CN1835002A - 一种机械字轮计数器非接触读数传感器及设计方法 - Google Patents

一种机械字轮计数器非接触读数传感器及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种机械字轮计数器非接触读数传感器及设计方法，它利用光反射原理，将光信号转换成电信号编码数据，实现非接触方式读取计数器字轮指示数字的功能。光电三极管、光电二极管和信号处理电路安装在支架上部的电路板上，支架的下部开有光纤固定孔，光纤连接在光电三极管、发光二极管与光纤固定孔之间作为光通道，支架下部装有字轮，字轮上贴有反光条，以扫描方式读出光电三极管的编码数据，再由单片机查字轮数字与编码数据对照表将编码数据转换成字轮计数器指示数字，通过串行插座输出，本发明精确计算出各光纤固定孔之间的夹角和反光条的几何参数。可以实现数据远程传输，不需要连续供电电源，使用方便，寿命长，不会产生累积误差。

Description

一种机械字轮计数器非接触读数传感器及设计方法
技术领域：
本发明涉及测量技术中数据识别技术领域，确切地说它是一种机械字轮计数器非接触读数传感器和该传感器的设计方法。
背景技术：
机械转轮式计数器广泛应用于水表、电表、气表、里程表以及其它累计式计量仪表上，由于其结构简单及工作可靠而稳定，在相当一段历史时期内，都是一个不可替代的计量方式。然而，由于技术的发展，很多场所要求该计量仪器能以电子数字化方式输出计量结果，以便加以远程传输或直接送到电脑进行数据处理，而这类仪表由于没有相应的电子数字化输出设备。
发明内容：
本发明的目的是提供一种机械字轮计数器非接触读数传感器，它利用光反射原理，根据安装在字轮表面上的反光条的光反射信号强弱，通过电路处理将反射光信号转换成字轮旋转角度对应的电信号编码数据，从而实现非接触方式读取机械式字轮计数器字轮指示数值的功能。它包括字轮、光纤固定孔、支架、反光条、电路板、光纤、发光二极管、光电三极管和信号处理电路，其特征在于：支架(5)上部电路板(3)上装有光电三极管(1)、发光二极管(2)和信号处理电路，支架(5)开有光纤固定孔(7)，光电三极管(1)和发光二极管(2)与支架(5)的光纤固定孔(7)之间采用光纤(4)作为光通道，且每个光纤固定孔(7)内并列安装2根光纤，其中1根与光电三极管连接，1根与发光二极管连接，支架(5)下部装有字轮(8)，字轮(8)上贴有反光条(6)。信号处理电路包括单片机控制电路和多路开关电路如图7所示，光电三极管的输出端与多路开关的输入端相连，单片机控制电路的A、B、C端与多路开关的地址选择端A、B、C相连，多路开关的输出端X与单片机控制电路的AD-IN端相连，单片机控制电路的CON1端与发光二极管的阴极相连，单片机控制电路首先拉低CON1端使发光二极管发光照亮字轮上的反光条，单片机以扫描方式依次控制多路开关的A、B、C地址选择端，由AD-IN端将对应的光电三极管的输出信号读入单片机内组合成编码数据，再由单片机字轮数字与编码数据对照表将编码数据转换成字轮计数器指示数字，通过串行通讯插座输出。
光电三极管和发光二极管的数量根据不同的应用需求确定，光电三极管越多传感器的体积越小，而对应不同的光电三极管数量，相邻两个光纤固定孔之间具有确定的夹角；本发明提出的相邻两个光纤固定孔之间夹角的计算方法和步骤如下：
(1)根据设计需求选定每个字轮对应的光电三极管的数量N；
(2)相邻两光纤固定孔之间的夹角α＝360÷[(N-3)×N]；
(3)光纤固定孔的数量与光电三极管数量N相等；
在确定了光电三极管数量和相邻两个光纤固定孔之间夹角后，就有一组特定长度的黑白相间的反光条与其对应，反光条各段长度的计算方法和步骤如下：
(1)反光段和非反光段的长度以字轮圆心夹角度量；
(2)每段长度是由αMK＝360×(K±1/M)÷[(N-3)×N]所确定的角度和α0＝360÷(N-3)所确定的角度组合构成，其中K＝1、2、3…(N-1)，M＝3、4…N，N为光电三极管数量。
(3)全部反光段和非反光段的角度之和等于360度；
(4)验证字轮旋转一周时，由光电传感器读出的所有数据没有重复数据；
(5)将(4)中确定的数据与字轮计数器的字轮指示数字对应起来构成字轮数字与编码数据对照表，并将该对照表保存在图7所示的信号处理电路的单片机内。
(6)采用图7所示的信号处理电路读出传感器的输出信号，通过查字轮数字与编码数据对照表得到对应的字轮指示数字，单片机控制电路经由通讯插座以串行方式输出字轮指示数字。
本发明的优点是：可以实现数据远程传输，不需要连续供电电源，准确性高，使用方便，寿命长，不会产生累积误差，实现了非接触方式读取机械式字轮计数器指示数值的功能。
附图说明：
图1为本发明传感器的结构示意图。
图2为本发明传感器中实施例1的光纤固定孔之间夹角分布示意图。
图3为本发明传感器中实施例1的一种反光条的分布示意图。
图4为本发明传感器实施例2的结构示意图。
图5为本发明传感器中实施例2的光纤固定孔之间夹角分布示意图。
图6为本发明传感器中实施例2的一种反光条的分布示意图。
图7为本发明传感器中实施例1和实施例2的信号处理电路图。
具体实施方式：
实施例1：
在8只光电三极管传感器上应用。
支架和电路板的设计：
(1)确定每个字轮对应的光电三极管的数量N＝8(见附图1)；
(2)计算相邻两光纤固定孔之间的夹角：
α＝360÷[(8-3)×8]＝9度；
(3)光纤固定孔的数量为8个，间隔角度为9度(见附图2)；
根据以上方法设计出支架(5)和支架(5)上的光纤定位孔(7)并且电路板(3)上装有8只光电三极管(见附图1)。
反光条的设计：
(1)反光段和非反光段的长度以字轮圆心夹角度量；
(2)每段长度计算：
αMK＝360×(K+1/M)÷[(N-3)×N]
α0＝360÷(N-3)
N＝8；M＝5；K＝1、2、3、4、5、6、7时：
α51＝360×(1+1/5)÷[(8-3)×8]＝10.8
α52＝19.8
α53＝28.8
α54＝37.8
α55＝46.8
α56＝55.8
α57＝64.8
α0＝360÷(N-3)＝360/5＝72
段长度集合为{10.8，19.8，28.8，37.8，46.8，55.8，64.8，72}
(3)满足全部反光段和非反光段的角度之和等于360度条件的段长度组合为：
72+72+37.8+37.8+28.8+28.8+19.8+19.8+10.8+10.8+10.8+10.8＝360
(4)验证字轮旋转一周时，由光电传感器读出的所有数据没有重复数据：
当各段长组合按以下顺序组合时，光电三极管的输出信号无重复数据。{72°、72°、37.8°、19.8°、28.8°、10.8°、19.8°、37.8°、10.8°、28.8°、10.8°、10.8}(见图3)
(5)验证方法如下：
全部发光二极管(2)发光，分别检测光电三极管(1)的输出电平，当光纤定位孔(7)位于反光段上方时，光电三极管(1)的输出电平为1，当光纤定位孔(7)位于非反光段上方时，光电三极管(1)的输出电平为0，将全部光电三极管(1)的输出电平按图1中D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0的顺序排列成一个十六进制编码数据，字轮旋转一周时，光电三极管依次输出的编码数据如下：
0  1  3  7  F  1F 3F 7F FF FE FC F8 F0 E0 E1 C1 C3 83 87 86
6  E  C  1C 18 38 30 31 71 61 63 62 E2 C2 C6 C4 84 8C 88 89
9  19 11 13 33 23 27 67 47 4F CF 8F 9F 9E 1E 3E 3C 3D 7D 79
7B FB F3 F7 E7 EF EE CE DE DC DD 9D BD B9 BB BA 3A 7A 72 76
74 F4 E4 EC E8 C8 D8 D0 90 B0 A0 20 60 40 C0 80
全部96个编码数据中无重复数据，证明(图3)所示的段长组合为一组有效组合。在字轮旋转一周产生上述数据的同时，也产生出以下字轮数字与编码数据对照表。
  字轮数字 编码数据
  0   1E   3E   3C   3D   7D   79   7B   FB   F3   F7   E7   EF
  1   EE   CE   DE   DC   DD   9D   BD   B9   BB   BA   3A   7A   72   76   74   F4
  2   E4   EC   E8   C8   D8   D0   90   B0   A0   20   60   40
  3   C0   80   0   1   3
  4   7   F   1F   3F
  5   7F   FF   FE   FC
  6   F8   F0   E0   E1   C1   C3
  7   83   87   86   6   E   C   1C   18   38   30
  8   31   71   61   63   62   E2   C2   C6   C4   84   8C   88   89   9   19
9 11 13 33 23 27 67 47 4F CF 8F 9F 9E
将字轮数字与编码数据对照表保存在单片机内，采用图7的信号处理电路读出传感器的编码数据，通过查字轮数字与编码数据对照表得到对应的字轮数字，由单片机控制电路经由通讯插座以串行方式输出字轮指示数字，实现了非接触方式读取机械式字轮计数器指示数值的功能。
实施例2：
在7只光电三极管传感器上应用。
支架和电路板的设计：
(1)确定每个字轮对应的光电三极管的数量N＝7(见附图4)；
(2)计算相邻两光纤固定孔之间的夹角：
α＝360÷[(7-3)×7]＝360÷28＝12.9度；
(3)光纤固定孔的数量为7个，间隔角度为12.9度(见附图5)；
根据以上方法设计出支架(5)和出支架(5)上的光纤定位孔(7)以及电路板(3)上装有7只光电三极管(见附图4)。
反光条的设计：
(1)反光段和非反光段的长度以字轮圆心夹角度量；
(2)每段长度计算：
αMK＝360×(K-1/M)÷[(N-3)×N]
α0＝360÷(N-3)
N＝7；M＝3；K＝1、2、3、4、5、6时：
A31＝360×(1-1/3)÷[(7-3)×7]＝8.6；
α32＝21.4；
α33＝34.3；
α34＝47.1；
α35＝60.0；
α36＝72.9；
α0＝360÷(N-3)＝360/4＝90；
段长度集合为{8.6，21.4，34.3，47.1，60，72.9，90}
(3)满足全部反光段和非反光段的角度之和等于360度条件的段长度组合为：
90+90+47.4+47.4+21.4+21.4+21.4+21.4＝360
(4)验证字轮旋转一周时，由光电传感器读出的所有数据没有重复数据：
当各段长组合按以下顺序组合时，光电三极管的输出信号无重复数据。{90°，21.4°，21.4°，21.4°，47.1°，47.1°，21.4°，90}(见图6)
(5)验证方法如下：
全部发光二极管(2)发光，分别检测光电三极管(1)的输出电平，当光纤定位孔(7)位于反光段上方时，光电三极管(1)的输出电平为1，当光纤定位孔(7)位于非反光段上方时，光电三极管(1)的输出电平为0，将全部光电三极管(1)的输出电平按图1中D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0的顺序排列成一个十六进制编码数据，字轮旋转一周时，光电三极管依次输出的编码数据如下：
0  1  3  7  F  1F 3F 7F 7E 7C 7D 79 7B 73 72 76 66 64 6C 4C
48 58 18 10 30 31 21 61 63 43 42 46 6  4  C  D  9  19 1B 13
33 37 27 67 6F 4F 4E 5E 1E 1C 3C 38 78 70 60 40
全部56个编码数据中无重复数据，证明(图6)所示的段长组合为一组有效组合。在字轮旋转一周产生上述数据的同时，也产生出以下字轮数字与编码数据对照表。
  字轮数字 编码数据
  9   1B   13   33   37   27   67   6F   4F
  8   4E   5E   1E   1C   3C   38   78
  7   70   60   40
  6   0   1   3
  5   7   0F   1F
  4   3F   7F   7E
  3   7C   7D   79   7B
  2   73   72   76   66   64   6C   4C   48
  1   58   18   10   30   31   21   61   63
  0   43   42   46   6   4   0C   0D   9   19
将字轮数字与编码数据对照表保存在单片机内，采用图7的信号处理电路读出传感器的编码数据，通过查字轮数字与编码数据对照表得到对应的字轮数字，由单片机控制电路经由通讯插座以串行方式输出字轮指示数字，实现了非接触方式读取机械式字轮计数器指示数值的功能。

Claims (7)

1、一种机械字轮计数器非接触读数传感器，它包括字轮(8)、光纤固定孔(7)、支架(5)、反光条(6)、电路板(3)、光纤(4)、发光二极管(2)和光电三极管(1)，其特征在于：支架(5)上部的电路板(3)上装有光电三极管(1)、发光二极管(2)和信号处理电路，支架(5)开有光纤固定孔(7)，光电三极管(1)和发光二极管与支架(5)的光纤固定孔(7)之间采用光纤(4)作为光通道，且每个光纤固定孔(7)内并列安装2根光纤，其中1根与光电三极管(1)连接，1根与发光二极管(2)连接，支架(5)下部装有字轮(8)，字轮(8)上贴有反光条(6)。
2、根据权利要求1所述的一种机械字轮计数器非接触读数传感器，其特征在于：光纤固定孔(7)的中心线沿字轮外周法线方向与字轮同心等间隔均布。
3、根据权利要求1所述的一种机械字轮计数器非接触读数传感器，其特征在于：光纤(4)连接在光电三极管(1)、发光二极管(2)与光纤固定孔(7)之间作为光通道。
4、根据权利要求1所述的一种机械字轮计数器非接触读数传感器，其特征在于：字轮(8)上的反光条(6)以黑白相间的反光段和非反光段构成。
5、根据权利要求1所述的一种机械字轮计数器非接触读数传感器，其特征在于：信号处理电路包括单片机控制电路和多路开关电路，光电三极管的输出端与多路开关的输入端相连，单片机控制电路的A、B、C端与多路开关的地址选择端A、B、C相连，多路开关的输出端X与单片机控制电路的AD-IN端相连，单片机控制电路的CON1端与发光二极管的阴极相连，单片机控制电路首先拉低CON1端使发光二极管发光照亮字轮上的反光条，单片机以扫描方式依次控制多路开关的A、B、C地址选择端，由AD-IN端将对应的光电三极管的输出信号读入单片机内组合成编码数据，再由单片机字轮数字与编码数据对照表将编码数据转换成字轮计数器指示数字，通过串行通讯插座输出。
6、根据权利要求1所述的一种机械字轮计数器非接触读数传感器，其特征在于：所述传感器中的光电三极管(1)的数量和支架(5)上各光纤固定孔(7)之间的夹角采用以下计算方法和步骤：
(1)根据设计需求选定每个字轮对应的光电三极管(1)的数量N；
(2)支架(5)上相邻两光纤固定孔(7)之间的夹角α＝360÷[(N-3)×N]。
(3)支架(5)的光纤固定孔(7)的数量与光电三极管(1)数量N相等。
7、根据权利要求1或4所述一种机械字轮计数器非接触读数传感器，其特征在于：所述的黑白相间的反光段和非反光段的角度采用以下计算方法和步骤：
(1)反光段和非反光段的角度以字轮圆心夹角度量；
(2)每段长度是由360×(K±1/M)÷[(N-3)×N]所确定的角度和360÷N所确定的角度组合构成，其中K＝1、2、3...(N-1)，M＝3、4...N，N为光电三极管数量；
(3)全部反光段和非反光段的角度之和等于360度；
(4)验证字轮旋转一周时，由光电传感器读出的所有数据没有重复数据；
(5)将(4)中确定的数据与字轮计数器的字轮指示数字对应起来构成字轮数字与编码数据对照表；
(6)采用传感器信号处理电路读出传感器的编码数据，通过查字轮数字与编码数据对照表得到字轮指示数字，由单片机控制电路经由通讯插座以串行方式输出字轮指示数字。
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