CN113884154A - 用于物联网智能燃气表的基于mcu的双路光电采样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于物联网智能燃气表的基于MCU的双路光电采样方法，属于燃气表技术领域。包括：沿燃气表编码盘的运动方向并列安装两个光电元件组，每个光电元件组中的发光二极管和光敏二极管分别安装在编码盘的两侧，编码盘安装在被测试的转轴上或者通过传动机构带动旋转，间断的切断发光二极管的发射端和光敏二极管的接收端之间的通路，通过读取两个光敏二极管输出信号的频率获得被测轴的转动频率，从而获得编码盘的旋转次数。采用本发明所述的方法，采用MCU对处于临界区域时的反馈信号进行判断并处理，即使计量脉冲遮挡组件停止在临界位置，或者在临界位置附近机械抖动时，也不会产生计数错误的问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃气表技术领域，具体涉及用于物联网智能燃气表的基于MCU的双路光电采样方法。
背景技术
在民用燃气表领域，流量采样一般也称为机电转换。机电脉冲转换一般指的是将机械计数器指示的累计流量转换为电信号的信号转换，分为增量式机电转换和总量式机电转换。其中，增量式机电转换是机械计数器每增加固定的单位值，机电转换装置输入一个脉冲信号。磁性元件采样属于增量式机电转换，即增量式编码器原理，采样方法即增量式编码采样；一般的总量式机电转换又称位置式机电转换或者绝对值式机电装换，是机械计数器的每一个基准值，都有一个唯一的与之对应的电信号编码值。光电直读表属于绝对值机电转换，即绝对值编码器原理，采样方法即绝对值式编码采样。
目前常见的家用膜式燃气表一般采用磁性元件（干簧管、霍尔开关传感器、磁阻开关传感器等）进行机电脉冲转换，而磁性元件的缺陷就是无法避免使用过程中的强磁场攻击。随着智能燃气表行业发展迅速，形势还不断向好的方向发展，业内对表端计量安全性、准确性方面的要求越来越高，尤其是如何做到抗干扰、降低功耗、降低故障率、提高可靠性、节省制造成本这五个方面的要求更是如此。
如现有技术中公开号为CN210777125U，公开日为2020年06月16日，名称为“一种燃气表光脉冲采样装置”的中国实用新型专利，其技术方案公开了：一种燃气表光脉冲采样装置，涉及物联网智能燃气表技术领域，包括MCU控制器、红外发射电路、红外接收电路和计量脉冲遮挡组件；所述MCU控制器控制的红外发射电路和红外接收电路，所述红外发射电路的发射端与所述红外接收电路的接收端相对设置，所述计量脉冲遮挡组件设置在红外发射电路的发射端和红外接收电路的接收端之间；所述计量脉冲遮挡组件为以中间为圆心随燃气表使用时旋转、且边缘为半圆弧形条状遮挡板的转盘，所述半圆弧形条状遮挡板随转盘旋转间断的切断所述红外发射电路的发射端和红外接收电路的接收端之间的通路。
上述专利通过红外发射源的红外发光二极管U1供电发出红外射线，光敏二极管接收红外发射源发出的红外射线，光敏二极管再通过电阻电路将接收到的红外射线转换为脉冲信号反馈至所述MCU控制器，光解决了磁性采样元件在受到外界强磁场干扰的情况下燃气表的采样信号会出现错误的问题。但是，当计量脉冲遮挡组件运动到红外光线似遮挡非遮挡（部分遮挡）的临界状态时，红外接收电路的输出信号为不确定状态，或者是高低电平快速跳变；如果计量脉冲遮挡组件停止在临界位置，或者在临界位置附近机械抖动，同样会造成输出信号的不确定状态，而这种不确定状态会造成计数错误。因此设计一种MCU的双路光电采样方法从而避免上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供用于物联网智能燃气表的基于MCU的双路光电采样方法，该方法可以避免燃气表的计量脉冲遮挡组件停止在临界位置，或者在临界位置附近机械抖动所导致的计量不准确的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
用于物联网智能燃气表的基于MCU的双路光电采样方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）、沿燃气表编码盘的运动方向并列安装包含光采样电路的光电元件组A和光电元件组B；
2）、采用MCU分别控制两个光采样电路，分配GPO_X作为输出信号，控制两个光采样电路中的发光二极管LEDX的打开与关闭；分配GPI_X作为输入信号，读取两个光采样电路中光敏二极管PDX的信号输入；
3）、采用三极管QX分别对两个光采样电路中的光敏二极管信号做饱和放大，当光敏二极管PDX被发光二极管LEDX的激励光源照射时， QX饱和导通，即GPI_X输入信号为逻辑0；当PDX未被发光二极管LEDX的激励光源照射时，输出逻辑1；
4）、采用MCU控制GPO_X以固定的周期打开激励光源LEDX，然后读取GPI_X的输入状态，并通过GPI_X的逻辑状态变化，确定编码盘的旋转次数：
当两个GPI_X输入信号均为逻辑0时，记录当前状态；
当两个GPI_X输入信号均为逻辑1，且前一个记录的状态为均为逻辑0时，编码盘旋转圈数计数增加一圈，同时更新状态记录；
当两个GPI_X输入信号不同时为0、或者不同时为1时，不做任何处理。
进一步地，所述光电元件组A包括发光二极管LED1、光敏二极管PD1、三极管Q1、电阻R11、R12、R13；MCU分配GPI_1控制发光二极管LED1的打开和关闭，分配GPO_1读取光敏二极管PD1的信号输入，三极管Q1对光敏二极管PD1的信号做饱和放大处理；
所述光电元件组B包括对应的发光二极管LED2、光敏二极管PD2、三极管Q2、电阻R21、R22、R23，MCU分配GPI_2控制发光二极管LED2的打开和关闭，分配GPO_2读取光敏二极管PD2的信号输入，三极管Q2对光敏二极管PD2的信号做饱和放大处理。
进一步地，所述采样方法还包括：
（3-1）MCU程序设定初始化：
设置一个状态变量number用于记录编码盘旋转圈数，并且赋初值；
设置一个状态变量pdStatus用于记录当前采样所得的光电二极管的信号状态；
再设置一个状态变量pdStatusPre用于记录上一个采样所得的光敏二极管的信号状态；
pdStatus、pdStatusPre均为bit0、bit1有效，其中bit0对应记录GPI_0的状态，bit1对应记录GPI_1的状态；pdStatus和pdStatusPre设初值0x03；
（3-2）设置定时器，定时器溢出周期作为采样周期；
（3-3）等待定时器溢出；
（3-4）定时器溢出时，按照下列步骤完成本次采样：
a.设置GPO_X为输出状态；
b.设置GPI_X为输入状态；
c.使GPI_X输出逻辑0，打开LEDX；
d.延时1us-2us；
e.读取GPO_X状态；
f.使GPI_X输出逻辑1，关闭LEDX；
g.判断：
若GPI_1和GPI_2同时为0；将pdStatus置为0x00；再将pdStatus的值赋予pdStatusPre，跳转到步骤h；
若GPI_1和GPI_2同时为1，且pdStatusPre为0x00；表示编码盘由非遮挡旋转到遮挡状态，状态变量number加1；然后pdStatus置为0x03，再将pdStatus的值赋予pdStatusPre，跳转到步骤h；
若GPI_1和GPI_2的值不同时为0、或者不同时为1，表示其中一个光电元件组处于临界区，或者是机械抖动所致，此时不做任何处理；
h.退出本次采样；
（3-5）转到步骤（3-3）。
进一步地，每个光电元件组中的发光二极管和光敏二极管分别安装在编码盘的两侧，编码盘安装在被测试的转轴上或者通过传动机构带动旋转，间断的切断发光二极管的发射端和光敏二极管的接收端之间的通路，通过读取两个光敏二极管输出信号的频率获得被测轴的转动频率，从而获得编码盘的旋转次数。
本技术方案的有益效果如下：
本发明沿燃气表编码盘的运动方向并列安装两个包含采样电路的光电元件组，两个光电元件组中的发光二极管和光敏二极管元件分别安装在编码盘的两侧，编码盘安装在被测试的转轴上或者通过传动机构带动旋转，当编码盘遮挡位置时，光线被割断，光敏二极管接收不到光源信号输出逻辑1；当编码盘旋转至不挡光位置时，光敏二极管能够接受光源信号，输出逻辑0，当编码盘旋转至似遮挡非遮挡的临界区域时，两个光敏二极管的输出逻辑不同时为0或不同时为1，本发明所述的基于MCU的双路光电采样方法，采用MCU对处于临界区域时的反馈信号进行判断并处理，即使计量脉冲遮挡组件停止在临界位置，或者在临界位置附近机械抖动时，也不会产生计数错误的问题，从而提高燃气表计数的准确度。
附图说明
本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：
图1是本发明的一种电路原理图；
图2是本发明的一种采样示意图；
图3为本发明中的光电元件组处于临界位置的结构示意图。
图4为本发明光电元件组处于临界位置时的信号输出波形图。
图中：
1、编码盘，2、光电元件组A，3、光电元件组B，4、计数器组件，5、印制板，6、发光二极管，7、光敏二极管。
具体实施方式
下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
实施例1
本实施例提供了一种用于物联网智能燃气表的基于MCU的双路光电采样方法，具体包括：
一、沿燃气表编码盘1的运动方向并列安装包含光采样电路的光电元件组A和光电元件组B。
光电元件组A和光电元件组B的安装位置如图2和图3所示，编码器的编码盘与计数器组件的末位字轮通过齿轮耦合，保持同步转动，末位字轮转动1周，编码盘也同步转动一周。编码盘旋转时，能够保证光电元件组A、光电元件组B同时出在遮挡区域和非遮挡区域，当其中一组处于遮挡区域，另一组处于非遮挡区域时，视为临界区。
两个光电元件组中的发光二极管和光敏二极管元件分别安装在编码盘的两侧，编码盘安装在被测试的转轴上或者通过传动机构带动旋转。当编码盘遮挡位置时，光线被割断，光敏二极管接收不到光源信号输出逻辑1；当编码盘旋转至不挡光位置时，光敏二极管能够接受光源信号，输出逻辑0。编码盘持续转动，光敏二极管元件输出与被测轴转动频率相同的脉冲信号，通过读取光敏二极管输出信号的频率可以获得被测轴的转动频率。
如图3所示，图中光电元件组A和光电元件组B均设有相对应的发光二极管和光敏二极管，两组光电组件中间为编码盘，将编码盘的旋转运动展开为直线运动，光电开关中间为编码盘，黑色填充区域表示遮挡区域，白色填充区域表示无遮挡区域，编码盘旋转运动相当于光电元件组相对运动，此时光电元件组中光敏二极管输出信号为逻辑1。
当编码盘与光电元件组的相对位置如图4所示时，光电元件组B正好处于临界区，一部分遮挡，一部分未遮挡状态，此时光电组件B中光敏二极管信号输出为不确定的状态，或者为逻辑1，或者为逻辑0，也可能逻辑“1”和逻辑“0”之间不断跳变。
二、图1中列举了一种基于MCU的双路光电采样的电路原理图，其中发光二极管LED1、光敏二极管PD1、放大电路Q1、电阻R11、R22、R13以及MCU组成A组光电采样；发光二极管LED2、光敏二极管PD2、放大电路Q2、电阻R21、R22、R23以及MCU组成B组采样。
MCU分配GPI_1控制发光二极管LED1的打开和关闭，分配GPO_1读取光敏二极管PD1的信号输入，三极管Q1对光敏二极管PD1的信号做饱和放大处理；MCU分配GPI_2控制发光二极管LED2的打开和关闭，分配GPO_2读取光敏二极管PD2的信号输入，三极管Q2对光敏二极管PD2的信号做饱和放大处理。
三、采用三极管Q1和Q2分别对两个光采样电路中的光敏二极管信号做饱和放大处理，当光敏二极管被发光二极管的激励光源照射时，三极管饱和导通，即GPI_X输入信号为逻辑0；当PDX未被发光二极管LEDX的激励光源照射时，输出逻辑1。
四、采用MCU控制GPO_X以固定的周期打开激励光源LEDX，然后读取GPI_X的输入状态，并通过GPI_X的逻辑状态变化，确定编码盘的旋转次数：
当两个GPI_X输入信号均为逻辑0时，记录当前状态；
当两个GPI_X输入信号均为逻辑1时，且前一个记录的状态均为逻辑0时，编码盘旋转圈数计数增加一圈，同时更新状态记录；
当两个GPI_X输入信号不同时为0、或者不同时为1时，不做任何处理。
上述方法采用MCU对处于临界区域时的反馈信号进行判断后处理，即使计量脉冲遮挡组件停止在临界位置，或者在临界位置附近机械抖动时，也不会产生计数错误的问题，通过该方法可提高燃气表计数的准确度。
实施例2
本实施例基于实施例1的内容，进一步地，所述采样方法还包括：
（3-1）MCU程序设定初始化：
设置一个状态变量number用于记录编码盘旋转圈数，并且赋初值；
设置一个状态变量pdStatus用于记录当前采样所得的光电二极管的信号状态；
再设置一个状态变量pdStatusPre用于记录上一个采样所得的光敏二极管的信号状态；
pdStatus、pdStatusPre均为bit0、bit1有效，其中bit0对应记录GPI_0的状态，bit1对应记录GPI_1的状态；pdStatus和pdStatusPre设初值0x03；
（3-2）设置定时器，定时器溢出周期作为采样周期；
（3-3）等待定时器溢出；
（3-4）定时器溢出时，按照下列步骤完成本次采样：
a.设置GPO_X为输出状态；
b.设置GPI_X为输入状态；
c.使GPI_X输出逻辑0，打开LEDX；
d.延时1us-2us；
e.读取GPO_X状态；
f.使GPI_X输出逻辑1，关闭LEDX；
g.判断：
若GPI_1和GPI_2同时为0；将pdStatus置为0x00；再将pdStatus的值赋予pdStatusPre，跳转到步骤h；
若GPI_1和GPI_2同时为1，且pdStatusPre为0x00；表示编码盘由非遮挡旋转到遮挡状态，状态变量number加1；然后pdStatus置为0x03，再将pdStatus的值赋予pdStatusPre，跳转到步骤h；
若GPI_1和GPI_2的值不同时为0、或者不同时为1，表示其中一个光电元件组处于临界区，或者是机械抖动所致，此时不做任何处理；
h.退出本次采样；
（3-5）转到步骤（3-3）。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (4)
1.用于物联网智能燃气表的基于MCU的双路光电采样方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）、沿燃气表编码盘的运动方向并列安装包含光采样电路的光电元件组A和光电元件组B；
2）、采用MCU分别控制两个光采样电路，分配GPO_X作为输出信号，控制两个光采样电路中的发光二极管LEDX的打开与关闭；分配GPI_X作为输入信号，读取两个光采样电路中光敏二极管PDX的信号输入；
3）、采用三极管QX分别对两个光采样电路中的光敏二极管信号做饱和放大，当光敏二极管PDX被发光二极管LEDX的激励光源照射时， QX饱和导通，即GPI_X输入信号为逻辑0；当PDX未被发光二极管LEDX的激励光源照射时，输出逻辑1；
4）、采用MCU控制GPO_X以固定的周期打开激励光源LEDX，然后读取GPI_X的输入状态，并通过GPI_X的逻辑状态变化，确定编码盘的旋转次数：
当两个GPI_X输入信号均为逻辑0时，记录当前状态；
当两个GPI_X输入信号均为逻辑1，且前一个记录的状态为均为逻辑0时，编码盘旋转圈数计数增加一圈，同时更新状态记录；
当两个GPI_X输入信号不同时为0、或者不同时为1时，不做任何处理。
2.根据权利要求1所述的用于物联网智能燃气表的基于MCU的双路光电采样方法，其特征在于：所述光电元件组A包括发光二极管LED1、光敏二极管PD1、三极管Q1、电阻R11、R12、R13；MCU分配GPI_1控制发光二极管LED1的打开和关闭，分配GPO_1读取光敏二极管PD1的信号输入，三极管Q1对光敏二极管PD1的信号做饱和放大处理；
所述光电元件组B包括发光二极管LED2、光敏二极管PD2、三极管Q2、电阻R21、R22、R23，MCU分配GPI_2控制发光二极管LED2的打开和关闭，分配GPO_2读取光敏二极管PD2的信号输入，三极管Q2对光敏二极管PD2的信号做饱和放大处理。
3.根据权利要求1或2所述的用于物联网智能燃气表的基于MCU的双路光电采样方法，其特征在于，所述采样方法还包括：
（3-1）MCU程序设定初始化：
设置一个状态变量number用于记录编码盘旋转圈数，并且赋初值；
设置一个状态变量pdStatus用于记录当前采样所得的光电二极管的信号状态；
再设置一个状态变量pdStatusPre用于记录上一个采样所得的光敏二极管的信号状态；
pdStatus、pdStatusPre均为bit0、bit1有效，其中bit0对应记录GPI_0的状态，bit1对应记录GPI_1的状态；pdStatus和pdStatusPre设初值0x03；
（3-2）设置定时器，定时器溢出周期作为采样周期；
（3-3）等待定时器溢出；
（3-4）定时器溢出时，按照下列步骤完成本次采样：
a.设置GPO_X为输出状态；
b.设置GPI_X为输入状态；
c.使GPI_X输出逻辑0，打开LEDX；
d.延时1us-2us；
e.读取GPO_X状态；
f.使GPI_X输出逻辑1，关闭LEDX；
g.判断：
若GPI_1和GPI_2同时为0；将pdStatus置为0x00；再将pdStatus的值赋予pdStatusPre，跳转到步骤h；
若GPI_1和GPI_2同时为1，且pdStatusPre为0x00，表示编码盘由非遮挡旋转到遮挡状态，状态变量number加1；然后pdStatus置为0x03，再将pdStatus的值赋予pdStatusPre，跳转到步骤h；
若GPI_1和GPI_2的值不同时为0、或者不同时为1，表示其中一个光电元件组处于临界区，或者是机械抖动所致，此时不做任何处理；
h.退出本次采样；
（3-5）转到步骤（3-3）。
4.根据权利要求1所述的用于物联网智能燃气表的基于MCU的双路光电采样方法，其特征在于，每个光电元件组中的发光二极管和光敏二极管分别安装在编码盘的两侧，编码盘安装在被测试的转轴上或者通过传动机构带动旋转，间断的切断发光二极管的发射端和光敏二极管的接收端之间的通路，通过读取两个光敏二极管输出信号的频率获得被测轴的转动频率，从而获得编码盘的旋转次数。
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