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DSl8820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A(yù)E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：DSl8820；測(cè)色系統(tǒng)；溫度漂移；電壓補(bǔ)償

    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。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DSl8820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)。

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；
    (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。

2 DSl8820實(shí)時(shí)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(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)。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(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。

    DSl8820的測(cè)溫原理如圖2所示：每次測(cè)量前，首先將一55℃所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置人減法計(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l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DSl8820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)電壓一溫度曲線(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。

   
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)。

3．1 溫度補(bǔ)償系數(shù)的選擇
    V一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：

    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：

式中，Vt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)作為主處理器完成主要的測(cè)控任務(wù)。單片機(jī)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(shí)現(xiàn)
    DSl8820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DSl8820通過(guò)單總線與單片機(jī)進(jìn)行通信，所以DSl8820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DSl8820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)DSl8820開始轉(zhuǎn)換，再讀出溫度轉(zhuǎn)換值。另外，DSl8820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?；贒Sl8820的通信協(xié)議編寫溫度傳感器控制程序，對(duì)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(cè)溫系統(tǒng)采用P1.1作為為通信端口，在DS18820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480μs，然后單片機(jī)釋放總線，等待DSl8820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如下：

   
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：

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。

    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△E均小于O．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)△E<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。