在光電積分式測色系統(tǒng)設計中，通常選用硅光電池作為光電探測器，硅光電池能夠把光信息(能量)直接轉(zhuǎn)化成電信息(能量)，便于對被測信號進行處理。由于標準光源照明體燈管壁溫度較高，對探測器內(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，這勢必會影響到測量的精度和穩(wěn)定性。通過研究硅光電池的光電轉(zhuǎn)換特性隨溫度變化的規(guī)律，設計了使用數(shù)字溫度傳感器DSl8820的一種V—T曲線控制補償方法，對測色系統(tǒng)進行適當?shù)碾妷貉a償，使其達到更好的性能指標。

1 硅光電池特性

在測色系統(tǒng)中，經(jīng)過光電探測器把采集到的被測樣本的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，采集輸出的電信號極其微弱，需要對這些電信號進行轉(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：

(1)硅光電池的溫度特性對輸出電壓有很大影響；

(2)在放大電路中，任何參數(shù)的變化，如電源電壓的波動、元件的老化、半導體元件參數(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是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關系到應用光電池的儀器設備的溫度漂移，影響測量精度或控制精度等重要指標，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元件時，應考慮溫度漂移的影響，并采用相應的補償措施。



2 DSl8820實時溫度采集

DSl8820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一92小體積封裝形式，其中：DQ為數(shù)字信號輸入／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接地)。DSl8820內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。

DSl8820的測溫原理如圖2所示：每次測量前，首先將一55℃所對應的基數(shù)分別置人減法計數(shù)器1和溫度寄存器中。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器l的預置將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值。



3 V—T曲線控制溫度補償的設計方案

光源產(chǎn)生的熱量和探測器的機械結(jié)構(gòu)使得光電探測器內(nèi)部溫度隨測量時間的增加不斷升高，硅光電池采集的三路模擬信號的電壓值隨之逐漸下降。針對這種現(xiàn)象通常采用分時間段對這三路信號的電壓值進行補償。實驗表明，時間與電壓值的關系并不能作為準確的控制3路模擬信號電壓值補償?shù)囊罁?jù)：一方面，按時間變化采集的3路模擬信號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DSl8820獲取實時溫度，結(jié)合電壓值分析得出溫度補償系數(shù)進行電壓補償，實現(xiàn)電壓一溫度曲線(V—T曲線)控制補償。根據(jù)溫度傳感器的測溫原理，設計了一種實現(xiàn)V—T曲線補償?shù)姆椒ǎ到y(tǒng)總體框圖如圖3所示。按照式(1)，結(jié)合實際測量數(shù)據(jù)分析得到適當?shù)臏囟妊a償系數(shù)K，實現(xiàn)溫度上升時，對實測電壓進行適當?shù)难a償，使補償后的實測電壓值具有良好的穩(wěn)定性。

式中，V0為電壓初始值；V為電壓實測值；T為實測溫度；T0為溫度初始值；K為溫度補償系數(shù)。



3.1 溫度補償系數(shù)的選擇

V一T曲線控制溫度補償?shù)暮诵脑谟跍囟妊a償系數(shù)K的選擇，根據(jù)式(1)得到：



在測色系統(tǒng)中，把調(diào)零后第一次測量標準白板時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)測量標準白板，能夠獲取不同溫度時3路模擬信號的電壓值，隨著溫度的升高，硅光電池產(chǎn)生的電壓漂移會反應在這些電壓值中。結(jié)合實測數(shù)據(jù)計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償系數(shù)K。將溫度補償系數(shù)K引入到電壓補償中，對于每次測量所得的電壓值，都可以結(jié)合實測的溫度對電壓測量值進行補償，得到實際的電壓值。如式(3)所示：



式中，Vt為實際的電壓值；V為電壓測量值；T為溫度實測值；T0為溫度初始值；K為溫度補償系數(shù)。

3.2 硬件實現(xiàn)

WSC—Y型測色色差計選用STC89C58RD+新一代超強抗干擾／高速／低功耗單片機作為主處理器完成主要的測控任務。單片機單總線上掛接的DSl8820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。

3.3 軟件實現(xiàn)

DSl8820簡單的硬件接口是以相對復雜的接口編程為代價的。由于DSl8820通過單總線與單片機進行通信，所以DSl8820與單片機的接口協(xié)議是通過嚴格的時序來實現(xiàn)的。單片機控制DSl8820完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟：初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。必須先啟動DSl8820開始轉(zhuǎn)換，再讀出溫度轉(zhuǎn)換值。另外，DSl8820在實際應用中應注意從測溫結(jié)束到將溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需要一定的轉(zhuǎn)換時間，所以在讀取溫度結(jié)束后需要延時1 s后，再對數(shù)據(jù)進行處理，這是必須要保證的，否則將導致轉(zhuǎn)換錯誤，輸出錯誤的溫度值。基于DSl8820的通信協(xié)議編寫溫度傳感器控制程序，對DSl8820的操作的程序流程圖如圖5所示。



3.3.1 初始化子程序

測溫系統(tǒng)采用P1.1作為為通信端口，在DS18820初始化的過程中，單片機首先發(fā)出1個復位脈沖，保持低電平時間要大于480μs，然后單片機釋放總線，等待DSl8820的應答脈沖，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如下：



3.3.3 V—T曲線控制補償子程序

溫度補償函數(shù)的實現(xiàn)如下：



4 實驗結(jié)果分析與結(jié)論

將V—T曲線控制補償電路的設計方案應用到測色系統(tǒng)后，先將色差計預熱30 min后，使光源趨于穩(wěn)定，對儀器定標，每隔5 min測量專用工作白板1次。測量中，白板保持不動，測量結(jié)果良好。表1和表2分別是對系統(tǒng)進行溫度補償前和溫度補償后，測量同一塊標準白板半小時的測量結(jié)果。



由測量數(shù)據(jù)可見，在對系統(tǒng)進行溫度補償后，測色系統(tǒng)的測量準確度大大提高，誤差明顯變小。引入溫度傳感器后，測色系統(tǒng)的測色色差△E均小于O．15，測量的重復性完全達到了國家計量院規(guī)定的15 min內(nèi)△E<0．2的要求。根據(jù)測色系統(tǒng)的現(xiàn)實要求，采用靈活的溫度補償技術(shù)，和切實可行的電壓補償方法，有效地完成了測色系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制。實驗結(jié)果表明，在使用了數(shù)字溫度傳感器對測色系統(tǒng)的實測電壓進行補償之后，減少了測量誤差，提高了儀器的穩(wěn)定性和準確度。