数字温度传感器在测色系统中的应用方案

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。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DSl8820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。

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；

(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。



2 DSl8820实时温度采集

DSl8820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一92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)。DSl8820内部结构主要由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。

DSl8820的测温原理如图2所示：每次测量前，首先将一55℃所对应的基数分别置人减法计数器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l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DSl8820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，实现电压一温度曲线(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。

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。



3.1 温度补偿系数的选择

V一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：



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：



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型测色色差计选用STC89C58RD+新一代超强抗干扰／高速／低功耗单片机作为主处理器完成主要的测控任务。单片机单总线上挂接的DSl8820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。

3.3 软件实现

DSl8820简单的硬件接口是以相对复杂的接口编程为代价的。由于DSl8820通过单总线与单片机进行通信，所以DSl8820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DSl8820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DSl8820开始转换，再读出温度转换值。另外，DSl8820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。基于DSl8820的通信协议编写温度传感器控制程序，对DSl8820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DS18820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480μs，然后单片机释放总线，等待DSl8820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如下：



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：



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。



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，测色系统的测色色差△E均小于O．15，测量的重复性完全达到了国家计量院规定的15 min内△E<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。