数字温度传感器在测色系统中的应用

摘 要：光电积分式测色系统中一般使用硅光电池作为光电探测器，硅光电池的温度漂移特性会影响测量的稳定性。为达到更好的性能指标，需要对测色系统进行适当的电压补偿。通常采用分时间段对电压值进行线性补偿，实际上待测电压值并不是严格按照时间线性变化的，而是按照温度线性变化的。使用数字温度传感器DS18B20跟踪实时温度，分析温度与待测电压值的线性关系，获取温度补偿系数，通过软件对测色系统进行电压补偿。当引入温度传感器后，测色系统的测差ΔE均小于0.15 ，完全达到了国家计量院规定的要求，实验结果表明该方法在测色系统的实际应用中是切实可行的。

关键词：DS18B20;测色系统;温度漂移;电压补偿

中图分类号：TP202文献标识码：B

文章编号：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

基金资助：机电系统测控北京市重点实验室开放课题资助项目（KF20061123207）

在光电积分式测色系统设计中，通常选用硅光电池作为光电探测器，硅光电池能够把光信息(能量)直接转化成电信息(能量)，便于对被测信号进行处理。由于标准光源照明体灯管壁温度较高，对探测器内部的温度影响很大，硅光电池受温度影响产生电压漂移，这势必会影响到测量的精度和稳定性［1］。通过研究硅光电池的光电转换特性随温度变化的规律，设计了使用数字温度传感器DS18B20的一种V－T曲线控制补偿方法，对测色系统进行适当的电压补偿，使其达到更好的性能指标［2］。

1 硅光电池特性

在测色系统中，经过光电探测器把采集到的被测样本的光信号转换为电信号,采集输出的电信号极其微弱，需要对这些电信号进行转换和放大处理，在这些环节中引起温度漂移的原因主要有2点：

(1)硅光电池的温度特性对输出电压有很大影响［3］；

(2) 在放大电路中，任何参数的变化，如电源电压的波动、元件的老化、半导体元件参数随温度变化而产生的变化，都将产生输出电压的漂移。

硅光电池的温度特性［4］是指开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移,影响测量精度或控制精度等重要指标,因此温度特性是硅光电池的重要特性之一。从图1中可以看出硅光电池开路电压随温度上升而明显下降,短路电流随温度上升却是缓慢增加的。因此，在采用硅光电池作为检测元件时,应考虑温度漂移的影响,并采用相应的补偿措施。

图1 硅光电池的温度特性

2 DS18B20实时温度采集

DS18B20是DALLAS公司生产的单线式智能数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式，其中：DQ为数字信号输入／输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。DS18B20内部结构［5］主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

图2 DS18B20的内部测温电路框图

DS18B20的测温原理［6］如图2所示：每次测量前，首先将-55 ℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。

3 V－T曲线控制温度补偿的设计方案

光源产生的热量和探测器的机械结构使得光电探测器内部温度随测量时间的增加不断升高，硅光电池采集的三路模拟信号的电压值随之逐渐下降。针对这种现象通常采用分时间段对这三路信号的电压值进行补偿。实验表明，时间与电压值的关系并不能作为准确的控制3路模拟信号电压值补偿的依据： 一方面，按时间变化采集的3路模拟信号的电压值并不是完全线性的；另一方面，硅光电池的温度特性才是产生温度漂移最主要的原因。

这里采用温度传感器DS18B20获取实时温度，结合电压值分析得出温度补偿系数进行电压补偿，实现电压－温度曲线（V－T曲线）控制补偿。根据温度传感器的测温原理，设计了一种实现V－T曲线补偿的方法，系统总体框图如图3所示。按照式（1），结合实际测量数据分析得到适当的温度补偿系数K，实现温度上升时，对实测电压进行适当的补偿，使补偿后的实测电压值具有良好的稳定性。

V-V0=K×（T-T0）(1)

式中，V0为电压初始值;V为电压实测值；T为实测温度;T0为温度初始值；K为温度补偿系数。

图3 测温系统总体框图

3.1 温度补偿系数的选择

V－T曲线控制温度补偿的核心在于温度补偿系数K的选择，根据式（1）得到：

K= (V-V0)/ (T-T0)(2)

在测色系统中，把调零后第一次测量标准白板时获得的电压值和温度值作为式（2）中的电压和温度的初始值。连续测量标准白板，能够获取不同温度时3路模拟信号的电压值，随着温度的升高，硅光电池产生的电压漂移会反应在这些电压值中。结合实测数据计算电压值随温度线性变化的曲线斜率，所得的曲线斜率即为温度补偿系数K。将温度补偿系数K引入到电压补偿中，对于每次测量所得的电压值，都可以结合实测的温度对电压测量值进行补偿，得到实际的电压值。如式（3）所示：

Vt = V+ K×(T-T0)(3)

式中，Vt为实际的电压值;V为电压测量值；T为温度实测值;T0为温度初始值；K为温度补偿系数。

3.2 硬件实现

WSC－Y型测差计选用STC89C58RD+新一代超强抗干扰/高速/低功耗单片机作为主处理器［7］完成主要的测控任务。单片机单总线上挂接的DS18B20采用外接VDD供电方式(而未用寄生供电)，系统中CPU采用22 MHz晶振，DQ端为P1.1。系统主要部分硬件电路如图4所示。

图4 DS18B20硬件电路

图5 测温流程图

3.3 软件实现

DS18B20简单的硬件接口是以相对复杂的接口编程为代价的。由于DS18B20通过单总线与单片机进行通信，所以DS18B20与单片机的接口协议是通过严格的时序来实现的。单片机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。必须先启动DS18B20开始转换，再读出温度转换值。另外，DS18B20在实际应用中应注意从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间，所以在读取温度结束后需要延时1 s后，再对数据进行处理，这是必须要保证的，否则将导致转换错误，输出错误的温度值［8］。基于DS18B20的通信协议［9］编写温度传感器控制程序，对DS18B20的操作的程序流程图如图5所示。

3.3.1 初始化子程序

测温系统采用P1.1作为为通信端口，在DS18B20初始化的过程中，单片机首先发出1个复位脉冲，保持低电平时间要大于480 μs，然后单片机释放总线，等待DS18B20的应答脉冲，P1.1口收到0则初始化成功，收到1则初始化失败。这样，单片机与温度传感器就完成了1次初始化通信。

3.3.2 读取温度数据

使用默认的12位转换精度，外接供电电源，完成一次转换并读取温度值的程序［10］如下：

DS18B_Init（）；// 初始化DS18B20

DS18B_W_Byte(0xCC)； //跳过读序号列号的操作

DS18B_W_Byte(0x44)；// 启动温度转换

DS18B_W_Byte(0xBE)； //读取温度寄存器

a=DS18B_R_Byte（）；

b=DS18B_R_Byte（）；

return(fv)； //fv定义为浮点型的当前温度值

3.3.3 V－T曲线控制补偿子程序

温度补偿函数的实现如下：

temp=DS18B_R_T（）； //读测量时温度

temp=temp-temp0；//将当前温度与调白时比较，对温度进行补偿

s_vol［s_n］［X_RED］= adc(0)+temp*S_ABE.ktemp；//基于温度进行电压补偿

s_vol［s_n］［Y_GREEN］ = adc(1)+temp*S_ABE.ktemp；// S_ABE.ktemp为温度补偿系数

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

4 实验结果分析与结论

将V－T曲线控制补偿电路的设计方案应用到测色系统后，先将色差计预热30 min后，使光源趋于稳定，对仪器定标，每隔5 min测量专用工作白板1次。测量中，白板保持不动，测量结果良好。表1和表2分别是对系统进行温度补偿前和温度补偿后，测量同一块标准白板半小时的测量结果。

表1 温度补偿前预热30 min后的测量结果

时间/min刺激值X刺激值Y刺激值Z 色品坐标 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 温度补偿后预热30 min后的测量结果

时间/min刺激值X刺激值Y刺激值Z 色品坐标 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

由测量数据可见,在对系统进行温度补偿后，测色系统的测量准确度大大提高，误差明显变小。引入温度传感器后，测色系统的测差ΔE均小于0.15 ，测量的重复性完全达到了国家计量院规定的15 min内ΔE＜0.2的要求。根据测色系统的现实要求，采用灵活的温度补偿技术，和切实可行的电压补偿方法，有效地完成了测色系统的稳定性控制。实验结果表明，在使用了数字温度传感器对测色系统的实测电压进行补偿之后，减少了测量误差，提高了仪器的稳定性和准确度。

参考文献

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作者简介 李 婷 女,1984年出生，河南信阳人，硕士研究生。主要从事光机电一体化仪器方面的研究工作。