基于RGB三基色原理的手持式色度仪的设计
摘要：介绍了一种基于RGB三基色原理的手持式颜色检测仪的设计。本系统以MCS系列颜色传感器和PICl8F系列单片机为核心，根据微电流测量原理，采取了有效的抗干抚措施，实现可靠的信号采集和处理，从而快速、准确地获得了物体的颜色信息。实验结果表明本系统基本满足设计要求，拥有广泛的应用前景。
关键词：RGB三基色原理颜色检测数据处理
颜色传感技术是现代颜色测量仪器核心技术之一，已发展为集光学、机械、电子于一体的系统。随着现代工业生产向高速化、自动化方向的发展。对产品颜色的检查和颜色品质的控制提出了严格的要求，使用颜色测量仪器也成为了对产品颜色进行客观评价的主要手段。
在颜色的检测与识别中，影响其准确度的参数有很多．如照明光源、传感器特性、接收部分、信号处理等，都会直接影响到测量的结果。如何处理好这些参数从而得到准确的测量结果是目前的主要问题之一。目前在检测中三基色(RGB)颜色传感器应用较为广泛，本文将介绍一种基于RGB三基色原理的手持式颜色检测仪的实现方法。
1 测量系统结构及测量原理
如图1所示，本系统主要由颜色传感器、照明光源、信号处理电路、单片机和液晶显示等部分组成。
1．1 颜色传感器
RGB三基色传感器是通过测量构成物体颜色的三基色的反射比率实现颜色检测的，由于其精密度极高，所以能准确区别极其相似的颜色，甚至是相同颜色的不同色调。本设计方案选用的是MCS系列的RGB三基色颜色传感器。
1．2 照明光源
本设计要求的测量光谱范围为380nm～750nm，而白色光基本能够覆盖此光谱范围，因此选择白色贴片发光二极管照明。用白色光照明代替多种单色光模拟白光照明，从理论和具体实践上都能提高照明效果，并且简化设计方法。多个白色发光二极管组成环形45°(照明)/0°(测量)环形照明系统。
1.3 信号处理电路
颜色传感器的输出信号一般是纳安级的微小电流，这给测量带来了不便。首先，要将微小的电流信号转换为电压信号，以便后续A/D转换电路和单片机进行处理，同时还要完成放大的过程。如何在尽量减小失真的情况下完成光电流信号的转换和放大，是测量工作中必须要解决的问题。
1．3．1 微电流测量原理
微电流信号源可以看作是内阻非常大的电流源IS，具有接地端的微电流测量原理如图2所示。对于输入阻抗和放大倍数均无穷大的理想运算放大器来讲，输出电压V0=ISRf。理论上，只要电阻Rf取得足够大，即使电流IS很小，也可得到较大的输出电压V0。
实际上，运算放大器输入阻抗不是无穷大，电阻Rf的增大要受到运算放大器输入阻抗的限制。考虑到偏置电流IB对被测电流IS的分流，则V0=-(IS-IB)Rf，如果IB大于IS，则IS无法测量。
影响微电流测量灵敏度的首要因素是运算放大器的偏置电流IB，其次是噪声电压和零点漂移。要实现微电流测量，运算放大器要满足：①偏置电流IB<被测电流IS；②输入阻抗RI>>反馈电阻Rf；③增益、共模抑制比高；④失调电压及漂移小；⑤噪声小。
1.3.2 电路分析和设计
在器件选择方面，运放的输入偏置电流IB是主要误差源之一。本方案选用AD公司生产的AD8608芯片作为电流转换放大的主芯片，如图3所示。为了能测量纳安级电流，图2中的Rf要选1010数量级的电阻，这样大的电阻精度低，稳定性差，噪声也大，因此在图3中用小电阻组成T型网络代替高阻Rf，并在运放的输出端接上RC滤波电路，用来驱除高频噪声信号和斩波尖峰噪声的干扰，对提高电路的稳定性是很有好处的，但一般时间常数较大，不适合测量快变信号。C与R组成反馈补偿网络，以降低带宽，防止T型网络与C1相移产生自激振荡。
1．3．3 提高性能的措施
(1)不接运算放大器的平衡电阻
实验证明，在高内阻电流源的微电流放大器中，运算放大器接平衡电阻不仅很难使输入电阻平衡，反而会增加电路噪声，所以图3中AD8608运算放大器同相端不接平衡电阻，而是直接接地。
(2)降低运算放大器的工作温度
由运算放大器的温度特性可知，温度每升高10℃，运算放大器的偏置电流将增加1倍，从而降低微电流测量的灵敏度和准确度。为此，应尽可能地降低电源电压．增大负载电阻(大于10kΩ)，以减小运算放大器的工作电流，降低工作温度。
(3)减小PCB的漏电流
在微电流测量中，提高PCB的绝缘强度和减少漏电流非常重要。通常意义上等效于绝缘的纳安级的漏电流就会对测量结果造成严重的影响，所以要采取措施严格控制PCB板的漏电流：选用漏电流远小于pA级的高绝缘电路板，如环氧玻璃板；输入信号采用绝缘好、不产生静电、吸湿性小的聚四氟乙烯接线柱；在电路板上用接地屏蔽环将运算放大器的同相、反相输入端包围起来并接地，使其等电位，保证它们之间漏电流为零；电路安装好后，清除残留杂质，元件和电路板做清洁、干燥、防潮处理。
(4)提高信噪比
电阻选低噪声的l％精度的金膜电阻；电容选低噪声的瓷介、云母或钽电容；电源两级LC滤波，降低噪声；电源线尽量远离输入信号线；信号输入线用尽量短的屏蔽电缆；在电源部分和放大器的输出、输入部分大面积敷铜，放大器的输入部分与电源一点接地；整个微电流放大器用金属屏蔽。
1．4 测量控制电路
本系统中采用PICl8Fxx8系列单片机为核心，利用其内置A/D转换器采集电流电压转换后的信号，与参考数据比较，得到颜色编码，送液晶屏显示，如图4所示。
2 软件设计
本系统采用汇编语言编程，有利于提高程序运行速度。系统软件流程图如图5所示。
3 实验结果与结论
实验中测量使用的样品是《中国建筑色卡》。这是一套供建筑行业使用的事物颜色标准样品，其颜色表示方法是依据GB／T15608-1995《中国建筑颜色体系》的标号系统设计的。色卡的编码是根据GB／T 18922-2002《建筑颜色的表示方法》的要求制作的。
3．1 实验
此系统已进行颜色检测实验，从《中国建筑色卡》中选取了若干种标准颜色进行测量。图6是该颜色体系转换成RGB颜色体系后绿颜色刺激值的实际测量情况。
3．2 实验结论分析
从图6的曲线可以看出，由于各种干扰因素的存在，实验中对于分辨极其相近颜色的情况还不甚理想，主要的干扰因素包括：
(1)照明光源对测量灵敏度的影响
照明光源的稳定性直接影响到颜色传感器输出信号的准确性。用白光照明相比较用单一色光模拟的优越性确实存在，但其自身也存在问题，例如色温相对不稳定、平衡性不太理想等。
(2)反馈电阻对电流电压转换灵敏度的影响大阻值的反馈电阻精度低，稳定性差，噪声也大，而小阻值的反馈电阻容易使被测信号淹没在噪声中。
(3)色卡校准问题
每一套标准色卡都有使用期限，使用一段时间后，容易出现走色、变色等情况，需要重新清洁、保养或更换等。
颜色检测在工业、生产自动化和办公自动化等领域用处很大，有效、便捷、可靠地测量出被测物体的颜色是颜色检测中的关键技术之一。RGB三基色传感器保证了测量的精确性，而放大电路和以单片机为核心的控制电路保证了数据处理的准确性和快速性。本文所述的手持式颜色检测仪的设计应用广泛，对快速、方便、准确地获得颜色信息技术做了探索，必将推动国内此类技术的进一步研究。
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