Пащенко Д.О, Сніжко Є.М.

Дніпропетровський національний університет

Автоматизована система вимірювання світлових та кольорових характеристик об’єктів

Постановка проблеми. Для життєдіяльності людини та багатьох технологічних процесів показники освітленості та спектрального складу світла є дуже важливими. Використовуються декілька показників, які слід контролювати для досягнення оптимальних результатів роботи. Видиме світло займає невеликий діапазон (довжина хвиль 360-830 нм) спектра електромагнітних хвиль, але має виключне значення у житті людини. Сьогодні інтенсивне розвиваються як автономні засоби вимірювання характеристик світла та світлових джерел, так і автоматизовані системи.

Стан проблеми. Світловий потік вимірюється в люменах (лм) і являє собою потужність світлового випромінювання. Люмен є світловий потік, що випромінюється точковим ізотропним джерелом, сила світла якого становить одну канделу (кд), в тілесний кут величиною один стерадіан. Освітленість вимірюється в люксах : 1лк=1лм/м².[1] Важливою характеристикою є також пульсація світлового потоку, яка вимірюється у відсотках. За санітарними нормами цей показник не повинен перевищувати 7-10% в діапазоні до 300Гц. Кольорові характеристики можуть визначатись у різних кольорових схемах: RGB, CMYK, HSB, Lab та ін. Найбільш популярною для джерел світла є схема RGB (червоний, зелений, синій), яка відповідає фізіологічній основі зору людини. В цій схемі вимірюються світлові потоки в трьох спектральних діапазонах. Для характеристики джерел світла використовується інтегральна характеристика – кольорова температура, яка відповідає спектру випромінювання абсолютно чорного тіла (рис.1). Існуючі прилади для вимірювання світлових та кольорових характеристик мають параметри та в більшості випадків не призначені для автоматизованих вимірювань з використанням комп’ютерів [3].

Рис.1.Спектр енергії W абсолютно чорного тіла при різних температурах (W при λ=554нм прийнято за 100%) [2]

Використання новітніх сенсорів, модулів бездротового зв’язку та мобільних комп’ютерів (смартфонів або планшетів) дозволяє побудувати автоматизовані системи вимірювань.

Постановка задачі. Метою роботи є створення апаратно-програмної автоматизованої системи для світлових та кольорових вимірювань на основі датчика кольору, мікроконтролеру для збирання та передачі результатів через канал Bluetooth на мобільний пристрій (планшет або смартфон) для обробки, візуалізації та збереження даних.

Основні результати. Вимірювальним елементом системи є датчик кольору TCS230, який містить 4 фотоприймача з каліброваними світлофільтрами (безкольоровий та фільтри за схемою RGB). Перший фотодіод призначений для вимірювань освітленості або яскравості джерела світла, три останні дозволяють вимірювати спектральні складові, які визначають колір об’єктів. Для виміру кольору об’єктів, які не світяться, призначені 4 освітлювальні світлодіоди білого кольору (рис.2а). Спектральні характеристики фільтрів наведені на рис.2б. Результат вимірювань представляється змінною частотою імпульсів. Максимальна частота дорівнює 500, 100 або 10 кГц в залежності від управляючих сигналів. Вибір частоти визначається бажаною точністю, швидкістю та можливостями управляючого мікроконтролера. Інформація з фотодіодів знімається по черзі в залежності від комбінації двох управляючих сигналів. Напруга живлення складає від 2,7В до 5 В.

Рис.2. Датчик кольорів TCS230: а) загальний вигляд; б) спектральні характеристики світлофільтрів

Мікроконтролер AVR ATMega328 по черзі опитує фотоприймачі та передає значення, пропорційні освітленості кожного фотодіода, через модуль Bluetooth HC-06 на смартфон, який працює у операційній системі Андроїд. Програма на смартфоні приймає дані,, обчислює параметри за попереднім калібруванням та відображає їх на екрані. Дані також можуть записуватись у пам’ять або передаватися на сервер.

Для обчислення кольорової температури можна застосовувати різні методи. Найбільш простим є обчислення за двокольоровим методом через відношення інтенсивностей синього та червоного світла (табл.1).

Визначення кольорової температури за двокольоровим методом Табл.1

Іс/Іч	Т, ^оК	Іс/Іч	Т, ^оК	Іс/Іч	Т, ^оК
0,0008 0,003 0,02 ,0,03 0,04 0,07	1000 1200 1400 1600 1800 2000	0,1 0,14 0,18 0,24 0,32 0,37	2200 2400 2600 2800 3000 3250	0,44 0,52 0,62 0,7 1,05 1,4 2	3500 3750 4000 5100 5500 6600 8500

Для перевірки вимірювальних характеристик системи були проведені виміри світлових та кольорові параметрів декількох люмінесцентних ламп (табл.2). Наведені первинні дані вимірів, обчислені параметри та проведена статистична обробка результатів..

Результати вимірювань кольорових характеристик Табл.2

Фільтр	Тепле світло	Нейтральне світло	Холодне світло
Без фільтра Червоний Зелений Синій	252±19 218±16 187±15 81±±8	225±20 196±17 173±14 123±11	237±16 168±12 191±12 203±15
Температура, К	3000±310	4000±420	6200±580
Пульсації, %	9±1,5	12±1,9	7±1,4

Із табл.2 видно, що кольорова температура ламп відповідає заявленим параметрам, а пульсації лежать на межі допустимих значень. Проведене також калібрування вимірів світлового потоку за сертифікованим приладом.

Висновки та подальші перспективи досліджень. В результаті проведеної роботи побудована автоматизована система реєстрації світлових та кольорових характеристик на основі датчика TCS230 , мікроконтролера з інтерфейсом Bluetooth та смартфона з операційною системою Андроїд. Система показала високі метрологічні характеристики. В подальшому планується дослідити стабільність метрологічних характеристик та покращити їх шляхом заміни датчика на більш точний, наприклад, TCS3200.

Список літератури

1.Сапожников Р. А. Теоретическая фотометрия. Л.: Энергия. 1977.

2. Гуревич М. М. Фотометрия (теория, методы и приборы). Л.: Энергоатомиздат. 1983.

3. Заутер Г., Линдеманн М., Шперлинг А., Оно О. Фотометрия светодиодов // Светотехника, 2004. № 3