CN104006857A - 一种光电直读水表传感器抑制气泡干扰的方法 - Google Patents

Abstract

一种光电直读水表传感器抑制气泡干扰的方法，适应于采用光电技术对机械计数器显示的读数进行电信号编码输出的水表，包括单片机、通讯接口组件、直流供电组件、多组由多对光敏接收管、光发射管对管组成的光电传感器的光电传感译码器组件、光敏接收管取样电阻控制电路组件；光敏接收管的感应信号采样电阻由可控制的两个取样电阻(R1、R2)，由光敏接收管取样电阻控制电路控制光敏接收管的采样电阻在单一采样电阻(R2)与两个串接的电阻(R1+R2)之间切换，通过调整光敏接收管采样电阻，来调整光敏接收管的传感灵敏度，实现抑制气泡干扰的作用，具有抗气泡干扰能力强，成本低，实现简单的特点。

Description

一种光电直读水表传感器抑制气泡干扰的方法

技术领域：

本发明涉及一种光电直读水表传感器抑制气泡干扰的方法，适应于采用光电技术对机械计数器显示的读数进行电信号编码输出的水表，尤其是光电直读式湿式水表。

背景技术：

水表分为干式水表与湿式水表两大类，目前自动远程抄表技术出现了一种通过加装光电传感器组件，读取一次计量仪表读数信息的装置，即光电直读式传感器装置，简称光电直读传感器。该装置通过对原机械计数器装置的计数器字轮作技术改造，在计数器字轮上按一定的编码规律，制作编码条，采用光电传感器部件，将计数器字轮上的“0”-“9”十个数字转化为数字编码信号，通过接口，直接将读数输出到远端抄表设备，该直读装置平时不需要供电，只有需要抄表时才瞬间供电，解决了以前脉冲抄表系统中的长期供电问题。随着技术的发展，光电直读技术在近几年得到了较快的发展，由于干式水表的用水计量传动加装了一级磁传感，精度低，且随着时间的推移，其流量计量精度越来越低，也影响了干表的使用与推广；但已有的用于湿式水表的光电直读传感器，其不足也较为明显：湿式水表液封盒中容易产生气泡，尤其是在编码条上或编码槽中存在气泡时，当光发射管发出的光线通过时，容易产生折射等现象，使照射到光敏接收管的光强度降低，使得光敏接收管的感应电流降低，造成传感器编码错误，导致由于气泡干扰产生的读数错误；针对气泡干扰，目前业界还没有有效的办法，由于气泡干扰的限制，使得光电直读式湿式水表的推广困难。

发明内容：

本发明的设计目的是：提供一种光电直读水表传感器抑制气泡干扰的方法，用于采用光电技术对机械计数器显示的读数进行电信号编码输出的水表，使用该方法设计的光电直读式湿式水表防气泡干扰的能力强，同时具有备价格低廉，性能稳定、使用电子元器件数量少的特点。

本发明所提供的光电直读水表传感器抑制气泡干扰的方法，包括：单片机、通讯接口组件、直流供电组件、多组由多对光敏接收管、光发射管对管组成的光电传感器的光电传感译码器组件、光敏接收管取样电阻控制电路组件，其中单片机内置有ADC模块(模数转换器模块)，光敏接收管的感应信号采样电阻由可控制的两个取样电阻(R1、R2)，由光敏接收管取样电阻控制电路控制光敏接收管的采样电阻在单一采样电阻(R2)与两个串接的电阻(R1+R2)之间切换，使光敏接收管采样电阻的阻值在R2与R1+R2之间切换，通过调整光敏接收管采样电阻，来调整光敏接收管的传感灵敏度，实现抑制气泡干扰的作用，本发明为实现上述目的，采用如下方法：

为方便说明，在本实施的具体措施中采用一对光敏接收管与光发射管的原理来进行描述，光发射管D负极连接低电位、光发射管D正极连接分压电阻R3的一端，R3的另一端连接供电电源Vcc，接通电源，此时光发射管工作，定义此条件下的发光强度为Pw；光敏接收管Q的发射极连接低电位，集电极连接电阻R2的一端，连结点定义为采样点Vsin，电阻R2的另一端连接开关SW2的一端与电阻R1的一端，R1的另一端连接开关SW1，开关SW1、开关SW2的另一端同时连接供电电源Vcc，设当光强度为Pw的光照射到光敏接收管Q上，光敏接收管Q感应的电流为I，当通过单片机控制连通采样开关SW1，断开采样开关SW2，则取样电阻的值为(R1+R2)，此时采样点的电压值：

Vsin1＝VCC-(R1+R2)x I；

当通过单片机控制连通采样开关SW2，断开采样开关SW1，则取样电阻的值为R2，此时采样点的电压值：

Vsin2＝VCC-R2x I；

从以上两个计算公式可以看出：在同等感应电流的条件下，由于(R1+R2)的值大于R2，Vsin1将低于Vsin2，即增加取样电阻值，可调整光敏接收管Q的接收传感灵敏度。

假设采样点电压Vsin高于某一阈值V时，采样点的逻辑电平为“1”，采样点电压Vsin低于某一阈值V时，采样点的逻辑电平为“0”，当光发射管D发出的光透过编码器的编码孔槽照射到光敏接收管Q，所获取的采样电压Vsin低于阈值V，采样点的逻辑电平为“0”；当光发射管D发出的光由编码器的遮光带遮挡，不能照射到光敏接收管Q，所获取的采样电压Vsin高于阈值V，采样点的逻辑电平为“1”，所获取的编码逻辑正常，读数取值正常，光电直读传感器的气泡干扰存在于光发射管D发出的光透过编码器的编码孔槽照射到光敏接收管Q的光通道，由于在实际应用中，光电直读式传感器中照射到光敏接收管Q上的光除光发射管D发出的光外，可能还存在外部环境光的叠加照射，为同时解决外部环境光干扰的问题，本发明采用下面的测量时序来完成。

第一步：通过单片机控制，只连接一个采样电阻R2，关闭光发射管D，先测量外部环境光的强度，然后通过测量(Vsin)的信号电平，测量外部环境光照强度，如外部环境光的强度超过一定的设定值，停止继续往下测量，报光干扰错误；否则，继续进行下步骤的扫描测量。

第二步：通过单片机程序控制光敏接收管只连接一个采样电阻R2，点亮光发射管D，然后测量(Vsin)的信号电平，再依次扫描各光电传感器，记录此次扫描的转换数据；假设此时光发射管D发出的光透过编码器的编码孔槽照射到光敏接收管Q的光通道，如不存在气泡干扰，则没有经过气泡干扰衰减，只连接一个采样电阻R2，获取的采样电压Vsin将符合正常的逻辑要求，译码数据正常；但光通过光通道时，可能会经过一个或多个干扰气泡时，照射到光敏接收管Q上的光强度Pw将降低为Pw1，光敏接收管Q的感应电流也会降低，设此条件下的感应电流为I1，此时只连接一个采样电阻R2时，由于Vcc、R2的值一定，而I降低，导致此条件所获取的采样电压Vsin2会比正常的Vsin值抬高，当抬高到超过阈值V时，即气泡干扰严重时，采样点的逻辑电平由正常的“0”变为了“1”，导致处理后的数据错误；

第三步：通过单片机程序控制光敏接收管连接一个采样电阻R1、R2，R1与R2串联连接，此时光敏接收管的采样电阻阻值为：R1+R2，关闭光发射管D，然后通过测量(Vsin)的信号电平，测量外部环境光的强度，如外部环境光的强度超过一定的设定值，停止继续往下测量，报第二步的测量数据，此数据可能存在气泡干扰；否则继续测量，达到消除干扰的结果。

第四步：通过单片机程序控制光敏接收管连接一个采样电阻R1、R2，R1与R2串联连接，点亮光发射管D，然后测量(Vsin)的信号电平，再依次扫描各光电传感器，假设此时光发射管D发出的光透过编码器的编码孔槽照射到光敏接收管Q的光通道，如不存在气泡干扰，未经过气泡干扰衰减，采样电阻R1+R2的值大于R2的值，获取的采样电压Vsin将符合正常的逻辑要求，译码数据正常；当光通过光通道时，可能会经过一个或多个干扰气泡时，照射到光敏接收管Q上的光强度Pw将降低，光敏接收管Q的感应电流I也会降低，由于在I降低的条件下，R升高，导致此条件所获取的采样电压Vsin1比正常的Vsin值抬高幅度不大，甚至比正常的Vsin值还要低，使得采样点的逻辑电平维持正常的逻辑“0”；

第五步：将第二步与第四步得到的译码数据运算处理，当两组数据一致时，取任意一组数据作为译码数据，此时不存在能影响数据测量的气泡干扰；当两组数据不一致时，取第四步获取的数据作为译码数据，此时存在能影响数据测量的气泡干扰，同时可报气泡干扰；

本发明优点在于：

1、仅通过调整取样电阻的阻值，达到修正光敏接收管Q的接收传感灵敏度，实现在光通道遇到气泡干扰时，光电直读传感器的译码正常。

2、增加的器件少，具有占用空间小，成本低的特点。

附图说明：

图1：本发明实施例一对光电对管感应原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明做进一步的说明：

本实施例提供的光电直读水表传感器气泡干扰抑制的方法，包括单片机、通讯接口组件、直流供电组件、多组由多对光敏接收管、光发射管对管组成的光电传感器的光电传感译码器组件、光敏接收管取样电阻控制电路组件；图一描叙了一对光敏接收管、光发射管对管的原理示意图，光电感应信号输入单片机的ADC输入端口，由单片机对输入的模拟信号进行数字量化处理，设工作时的光电感应信号为：Vsin；为进一步说明本发明的方法，先假设如下几个参数：

1、单片机的系统供电电源：Vcc＝5V，

2、光敏接收管的采样高低电平阈值：V＝3V，高于3V为逻辑电平“1”，低于3V为逻辑电平“0”，

3、取样电阻：R1-1＝10K欧，

4、I/O端口VR1的上拉等效电阻：R＝80K欧，

5、光电对管在正常情况下，光敏接收管的感应电流：Iw＝450uA，

6、光电对管在通过气泡干扰的情况下，光敏接收管的感应电流：Iw1＝40uA，

7、假设不存在外部光干扰，光敏接收管的暗电流：Imark＝0.01uA，

8、光敏接收管的采样环境光的电平阈值：Vroom＝1V，高于1V不存在环境光干扰，低于1V存在环境光干扰，

结合图1，以及上面的假设数据，以第一组光电传感器的数据示例本发明采用的测量时序：

第一步：通过单片机控制，断开SW1，连通SW2，使光敏接收管只连接一个采样电阻R2，关闭光发射管D，先测量外部环境光的强度，如果测量的光敏接收管感应数据高于设定的Vroom值，表示无环境光干扰，继续下步骤的扫描测量；否则，如低于设定的Vroom值，表示存在环境光干扰，则停止继续测量，报外部环境光干扰警示，测量计算如下：

Vsin＝Vcc-(R2x Imark)，代入数据，得到：Vsin＝4.9999V

经运算比较，不存在环境光干扰问题，继续测量。

第二步：通过单片机控制，继续保持断开SW1，连通SW2，使光敏接收管只连接一个采样电阻R2，点亮光发射管D，开始扫描测量，假设光线能透过编码器的编码槽孔照射到光敏接收管，此时的正常逻辑为“0”电平，

如果没有经过气泡干扰，则

Vsin＝Vcc-(R2x Iw)，将数据代入，Vsin＝0.5V，低于3V，输出逻辑“0”，符合测量要求。

如果经过了气泡干扰，由于气泡干扰，使得照射到光敏接收管上的光强变弱，假设为Iw1，则

Vsin＝Vcc-(R2x Iw1)，将数据代入，Vsin＝4.6V，高于3V，输出逻辑“1”，不符合测量要求，将输出错误的译码数据，设此数据为x，表明此时已不能正确读数，不能抵御气泡干扰。

第三步：通过单片机控制，断开SW2，连通SW1，使光敏接收管串接R1、R2两个采样电阻，关闭光发射管D，再次测量此条件下外部环境光干扰问题，如果测量的光敏接收管感应数据高于设定的Vroom值，表示无环境光干扰，继续下步骤的扫描测量；否则，如低于设定的Vroom值，表示存在环境光干扰，则停止继续测量，输出第三步的测量数据，但不报外部环境光干扰警示，测量计算如下：

Vsin＝Vcc-(R2+R1)x Imark，代入数据，得到：Vsin＝4.9991V

经运算比较，不存在环境光干扰问题，继续测量。

第四步：通过单片机控制，继续保持断开SW1，连通SW2，使光敏接收管只连接一个采样电阻R2，点亮光发射管D，开始扫描测量，假设光线能透过编码器的编码槽孔照射到光敏接收管，此时的正常逻辑为“0”电平，

如果没有经过气泡干扰，则

Vsin＝Vcc-(R1+R+R2)x Iw，将数据代入，Vsin＝-35.5V，在此计算数据结果Vsin低于0V，已表示此条件下，光敏接收管已饱和导通，Vsin等于该光敏接收管的饱和导通结压降，数据将低于3V，输出逻辑“0”，符合测量要求。

如果经过了气泡干扰，由于气泡干扰，使得照射到光敏接收管上的光强变弱，假设为Iw1，则

Vsin＝Vcc-(R1+R2)x Iw1，将数据代入，Vsin＝1.4V，低于3V，输出逻辑“0”，符合测量要求，将输出正确的译码数据，设此数据为Y，表明此时已能正确读数，能抵御气泡干扰，具备防气泡干扰的能力。

第五步：将第二步与第四步得到的译码数据运算处理，当两组数据一致时，取任意一组数据作为译码数据，此时不存在能影响数据测量的气泡干扰；当两组数据不一致时，取第四步获取的数据作为译码数据，此时存在能影响数据测量的气泡干扰，同时可报气泡干扰。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，如单片机的选用不同、ADC取样顺序不同，测量时序不同、开关的控制方法不同等等，但凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种光电直读水表传感器抑制气泡干扰的方法，包括：单片机、通讯接口组件、直流供电组件、多组由多对光敏接收管、光发射管对管组成的光电传感器的光电传感译码器组件、光敏接收管取样电阻控制电路组件，其特征为：光敏接收管的感应信号采样电阻由可控制的两个取样电阻(R1、R2)，由光敏接收管取样电阻控制电路控制光敏接收管的采样电阻在单一采样电阻(R2)与两个串接的电阻(R1+R2)之间切换，使光敏接收管采样电阻的阻值在R2与R1+R2之间切换，通过调整光敏接收管采样电阻，来调整光敏接收管的传感灵敏度，实现抑制气泡干扰的作用。

2.根据权利要求1所述的光电直读水表传感器抑制气泡干扰的方法，其特征为：光电传感器组件采用逐一扫描的方式完成数据测量，每次完整的扫描过程包含以下五个步骤：

第一步：通过单片机程序控制光敏接收管只连接一个采样电阻R2，关闭光发射管D，然后通过测量(Vsin)的信号电平，测量外部环境光照强度，如外部环境光的强度超过一定的设定值，停止继续往下测量，报光干扰错误；否则，继续进行下步骤的扫描测量；

第二步：通过单片机程序控制光敏接收管只连接一个采样电阻R2，点亮光发射管D，然后测量(Vsin)的信号电平，再依次扫描各光电传感器，记录此次扫描的转换数据；

第三步：通过单片机程序控制光敏接收管连接一个采样电阻R1、R2，R1与R2串联连接，关闭光发射管D，然后通过测量(Vsin)的信号电平，测量外部环境光照强度，如外部环境光的强度超过一定的设定值，停止继续往下测量，上报第二步的测量数据；否则继续测量；

第四步：通过单片机程序控制光敏接收管连接一个采样电阻R1、R2，R1与R2串联连接，点亮光发射管D，然后通过测量(Vsin)的信号电平，依次扫描各光电传感器，记录此次扫描的转换数据；

第五步：将第二步与第四步得到的译码数据运算处理，当两组数据一致时，取任意一组数据作为译码数据，此时不存在能影响数据测量的气泡干扰；当两组数据不一致时，取第四步获取的数据作为译码数据，此时存在能影响数据测量的气泡干扰，同时报气泡干扰警示标志。