Измеритель цвета

Полезная модель относится к области физики, к устройствам для измерения цветовых параметров твердых материалов (поверхностей) и может быть использована в отраслях промышленности и сельского хозяйства, где цвет является одним из основных показателей качества продукции, в частности в светокультуре, при измерении цвета плодов и листьев растений.
Цвет поверхности является свойством, проявляющимся в объективном спектральном составе исходящего от нее излучения и субъективно воспринимаемого в виде зрительного ощущения. Современная теория распознавания и измерения цвета основана на факте наличия у органа зрения человека трех видов рецепторов, каждый из которых преимущественно реагирует на красный, зеленый или синий цвет. Таким образом, измерение цвета поверхности объекта может быть произведено по ее отражательной способности в этих спектральных диапазонах. В частности отражение от листа растения на различных длинах волн зависит от пигментного состава, что позволяет оценить состояние растения.
Известно устройство для измерения цвета поверхности, содержащее узел освещения измеряемой поверхности и узел измерения трехкомпонентного вектора цвета излучения, рассеянного измеряемой поверхностью [Петров А.П. Способ измерения цвета поверхности и измеритель цвета поверхности. Пат. РФ № 2018793, МПК G01J 3/46, 1990. Опубликовано: 30.08.1994]. Недостатки известного технического решения - его конструктивная сложность и недостаточная функциональность, поскольку измеритель не обеспечивает идентификации цвета измеряемой поверхности по совокупности свойств цвета - цветовому тону и яркости.
Известно устройство для измерения цвета, содержащее корпус, выключатель, лампу, фотоприемник, светодиоды [Баранов А.В. Универсальный измеритель цвета пищевых продуктов. Пат. РФ на ПМ 160798, МПК G01J 3/00, 2015]. Недостатки известного технического решения: необходимость предварительного составление таблицы качественных показателей снижает удобство в работе.
Известен измеритель, содержащий корпус, микропроцессор, датчик цвета, экран датчика цвета, дисплей [Датчик света и цвета. https://blog.kvv213.com/2018/01/datchik-sveta-i-tsveta-tcs3200-arduino-mega-chto-to-poluchaetsya/]. Недостатки известного технического решения: дороговизна используемого типа микропроцессора (Arduino Mega), недостаточная информативность при отображении параметров цвета на дисплее, недостаточная эргономичность корпуса.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является измеритель цвета, содержащий корпус, экран датчика цвета, микропроцессор, входы/выходы которого связаны последовательной асимметричной шиной данных с дисплеем и датчиком цвета, а цифровыми выходами - с индикатором цвета [Датчик цвета и Arduino. https://arduino-diy.com/arduino-datchik-tsveta]. Недостатки известного технического решения: ограниченная функциональность, связанная с отсутствием возможности передачи результатов измерений по беспроводному каналу; недостаточное удобство в работе (эргономичность) устройства, недостаточная точность измерений в связи с возможностью засветки датчика цвета от внешнего излучения, проникающего сквозь корпус, при проведении измерений в светокультуре, под мощными светильниками, а также затрудненностью позиционирования датчика цвета в конкретную точку поверхности.
Технической задачей полезной модели является обеспечение возможности контролировать качество (свойства) объектов путем создание функционального и эргономичного средства измерения цвета их поверхности.
Технический результат полезной модели заключается в повышении функциональности и эргономичности устройства, а так же повышении точности измерений.
Технический результат достигается тем, что измеритель цвета, содержащий корпус, экран датчика цвета, микропроцессор, входы/выходы которого связаны последовательной асимметричной шиной данных с дисплеем и датчиком цвета, а цифровыми выходами - с индикатором цвета, согласно полезной модели, он снабжен блютусом, связанным с микропроцессором асинхронной шиной данных, программируемыми клавиатурой и кнопкой, связанными с цифровыми входами микропроцессора, экраном индикатора цвета; USB-разъемом, выключателем питания, батареей автономного питания, разъемом внешнего питания, при этом корпус выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда с большими верхней и нижней сторонами; на его верхней стороне симметрично относительного боковых сторон и со смещением к передней, противоположной ручке, стороне выполнен верхний выступ в форме усеченного конуса, с отверстием на торце, закрытый диффузно пропускающим материалом, под которым размещен индикатор цвета, окруженный экраном, дисплей и клавиатура расположены на корпусе между его верхним выступом и ручкой, примыкающей к корпусу с его задней стороны, нижнее отверстие, в выполненном аналогично верхнему нижнем выступе на нижней стороне корпуса, закрыто прозрачным материалом, за которым размещен датчик цвета, окруженный экраном, кнопка расположена на нижней части ручки, в месте ее примыкания к корпусу, USB-разъем и выключатель питания размещены на боковых сторонах устройства, разъем внешнего питания расположен в торце ручки, внутри которой размещена батарея автономного питания, все электронные компоненты смонтированы на стойках на внутренней поверхности корпуса, ручки и на разделительной пластине из светонепроницаемого материала, размещенной внутри корпуса, корпус и ручка выполнены с возможностью разъема и скреплены болтовыми соединениями; ручка относительно плоскости разъема смещена вверх.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематически представлена конструкция измерителя цвета (виды сбоку и сверху); на фиг. 2 и 3 представлены соответственно функциональная и принципиальная электрическая схемы измерителя цвета; на фиг. 4 и 5 представлены внешние виды измерителя цвета соответственно сверху и снизу.
Измеритель цвета содержит корпус 1, микропроцессор 2, датчик цвета 3, экран датчика цвета 4, индикатор цвета 5, дисплей 6, экран индикатора цвета 7, блютус 8, программируемые клавиатуру 9 и кнопку 10, связанные с цифровыми входами микропроцессора 2, USB-разъем 11, выключатель питания 12, батарею 13 автономного питания, разъем внешнего питания 14.
Корпус 1 выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда, большие стороны которого при измерении цвета верхней стороны горизонтально расположенной поверхности располагаются сверху и снизу устройства. На верхней стороне корпуса 1 (расположенной противоположно от измеряемой поверхности) симметрично относительного его боковых сторон и со смещением к передней стороне (дальней от руки оператора) выполнен верхний выступ 15 в форме усеченного конуса, имеющий на торце верхнее отверстие 16, которое закрыто диффузно пропускающим материалом 17, под которым размещен индикатор цвета 5, окруженный экраном 7. Ручка 18 примыкает к корпусу 1 с его задней (ближней к руке оператора) стороны. Дисплей 6 и клавиатура 9 расположены между выступом 15 на верхней стороне корпуса и ручкой 18, на корпусе 1 у границы его примыкания с ручкой 18, таким образом, что при работе с устройством обеспечивается возможность попеременного нажатия на кнопки клавиатуры 9 большим пальцем руки. Алгоритм управляющей программы позволяет изменять функционал (назначение) кнопок клавиатуры 9 для каждого из режимов работы устройства. Аналогично верхнему выступу 15, на нижней стороне корпуса 1 (направленной к измеряемой поверхности) выполнен нижний выступ 19, в котором имеется нижнее отверстие 20, закрытое прозрачным материалом 21, за которым размещен датчик цвета 3, окруженный экраном 4. Кнопка 10 расположена в нижней части ручки 18, в месте ее примыкания к корпусу 1. При работе с устройством на нее опирается указательный палец руки оператора. USB-разъем 11 расположен на правой боковой поверхности корпуса 1 относительно ручки 18. Выключатель питания 12 расположен на левой боковой поверхности ручки 18. Разъем 14 внешнего питания расположен в торце ручки 18, внутри которой размещена батарея 13 автономного питания. Все электронные компоненты смонтированы на стойках на внутренней поверхности корпуса 1 и на разделительной пластине 22 из светонепроницаемого материала, размещенной внутри корпуса 1 и электрически соединены монтажными проводами в соответствии с логикой их совместной работы. Для доступа к внутренним электронным компонентам корпус 1 и ручка 18 выполнены с возможностью разъема в горизонтальной плоскости и крепятся вместе болтовыми соединениями 23 через отверстия и втулки с нижней стороны устройства с гайками, впрессованными внутри корпуса 1 и ручки 18 с верхней стороны. Ручка 18 относительно плоскости разъема смещена вверх.
Функционально электронные компоненты устройства взаимодействуют следующим образом (фиг. 2).
Микропроцессор 2 своими входами/выходами через последовательную асимметричную шину I2C передает сигналы на дисплей 6, на котором отображаются режимы работы устройства в виде меню и результаты измерения (координаты цветности). По этой же шине производится связь с датчиком цвета 3, с которого информация о цвете в закодированном виде передается в микропроцессор 2. Для избежания конфликтов на шине дисплей 6 и датчик цвета 3 имеют различные адреса, которые задаются аппаратно. Связь микропроцессора 2 с блютусом 8 для передачи измеренных данных на внешнее устройство производится по асинхронной шине данных UART.
Отдельными цифровыми выходами микропроцессор 2 связан с индикатором цвета 5, на который передается комбинация RGB координат, зрительно воспринимаемая оператором как измеренный цвет. Так же отдельными цифровыми входами микропроцессор 2 связан с клавиатурой 9 и кнопкой 10. Данные компоненты разнесены конструктивно для повышения удобства работы. Кнопка 10 вынесена под указательный палец оператора (имитация спусковой скобы пистолетной формы ручки 18), а кнопки клавиатуры 9 расположены таким образом, что бы отображаемые на дисплее 6 режимы меню однозначно сопоставлялись с ее соответствующими кнопками. В конкретной версии программного обеспечения, загруженного в микропроцессор 2, кнопки клавиатуры 9 могут нести функции задания режимов работы: «Измерение», «Калибровка», «Передача данных». Кнопка 10 может нести функцию подтверждения режима.
Работа электрической схемы происходит следующим образом.
Питание на схему подается через выключатель 12. При вставленном штекере в коаксиальный разъем 14, расположенный в нем нормально замкнутый контакт размыкается и схема получает питание от внешнего источника. В автономном режиме работы используется питание от батареи 13. «Плюс» питания подается на вход VIN микропроцессора 2 типа Arduino Nano. Стабилизированное напряжение для питания дисплея 6 и датчика цвета 3 снимается с его выхода 5V, напряжение для питания блютуса 8 снимается с выхода 3V3. Общим проводом является «минус», он подается на вход Gnd микропроцессора 2 и других электронных компонентов. Линия данных SDA последовательной асимметричной шины I2C подключена к цифровому выходу D4 микропроцессора 2, линия синхронизации SCL - к выходу D5. Для отображения текстовой информации использован дисплей 6 типа LCD1602. Символы выводятся в две строки, по 16 символов в строке, их размер 5×8 пикселей. Встроенная подсветка включается при подаче питания на пины модуля. В качестве датчика цвета 3 использован модуль TCS34725, который содержит светочувствительные элементы для измерения красной, зелёной и синей составляющей потока света, отраженного от поверхности. Источником для освещения поверхности является светодиод, расположенный на модуле и управляемый с аналогового выхода A0 микропроцессора 2. Для передачи информации на внешние устройства использован модуль блютус 8 типа HT05. Управление им производится по асинхронному протоколу шины UART, по линиям RXD и TXD микропроцессора 2 (пины D2 и D3). Индикатор цвета 5 выполнен на базе трехцветного светодиода типа MCDL-5013RGB. Цвет его свечения задается путем изменения интенсивности свечения отдельных каналов с помощью ШИМ регулирования от цифровых выходов D10-D12 микропроцессора 2. Управление устройством производится через клавиатуру 9 и отдельно размещенную кнопку 10, которые подключены к пинам D6, D7, D8 и D12 микропроцессора 2.
Устройство работает следующим образом.
При измерениях оператор держат устройство в руке за ручку 18, таким образом, что указательный палец руки опирается на кнопку 10, а большой палец расположен сверху в области сочленения корпуса 1 и ручки 18, у клавиатуры 9. Нажатием на выключатель 12 включают устройство. Подносят прибор нижним выступом 19 корпуса 1 к поверхности, цвет которой необходимо определить. В соответствии с алгоритмом работы управляющей программы, загруженной предварительно в микропроцессор 2 через USB - разъем 11, срабатывает датчик цвета 3. Информация о цвете поверхности после математической обработке в микропроцессоре 2 отображается на дисплее 6 в численном виде (доли красной R, синей B и зеленой G составляющих цвета) и передается через блютус 8 на внешнее устройство. Из полученных RGB - составляющих синтезируется цвет свечения индикатора цвета 5. Управление режимами работы производится нажатиями на клавиатуру 9 и кнопку 10. Экраны индикатора 7, датчика цвета 4 и разделительная пластина 22 препятствуют попаданию паразитной засветки на датчик цвета 3. При необходимости электрическое питание устройство получает через разъем внешнего питания 14. Для замены батареи и ремонта устройства его разъединяют по корпусу 1 и ручке 18, развинчивая болтовые соединения 23.
Пример. Устройство использовали при измерении цвета листьев растений томата, выращиваемого в теплице при различных условиях. С помощью программного обеспечения, загруженного в микропроцессор прибора, определяли RGB координаты цвета. Предварительно проводили калибровку в темновом режиме, закрыв нижнее отверстие прибора светонепроницаемым материалом, а так же по белой матовой пластине. Найденные калибровочные коэффициенты сохраняли в энергонезависимой памяти микропроцессора. При измерениях подносили устройство к верхней стороне листа растения. Найдены численные значения составляющих цвета R=80, G=92, B=68. По зрительному ощущению это грязно-зеленый цвет. По индикатору цвета визуально наблюдали соответствие синтезированного цвета реальному. Найденные численные значения RGB координат с помощью блютус передавали на смартфон для их сохранения и дальнейшей обработки, целью которой является оценка пигментного состава листьев растений.
Наличие блютуса, индикатора цвета, экранированного от внешней засветки, батареи автономного и разъема внешнего питания, принятых конструктивных и схемотехнических решений повышает функциональность устройства. Конструктивные элементы устройства (форма корпуса и ручки, их взаимное расположение), размещение органов управления, датчиков и разъемов повышает удобство в работе. Наличие разделительной пластины из светонепроницаемого материала внутри корпуса повышает точность измерений. Размещение датчика цвета в нижнем конусном выступе корпуса облегчает позиционирование устройства по измеряемой поверхности, что так же ведет к повышению точности измерений.