基于RGB三基色原理的手持式色度儀的設計

摘要：介紹了一種基于RGB三基色原理的手持式顏色檢測儀的設計。本系統以MCS系列顏色傳感器和PICl8F系列單片機為核心，根據微電流測量原理，采取了有效的抗干撫措施，實現可靠的信號采集和處理，從而快速、準確地獲得了物體的顏色信息。實驗結果表明本系統基本滿足設計要求，擁有廣泛的應用前景。
關鍵詞：RGB三基色原理顏色檢測數據處理

       顏色傳感技術是現代顏色測量儀器核心技術之一，已發展為集光學、機械、電子于一體的系統。隨著現代工業生產向高速化、自動化方向的發展。對產品顏色的檢查和顏色品質的控制提出了嚴格的要求，使用顏色測量儀器也成為了對產品顏色進行客觀評價的主要手段。

       在顏色的檢測與識別中，影響其準確度的參數有很多．如照明光源、傳感器特性、接收部分、信號處理等，都會直接影響到測量的結果。如何處理好這些參數從而得到準確的測量結果是目前的主要問題之一。目前在檢測中三基色(RGB)顏色傳感器應用較為廣泛，本文將介紹一種基于RGB三基色原理的手持式顏色檢測儀的實現方法。

1 測量系統結構及測量原理
       如圖1所示，本系統主要由顏色傳感器、照明光源、信號處理電路、單片機和液晶顯示等部分組成。

1．1 顏色傳感器
       RGB三基色傳感器是通過測量構成物體顏色的三基色的反射比率實現顏色檢測的，由于其精密度極高，所以能準確區別極其相似的顏色，甚至是相同顏色的不同色調。本設計方案選用的是MCS系列的RGB三基色顏色傳感器。

1．2 照明光源
       本設計要求的測量光譜范圍為380nm～750nm，而白色光基本能夠覆蓋此光譜范圍，因此選擇白色貼片發光二極管照明。用白色光照明代替多種單色光模擬白光照明，從理論和具體實踐上都能提高照明效果，并且簡化設計方法。多個白色發光二極管組成環形45°(照明)/0°(測量)環形照明系統。

1.3 信號處理電路
       顏色傳感器的輸出信號一般是納安級的微小電流，這給測量帶來了不便。首先，要將微小的電流信號轉換為電壓信號，以便后續A/D轉換電路和單片機進行處理，同時還要完成放大的過程。如何在盡量減小失真的情況下完成光電流信號的轉換和放大，是測量工作中必須要解決的問題。

1．3．1 微電流測量原理
       微電流信號源可以看作是內阻非常大的電流源IS，具有接地端的微電流測量原理如圖2所示。對于輸入阻抗和放大倍數均無窮大的理想運算放大器來講，輸出電壓V0=ISRf。理論上，只要電阻Rf取得足夠大，即使電流IS很小，也可得到較大的輸出電壓V0。

       實際上，運算放大器輸入阻抗不是無窮大，電阻Rf的增大要受到運算放大器輸入阻抗的限制。考慮到偏置電流IB對被測電流IS的分流，則V0=-(IS-IB)Rf，如果IB大于IS，則IS無法測量。

       影響微電流測量靈敏度的首要因素是運算放大器的偏置電流IB，其次是噪聲電壓和零點漂移。要實現微電流測量，運算放大器要滿足：①偏置電流IB<被測電流IS；②輸入阻抗RI>>反饋電阻Rf；③增益、共模抑制比高；④失調電壓及漂移小；⑤噪聲小。

1.3.2 電路分析和設計
       在器件選擇方面，運放的輸入偏置電流IB是主要誤差源之一。本方案選用AD公司生產的AD8608芯片作為電流轉換放大的主芯片，如圖3所示。為了能測量納安級電流，圖2中的Rf要選1010數量級的電阻，這樣大的電阻精度低，穩定性差，噪聲也大，因此在圖3中用小電阻組成T型網絡代替高阻Rf，并在運放的輸出端接上RC濾波電路，用來驅除高頻噪聲信號和斬波尖峰噪聲的干擾，對提高電路的穩定性是很有好處的，但一般時間常數較大，不適合測量快變信號。C與R組成反饋補償網絡，以降低帶寬，防止T型網絡與C1相移產生自激振蕩。

1．3．3 提高性能的措施
       (1)不接運算放大器的平衡電阻
       實驗證明，在高內阻電流源的微電流放大器中，運算放大器接平衡電阻不僅很難使輸入電阻平衡，反而會增加電路噪聲，所以圖3中AD8608運算放大器同相端不接平衡電阻，而是直接接地。

       (2)降低運算放大器的工作溫度
       由運算放大器的溫度特性可知，溫度每升高10℃，運算放大器的偏置電流將增加1倍，從而降低微電流測量的靈敏度和準確度。為此，應盡可能地降低電源電壓．增大負載電阻(大于10k&Omega;)，以減小運算放大器的工作電流，降低工作溫度。

       (3)減小PCB的漏電流
       在微電流測量中，提高PCB的絕緣強度和減少漏電流非常重要。通常意義上等效于絕緣的納安級的漏電流就會對測量結果造成嚴重的影響，所以要采取措施嚴格控制PCB板的漏電流：選用漏電流遠小于pA級的高絕緣電路板，如環氧玻璃板；輸入信號采用絕緣好、不產生靜電、吸濕性小的聚四氟乙烯接線柱；在電路板上用接地屏蔽環將運算放大器的同相、反相輸入端包圍起來并接地，使其等電位，保證它們之間漏電流為零；電路安裝好后，清除殘留雜質，元件和電路板做清潔、干燥、防潮處理。

       (4)提高信噪比
       電阻選低噪聲的l％精度的金膜電阻；電容選低噪聲的瓷介、云母或鉭電容；電源兩級LC濾波，降低噪聲；電源線盡量遠離輸入信號線；信號輸入線用盡量短的屏蔽電纜；在電源部分和放大器的輸出、輸入部分大面積敷銅，放大器的輸入部分與電源一點接地；整個微電流放大器用金屬屏蔽。

1．4 測量控制電路
       本系統中采用PICl8Fxx8系列單片機為核心，利用其內置A/D轉換器采集電流電壓轉換后的信號，與參考數據比較，得到顏色編碼，送液晶屏顯示，如圖4所示。

2 軟件設計
       本系統采用匯編語言編程，有利于提高程序運行速度。系統軟件流程圖如圖5所示。

3 實驗結果與結論
       實驗中測量使用的樣品是《中國建筑色卡》。這是一套供建筑行業使用的事物顏色標準樣品，其顏色表示方法是依據GB／T15608-1995《中國建筑顏色體系》的標號系統設計的。色卡的編碼是根據GB／T 18922-2002《建筑顏色的表示方法》的要求制作的。

3．1 實驗
       此系統已進行顏色檢測實驗，從《中國建筑色卡》中選取了若干種標準顏色進行測量。圖6是該顏色體系轉換成RGB顏色體系后綠顏色刺激值的實際測量情況。

3．2 實驗結論分析
       從圖6的曲線可以看出，由于各種干擾因素的存在，實驗中對于分辨極其相近顏色的情況還不甚理想，主要的干擾因素包括：

       (1)照明光源對測量靈敏度的影響
       照明光源的穩定性直接影響到顏色傳感器輸出信號的準確性。用白光照明相比較用單一色光模擬的優越性確實存在，但其自身也存在問題，例如色溫相對不穩定、平衡性不太理想等。

       (2)反饋電阻對電流電壓轉換靈敏度的影響大阻值的反饋電阻精度低，穩定性差，噪聲也大，而小阻值的反饋電阻容易使被測信號淹沒在噪聲中。

       (3)色卡校準問題

       每一套標準色卡都有使用期限，使用一段時間后，容易出現走色、變色等情況，需要重新清潔、保養或更換等。

       顏色檢測在工業、生產自動化和辦公自動化等領域用處很大，有效、便捷、可靠地測量出被測物體的顏色是顏色檢測中的關鍵技術之一。RGB三基色傳感器保證了測量的精確性，而放大電路和以單片機為核心的控制電路保證了數據處理的準確性和快速性。本文所述的手持式顏色檢測儀的設計應用廣泛，對快速、方便、準確地獲得顏色信息技術做了探索，必將推動國內此類技術的進一步研究。