CN104006858B - 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，连接光敏接收管的单片机I/O端口具备可编程的输出功能和带上拉的输入功能，通过将该端口切换为输出功能和带上拉的输入功能，完成对光敏接收管的不同的供电连接，使得光敏接收管的采样电阻在单一外接采样电阻(Rn‑1)与外接采样电阻(Rn‑1)串接单片机内部I/O端口的上拉电阻(R)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，也影响了干式表的使用与推广；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，使照射到光接收管的光强度降低，使得光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，本发明为实现上述目的，通过以下技术方案来实现：

连接光敏接收管的单片机I/O端口具备可编程的输出功能和带上拉的输入功能，通过程序控制将该端口切换为输出功能和带上拉的输入功能，完成对光敏接收管的不同的供电连接，使得光敏接收管的采样电阻在单一外接采样电阻R_n-1与外接采样电阻R_n-1串接单片机内部I/O端口的上拉电阻R之间切换，使光敏接收管采样电阻的阻值在R_n-1与R_n-1+R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；

为方便进一步说明，预先对采用一对光敏接收管与光发射管的光感应原理进行描述，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，R2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R的一端，连结点定义为采样点Vsin，电阻R的另一端连接供电电源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，假设光敏接收管工作在线性区，且不考虑其他器件因素，将符合以下计算：

Vsin＝Vcc-R1 x I；

本发明可通过以下具体的技术方案与流程来实现：

1、单片机采用内置有多路模拟数字转换器ADC。

2、每组光电传感器组件由一个取样电阻、一个限流电阻，多对包含一个光敏接收管、一个光发射管的光电对管组成的光电传感器对管组成，每组光发射管正极并联后，连通单片机的一个ADC输入脚ADTn，再串接限流电阻直接连接单片机的一个输出引脚VDn，每组光敏接收管的集电极并联后，连通单片机的一个ADC输入脚ARTn，再串接取样电阻R_n-1，取样电阻R_n-1连接单片机的I/O端口VRn，单片机的I/O端口VRn具有通过程序设定为带上拉的输入功能、与输出功能，每对光电传感器对管的发射极VSm连通，多组光电传感器组件中相对应位置的VSm连接后，直接连接单片机的一个输出引脚VSm；当通过程序设定，将I/O端口VRn设置为上拉输入，可等效为取样电阻R_n-1串接了一个电阻R，再连接到单片机系统的供电电源Vcc上；

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，将单片机的、需扫描检测的光电传感器组件对应的I/O端口VRn设置为输出端口，通过程序设定为输出高电平时，等效于取样电阻R_n-1连通到供电电源Vcc上，将需扫描检测的光电传感器组件对应的VDn输出低电平，需扫描检测的光电对管对应的VSm输出低电平，然后通过测量ARTn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：将单片机的、需扫描检测的光电传感器组件对应的I/O端口VRn保持为输出端口，且输出高电平，将对应的VDn输出高电平，需检测的光电对管对应的VSm输出低电平，点亮发光管Dn-m，然后测量ARTn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Dn发出的光透过编码器的编码孔槽照射到光敏接收管Qn的光通道，如不存在气泡干扰，则没有经过气泡干扰衰减，ARTn的信号电平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Qn上的光强度Pw将降低，光敏接收管Qn的感应电流也会降低，导致此条件所获取的采样电压ARTn的信号电平会比正常的电压值抬高，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，将单片机的、需检测的光电传感器组件对应的I/O端口VRn设置为上拉输入端口，此条件下，可等效为取样电阻R_n-1串接了一个电阻R，再连接到供电电源Vcc上，此时取样电阻将增大为R_n-1+R，通过控制单片机的对需检测的光电传感器组件对应的VDn输出低电平，需检测的光电对管对应的VSm输出低电平，然后通过测量ARTn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，此数据可能存在气泡干扰；否则继续测量，达到消除气泡干扰的效果；

第四步：将单片机的、需扫描检测的光电传感器组件对应的I/O端口VRn保持为上拉输入端口的状态，将对应的VDn输出高电平，需检测的光电对管对应的VSm输出低电平，点亮发光管Dn-m，然后测量ARTn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Dn发出的光透过编码器的编码孔槽照射到光敏接收管Qn的光通道，如不存在气泡干扰，由于取样电阻已增大为R_n-1+R，则没有经过气泡干扰衰减时，ARTn的信号电平也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Qn上的光强度Pw将降低，光敏接收管Qn的感应电流也会降低，由于在感应电流降低的条件下，取样电阻升高，导致此条件所获取的采样电压ARTn的信号电平会比正常值抬高幅度不大，甚至比正常的采样电压ARTn值还要低，使得采样点的逻辑电平维持正常的逻辑“0”，处理后的数据正常；

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。

本发明优点在于：

1、在不增加任何硬件电路的条件下，仅通过单片机软件调整I/O端口的性质，达到调整取样电阻的阻值，修正光敏接收管Q的接收传感灵敏度的效果，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、具有程序操作简单，容易实现的特征。

附图说明：

图1：本发明实施例电原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明做进一步的说明：

如图1所示：本实施例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，在图1中，使用由5对光敏接收管、光发射管对管组成光电传感器，由n组光电传感器组成光电传感译码器，其中光电传感译码器给出了详细的电气原理连接图，在图1中，Dn-m，与Qn-m(m表示1-5的标示数)组成一对光发射管、光敏接收管对管，Dn-1，与Qn-1到Dn-5，与Qn-5共5对光敏接收管、光发射管对管组成一组光电传感器，在图中所有网路标识为VS1的器件引脚连接在一起，所有网路标识为VS2的器件引脚连接在一起，所有网路标识为VS3的器件引脚连接在一起，所有网路标识为VS4的器件引脚连接在一起，所有网路标识为VS5的器件引脚连接在一起。

由图1可以看出：经单片机嵌入的程序，控制VRn与VDn即可控制第n组光电传感器组件的光敏接收管与光发射管的供电，其中连接VRn的单片机I/O端口具有可编程控制的带上拉的输入功能、与输出功能，然后将单片机的VSm端口依次拉低，即可对第n组的第n对光电对管进行扫描，现以第一组光电传感器组件为代表，详细描述光电测量的工作原理与过程：第一组光电传感器组件由光敏接收管Q1-1、Q1-2、Q1-3、Q1-4、Q1-5，光发射管D1-1、D1-2、D1-3、D1-4、D1-5组成，其中Q1-n与D1-n组成一对光电对管，图中光敏接收管采用NPN型，5个接收管的C极连通，串接取样电阻R_1-1，再连接单片机的I/O端口：VR1，当I/O端口VR1编程为输出功能时，由输出口VR1直接对光敏接收管供电，此条件下光敏接收管连接的采样电阻为R_1-1；当I/O端口VR1编程为带上拉的输入能时，此条件下光敏接收管由单片机内部系统电源经上拉电阻后供电，假设VR1端口的上拉电阻为R，在此条件下，光敏接收管连接的采样电阻为R_1-1+R；

光电感应信号输入单片机的ADC输入端口ART1，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：R_1-1＝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：通过单片机程序控制，将光电传感器组件对应的I/O端口VR1设置为输出端口，通过程序设定为输出高电平，光敏接收管由VR1直接供电，将VD1设置为输出低电平，即不点亮光发射管，依次通过将VSm设置为输出低电平，扫描测量5对光电对管，

Vsin＝Vcc-(R_1-1x Imark)＝4.9999V

经运算比较，不存在环境光干扰问题，继续测量。

第二步：继续维持单片机的I/O端口VR1保持为输出端口，且输出高电平，将对应的VD1输出高电平，即点亮光发射管，依次通过将VSm设置为输出低电平，扫描测量5对光电对管，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-(R_1-1x 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-(R_1-1x 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：通过单片机程序控制，将光电传感器组件对应的I/O端口VR1设置为带上拉的输入端口，光敏接收管由单片机内部系统电源经上拉电阻后供电，电源为Vcc，将VD1设置为输出低电平，即不点亮光发射管，依次通过将VSm设置为输出低电平，扫描测量5对光电对管，

Vsin＝Vcc-(R_1-1+R)x Imark＝4.9991V

经运算比较，不存在环境光干扰问题，继续测量。

第四步：继续维持单片机的I/O端口VR1保持为带上拉的输入端口，将对应的VD1输出高电平，即点亮光发射管，依次通过将VSm设置为输出低电平，扫描测量5对光电对管，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-(R_1-1+R)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-(R_1-1+R)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、包含多组由多对光敏接收管、光发射管对管组成的光电传感器组件的光电传感译码器组件，其特征为：光电传感译码器组件中的每组光电传感器组件的光敏接收管与光发射管由单片机的I/O端口VRn、VDn独立供电，光电传感译码器组件的对应位置的光电对管的公共端由同一单片机的输出端口VSm控制的扫描测量，测量数据经模拟数字转换器ADC具体量化的方法测量光电传感器的感应信号；单片机的连接光敏接收管的I/O端口VRn具有通过程序设定为带上拉的输入功能与输出功能，通过程序控制将I/O端口VRn切换为输出功能和带上拉的输入功能，完成对光敏接收管的不同的供电连接，使得光敏接收管的采样电阻在单一外接采样电阻R_n-1与外接采样电阻R_n-1串接单片机内部I/O端口的上拉电阻R之间切换，使光敏接收管采样电阻的阻值在R_n-1与R_n-1+R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，将单片机的、需检测的光电传感器组件对应的I/O端口VRn设置为输出端口，通过程序设定为输出高电平时，等效于取样电阻R_n-1连通到供电电源Vcc上，将需扫描检测的光电传感器组件对应的VDn输出低电平，需扫描检测的光电对管对应的VSm输出低电平，然后通过测量ARTn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：将单片机的、需扫描检测的光电传感器组件对应的I/O端口VRn保持为输出端口，且输出高电平，将对应的VDn输出高电平，需检测的光电对管对应的VSm输出低电平，点亮发光管Dn-m，然后测量ARTn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，将单片机的、需检测的光电传感器组件对应的I/O端口VRn设置为上拉输入端口，此条件下，可等效为取样电阻R_n-1串接了一个电阻R，再连接到供电电源Vcc上，此时取样电阻将增大为R_n-1+R，通过控制单片机的对需检测的光电传感器组件对应的VDn输出低电平，依次将需检测的光电对管对应的VSm输出低电平，然后通过测量ARTn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：继续维持单片机的、需检测的光电传感器组件对应的I/O端口VRn保持为上拉输入端口的状态，将对应的VDn输出高电平，需检测的光电对管对应的VSm输出低电平，点亮发光管Dn-m，然后测量ARTn的信号电平，获取当前光电对管的传感数据，再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。