械上的通断转换成电气上 的逻辑关系。也就是说它能提供标准的t t l 电平，以便与数字系统的逻辑电平相 容。选择键盘控制芯片c h 4 5 2 来驱动键盘。由于它占用微控制器引脚少、键盘扫 2 1 第3 章仪器系统设计及实现 描功能支持8 8 矩阵的6 4 键键盘，能自动消除键抖动并识别按键代码的功能， 完全满足需要，此芯片有以下特点【篮】： 1 ) 内置6 4 键键盘控制器，基于8 8 矩阵键盘扫描。 2 ) 内置按键状态输入的下拉电阻，内置去抖动电路。 3 ) 键盘中断，可以选择低电平有效输出或者低电平脉冲输出。 4 ) 提供按键释放标志位，可供查询按键按下与释放。 5 ) 支持按键唤醒，处于低功耗节电状态中的c h 4 5 2 可以被部分按键唤醒。 6 ) 2 线串行接口：时钟速度从5 0 0 h z 到2 0 0 k h z ，兼容两线1 2 c 总线，节约 引脚。 7 ) 内置上电复位，可以为单片机提供高电平有效和低电平有效复位输出。 与m c u 连接图如图3 3 所示。 8 5 l m i土占土l 垃 h 3 l 2s 尊日壤二三；搏 s g i r x dv c c到 几舌_ 虿艄 口u r s t is g g 士e 己嚏昔和lr e e fl2 p ，7x 2且r s t qr ob e p 1 0 g l l9d c l k2 g 2 l8d in2 6 d i hdg 3 17l o 自d2e g 4 6kev24 6 5 8 6 6 7 图3 3c h 4 5 24 线口连接单片机图 c h 4 5 2 的键盘扫描功能支持8 8 矩阵的6 4 键键盘。在键盘扫描期间， d i g 7 d i g o 引脚用于列扫描输出，s e g 7 s e g o 引脚都带有内部下拉电阻，用 于行扫描输入。当启用键盘扫描功能后，4 线串行接口中的d o u t 引脚的功能由 串行接口的数据输出变为键盘中断输出以及按键数据输出。 2 液晶显示器 作为具有人机交互界面的测色仪器，根据实际需求要把测色仪测量的能表现 颜色的相关参数表现出来，由于系统显示的汉字不多，为了节约成本，采用北 京青云创新公司的不带汉字字库的l c m 3 2 0 2 4 0 单色l c d 完成测量数据及提示信息 的显示，通过编写汉字字库来提供汉字字库。采用i o 口描述波形的间接连接方 式与单片机连接。用单片机i o 口描述波形，可以是单片机的其它i o 口，这种 第3 章仪器系统设计及实现 连接方式的优点是时序波形由软件控制，缺点是占用的i 0 口较多，由于所选的 键盘节省了i o 口，为接入l c d 提供了资源。其控制电路如图3 4 所示。 图3 4l c i l 3 2 0 2 4 0 接入电路 3 微型打印机 由于测色色差计可以独立在野外工作，为了方便用户在野外携带、操作，配 置了带有国标一、二级汉字字库微型打印机。将打印机内置于机箱，不仅美观 而且便于携带。选用北京炜煌科技发展公司的w h 4 0 0 8 型微型打印机，该微型打 印机每行点数2 4 0 个，打印速度快，易于安装、换纸，尺寸小、电源为5 v 。用 户不需要时，可从仪器中拆除，降低仪器的功耗，从而节约能源。 3 1 4a d c 转换器 a d c 转换器的功能是将模拟信号转换为数字信号的芯片。a d c 转换器类型 繁多，有积分型、逐次逼近型、并行比较型串并行型、一调制型、电容阵 列逐次比较型和压频变换型等。积分型a d 工作原理是将输入电压转换成时间( 脉 冲宽度信号) 或频率( 脉冲频率) ，然后由定时器计数器获得数字值。其优点是 用简单电路就能获得高分辨率，价格低廉，抗干扰能力强，但不足之处是转换 精度依赖于积分时间，效率比较底。但考虑到操作性、成本等因素，选用双积 分型的i c l 7 1 3 5 a d 转换器。 i c l 7 1 3 5 是双积分型a d 转换器电路简单，具有2 0 0 0 0 个数的分辨率，抗 干扰能力强，精度高，价格低廉，具有精确的差分输入，输入阻抗高，可自动调 第3 章仪器系统设计及实现 零，超量程信号，全部输出于t t l 电平兼容。双积分型a d 转换器具有很强的 抗干扰能力，对正负对称的信号积分为零，所以能有抑制工频干扰能力，对高 于工频干扰( 例如噪声电压) 已有良好的滤波作用。尤其对本系统，采集到的 微弱信号，很容易受到工频信号的影响。故采用双积分型a d 转换器可大大降 低对滤波电路的要求。i c l 7 1 3 5 支持b c d 码和s t b 选通信号输出，与微机接口 十分方便，由于硬件资源总是有限，利用i c l 7 1 3 5 的“b u s y ”输出信号与单片 机衔接，为其他扩展硬件节约i o 口资源。由于i c l 7 1 3 5 内部没有振荡器，需 要外接。i c l 7 1 3 5 还需要外接基准电源，这是因为芯片内部的基准源一般容易受 到温度的影响，而基准电源的变化会直接影响转换精度。所以当精度要求较高 时，应采用外接基准源，一般接其典型值1 v 。此外i c l 7 1 3 5 外部还需要外接积 分电阻、积分电容，但a d 转换器精度与外接的积分电阻、积分电容的精度无 关，故可以降低对元件质量的要求。不过积分电容和积分电容的介质损耗会影 响到a d 转换器的精度，所以应采用介质损耗较小的聚丙乙烯电容与m c u 连 接电路如图3 5 所示。 图3 5i c l 7 1 3 5 与a t 8 9 c 5 1 r d 2 接口电路 3 1 5p c f 8 5 6 3 时钟电路 p c f 8 5 6 3 是p l i l i p s 公司生产的低功耗c m o s 实时时钟日历芯片，它提供一个 可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过i i c 总线 第3 章仪器系统设计及实现 接口串行传递。最大总线速度为4 0 0 k b s ，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存 器会自动产生增量。p c f 8 5 6 3 时钟芯片电路图如图3 6 所示： i i c 总线是一种用于i c 器件之间连接的二线制总线。它通过s d a ( 串行数据 线) 及s c l ( 串行时钟线) 两根线在连到总线上的器件之间传送信息。每个器件 都有一个唯一的地址识别无论是微控制器l c d 驱动器存储器或键盘接口而且都 可以作为一个发送器或接收器由器件的功能决定。i i c 总线的系统配置参见 图3 7 ，产生信号的设备是传送器，接收信号的设备是接收器，控制信号的设备 是主设备，受控制信号的设备是从设备。 p c f 8 5 6 3 时钟芯片不仅可设置测色仪器时间，而且可记录每次测量的时间， 当操作人员离线时，p c f 8 5 6 3 可记录测色时间。在本系统中，由于微控制器 a t 8 9 c 5 1 r d 2 没有集成i i c 电路接口，所以用软件来模拟i i c 通讯来完成时间的读 取及设置。 图3 6p c f 8 5 6 3 时钟芯片电路图 l 三! 雯竺! - j i l _ 竺嚣_ 一- j 图3 7p c f 8 5 6 3 时钟芯片电路图 第3 章仪器系统设计及实现 3 1 6 放大电路设计 单片机只能处理数字信号，测色色差计采集到的信号是微弱直流信号，电 流转换为电压，放大后进入a d c 实现模数转换，被采集到的信号最后参与运算。 因此设计了两级放大如图3 8 。 图3 8 测色色差计电流转电压及电压放大电路图 测色色差计有三个光电传感器，采集到的信号经过放大电路及a d c ，进入 m c u 参与运算后形成x 、y 、z 三刺激值，产生三路独立的通道。每路放大电路因 信号的强弱不同，通过调节可调电阻的数值改变各自通道的增益，以满足实际 要求。 3 1 7 供电电源设计 测色色差计是光电化一体化产品，仪器中有需要供电的元件有卤钨灯、微型 打印机、a d c 提供1 v 的参考直流电压。选用的卤钨灯电气参数是6 v 、1 0 w ，打 印机的电气参数为1 2 v 。将卤钨灯、微型打印机、a d c 参考电压的电源独立分 开。卤钨灯及a d c 的工作状态是否稳定直接影响到测量结果的准确性和仪器的 稳定性，卤钨灯的电源采用双极稳压器，用示波器测试其稳定性，0 o o 0 0 1 v m i n ， 经实验测试，满足仪器要求，电路如图3 。9 所示。 第3 章仪器系统设计及实现 忍 3 2 数字滤波及噪声抑制 图3 9 双极稳压电流图 测试系统从外界获取数据时，往往有一些随机干扰、噪声信号窜入其中。 有些干扰信号经常是无规律地变化，这样就给系统带来了随机误差，而这些干 扰信号在多次测量中是符合统计规律的。为了克服随机干扰引入的误差，除了 采用硬件的办法，还可以按统计规律用软件算法来对信号进行预处理，即采用 数字滤波方法来拟制有效信号中的干扰成分，消除随机误差，同时对信号进行 必要的平滑处理，以保证采样得到的数据尽可能与真实值接近。采用数字滤波 算法能克服随机干扰引入的随机误差，还有以下优点： 1 数字滤波无需硬件，只是一个计算过程，因此可靠性高，不存在阻抗匹 配问题。尤其是数字滤波可以对频率很高的或很低的信号进行滤波，这是模拟 滤波器所不及的。 2 数字滤波用软件来实现，可以使多个输入通道共用一个软件滤波器，降 低产品成本。 3 只要适当改变软件滤波器的滤波程序和运算参数，即可改变滤波特性对 于低频率脉冲干扰、随