CN103134562A - 一种利用光路直接读取机械计度器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量方法，具体是指一种利用光路直接读取机械计度器的方法。本发明是通过MCU控制装置依次点亮每个字轮配套的LED灯，每个字轮配套的LED灯有5个，5个LED灯通过发射导光片通过字轮上的透光带传输到接收导光片，接收导光片把光线导向光敏器件；光敏器件与LED灯安装在同一块电路板上，光敏器件将接收到的光信号转换成电信号传输到A/D转换装置，再由MCU控制器判断来自A/D转换装置所对应的数字，并记录相应的标识符；最终读出数值。本发明的优点是可以使设备的成本降低、设备的稳定性提高，以及操作方便等。本发明可广泛应用于各种读数仪表。

Description

一种利用光路直接读取机械计度器的方法

技术领域

本发明涉及一种测量方法，具体是指一种利用光路直接读取机械计度器的方法。

背景技术

众所周知，燃气表是一种对用户使用燃气进行计量的设备。在家用的燃气表中，大量使用的燃气表是皮膜式燃气表。用户使用燃气时，气体推动皮膜往复运动，这样的运动通过机械传动装置，传递给燃气表上的计度器。计度器上的字轮印有0－9个数字，当后一个字轮（如个位数）旋转一周后，带动前一字轮（十位数）前进一位，如此周而复始。字轮窗口所显示的数字，就是用户使用的燃气用量立方数。用户和燃气公司按照这个数字进行贸易结算。

根据计度器的工作原理，字轮上的每个数字点握36°角度。根据数字编码原理，我们在字轮上开了弧度不同的透光带（如图1），在字轮两侧分别固定安装光发射点和光接收点（如图2）。当字轮走一个字时，字轮转动36°，透光带也随之转动，这样发光点与光接收点的光路就会产生通（编码为“1”）断（编码为“0”）的变化。单片机根据这些变化进行编码，从而识别出字轮上的读数。对于字轮中的透光带的位置等相关技术，在专利CN941195465中具体公开，另外，国内有关文献也对字轮上的透光带的排列进行了研究报道。

随着生活水平的提高燃气表从传统的纯机械式计量，慢慢地走向电子化。现阶段的家用燃气表都广泛采用皮膜表，为了实现燃气表的电子化，不少厂家在保留计量表体的情况下，在机械字轮的部分进行了改造。现在大多数的燃气表无论是IC卡燃气表，无线远传燃气表或者有线远传燃气表，都以脉冲计量为主要手段。脉冲计量就是采用韦根、干簧管等磁性元件对机械燃气表进行改造，通过脉冲计数进行用气量的计量。这样计数方式需在读数窗口的字轮字轮上安装磁钢，同时将干簧管等器件固定在表头部分，安装了磁钢的字轮旋转一周，磁性元件输出一个脉冲。这样的读数方式，存在着几个缺点，首先磁性元件特性的变化，如老化、震动等原因出现脉冲漏计或多计，会产生电子的累计脉冲量读数与机械的字轮读数不一致的问题，引发燃气公司与用户之间的结算纠纷；其次，电子化的计量手段必须要有持续的电源供应，为了保证计量必须频繁地更换电池；最后，用户若掌握一定的知识，可以利用强磁场干扰计量，造成计量偏差。

由于脉冲计量的弊端，不少厂家开始采用直读抄表。所谓直读抄表就是通过数字编码将燃气表窗口值通过数字编码的方式直接读取。直读的方式保证了窗口值与电子部分的计数值能够统一。传统的直读技术是采用红外对射结合字轮进行编码处理。在应用中，将字轮在特定部分开口，使得红外光线具有通断的特性，将红外发射管与接收管焊接在两片PCB小板上，PCB小板焊接在有MCU控制的大板上，字轮置于PCB小板之间。这样安装形式的存在如下问题，焊接MCU的大板和焊接红外接收管、发射管的小板之间的连接，只能通过PCB之间的焊接工艺，这样的工艺无法保证焊接的精度，也会在使用一段时间后，出现焊点的断裂，并且也不能实现焊接工序的全电子化。其次读一组字轮需要5个发光管和5个接收管，材料消耗大。还有，只能通过接收管的模拟量红外通断的判断，抗光污染能力差、抗红外对管后期失效能力差、对元器件性能一致性要求高。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提出了一种更好的读取方式，可以读取方便等。

本发明是通过下述技术方案得以实现的：

一种利用光路直接读取机械计度器的方法，其特征在于包括下述步骤：

（1）启动电源，接通MBUS接口电路、MCU控制装置，进入读表流程；这里主要完成物理层的协议转换。MBUS通过这个电路后，可以分离出电源和通讯信号。电源是光电直读计度器的主电源，为系统的所有电路提供电源。通讯信号实现光电直读计度器的远程通信。

（2）由MCU控制装置启动LED驱动电路，并点亮与最低位次字轮配套的LED灯，在最低位次字轮配套的LED灯有5个，上述5个LED灯分别有各自的导光路径，每个导光路径一端与LED灯一起固定于电路板上，另一端部光线通过反射形成90度和270度射出，分别形成向左侧和向右侧个各1个发光点，5个导光路径、各自的光线反射面和发光点，集合成一个发射导光片，发射导光片垂直于电路板安装；本发明的一个重要特点是MCU控制装置在读取数值时，是逐个将不同位次的数字逐个读取，而且这个位次可以是随机的，只要在一次读取数字时能读到一次即可，在本发明中，所选择的顺序是按低位的高低来先后读取，这样方便数字的排列、以及最后形成人们方便识别的数值；

（3）上述5个LED灯依次点亮，当其中一个LED灯的光线通过发射导光片传输到发光点发出光线，通过字轮上的透光带传输到接收导光片，接收导光片把光线导向光敏器件；

其中，接收导光片的一侧有与发射导光片上5个发光点对应的5个接收光点；同样地，接收导光片的另一侧也有5个接收光点，接收另一侧发射导光片5个发光点的光线；10个接收光点通过各自的反射面把所有接收到的光线导向1个光敏器件，光敏器件与LED灯安装在同一块电路板上，接收导光片垂直于电路板安装，与发射导光片形成平行关系；在发光导光片与接收导光片之间有一个字轮，字轮上有一定排列规则的透光带，从发光导光片发出的光线只有通过透光带时，接收导光片才能接收到，一般情况下，发光导光片的末端有5个发光点与接收导光片有5个接收点相对应，根据这个5个不同端点的导通、阻断情况，可以排列出多种组合，其中数字0—9分别由10种不同的组合构成；

（4）光敏器件将接收到的光信号转换成电信号传输到A/D转换装置，再由MCU控制器判断来自A/D转换装置所对应的数字，并记录相应的标识符；

当与最低位次字轮配套的5个LED灯都被点亮过一次之后，形成一个5位标识符，这个5位标识符代表了0，1，2，3，4，5，6，7，8，9中的某一位数字，并作记录；

MCU控制装置根据A/D转换装置出来的数字，判断这位光线是通的，编码为“1”。当发射导光片发出的光线被字轮阻挡时，则接收导光片无法接收到光线，导致光敏器件截止，MCU控制装置判断为“0”。MCU控制装置逐个点亮一组LED后，就能识别出一个字轮的读数。识别完所有字轮的读数后，MCU控制装置将读数通过MBUS接口电路的总线传递回手持抄表设备，完成单个燃气表的抄表。其中，MCU控制装置对于所读取的数字的位次排列可以预先确定，为了更好、更方便读取相应的数字，所以LED驱动电路点亮LED灯的次序为由低位次到高位次、或由高位次到低位次顺序进行。这样所读取的数值就无需再进行排序的过程了，而直接得出相应的、直观的数字为所使用的流量了。其中的低位次、高位次是相对的，比如：所读取的数字在个位，则相对于百位则是低位，再相对于小数点后的十分位则又是高位，本发明中所理解的位次为常规中所使用的位次，仅是数字的排列位置。

（5）再由LED驱动电路点亮上一位次与字轮配套的5个LED灯；再依步骤（3）、（4）读取、记录相应的数字；当前述步骤（4）结束时，燃气表中某一个的字轮的数值被读出，由于燃气表由多个字轮组成，所以必须将全部字轮的数值读出，才能体现燃气表的用量，所以还得按相同的方式把其它字轮的数值读出。

（6）再由LED驱动电路将低位次到高位次的顺序点亮余下的与每个字轮配套的5个LED灯，并依步骤（3）、（4）读取、记录相应的数字；一般情况下，燃气表的数字位数会多于2位，所以在完成步骤（5）后，还需要对其它位次的字轮进行读数，本步骤正是实现这个功效而进行的。

（7）将上述各个字轮所对应的数字由低位次向高位次顺序排列，并向终端输出或通过显示装置显示；本发明所读取数字的次序可以是随机的，但所读取的数字位置则应当是确定的，为了人们更直观看到数字所体现的燃气用量，需要按常规把所读取的数字进行排列、并显示，当然这种显示也可以直接通过终端设备输出，也可以由专门的显示装置查看。

（8）最后关闭电源，结束读取进程。

作为优选，上述一种利用光路直接读取机械计度器的方法，其步骤（4）中光敏器件将接收到的光信号经接收放大电路，再传输到A/D转换装置。由于LED灯所发出的光线较弱，通过接收放大电路，可以使信号更强，在最后的判断等技术方面更准确。

作为优选，上述一种利用光路直接读取机械计度器的方法，其中字轮上的透光带是在字轮上有3个圆弧通道，并拥有32个位置分辨率的光电格雷码编码；有效解决了读数半进位问题，实现了无差别读取燃气表的窗口读数；光路式直读传感器利用严密精准的光导片固定结构，解决了传统的PCB拼板直读设备不抗震、易损坏、装配繁琐等问题，提高了产品的稳定性和防护强度，保证了产品的质量。上述透光带的位置、弧度等相关技术信息在专利CN941195465中具体公开。

作为优选，上述一种利用光路直接读取机械计度器的方法，由LED灯组成的发光管、光敏器件组成的接收管、MCU控制装置置于同一电路板上，这样可以减少生产成本，而且稳固性更好。

在本发明中的发射导光片、接收导光片在两个字轮之间的，则发射导光片、接收导光片由两邻两个字轮共用。这样设置，可以减少装置的成本，而且与前述的对于字轮逐个读取更有利；相当于在一次数值读取过程中，在两个字轮之间的发射导光片、或接收导光片都可以服务于两侧的字轮，只有是两端的发射导光片、或接收导光片才只针对相邻的字轮。采用多个字轮的光电收发共享的方式，减少了光电发射管与接收管的数量，降低了因繁琐的元件造成的故障，同时有效节约了成本；实现了一发两收的数据采集模式，提高了抄表的效率；数据采集采用智能识别技术，利用光路在检测前和检测时的变化量来确定光路是否导通，解决了传统识别技术因器件老化或环境光污染造成的读数错误问题，提高了读数的可靠性和准确性。

现阶段的直读燃气表，多数是采用红外收发管对射的原理进行设计，也有使用光纤作为光传导介质设计的，但是由于光纤材料昂贵的价格，这种设计最终走向没落。传统的采用红外对射的产品，在字轮上开口，将红外发射管与红外接收管焊接在两块小块的PCB板上置于字轮两边，小块的PCB板与MCU主板连接。每个红外发射管对应于一个接收管，每个字轮就需要5个发射管，5个接收管，7个字轮就需要35个接收管，35个发射管，同时需要8块的PCB小板和1块MCU控制装置。这个直读设备需要大量的电子元件，安装时需要专业的人员进行焊接，整个生产过程繁琐且成本昂贵。在光电检测识别方面，传统的方式是采用数字式识别检测方法。数字式的识别检测方法需要在接收部分增加放大电路和比较电路，通过放大后的信号在比较器部分设定一个阈值，当检测到电压高于这个阈值，说明接收到红外光，电压低于该阈值说明没有接收到该红外光。通过这种数字式的判断进行数字编码，获取字轮的读数。由于红外收发管器件老化和运放电路的温漂等原因，阈值将会发生变化，引起读数错误。另一方面，环境中存在一部分的红外光线，环境光源的强弱也会影响到红外接收部分的检测，从而造成读数的误差问题。

本产品采用光路式的设计，在字轮两边设置两个导光片，两个导光片分别与接收部分和发射部分连接，光源可以设计的导光片传导，红外光到分叉的末端可以沿着两边传输，一个导光片就可以保证两个字轮的发送，同样一个接收的导光片也能接收两边的光线，这种设计便使得两个字轮可以共享收发管。8个字轮总共只需20个发射管和4个接收管，PCB板也只需要一块。这样的创新设计较传统的方案大大减少了元器件的数量，节约了MCU的I/O端口的资源，同时免去了PCB小板焊接问题，提高了设备的可靠性。

红外收发管共享为检测提供了新的方案，从传统一发一收的方式，变成一发两收的模式。即在检测时，一个红外管点亮后，与该红外发送通路相邻的两个字轮都可以检测。

本发明中的装置可以采用直读传感器的光路式技术，在设计上突破了传统的采用红外管与发射管对射的原理，将红外发射管与接收管同MCU控制装置焊接在一块PCB板上，去除了PCB小板的设计，同时采用光学原理，创新性地设计了特殊形状的导光板。导光板采用特殊的形状设计，能够将红外光从PCB的红外发射管上，透过光通路到指定的导光片两侧的分叉位置，分叉枝上小透镜设计能最大化地将光传导至另一侧，另一侧也是特殊的分叉设计与发射部分相对，透过字轮部分的光线通过传导让红外接收管接收。MCU控制装置通过检测，可以进行数字编码输出燃气表的读数数值。直读传感器部分有效解决了传统脉冲计量的不准确性的问题，同时突破了传统的多PCB组合的设计，减少了PCB的数量，大大降低了产品生成时的组装难度。精密的设计结构使得产品抗震、抗摔，使其防护性大大超过了传统直读设备。

有益效果：本发明的使用可以使设备的成本降低、设备的稳定性提高，以及操作方便等优点。

附图说明

图1 本发明中字轮的结构示意图

图2 本发明中的发射导光片的结构示意图

图3 本发明中的接收导光片的结构示意图

图4 本发明中读数装置的结构示意图

图5 本发明中字轮读数为“0”时的示意图

图6 本发明中字轮读数为“1”时的示意图

图7 本发明中字轮读数为“2”时的示意图

图8 本发明中字轮读数为“3”时的示意图

图9 本发明中字轮读数为“4”时的示意图

图10 本发明中字轮读数为“5”时的示意图

图11 本发明中字轮读数为“6”时的示意图

图12 本发明中字轮读数为“7”时的示意图

图13 本发明中字轮读数为“8”时的示意图

图14 本发明中字轮读数为“9”时的示意图

1、电路板   2、LED灯  3、光敏器件  4、发射导光片  5、接收导光片  6、接收光点   7、发光点   8、字轮9、透光带

具体实施方式

下面对本发明的实施作具体说明：

实施例1

对一台已使用了的燃气表进行数据读取，根据计度器的工作原理，字轮上的每个数字点握36°角度。根据数字编码原理，我们在字轮上开了弧度不同的透光带，如图1所示，在字轮两侧分别固定安装发射导光片和接收导光片，如图2、图3所示结构。由多个字组成一个读数装置，如图4所示，可以读出多位数字。当字轮走一个字时，字轮转动36°，透光带也随之转动，这样发光点与光接收点的光路就会产生通（编码为“1”）断（编码为“0”）的变化。单片机根据这些变化进行编码，从而识别出字轮上的读数。

读数0的识别：当字轮转动到0时，发光点L5（0）不透光，L4（1）、L3（1）、L2（1）、L1（1）都位于透光带上，这样单片机就能读取一个编码(L5L4L3L2L1)01111，这个编码被翻译成读数“0”，如图5。

读数1的识别：当字轮转动到1时，发光点L5、L4、L2、L1不透光，L3位于透光带上，这样单片机就能读取一个编码00100，这个编码被翻译成读数“1”，如图6。

读数2的识别：当字轮转动到2时，发光点L4不透光，L5、L3、L2、L1位于透光带上，这样单片机就能读取一个编码10111，这个编码被翻译成读数“2”，如图7。

读数3的识别：当字轮转动到3时，发光点L5、L4、L3、L1不透光，L2位于透光带上，这样单片机就能读取一个编码00010，这个编码被翻译成读数“3”，如图8。

读数4的识别：当字轮转动到4时，发光点L3不透光，L5、L4、L2、L1位于透光带上，这样单片机就能读取一个编码11011，这个编码被翻译成读数“4”，如图9。

读数5的识别：当字轮转动到5时，发光点L5、L4、L3、L2不透光，L1位于透光带上，这样单片机就能读取一个编码00001，这个编码被翻译成读数“5”，如图10。

读数6的识别：当字轮转动到6时，发光点L2不透光，L5、L4、L3、L1位于透光带上，这样单片机就能读取一个编码11101，这个编码被翻译成读数“6”，如图11。

读数7的识别：当字轮转动到8时，发光点L4、L3、L2、L1不透光，L5位于透光带上，这样单片机就能读取一个编码10000，这个编码被翻译成读数“7”，如图12。

读数8的识别：当字轮转动到0时，发光点L1不透光，L5、L4、L3、L2位于透光带上，这样单片机就能读取一个编码11110，这个编码被翻译成读数“8”，如图13。

读数9的识别：当字轮转动到0时，发光点L5、L3、L2、L1不透光，L4位于透光带上，这样单片机就能读取一个编码10111，这个编码被翻译成读数“9”，如图14。

综合上述读数与编码表

在本实施例中，一种利用光电直接读取燃气表计度器的方法，其包括下述步骤：

（1）启动电源，接通MBUS接口电路、MCU控制装置，进入读表流程；

（2）由MCU控制装置启动LED驱动电路，并点亮与最低位次字轮8配套的LED灯2，在最低位次字轮8配套的LED灯2有5个，上述5个LED灯2分别有各自的导光路径，每个导光路径一端与LED灯8一起固定于电路板1上，另一端部光线通过反射形成90度和270度射出，分别形成向左侧和向右侧各1个发光点7，5个导光路径和各自的光线反射面、及发光点7集合成一个发射导光片4，发射导光片4垂直于电路板1安装；字轮8上的透光带9是在字轮8上有3个圆弧通道，并拥有32个位置分辨率的光电格雷码编码。

（3）上述5个LED灯2依次点亮，当其中一个LED灯2的光线通过发射导光片4传输到发光点发出光线，通过字轮8上的透光带9传输到接收导光片5，接收导光片5把光线导向光敏器件3；

其中，接收导光片5的一侧有与发射导光片4上5个发光点对应的5个接收光点6；同样地，接收导光片5的另一侧也有5个接收光点6，接收另一侧发射导光片4上5个发光点7的光线；10个接收光点6通过各自的反射面把所有接收到的光线导向1个光敏器件3，光敏器件3与LED灯2安装在同一块电路板1上，接收导光片5垂直于电路板1安装，与发射导光片4形成平行关系；

（4）光敏器件3将接收到的光信号转换成电信号传输到A/D转换装置，再由MCU控制器判断来自A/D转换装置所对应的数字，并记录相应的标识符；

当与最低位次字轮8配套的5个LED灯2都被点亮过一次之后，形成一个5位标识符，这个5位标识符代表了0，1，2，3，4，5，6，7，8，9中的某一位数字，并作记录；

（5）再由LED驱动电路点亮上一位次与字轮8配套的5个LED灯；再依步骤（3）、（4）读取、记录相应的数字；

（6）再由LED驱动电路将低位次到高位次的顺序点亮余下的与每个字轮8配套的5个LED灯2，并依步骤（3）、（4）读取、记录相应的数字；

（7）将上述各个字轮8所对应的数字由低位次向高位次顺序排列，并向终端输出或通过显示装置显示；

（8）最后关闭电源，结束读取进程。

本实施例中，由LED灯2组成的发光管、光敏器件组成的接收管、MCU控制装置置于同一电路板1上。

实施例2

按实施例1中所有关字轮的排列方式，在步骤（4）中光敏器件将接收到的光信号经接收放大电路，再传输到A/D转换装置。本实施例中所采用的字轮上的透光带是在字轮上有3个圆弧通道，并拥有32个位置分辨率的光电格雷码编码。而且由LED灯组成的发光管、光敏器件组成的接收管、MCU控制装置置于同一电路板上。

经与实施例1相同的步骤进行读数，最后得出与实施例1相似的排列数字。

Claims (4)

1.一种利用光路直接读取机械计度器的方法，其特征在于包括下述步骤：

（1）启动电源，接通MBUS接口电路、MCU控制装置，进入读表流程；

（2）由MCU控制装置启动LED驱动电路，并点亮与最低位次字轮（8）配套的LED灯（2），在最低位次字轮（8）配套的LED灯（2）有5个，上述5个LED灯（2）分别有各自的导光路径，每个导光路径一端与LED灯（8）一起固定于电路板（1）上，另一端部光线通过反射形成90度和270度射出，分别形成向左侧和向右侧各1个发光点（7），5个导光路径和各自的光线反射面、及发光点（7）集合成一个发射导光片（4），发射导光片（4）垂直于电路板（1）安装；

（3）上述5个LED灯（2）依次点亮，当其中一个LED灯（2）的光线通过发射导光片（4）传输到发光点发出光线，通过字轮（8）上的透光带（9）传输到接收导光片（5），接收导光片（5）把光线导向光敏器件（3）；

其中，接收导光片（5）的一侧有与发射导光片（4）上5个发光点对应的5个接收光点（6）；同样地，接收导光片（5）的另一侧也有5个接收光点（6），接收另一侧发射导光片（4）上5个发光点（7）的光线；10个接收光点（6）通过各自的反射面把所有接收到的光线导向1个光敏器件（3），光敏器件（3）与LED灯（2）安装在同一块电路板（1）上，接收导光片（5）垂直于电路板（1）安装，与发射导光片（4）形成平行关系；

（4）光敏器件（3）将接收到的光信号转换成电信号传输到A/D转换装置，再由MCU控制器判断来自A/D转换装置所对应的数字，并记录相应的标识符；

当与最低位次字轮（8）配套的5个LED灯（2）都被点亮过一次之后，形成一个5位标识符，这个5位标识符代表了0，1，2，3，4，5，6，7，8，9中的某一位数字，并作记录；

（5）再由LED驱动电路点亮上一位次与字轮（8）配套的5个LED灯；再依步骤（3）、（4）读取、记录相应的数字；

（6）再由LED驱动电路将低位次到高位次的顺序点亮余下的与每个字轮（8）配套的5个LED灯（2），并依步骤（3）、（4）读取、记录相应的数字；

（7）将上述各个字轮（8）所对应的数字由低位次向高位次顺序排列，并向终端输出或通过显示装置显示；

（8）最后关闭电源，结束读取进程。

2.根据权利要求1所述的一种利用光路直接读取机械计度器的方法，其特征在于：步骤（4）中光敏器件（3）将接收到的光信号经接收放大电路，再传输到A/D转换装置。

3.根据权利要求1所述的一种利用光路直接读取机械计度器的方法，其特征在于：字轮（8）上的透光带（9）是在字轮（8）上有3个圆弧通道，并拥有32个位置分辨率的光电格雷码编码。

4.根据权利要求1所述的一种利用光路直接读取机械计度器的方法，其特征在于：由LED灯（2）组成的发光管、光敏器件组成的接收管、MCU控制装置置于同一电路板（1）上。

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