專利名稱：機械指針式水表、煤氣表自動抄表裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于傳感器及單片機技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
本實用新型具有直接模擬人的眼睛讀表的功能，其主要特點有1.數(shù)據(jù)即讀即存，能夠保證讀數(shù)與指針指示值之間的一致性。
2.不需要守候電源，不會因裝置失電而造成計數(shù)停止。
3.電路發(fā)生故障時能夠進行人工讀表。
本實用新型主要由指針位置光電傳感裝置，單片機系統(tǒng)以及IC卡讀寫裝置等三部分組成，由于在水表和煤氣表的結(jié)構(gòu)基本是相同的，下面僅以水表為例結(jié)合附圖對本裝置的實現(xiàn)方法及工作原理進行詳細說明。
一.指針位置光電傳感裝置及其工作原理光電指針位置傳感裝置是本實用新型的核心部分，它的作用是對指針位置進行采樣，并將采樣結(jié)果轉(zhuǎn)換成二進制代碼供單片機讀取。為此我們采用一種由紅外發(fā)光管和紅外接收管組成的透射式光電開關(guān)作為基本元件，對指針位置進行采樣，

圖1是這種光電開關(guān)的剖面圖。圖2是由這種光電開關(guān)組成的光電指針位置傳感裝置的示意圖。圖中，在圍繞整數(shù)位刻度線的那些大小相同的圓周與刻度線所有交點的垂直上方均有一個發(fā)射管和一個接收管，發(fā)射管處于下面的一個平面上，接收管處于上面的另一平面上，這樣在這兩個平面上，以整數(shù)位指針中心為圓心的四個圓周上都均勻分布著十個發(fā)射管和接收管，從而構(gòu)成了一個4×10的光電開關(guān)矩陣。同時，在兩塊安裝極之間的另一平面上，整數(shù)位指針的中軸各裝有一個帶有扇形遮光片的指針(以下簡稱指針)。如此作為光電開關(guān)被測物體的遮光片旋轉(zhuǎn)時，將依次切割所經(jīng)過的光電開關(guān)的光路，使接收管的輸出狀態(tài)發(fā)生變化，當指針處于某一位置靜止不動時，四個光電矩陣的輸出狀態(tài)固定不變，從而完成整數(shù)位指針位置轉(zhuǎn)換成二進制代碼的過程。為了進一步說明這個轉(zhuǎn)換過程，現(xiàn)在將光電開關(guān)和指針一起垂直投影到刻度盤平面上，開取其中一位加以放大，便可以得到圖3所示的示意圖，圖中內(nèi)部帶有數(shù)字的小圓面代表接收管的臨界截止面，其意義是當該面被被測物體完全覆蓋時，接收管才能處于截止狀態(tài)，小圓內(nèi)的數(shù)字既是刻度線的值同時也是接收管的編號，帶有網(wǎng)格的部分為遮光＝片，α表示小圓周與圍繞刻度線的圓周的交點與指針中心所構(gòu)成的圓心角角度，β表示扇形遮光片的圓周角角度(以指針中心為圓心)，β＝72°+α-4°，仔細分析圖3a和圖3b我們可以得到下面的結(jié)果1.當指針處于刻度線附近閉區(qū)間(X×36°±2°)范圍內(nèi)時，只有一個接收管處于截止狀態(tài)。
2.當指針處于兩條刻度線之間的開區(qū)間{[X×36°+2°]，[(X+1)×36°-2°]}范圍內(nèi)時，有兩個接收管處于截止狀態(tài)。
其中X為刻度線的編號，其取值為0，1，…9。
X＝9時X+1為0。
如此一來指針旋轉(zhuǎn)一周就把它掃過的圓周劃分成了20個區(qū)間，如圖3c所示，其中10個區(qū)間為單管截止區(qū)域(圖中陰影部)，它們寬度為4°，此區(qū)間的特征是指針距離刻度線較近，另外10個區(qū)間為雙管截止區(qū)域(圖中非陰影部分)，它們寬度為32°，此區(qū)間特征是指針明顯處于兩條刻度線之間。其實現(xiàn)在我們已經(jīng)在整數(shù)指針所指位置與分布在它周圍的接收管輸出狀態(tài)之間建立了一種對應(yīng)關(guān)系一方面，隨著指針停留位置的改變，十個接收管的輸出狀態(tài)有所不同；另一方面，通過判斷處于截上狀態(tài)的接收管的個數(shù)是一個還是兩個，可以將指針處于刻度線附近與指針明顯處于兩條刻度線之間這兩種情形準確地區(qū)分開來。下表給出了一位指針所指位置與接收管輸出狀態(tài)之間的對應(yīng)關(guān)系，這樣的對應(yīng)關(guān)系共有四組，它們分別代表個、十、百、千位指針位置的二進制代碼，將它們合在一起，就構(gòu)成了一個具有帶有四位整數(shù)指針的十進制機械指針計數(shù)系統(tǒng)的二進制全代碼，表中二進制代碼一欄中，“0”表示接收管處于導通狀態(tài)，“1”表示接收管處于截止狀態(tài)。表


下面我們就利用所獲得的這個關(guān)系進一步說明指針位置光電傳感裝置模擬人工讀表的過程，首先分析一下人工讀表的過程，經(jīng)驗告訴我們，人工讀表時，當觀察到某位指針明顯處于兩條刻度線之間時，則取指針順時針方向越過的刻度線的值作為其讀數(shù)，當觀察到某位指針指在刻度線上時，則通過參考相鄰低位的讀數(shù)來確定其讀數(shù)，如果相鄰低位的讀數(shù)為9，高位的讀數(shù)取其指針所臨近的刻度線的值然后減去一；如果為0，高位的讀數(shù)直接取其指針所臨近的刻度線的值?，F(xiàn)在有一個問題必須說清楚，當指針指在刻度線上時，由于刻度線是有一定寬度的，因此，指針指在刻度線上準確的說應(yīng)該是指針處于刻度線寬度與指針中心所形成的圓心角的區(qū)域內(nèi)，從理論上講，刻度線的寬度只要小于±3.6°即7.2°，根據(jù)相鄰位之間的十進關(guān)系，當某位指針處于該區(qū)域內(nèi)，其相鄰低位的指針必然處于“9”刻度線與“1”刻度線之間的區(qū)域內(nèi)，從而就能保證低位的讀數(shù)非9即0，同時也就保證了通過參考相鄰低位的讀數(shù)來確定高位讀數(shù)的正確性，這一結(jié)論在下面的分析中將會用到。
經(jīng)過以上分析，我們可以看出，所謂人工讀表的過程就是人們對指針位置與刻度線之間的相對關(guān)系進行觀察和處理的過程，這一過程的關(guān)鍵是對指針明顯處于兩條刻度線之間與指針指在刻度線上這兩種情形，分別予以不同的處理。前面我們在光電指針位置傳感裝置的實現(xiàn)方法的敘述中，已經(jīng)將指針位置與刻度線之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換成了與光接收管輸出代碼之間的關(guān)系，因此處理指針位置與刻度線之間關(guān)系的過程就轉(zhuǎn)換成了處理指針位置與接收管輸出代碼之間關(guān)系的過程，從圖3和附表我們可以看出如果代表某位指針位置的二進制代碼中出現(xiàn)兩個“1”，相當于人工讀表時的指針明顯處于兩條刻度線之間的情形，在這種情形下，將二進制代碼中處于較高位的1置換成0，和將較低位的1置換成0而形成的兩個二進制代碼(當兩個1出現(xiàn)在二進制代碼中頭尾部時，頭部的1當作較低位，尾部1當作較高位)，恰好就是指針所在位置兩側(cè)陰影區(qū)域的二進制代碼，無疑前者就是指針所在位置的對應(yīng)代碼，將該代碼譯成十進制數(shù)即為該位的讀數(shù)；如果代表某位指針位置的二進制代碼中出現(xiàn)一個“1”，相當于人工讀表時的指針指在刻度線上的情形，雖然這種情形指針所處區(qū)域較人工讀表時所觀察到的刻度線的寬度寬了許多，但根據(jù)上一節(jié)最后所作出的結(jié)論，此時該區(qū)域的寬度為4°，小于7.2°，故讀表結(jié)果將不受影響，在這種情形下，二進制代碼恰好就是指針所臨近的刻度線的二進制代碼，與人工讀表一樣，參考相鄰低位的讀數(shù)可以確定其的讀數(shù)，如果低的讀數(shù)為9，則將此二進制代碼譯成十進制數(shù)再減去一作為其讀數(shù)，如果低位的讀數(shù)為0，則直接將此二進制代碼譯成十進制數(shù)作為其讀數(shù)。我們知道以上過程由單片計算機來完成是完全能夠?qū)崿F(xiàn)的。
二.系統(tǒng)軟件本實用新型的計算機軟件主要包括對指針位置光電傳感裝置輸出的二進制代碼讀取和處理程序，其次包括對IC卡讀寫裝置進行讀寫操作以及鍵盤操作處理程序，值得一提的是為了防止用戶將IC卡相互對插，在IC卡的讀寫操作程序中還編有IC卡個性化識別程序。下圖為二進制讀取和代碼處理部分的流程圖，其它程序不是主要的，在此就不作介紹了。 三.硬件及其原理圖4是本裝置的電路原理圖，光電開關(guān)中的VD1-VD40，采用直徑3毫米的紅外發(fā)射管，VN1-VN40采用直徑3毫米的紅外接收管，單片機采用低電壓工作的PIC16C57，指針位置傳感光電裝置中接收管接成4×10的矩陣形式，所有的發(fā)光管并聯(lián)，由電源直接驅(qū)動，PIC16C57的PB.6-PB.7，PA.0-PA.7作為輸入接矩陣的行線H0-H9，用以對光電傳感裝置的輸出信號進行采樣，PB.0-PB.3作為輸出接晶體管DV1-DV3的基極，晶體管DV1-DV3用于驅(qū)動紅外接收管的集電極電流。本裝置中的IC卡讀寫裝置中的存儲芯片型號是AT24C01，單片機的PA.0接它的時鐘端CLK，PA.1接它的數(shù)據(jù)輸入輸出端SDA，用來對IC卡讀寫裝置進行操作，PA.2和PA.3分別接兩個發(fā)光二極管的正極，用來監(jiān)視讀表過程。整個電路的工作過程如下當用戶插入IC卡并按下電源按鈕不放，電源被接通，PA.2輸出高電平紅色發(fā)光管點亮，表示讀表開始，發(fā)射板上的所有發(fā)射管發(fā)光，V0-V3發(fā)出矩陣列掃描脈沖，H0-H9將信號讀入，待單片機將輸入信號處理完畢后，由PA.0和PA.1通過IC卡座將處理結(jié)果存儲到IC卡中，完成以上過程后，PA.3輸出高電平，綠色發(fā)光管點亮，表示讀表完成，松開電源按鈕裝置回到無電源守候的等待狀態(tài)，以上過程2秒鐘之內(nèi)即可完成。
本裝置的電源由三節(jié)5號電池提供。
圖2是光電指針位置傳感裝置示意圖。
圖3是光電位置傳感裝置垂直投影圖。
圖4是本實用新型的電路原理圖。
圖5是光電位置傳感裝置與水表表體安裝關(guān)系圖。
圖中1.紅外發(fā)射管，2.指針，3.紅外接收管，4.表體上蓋，5.發(fā)射板，6.接收板，7.指針中軸，8.密封圈(1)，9.密封圈(2)，10.表體，11.電路盒，13.IC卡插槽，14.指示燈，15.電池倉，16.電源按鈕，17.引線槽。
圖六是本實用新型的外觀圖。
權(quán)利要求一種機械指針式水表、煤氣表指針位置光電傳感裝置，其特征是在機械指針式水表、煤氣表的刻度盤上方與刻度盤平面平行的兩個平面上，各裝有一塊光接收板和一塊光發(fā)射板，光接收板置于光發(fā)射板的上方，光接收板上裝有40個紅外接收管，光發(fā)射板上裝有40個紅外發(fā)射管，處于光發(fā)射板上的紅外發(fā)射管和處于光接收板上的紅外接收管兩兩相對各組成一個光電開關(guān)單元，它們的位置是如果將接收板和發(fā)射板上的所有接收管和發(fā)射管垂直投影到刻度盤平面上時，它們的中心分別與刻度盤上圍繞整數(shù)位刻度線的四個大小相同的圓周與刻度線的交點相重合，此外在光接收板和光發(fā)射板中間與表盤平面平行的第三個平面上，有四片與指針聯(lián)成一體的扇形遮光片，它們分別安裝在被延長后的整數(shù)位指針的中軸上，當遮光片旋轉(zhuǎn)時，它們各自依次切割分布在指針中心周圍的十個光電開關(guān)單元的發(fā)射管與接收管之間的光路，使得接收管的輸出狀態(tài)呈現(xiàn)單管截止到雙管截止的排列順序交替變化。
專利摘要一種機械指針式水表、煤氣表的自動抄表裝置，其技術(shù)方案是在水表、煤氣表刻度盤上方安裝一種指針位置光電傳感裝置，該裝置由裝有紅外發(fā)射管的發(fā)射板和裝有紅外接收管的接收板以及安裝在整數(shù)位指針中軸上的扇形遮光片組成，利用遮光片的遮光作用，完成整數(shù)位指針位置與接收管輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，從而形成四組二進制代碼送入單片機進行處理，最后由IC卡讀寫裝置將讀數(shù)下載到IC卡中，作為用戶到指定地點交費的憑據(jù)。讀數(shù)準確可靠，無守候電源，電路出現(xiàn)故障計數(shù)不中斷，并可人工讀表。其結(jié)構(gòu)如附圖，其中1.紅外發(fā)射管，2.指針，3.紅外接收管，4.表體上蓋，5.發(fā)射板，6.接收板，8.密封圈(1)，9.密封圈(2)，10.表體，11.電路盒，13.IC卡插槽，14.指示燈，15.電池倉，16.電源按鈕，17.引線槽。
文檔編號G01F15/06GK2532458SQ0127261
公開日2003年1月22日 申請日期2001年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月4日
發(fā)明者苑頤萍 申請人:苑頤萍