一種光電直讀水表傳感器抑制氣泡干擾的方法
【專利摘要】一種光電直讀水表傳感器抑制氣泡干擾的方法，適應于采用光電技術對機械計數(shù)器顯示的讀數(shù)進行電信號編碼輸出的水表，包括單片機、通訊接口組件、直流供電組件、多組由多對光敏接收管、光發(fā)射管對管組成的光電傳感器的光電傳感譯碼器組件，連接光敏接收管的單片機I/O端口具備可編程的輸出功能和帶上拉的輸入功能，通過將該端口切換為輸出功能和帶上拉的輸入功能，完成對光敏接收管的不同的供電連接，使得光敏接收管的采樣電阻在單一外接采樣電阻(Rn-1)與外接采樣電阻(Rn-1)串接單片機內部I/O端口的上拉電阻(R)之間切換，通過調整光敏接收管采樣電阻，來調整光敏接收管的傳感靈敏度，實現(xiàn)抑制氣泡干擾的作用，具有抗氣泡干擾能力強，成本低，實現(xiàn)簡單的特點。
【專利說明】一種光電直讀水表傳感器抑制氣泡干擾的方法
【技術領域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種光電直讀水表傳感器抑制氣泡干擾的方法，適應于采用光電技術對機械計數(shù)器顯示的讀數(shù)進行電信號編碼輸出的水表，尤其是光電直讀式濕式水表。
【背景技術】:
[0002]水表分為干式水表與濕式水表兩大類，目前自動遠程抄表技術出現(xiàn)了一種通過加裝光電傳感器組件，讀取一次計量儀表讀數(shù)信息的裝置，即光電直讀式傳感器裝置，簡稱光電直讀傳感器。該裝置通過對原機械計數(shù)器裝置的計數(shù)器字輪作技術改造，在計數(shù)器字輪上按一定的編碼規(guī)律，制作編碼條，采用光電傳感器部件，將計數(shù)器字輪上的“O”- “9”十個數(shù)字轉化為數(shù)字編碼信號，通過接口，直接將讀數(shù)輸出到遠端抄表設備，該直讀裝置平時不需要供電，只有需要抄表時才瞬間供電，解決了以前脈沖抄表系統(tǒng)中的的長期供電問題。隨著技術的發(fā)展，光電直讀技術在近幾年得到了較快的發(fā)展，由于干式水表的用水計量傳動加裝了一級磁傳感，精度低，且隨著時間的推移，其流量計量精度越來越低，也影響了干式表的使用與推廣；但已有的用于濕式水表的光電直讀傳感器，其不足也較為明顯:濕式水表液封盒中容易產生氣泡，尤其是在編碼條上或編碼槽中存在氣泡時，當光發(fā)射管發(fā)出的光線通過時，容易產生折射等現(xiàn)象，使照射到光接收管的光強度降低，使得光接收管的感應電流降低，造成傳感器編碼錯誤，導致由于氣泡干擾產生的讀數(shù)錯誤；針對氣泡干擾，目前業(yè)界還沒有有效的辦法，由于氣泡干擾的限制，使得光電直讀式濕式水表的推廣困難。

【發(fā)明內容】
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[0003]本發(fā)明的設計目的是:提供一種光電直讀水表傳感器抑制氣泡干擾的方法，用于采用光電技術對機械計數(shù)器顯示的讀數(shù)進行電信號編碼輸出的水表，使用該方法設計的光電直讀式濕式水表防氣泡干擾的能力強，同時具備價格低廉，性能穩(wěn)定、使用電子元器件數(shù)量少的特點。
[0004]本發(fā)明所提供的光電直讀水表傳感器抑制氣泡干擾的方法，包括單片機、通訊接口組件、直流供電組件、多組由多對光敏接收管、光發(fā)射管對管組成的光電傳感器的光電傳感譯碼器組件，本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0005]連接光敏接收管的單片機I/O端口具備可編程的輸出功能和帶上拉的輸入功能，通過程序控制將該端口切換為輸出功能和帶上拉的輸入功能，完成對光敏接收管的不同的供電連接，使得光敏接收管的采樣電阻在單一外接采樣電阻(Rn-1)與外接采樣電阻(Rn-1)串接單片機內部I/O端口的上拉電阻(R)之間切換，使光敏接收管采樣電阻的阻值在Rn-1與Rn-1+R之間切換，通過調整光敏接收管采樣電阻，來調整光敏接收管的傳感靈敏度，實現(xiàn)抑制氣泡干擾的作用；
[0006]為方便進一步說明，預先對采用一對光敏接收管與光發(fā)射管的光感應原理進行描述，光發(fā)射管D負極連接低電位、光發(fā)射管D正極連接分壓電阻R3的一端，R2的另一端連接供電電源Vcc，接通電源，此時光發(fā)射管工作，定義此條件下的發(fā)光強度為Pw ;光敏接收管Q的發(fā)射極連接低電位，集電極連接電阻R的一端，連結點定義為采樣點Vsin，電阻R的另一端連接供電電源Vcc，設當光強度為PW的光照射到光敏接收管Q上，光敏接收管Q感應的電流為I，假設光敏接收管工作在線性區(qū)，且不考慮其他器件因素，將符合以下計算:
[0007]Vsin = Vcc-Rlx I ；
[0008]本發(fā)明可通過以下具體的技術方案與流程來實現(xiàn):
[0009]1、單片機采用內置有多路模擬數(shù)字轉換器(ADC)。
[0010]2、每組光電傳感器組件由一個取樣電阻、一個限流電阻，多對包含一個光敏接收管、一個光發(fā)射管的光電對管組成的光電傳感器對管組成，每組光發(fā)射管正極并聯(lián)后，連通單片機的一個ADC輸入腳(ADTn)，再串接限流電阻直接連接單片機的一個輸出引腳(VDn)，每組光敏接收管的集電極并聯(lián)后，連通單片機的一個ADC輸入腳(ARTn)，再串接取樣電阻(Rn-1)，取樣電阻(Rn-1)連接單片機的I/O端口(VRn)，單片機的I/O端口(VRn)具有通過程序設定為帶上拉的輸入功能、與輸出功能，每對光電傳感器對管的發(fā)射極(VSm)連通，多組光電傳感器組件中相對應位置的(VSm)連接后，直接連接單片機的一個輸出引腳(VSm)；當通過程序設定，將I/O端口(VRn)設置為上拉輸入，可等效為取樣電阻(Rn-1)串接了一個電阻(R)，再連接到單片機系統(tǒng)的供電電源Vcc上；
[0011]光電傳感器組件采用逐一掃描的方式完成數(shù)據(jù)測量，每次完整的掃描過程包含以下五個步驟:
[0012]第一步:通過單片機程序控制，將單片機的、需掃描檢測的光電傳感器組件對應的I/O端口(VRn)設置為輸出端口，通過程序設定為輸出高電平時，等效于取樣電阻(Rn-1)連通到供電電源Vcc上，將需掃描檢測的光電傳感器組件對應的(VDn)輸出低電平，需掃描檢測的光電對管對應的(VSm)輸出低電平，然后通過測量(ARTn)的信號電平，測量外部環(huán)境光照強度，如外部環(huán)境光的強度超過一定的設定值，停止繼續(xù)往下測量，報光干擾錯誤；否貝U，繼續(xù)進行下步驟的掃描測量；
[0013]第二步:將單片機的、需掃描檢測的光電傳感器組件對應的I/O端口(VRn)保持為輸出端口，且輸出高電平，將對應的(VDn)輸出高電平，需檢測的光電對管對應的(VSm)輸出低電平，點亮發(fā)光管Dn-m，然后測量(ARTn)的信號電平，再依次掃描各光電傳感器，記錄此次掃描的轉換數(shù)據(jù)；假設此時光發(fā)射管Dn發(fā)出的光透過編碼器的編碼孔槽照射到光敏接收管Qn的光通道，如不存在氣泡干擾，則沒有經(jīng)過氣泡干擾衰減，(ARTn)的信號電平將符合正常的邏輯要求，譯碼數(shù)據(jù)正常；但光通過光通道時，可能會經(jīng)過一個或多個干擾氣泡時，照射到光敏接收管Qn上的光強度Pw將降低，光敏接收管Qn的感應電流也會降低，導致此條件所獲取的采樣電壓(ARTn)的信號電平會比正常的電壓值抬高，當抬高到超過閾值V時，即氣泡干擾嚴重時，采樣點的邏輯電平由正常的“O”變?yōu)榱?“1”，導致處理后的數(shù)據(jù)錯誤；
[0014]第三步:通過單片機程序控制，將單片機的、需檢測的光電傳感器組件對應的I/O端口(VRn)設置為上拉輸入端口，此條件下，可等效為取樣電阻(Rn-1)串接了一個電阻(R)，再連接到供電電源Vcc上，此時取樣電阻將增大為Rn-1+R，通過控制單片機的對需檢測的光電傳感器組件對應的(VDn)輸出低電平，需檢測的光電對管對應的(VSm)輸出低電平，然后通過測量(ARTn)的信號電平，測量外部環(huán)境光照強度，如外部環(huán)境光的強度超過一定的設定值，停止繼續(xù)往下測量，上報第二步的測量數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)可能存在氣泡干擾；否則繼續(xù)測量，達到消除氣泡干擾的效果；
[0015]第四步:將單片機的、需掃描檢測的光電傳感器組件對應的I/O端口(VRn)保持為上拉輸入端口的狀態(tài)，將對應的(VDn)輸出高電平，需檢測的光電對管對應的(VSm)輸出低電平，點亮發(fā)光管Dn-m，然后測量(ARTn)的信號電平，再依次掃描各光電傳感器，記錄此次掃描的轉換數(shù)據(jù)；假設此時光發(fā)射管Dn發(fā)出的光透過編碼器的編碼孔槽照射到光敏接收管Qn的光通道，如不存在氣泡干擾，由于取樣電阻已增大為Rn-1+R，則沒有經(jīng)過氣泡干擾衰減時，(ARTn)的信號電平也符合正常的邏輯要求，譯碼數(shù)據(jù)正常；但光通過光通道時，可能會經(jīng)過一個或多個干擾氣泡時，照射到光敏接收管Qn上的光強度Pw將降低，光敏接收管Qn的感應電流也會降低，由于在感應電流降低的條件下，取樣電阻升高，導致此條件所獲取的采樣電壓(ARTn)的信號電平會比正常值抬高幅度不大，甚至比正常的采樣電壓(ARTn)值還要低，使得采樣點的邏輯電平維持正常的邏輯“0”，處理后的數(shù)據(jù)正常；
[0016]第五步:將第二步與第四步得到的譯碼數(shù)據(jù)運算處理，當兩組數(shù)據(jù)一致時，取任意一組數(shù)據(jù)作為譯碼數(shù)據(jù)，此時不存在能影響數(shù)據(jù)測量的氣泡干擾；當兩組數(shù)據(jù)不一致時，取第四步獲取的數(shù)據(jù)作為譯碼數(shù)據(jù)，此時存在能影響數(shù)據(jù)測量的氣泡干擾，同時報氣泡干擾警示標志。
[0017]本發(fā)明優(yōu)點在于:
[0018]1、在不增加任何硬件電路的條件下，僅通過單片機軟件調整I/O端口的性質，達到調整取樣電阻的阻值，修正光敏接收管Q的接收傳感靈敏度的效果，實現(xiàn)在光通道遇到氣泡干擾時，光電直讀傳感器的譯碼正常。
[0019]2、具有程序操作簡單，容易實現(xiàn)的特征。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0020]圖1:本發(fā)明實施例電原理示意圖。
【具體實施方式】:
[0021]下面結合附圖，對本發(fā)明做進一步的說明:
[0022]如圖1所示:本實施例提供的光電直讀水表傳感器抑制氣泡干擾的方法，包括單片機、通訊接口組件、直流供電組件、多組由多對光敏接收管、光發(fā)射管對管組成的光電傳感器的光電傳感譯碼器組件，在圖1中，使用由5對光敏接收管、光發(fā)射管對管組成光電傳感器，由η組光電傳感器組成光電傳感譯碼器，其中光電傳感譯碼器給出了詳細的電氣原理連接圖，在圖1中，Dn-m,與Qn-m(m表示1_5的標示數(shù))組成一對光發(fā)射管、光敏接收管對管，Dn-1，與Qn-1到Dn_5，與Qn_5共5對光敏接收管、光發(fā)射管對管組成一組光電傳感器，在圖中所有網(wǎng)路標識為VSl的器件引腳連接在一起，所有網(wǎng)路標識為VS2的器件引腳連接在一起，所有網(wǎng)路標識為VS3的器件引腳連接在一起，所有網(wǎng)路標識為VS4的器件引腳連接在一起，所有網(wǎng)路標識為VS5的器件引腳連接在一起。
[0023]由圖1可以看出:經(jīng)單片機嵌入的程序，控制VRn與VDn即可控制第η組光電傳感器組件的光敏接收管與光發(fā)射管的供電，其中連接VRn的單片機I/O端口具有可編程控制的帶上拉的輸入功能、與輸出功能，然后將單片機的VSm端口依次拉低，即可對第η組的第η對光電對管進行掃描,現(xiàn)以第一組光電傳感器組件為代表,詳細描述光電測量的工作原理與過程:第一組光電傳感器組件由光敏接收管Q1-1、Q1-2、Q1-3、Q1-4、Q1_5，光發(fā)射管Dl-1、Dl-2、Dl-3、Dl_4、D1-5組成，其中Ql_n與Dl_n組成一對光電對管，圖中光敏接收管采用NPN型，5個接收管的C極連通，串接取樣電阻Rl-1，再連接單片機的I/O端口:VR1，當I/O端口 VRl編程為輸出功能時，由輸出口 VRl直接對光敏接收管供電，此條件下光敏接收管連接的采樣電阻為Rl-1 ;當I/O端口 VRl編程為帶上拉的輸入能時，此條件下光敏接收管由單片機內部系統(tǒng)電源經(jīng)上拉電阻后供電，假設VRl端口的上拉電阻為R，在此條件下，光敏接收管連接的采樣電阻為R1-1+R ；
[0024]光電感應信號輸入單片機的ADC輸入端口 ART1,由單片機對輸入的模擬信號進行數(shù)字量化處理，設工作時的光電感應信號為=Vsin ;為進一步說明本發(fā)明的方法，先假設如下幾個參數(shù):
[0025]1、單片機的系統(tǒng)供電電源:Vcc = 5V,
[0026]2、光敏接收管的采樣高低電平閾值:V = 3V，高于3V為邏輯電平“1”，低于3V為邏輯電平“O”，
[0027]3、取樣電阻:R1_1 = IOK 歐，
[0028]4、I/O端口 VRl的上拉等效電阻:R = 80K歐，
[0029]5、光電對管在正常情況下，光敏接收管的感應電流:Iw = 450uA,
[0030]6、光電對管在通過氣泡干擾的情況下，光敏接收管的感應電流:Iwl = 40uA,
[0031]7、假設不存在外部光干擾，光敏接收管的暗電流=Imark = 0.0luA,
[0032]8、光敏接收管的采樣環(huán)境光的電平閾值=Vroom = IV，高于IV不存在環(huán)境光干擾，低于IV存在環(huán)境光干擾，
[0033]結合圖1，以及上面的假設數(shù)據(jù)，以第一組光電傳感器的數(shù)據(jù)示例本發(fā)明采用的測量時序:
[0034]第一步:通過單片機程序控制，將光電傳感器組件對應的I/O端口 VRl設置為輸出端口，通過程序設定為輸出高電平，光敏接收管由VRl直接供電，將VDl設置為輸出低電平，即不點亮光發(fā)射管，依次通過將VSm設置為輸出低電平，掃描測量5對光電對管，
[0035]Vsin = Vcc- (Rl-lx Imark) = 4.9999V
[0036]經(jīng)運算比較，不存在環(huán)境光干擾問題，繼續(xù)測量。
[0037]第二步:繼續(xù)維持單片機的I/O端口 VRl保持為輸出端口，且輸出高電平，將對應的VDl輸出高電平，即點亮光發(fā)射管，依次通過將VSm設置為輸出低電平，掃描測量5對光電對管，假設光線能透過編碼器的編碼槽孔照射到光敏接收管，此時的正常邏輯為“O”電平，
[0038]如果沒有經(jīng)過氣泡干擾，則
[0039]Vsin = Vcc-(Rl-lx Iw)，將數(shù)據(jù)代入，Vsin = 0.5V，低于 3V，輸出邏輯 “0”，符合
測量要求。
[0040]如果經(jīng)過了氣泡干擾，由于氣泡干擾，使得照射到光敏接收管上的光強變弱，假設為 IwlJlJ
[0041]Vsin = Vcc-(Rl-lx Iwl)，將數(shù)據(jù)代入，Vsin = 4.6V，高于 3V，輸出邏輯“ 1”，不符合測量要求，將輸出錯誤的譯碼數(shù)據(jù)，設此數(shù)據(jù)為X，表明此時已不能正確讀數(shù)，不能抵御氣泡干擾。[0042]第三步:通過單片機程序控制，將光電傳感器組件對應的I/O端口 VRl設置為帶上拉的輸入端口，光敏接收管由單片機內部系統(tǒng)電源經(jīng)上拉電阻后供電，電源為Vcc JfVDl設置為輸出低電平，即不點亮光發(fā)射管，依次通過將VSm設置為輸出低電平，掃描測量5對光電對管，
[0043]Vsin = Vcc-(Rl-l+R) x Imark = 4.9991V
[0044]經(jīng)運算比較，不存在環(huán)境光干擾問題，繼續(xù)測量。
[0045]第四步:繼續(xù)維持單片機的I/O端口 VRl保持為帶上拉的輸入端口，將對應的VDl輸出高電平，即點亮光發(fā)射管，依次通過將VSm設置為輸出低電平，掃描測量5對光電對管，假設光線能透過編碼器的編碼槽孔照射到光敏接收管，此時的正常邏輯為“O”電平，
[0046]如果沒有經(jīng)過氣泡干擾，則
[0047]Vsin = Vcc-(Rl-l+R) x Iw,將數(shù)據(jù)代入，Vsin = -35.5V,在此計算數(shù)據(jù)結果 Vsin低于0V，已表示此條件下，光敏接收管已飽和導通，Vsin等于該光敏接收管的飽和導通結壓降，數(shù)據(jù)將低于3V，輸出邏輯“O”，符合測量要求。
[0048]如果經(jīng)過了氣泡干擾，由于氣泡干擾，使得照射到光敏接收管上的光強變弱，假設為 IwlJlJ
[0049]Vsin = Vcc-(R1-1+R)x Iwl，將數(shù)據(jù)代入，Vsin = 1.4V，低于 3V，輸出邏輯“O”，符合測量要求，將輸出正確的譯碼數(shù)據(jù)，設此數(shù)據(jù)為Y，表明此時已能正確讀數(shù)，能抵御氣泡干擾，具備防氣泡干擾的能力。
[0050]第五步:將第二步與第四步得到的譯碼數(shù)據(jù)運算處理，當兩組數(shù)據(jù)一致時，取任意一組數(shù)據(jù)作為譯碼數(shù)據(jù)，此時不存在能影響數(shù)據(jù)測量的氣泡干擾；當兩組數(shù)據(jù)不一致時，取第四步獲取的數(shù)據(jù)作為譯碼數(shù)據(jù)，此時存在能影響數(shù)據(jù)測量的氣泡干擾，同時可報氣泡干擾。
[0051 ] 除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式，如單片機的選用不同、ADC取樣順序不同，測量時序不同等等，但凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發(fā)明權利要求的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種光電直讀水表傳感器抑制氣泡干擾的方法，包括:單片機、通訊接口組件、直流供電組件、包含多組由多對光敏接收管、光發(fā)射管對管組成的光電傳感器組件的光電傳感譯碼器組件，其特征為:光電傳感譯碼器組件中的每組光電傳感器組件的光敏接收管與光發(fā)射管由單片機的I/o端口 VRruVDn獨立供電，光電傳感譯碼器組件的對應位置的光電對管的公共端由同一單片機的輸出端口 VSm控制的掃描測量，測量數(shù)據(jù)經(jīng)模擬數(shù)字轉換器ADC具體量化的方法測量光電傳感器的感應信號；單片機的連接光敏接收管的I/O端口(VRn)具有通過程序設定為帶上拉的輸入功能與輸出功能，通過程序控制將I/O端口(VRn)切換為輸出功能和帶上拉的輸入功能，完成對光敏接收管的不同的供電連接，使得光敏接收管的采樣電阻在單一外接采樣電阻(Rn-1)與外接采樣電阻(Rn-1)串接單片機內部I/O端口的上拉電阻(R)之間切換，使光敏接收管采樣電阻的阻值在Rn-1與Rn-1+R之間切換，通過調整光敏接收管采樣電阻，來調整光敏接收管的傳感靈敏度，實現(xiàn)抑制氣泡干擾的作用。
2.根據(jù)權利要求1所述的光電直讀水表傳感器抑制氣泡干擾的方法，其特征為:光電傳感器組件采用逐一掃描的方式完成數(shù)據(jù)測量，每次完整的掃描過程包含以下五個步驟: 第一步:通過單片機程序控制，將單片機的、需檢測的光電傳感器組件對應的I/O端口(VRn)設置為輸出端口，通過程序設定為輸出高電平時，等效于取樣電阻(Rn-1)連通到供電電源Vcc上,將需掃描檢測的光電傳感器組件對應的(VDn)輸出低電平,需掃描檢測的光電對管對應的(VSm)輸出低電平，然后通過測量(ARTn)的信號電平，測量外部環(huán)境光照強度，如外部環(huán)境光的強度超過一定的設定值，停止繼續(xù)往下測量，報光干擾錯誤；否則，繼續(xù)進行下步驟的掃描測量； 第二步:將單片機的、需掃描檢測的光電傳感器組件對應的I/O端口(VRn)保持為輸出端口，且輸出高電平，將對應的(VDn)輸出高電平，需檢測的光電對管對應的(VSm)輸出低電平，點亮發(fā)光管Dn-m ，然后測量(ARTn)的信號電平，再依次掃描各光電傳感器，記錄此次掃描的轉換數(shù)據(jù)； 第三步:通過單片機程序控制，將單片機的、需檢測的光電傳感器組件對應的I/O端口(VRn)設置為上拉輸入端口，此條件下，可等效為取樣電阻(Rn-1)串接了一個電阻(R)，再連接到供電電源Vcc上，此時取樣電阻將增大為Rn-1+R，通過控制單片機的對需檢測的光電傳感器組件對應的(VDn)輸出低電平，依次將需檢測的光電對管對應的(VSm)輸出低電平，然后通過測量(ARTn)的信號電平，測量外部環(huán)境光照強度，如外部環(huán)境光的強度超過一定的設定值，停止繼續(xù)往下測量，上報第二步的測量數(shù)據(jù)；否則繼續(xù)測量； 第四步:繼續(xù)維持單片機的、需檢測的光電傳感器組件對應的I/O端口(VRn)保持為上拉輸入端口的狀態(tài)，將對應的(VDn)輸出高電平，需檢測的光電對管對應的(VSm)輸出低電平，點亮發(fā)光管Dn-m，然后測量(ARTn)的信號電平，獲取當前光電對管的傳感數(shù)據(jù)，再依次掃描各光電傳感器，記錄此次掃描的轉換數(shù)據(jù)； 第五步:將第二步與第四步得到的譯碼數(shù)據(jù)運算處理，當兩組數(shù)據(jù)一致時，取任意一組數(shù)據(jù)作為譯碼數(shù)據(jù)，此時不存在能影響數(shù)據(jù)測量的氣泡干擾；當兩組數(shù)據(jù)不一致時，取第四步獲取的數(shù)據(jù)作為譯碼數(shù)據(jù)，此時存在能影響數(shù)據(jù)測量的氣泡干擾，同時報氣泡干擾警示
O
【文檔編號】G01F15/06GK104006858SQ201410257468
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月10日 優(yōu)先權日:2014年6月10日
【發(fā)明者】吳明星, 陳守平, 李祖斌, 劉穎華, 何蘭, 資廣泰 申請人:江蘇駿普智能儀表有限公司