机械
指针式
水表、
煤气表是一种传统的计量器,其性能稳定,工作可靠,长期以来在
自来水和煤气行 业中一直占有主导地位,然而由于其不具备自动输出数据的能
力,抄表只能采用人工方式,这种抄表方式 费时、费工、成本高。
发明内容
为了适应抄表自动化的需要,并继续保留机械指针式水表、煤气表的一些基本优点,本实用新型提出 了一种技术方案,在传统的水表、煤气表的刻度盘上方安装一种光电传感装置,通过这个装置将指针
位置 转换成二进制码送入单片机处理,并把处理后得到的指针读数存储在IC卡中,作为用户到
指定地点交费 的凭据,从而实现对机械指针式水表、煤气表的自动抄表。
本实用新型具有直接模拟人的眼睛读表的功能,其主要特点有:
1.数据即读即存,能够保证读数与指针指示值之间的一致性。
2.不需要守候电源,不会因装置失电而造成计数停止。
3.
电路发生故障时能够进行人工读表。
本实用新型主要由指针位置光电传感装置,单片机系统以及IC卡读写装置等三部分组成,由于在水 表和煤气表的结构基本是相同的,下面仅以水表为例结合
附图对本装置的实现方法及工作原理进行详细说 明。
一.指针位置光电传感装置及其工作原理:
光电指针位置传感装置是本实用新型的核心部分,它的作用是对指针位置进行
采样,并将采样结果转 换成二进制代码供单片机读取。为此我们采用一种由红外发光管和红外接收管组成的透射式光电
开关作为 基本元件,对指针位置进行采样,图1是这种光电开关的剖面图。图2是由这种光电开关组成的光电指针 位置传感装置的示意图。图中,在围绕整数位刻度线的那些大小相同的圆周与刻度线所有交点的垂直上方 均有一个发射管和一个接收管,发射管处于下面的一个平面上,接收管处于上面的另一平面上,这样在这两 个平面上,以整数位指针中心为圆心的四个圆周上都均匀分布着十个发射管和接收管,从而构成了一个 4×10的光电开关矩阵。同时,在两
块安装极之间的另一平面上,整数位指针的
中轴各装有一个带有扇形遮 光片的指针(以下简称指针)。如此作为光电开关被测物体的遮光片旋转时,将依次切割所经过的光电开 关的光路,使接收管的输出状态发生变化,当指针处于某一位置静止不动时,四个光电矩阵的输出状态固 定不变,从而完成整数位指针位置转换成二进制代码的过程。为了进一步说明这个转换过程,现在将光电 开关和指针一起垂直投影到刻度盘平面上,开取其中一位加以放大,便可以得到图3所示的示意图,图中: 内部带有数字的小圆面代表接收管的临界截止面,其意义是当该面被被测物体完全
覆盖时,接收管才能处 于截止状态,小圆内的数字既是刻度线的值同时也是接收管的编号,带有网格的部分为遮光=片,α表示小 圆周与围绕刻度线的圆周的交点与指针中心所构成的圆心
角角度,β表示扇形遮光片的圆周角角度(以指 针中心为圆心),β=72°+α-4°,仔细分析图3a和图3b我们可以得到下面的结果:
1.当指针处于刻度线附近闭区间(X×36°±2°)范围内时,只有一个接收管处于截止状态。
2.当指针处于两条刻度线之间的开区间{[X×36°+2°],[(X+1)×36°-2°]}范围内时,有两个接 收管处于截止状态。
其中:X为刻度线的编号,其取值为:0,1,…9。
X=9时:X+1为0。
如此一来指针旋转一周就把它扫过的圆周划分成了20个区间,如图3c所示,其中10个区间为单管 截止区域(图中阴影部),它们宽度为4°,此区间的特征是指针距离刻度线较近,另外10个区间为双管截 止区域(图中非阴影部分),它们宽度为32°,此区间特征是指针明显处于两条刻度线之间。其实现在我们 已经在整数指针所指位置与分布在它周围的接收管输出状态之间建立了一种对应关系:一方面,随着指针 停留位置的改变,十个接收管的输出状态有所不同;另一方面,通过判断处于截上状态的接收管的个数是 一个还是两个,可以将指针处于刻度线附近与指针明显处于两条刻度线之间这两种情形准确地区分开来。 下表给出了一位指针所指位置与接收管输出状态之间的对应关系,这样的对应关系共有四组,它们分别代 表个、十、百、千位指针位置的二进制代码,将它们合在一起,就构成了一个具有带有四位整数指针的十 进制机械指针计数系统的二进制全代码,表中二进制代码一栏中,“0”表示接收管处于导通状态,“1”表 示接收管处于截止状态。 表: 区域 编号 指针所在 区间 截止管 编号 输出 二进制代码 相邻低位的取值 (十进制数) 二进制码对 应十进制数 1 (0°±2°) 5 0000010000 9 9 0 0 2 (0°+2°,36°-2°) 5,6 0000110000 0 3 (36°±2°) 6 0000100000 9 0 0 1 4 (36°+2°,72°-2°) 6,7 0001100000 1 5 (72°±2°) 7 0001000000 9 1 0 2 6 (72°+2°,108°-2°) 7,8 0011000000 2 7 (108°±2°) 8 0010000000 9 2 0 3 8 (108°+2°,144°-2°) 8,9 0110000000 3 9 (144°±2°) 9 0100000000 9 3 0 4 10 (144°+2°,180°-2°) 9,0 1100000000 4 11 (180°±2°) 0 1000000000 9 4 0 5 12 (180°+2°,216°-2°) 0,1 1000000001 5 13 (216°±2°) 1 0000000001 9 5 0 6 14 (216°+2°,252°-2°) 1,2 0000000011 6 15 (252°±2°) 2 0000000010 9 6 0 7 16 (252°+2°,288°-2°) 2,3 0000000110 7 17 (288°±2°) 3 0000000100 9 7 0 8 18 (288°+2°,324°-2°) 3,4 0000001100 8 19 (324°±2°) 4 0000001000 9 8 0 9 20 (324°+2°,0°-2°) 4,5 0000011000 9
下面我们就利用所获得的这个关系进一步说明指针位置光电传感装置模拟人工读表的过程,首先分析 一下人工读表的过程,经验告诉我们,人工读表时,当观察到某位指针明显处于两条刻度线之间时,则取 指针顺
时针方向越过的刻度线的值作为其读数,当观察到某位指针指在刻度线上时,则通过参考相邻低位 的读数来确定其读数,如果相邻低位的读数为9,高位的读数取其指针所临近的刻度线的值然后减去一; 如果为0,高位的读数直接取其指针所临近的刻度线的值。现在有一个问题必须说清楚,当指针指在刻度 线上时,由于刻度线是有一定宽度的,因此,指针指在刻度线上准确的说应该是指针处于刻度线宽度与指 针中心所形成的圆心角的区域内,从理论上讲,刻度线的宽度只要小于±3.6°即7.2°,根据相邻位之间的 十进关系,当某位指针处于该区域内,其相邻低位的指针必然处于“9”刻度线与“1”刻度线之间的区域 内,从而就能保证低位的读数非9即0,同时也就保证了通过参考相邻低位的读数来确定高位读数的正确 性,这一结论在下面的分析中将会用到。
经过以上分析,我们可以看出,所谓人工读表的过程就是人们对指针位置与刻度线之间的相对关系进 行观察和处理的过程,这一过程的关键是对指针明显处于两条刻度线之间与指针指在刻度线上这两种情形, 分别予以不同的处理。前面我们在光电指针位置传感装置的实现方法的叙述中,已经将指针位置与刻度线 之间的关系转换成了与光接收管输出代码之间的关系,因此处理指针位置与刻度线之间关系的过程就转换 成了处理指针位置与接收管输出代码之间关系的过程,从图3和附表我们可以看出:如果代表某位指针位 置的二进制代码中出现两个“1”,相当于人工读表时的指针明显处于两条刻度线之间的情形,在这种情形 下,将二进制代码中处于较高位的1置换成0,和将较低位的1置换成0而形成的两个二进制代码(当两个 1出现在二进制代码中头尾部时,头部的1当作较低位,尾部1当作较高位),恰好就是指针所在位置两侧 阴影区域的二进制代码,无疑前者就是指针所在位置的对应代码,将该代码译成十进制数即为该位的读数; 如果代表某位指针位置的二进制代码中出现一个“1”,相当于人工读表时的指针指在刻度线上的情形,虽 然这种情形指针所处区域较人工读表时所观察到的刻度线的宽度宽了许多,但根据上一节最后所作出的结 论,此时该区域的宽度为4°,小于7.2°,故读表结果将不受影响,在这种情形下,二进制代码恰好就是指 针所临近的刻度线的二进制代码,与人工读表一样,参考相邻低位的读数可以确定其的读数,如果低的读 数为9,则将此二进制代码译成十进制数再减去一作为其读数,如果低位的读数为0,则直接将此二进 制代码译成十进制数作为其读数。我们知道以上过程由单片计算机来完成是完全能够实现的。
二.系统
软件:
本实用新型的计算机软件主要包括对指针位置光电传感装置输出的二进制代码读取和处理程序,其次 包括对IC卡读写装置进行读写操作以及
键盘操作处理程序,值得一提的是为了防止用户将IC卡相互对插, 在IC卡的读写操作程序中还编有IC卡个性化识别程序。下图为二进制读取和代码处理部分的
流程图,其 它程序不是主要的,在此就不作介绍了。
三.
硬件及其原理:
图4是本装置的电路原理图,光电开关中的VD1-VD40,采用直径3毫米的红外发射管,VN1-VN40采用 直径3毫米的红外接收管,单片机采用
低电压工作的PIC16C57,指针位置传感光电装置中接收管接成 4×10的矩阵形式,所有的发光管并联,由电源
直接驱动,PIC16C57的PB.6-PB.7,PA.0-PA.7作为输入接矩 阵的行线H0-H9,用以对光电传感装置的输出
信号进行采样,PB.0-PB.3作为输出接晶体管DV1-DV3的基极, 晶体管DV1-DV3用于驱动红外接收管的集
电极电流。本装置中的IC卡读写装置中的存储芯片型号是 AT24C01,单片机的PA.0接它的时钟端CLK,PA.1接它的数据输入输出端SDA,用来对IC卡读写装置进 行操作,PA.2和PA.3分别接两个发光
二极管的正极,用来监视读表过程。整个电路的工作过程如下:
当用户插入IC卡并按下电源按钮不放,电源被接通,PA.2输出高电平红色发光管点亮,表示读表开 始,发射板上的所有发射管发光,V0-V3发出矩阵列扫描脉冲,H0-H9将信号读入,待单片机将
输入信号处 理完毕后,由PA.0和PA.1通过IC卡座将处理结果存储到IC卡中,完成以上过程后,PA.3输出高电平, 绿色发光管点亮,表示读表完成,松开电源按钮装置回到无电源守候的等待状态,以上过程2秒钟之内即 可完成。
本装置的电源由三节5号
电池提供。
图1是一种由红外发射管和红外接收管组成的光电开关剖面图。
图2是光电指针位置传感装置示意图。
图3是光电位置传感装置垂直投影图。
图4是本实用新型的电路原理图。
图5是光电位置传感装置与水表表体安装关系图。
图中1.红外发射管,2.指针,3.红外接收管,4.表体上盖,5.发射板,6.接收板,7.指针中轴,8.
密封圈 (1),9.密封圈(2),10.表体,11.电路盒,13.IC卡插槽,14.指示灯,15.电池仓,16.电源按钮,17.引线槽。
具体实施方案
图五是本实用新型中的指针位置光电传感装置与表体的安装关系图,指针位置光电传感装置中的发光 管和接收管分别装在两块安装板上,装有接收管的接收板被安置在上方,装有发光管的发射板被安置在下 方,带有遮光片的指针被安置在它们之间的空间中,在接收板和发射极之间以及发射板和表体之间设有橡 皮密封圈,在表体上用于旋进上盖的
螺纹口处开有直槽,用于将接收板和发射板上的电路引线通到表外。 由于发射板工作时置于表体内部,为了防水(对于煤气表则防爆)要求,发射板中的发光管被密封在塑料 材料中,接收板除了安装接收管外它也是表体的上顶盖,接收板用强度较高塑料制成,为了便于电路发生 故障时进行人工读表,接收板的材料应选择透明的。单片机及其外围电路和IC卡读写装置单独安装在电 路盒内,为了防止人为拆卸,它被固定在表体上的专用的安装孔上,并与表体上盖一道铅封。
图六是本实用新型的外观图。