便携式色差计的设计_电子论文

（便携式色差计的设计 毕业论文 86页 37511字包括开题报告文献综述任务书外文翻译程序电路图答辩记录等）

摘要：颜色测量一直是颜色科学领域和实际工农业生产中的一个重要问题。色差计一直是应用最广泛的测色仪器之一。而国内色差计的设计制造多以台式为主，市场上的便携式色差计大多是国外进口。鉴于此有必要研究设计便携式色差计。
本文设计了一种光电积分式便携式色差计，其原理是利用探测系统内部的标准光源照明被测样品，在整个可见光波长范围内进行一次积分测量，得到该样品三刺激值XYZ，由此可计算物体色的色品坐标，并可根据两种样品的色品坐标计算它们的色差。本方案采用CIE推荐的0/d测量条件，以冷白光源LED为照明光源，入射积分球内的光线与样品表面法线成8o的角度，光线经标准色板或被测样品反射，到达X、Y、Z硅光电池探测器的只有在积分球内经过多次漫反射的光通量。电路系统引用单片机嵌入式技术，大大缩小了色差计体积，使色差计具有便携性和准确测量等特点。
本文根据国内外测色仪器和色差计的发展现状，阐述了色度学基本理论和颜色测量基本原理方法，并对比了测色仪器的基本结构，详细介绍了一种便携式色差计探测系统的设计方案。

关键词：色差计；光电积分；积分球；颜色测量；三刺激值
中图分类号：TH833

The Design of
Portable colour-difference Meter
Abstract: Color measurement has always been an important issue in the field of color-science and production of practical industry and agriculture. The color difference meter is always one of the most popular applied instruments in color-measurement. However, design and manufacture of color difference meter domestic are almost desktop and most of the portable types in the market are imported from abroad . Therefore, it’s very necessary to carry out the research and design for a portable one.
In this article we design a portable color difference meter which is a type of photoelectrical integral. It makes use of the standard lighting source whose light tests the samples in the entire visible wavelength range then integral to conduct a measurement, after getting the three stimulating values of XYZ, we can calculate the color-coordinates of the body-color, and according to the color coordinates of the two samples,we can get their color difference .This design uses 0/d condition recommended by the CIE as the testing condition and cold-white LED light as the light source. The light in the integral ball is at the angle of 8o with the surface of the sample. The light is reflected by the standard samples or the samples tested. Therefore, that arrives at the X, Y, Z silicon battery testing device are only the luminous flux which reflect many times inside the accumulate points ball. This circuit system cites SCM embedded technology which greatly shrinks the volume of the difference color meter, which makes the colorimeter have characteristics of portability and accurate measurement, etc.
According to the present development of the color-instrument and color-difference meter domestic and abroad，this article indicates the fundamental theory and basic concept of color and color-measurement and have a contrast of the basic structure of color-measurement instruments，then describes a portable detecting system of differential colorimeter in detail.

Keywords：Color meter; photoelectric integration; integral ball; color measurement; tristimulus values
Classification：TH833

目次
摘要 I
目次 III
1. 引言 1
1.1 课题来源和意义 1
1.2 现阶段国内外研究现状 1
1.2.1 国内外测色仪器研究现状 1
1.2.2 国外色差计研究现状 2
1.2.3 国内色差计研究现状 2
1.3 论文研究内容 3
2. 色度学基本理论 4
2.1 三原色原理 4
2.2 色品图 4
2.3 色差和色差公式 6
2.3.1 　色差 6
2.3.2 色差公式 7
3. 颜色测量基本理论 10
3.1 基本原理 10
3.2 颜色测量方法 10
3.3 CIE标准照明体 11
3.3.1 反射测量 11
3.3.2 透射测量 13
3.4 白色标准 14
4. 色差计的基本原理和结构 15
4.1 光电式色差计的原理 15
4.2 色差计的基本结构设计 17
4.2.1 照明光源 17
4.2.2 积分球的基本原理 17
4.2.3 探测器 18
5. 便携式色差计设计 20
5.1 色差计的整体系统结构 20
5.2 探测系统 22
5.2.1 照明光源 24
5.2.2 光电探测器 25
5.2.3 滤色片 25
5.2.4 分光镜、反射镜、凸透镜 25
5.2.5 导光筒 26
5.2.6 积分球 26
5.2.7 挡板（屏） 26
5.3 专用电路探究 27
5.3.1 电流电压转换放大电路 27
5.3.2 包络检波器 28
5.3.3 A／D转换、逻辑处理和显示电路 29
5.3.4 C8051F350单片机 29
6 总结 31
7 参考文献 33
6.作者简介 34
学位论文数据库 35

1. 引言
1.1 课题来源和意义
本次毕业设计课题为“便携式色差计的研究设计”。该课题属于工程技术仪器研究，题目来源于教师的科研项目。
光电积分式色差计是一种常见的测色仪器。它利用仪器内部的标准光源照明被测物体，在整个可见波长范围内进行一次积分测量，直接测得透射或反射物体色的三刺激值和色品坐标，并通过专用数据处理系统和显示系统给出两个被测样品之间的色差值。这对于只需要控制物体颜色而不需配色的行业来说,具有测量速度快、价廉且具有比较高的精确度。
在各种测色仪器中，色差计的应用最为广泛。与光谱测色仪相比较，尽管测量精度稍低，但是它体积小，价格低，对工作环境要求不高，操作简便易学，在科研、教学、纺织、印染、造纸、印刷、包装装潢、化工、建材、油漆涂料、染料、塑料、粮油、医药、遥感、军事伪装、服装、陶瓷、冶金、公安、制盐、矿产、地质、工美、珠宝、以及商检、质检和计量等行业和部门得到广泛应用。色差计已经成为科研和生活活动中不可缺少的光学分析仪器。色差计在以上各行业的大显身手，充分显示了其在各种测色仪器中相当的优越性。
测色速度和精度的提高对提高颜色产品的质量、提高生产率和经济效益都起着重要作用。随着市场经济的发展，人们审美意识的提高、流行色周期的渐趋缩短，离线目测人评方式已不能适应国际国内市场对产品颜色的定量评价要求，目前，测色领域正极大扩展，如纺织，印染、造纸、陶瓷、建材和化工等部门，能实现微面积，精细颜色测量的便携式色差仪器是势在必行的迫切任务。便携式色差计仪器产品市场前景十分广阔。

1.2 现阶段国内外研究现状

1.2.1 国内外测色仪器研究现状
随着颜色工业的发展, 各方面对颜色质量控制和配方预测的要求愈来愈高, 使用中遇到的问题愈来愈多, 于是各种更为精确的光学模型、算法技术及相应测色系统不断被提出、研究和开发, 以满足不同层次、不同应用的要求, 如Sanderson修正、多光通理论、递归二次逼近及优化算法、优化系数算法、矩阵分块算法、非凸逼近模型、通用颜色系统数学模型、绝对配色技术、神经网络技术等[1]。
目前国外有生产厂商正在从事自动测色与配色系统的研制, 相应的产品也不断投放市场。美国的Applied Color System 、英国的Instrumental Color System和瑞士的Data Color是世界上三个最主要的色空仪器公司[2]（这3家公司于1991年被瑞士一财团收购合并成现在的Data Color Internatonal）另外一些重要的公司如美国的Macbeth、Shelyn、Hennegan、BYK-Garder等；德国的Zeiss、Optronic等以及英国等国家的著名光学公司均研制了实用的测色与配色系统, 并有相当数量出口。
国内在仪器测色配色的理论和系统的研究领域中处于比较落后的状态, 至今许多生产单一位的颜色质量和配方预测过程主要依靠配色人员的经验和目视判断, 即采用原始的尝试和辨差法, 严重的制约了我国颜色工业的发展。目前, 我国仪器市场的颜色测量仪器大部分是进口仪器, 如美国HACH分光光度计、英国Tintometer公司的测色仪、日本美能达的色差计等。国内产品主要是台式仪器, 体积大, 携带和使用不方便, 且价格高。所以, 需要研制小体积、低价格的颜色测量仪器。

1.2.2 国外色差计研究现状
半个多世纪以来，随着科学技术的发展，测色仪器不断完善，特别是近代的微电子技术和计算机技术给测色仪器带来了革命。现代色差计由于采用了高稳定、长寿命的新光源、性能卓越的硅光电探测器和先进的电子技术，测色的精度已接近光谱仪器，而且朝更小体积化、功能更全面化、使用维修更方便化的便携式方向发展。
国外测色仪器的现状和发展趋势来看，测色仪器的发展史上有两座里程碑。30年代A.C.Hardy发明了首创了光谱测色仪，40年代R.S.Hunter[3]发明了光电色差计。虽然光电色差计的发明比分光光度计及光谱测色仪的发明了晚了整整十几年，但是由于它的便携式，较高灵敏度，以及在工农医药等领域的广泛应用，使得国外色差计在整个测色分析仪器中所占的比例越来越大。从国外的色差计来看，一般国外的色差计都有条件设定，功能自检，安全启动等项目。同时国外色差计在数据采集和数据处理、计算一直到显示输出都向智能化，自动化发展，并且具有高可靠性高灵敏度。国外进口的色差计具有较高的价格，但是性能比较优异。现在生产光学色差仪器做的较出色的如德国、美国、日本、瑞士等国家。如日本日电公司P6R-100DP型，美能达公司CR-100型、CR-200型，美国亨特实验室D25-PC2型、瑞士DFC-5Elrepho Mat、日本电气公司ND-100DP等产品[4]。

1.2.3 国内色差计研究现状
中国的颜色测量起步较晚，70年代中期一些西方国家的光谱测色仪和色差计进入中国市场，同期中国的一些学者和少数几家企、事业单位开始研制国产色差计。
进入80年代以来，随着中国科学技术的进步、生产的发展和进出口贸易的扩大等对产品的颜色质量提出了更高要求，先后有数十家科研单位和厂商研制和生产各种类型和牌号的色差计。目前中国生产的色差计已形成了完整的系列、品质上完全可以与进口仪器相媲美、并且以其价格优势成为市场主流。比如北京康光仪器有限公司生产的SC-80A台式色差计、杭州轻通仪器开发有限公司生产的YQ-Z-48A的台式色差计、北京光学仪器厂生产的TX-PⅡ便携台式两用色差计及温州仪器仪表有限公司生产的WS-SD台式色差计、北京理工大学研制的FS-100～FS-600型便携式色差计等。中国色差计生产，总体上已达到了当前国际水平，今后仍更将朝着高精度、小型化、高速度、多功能、高性能价格比的便携化方向发展，因此研究便携式色差计设计及应用对于今后的科研和生产实践具有很深刻的意义。

1.3 论文研究内容
论文主要对色差计分两部分进行探讨研究设计。第一部分为色差计探测头部分的设计。探测头系统设计以光电式色差计的基本理论为基础，采用0/d结构，冷白光LED为光源。探测头系统设计主要是对系统中各部件的功能作用研究对比，然后进行选择性选用组装设计，比如探测头系统中的光源选用，分光镜、凸透镜平面镜的位置摆放，光线进入积分球的角度，积分球内挡板摆放位置，以及颜色传感器硅光电池的选用位置等。本文绘制了探测头系统光路图，详细阐明光线自光源至六路硅光电池探测器的工作机理和光线传播过程，最后给出色差计探测头系统模型实物图，使设计更明了。第二部分通过引用期刊、文献、著作、上发表过的色差计电路设计图，简要探究色差计电路设计的主要模块，对放大电路、包络检波电路、单片机系统电路的进行引用阐述。通过探测头系统的研究设计和电路的引用探讨，使色差计有一个整体模型结构。文中最后给出本便携式色差计的最后外观设计模型图。

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