專利名稱：一種機械字輪計數(shù)器非接觸讀數(shù)傳感器及設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量技術(shù)中數(shù)據(jù)識別技術(shù)領(lǐng)域，確切地說它是一種機械字輪計數(shù)器非接觸讀數(shù)傳感器和該傳感器的設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
機械轉(zhuǎn)輪式計數(shù)器廣泛應(yīng)用于水表、電表、氣表、里程表以及其它累計式計量儀表上，由于其結(jié)構(gòu)簡單及工作可靠而穩(wěn)定，在相當一段歷史時期內(nèi)，都是一個不可替代的計量方式。然而，由于技術(shù)的發(fā)展，很多場所要求該計量儀器能以電子數(shù)字化方式輸出計量結(jié)果，以便加以遠程傳輸或直接送到電腦進行數(shù)據(jù)處理，而這類儀表由于沒有相應(yīng)的電子數(shù)字化輸出設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種機械字輪計數(shù)器非接觸讀數(shù)傳感器，它利用光反射原理，根據(jù)安裝在字輪表面上的反光條的光反射信號強弱，通過電路處理將反射光信號轉(zhuǎn)換成字輪旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的電信號編碼數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)非接觸方式讀取機械式字輪計數(shù)器字輪指示數(shù)值的功能。它包括字輪、光纖固定孔、支架、反光條、電路板、光纖、發(fā)光二極管、光電三極管和信號處理電路，其特征在于支架(5)上部電路板(3)上裝有光電三極管(1)、發(fā)光二極管(2)和信號處理電路，支架(5)開有光纖固定孔(7)，光電三極管(1)和發(fā)光二極管(2)與支架(5)的光纖固定孔(7)之間采用光纖(4)作為光通道，且每個光纖固定孔(7)內(nèi)并列安裝2根光纖，其中1根與光電三極管連接，1根與發(fā)光二極管連接，支架(5)下部裝有字輪(8)，字輪(8)上貼有反光條(6)。信號處理電路包括單片機控制電路和多路開關(guān)電路如圖7所示，光電三極管的輸出端與多路開關(guān)的輸入端相連，單片機控制電路的A、B、C端與多路開關(guān)的地址選擇端A、B、C相連，多路開關(guān)的輸出端X與單片機控制電路的AD-IN端相連，單片機控制電路的CON1端與發(fā)光二極管的陰極相連，單片機控制電路首先拉低CON1端使發(fā)光二極管發(fā)光照亮字輪上的反光條，單片機以掃描方式依次控制多路開關(guān)的A、B、C地址選擇端，由AD-IN端將對應(yīng)的光電三極管的輸出信號讀入單片機內(nèi)組合成編碼數(shù)據(jù)，再由單片機字輪數(shù)字與編碼數(shù)據(jù)對照表將編碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字輪計數(shù)器指示數(shù)字，通過串行通訊插座輸出。
光電三極管和發(fā)光二極管的數(shù)量根據(jù)不同的應(yīng)用需求確定，光電三極管越多傳感器的體積越小，而對應(yīng)不同的光電三極管數(shù)量，相鄰兩個光纖固定孔之間具有確定的夾角；本發(fā)明提出的相鄰兩個光纖固定孔之間夾角的計算方法和步驟如下(1)根據(jù)設(shè)計需求選定每個字輪對應(yīng)的光電三極管的數(shù)量N；(2)相鄰兩光纖固定孔之間的夾角α＝360÷[(N-3)×N]；(3)光纖固定孔的數(shù)量與光電三極管數(shù)量N相等；在確定了光電三極管數(shù)量和相鄰兩個光纖固定孔之間夾角后，就有一組特定長度的黑白相間的反光條與其對應(yīng)，反光條各段長度的計算方法和步驟如下(1)反光段和非反光段的長度以字輪圓心夾角度量；
(2)每段長度是由αMK＝360×(K±1/M)÷[(N-3)×N]所確定的角度和α0＝360÷(N-3)所確定的角度組合構(gòu)成，其中K＝1、2、3…(N-1)，M＝3、4…N，N為光電三極管數(shù)量。
(3)全部反光段和非反光段的角度之和等于360度；(4)驗證字輪旋轉(zhuǎn)一周時，由光電傳感器讀出的所有數(shù)據(jù)沒有重復(fù)數(shù)據(jù)；(5)將(4)中確定的數(shù)據(jù)與字輪計數(shù)器的字輪指示數(shù)字對應(yīng)起來構(gòu)成字輪數(shù)字與編碼數(shù)據(jù)對照表，并將該對照表保存在圖7所示的信號處理電路的單片機內(nèi)。
(6)采用圖7所示的信號處理電路讀出傳感器的輸出信號，通過查字輪數(shù)字與編碼數(shù)據(jù)對照表得到對應(yīng)的字輪指示數(shù)字，單片機控制電路經(jīng)由通訊插座以串行方式輸出字輪指示數(shù)字。
本發(fā)明的優(yōu)點是可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸，不需要連續(xù)供電電源，準確性高，使用方便，壽命長，不會產(chǎn)生累積誤差，實現(xiàn)了非接觸方式讀取機械式字輪計數(shù)器指示數(shù)值的功能。


圖1為本發(fā)明傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明傳感器中實施例1的光纖固定孔之間夾角分布示意圖。
圖3為本發(fā)明傳感器中實施例1的一種反光條的分布示意圖。
圖4為本發(fā)明傳感器實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明傳感器中實施例2的光纖固定孔之間夾角分布示意圖。
圖6為本發(fā)明傳感器中實施例2的一種反光條的分布示意圖。
圖7為本發(fā)明傳感器中實施例1和實施例2的信號處理電路圖。
具體實施例方式實施例1在8只光電三極管傳感器上應(yīng)用。
支架和電路板的設(shè)計(1)確定每個字輪對應(yīng)的光電三極管的數(shù)量N＝8(見附圖1)；(2)計算相鄰兩光纖固定孔之間的夾角α＝360÷[(8-3)×8]＝9度；(3)光纖固定孔的數(shù)量為8個，間隔角度為9度(見附圖2)；根據(jù)以上方法設(shè)計出支架(5)和支架(5)上的光纖定位孔(7)并且電路板(3)上裝有8只光電三極管(見附圖1)。
反光條的設(shè)計(1)反光段和非反光段的長度以字輪圓心夾角度量；(2)每段長度計算αMK＝360×(K+1/M)÷[(N-3)×N]α0＝360÷(N-3)N＝8；M＝5；K＝1、2、3、4、5、6、7時α51＝360×(1+1/5)÷[(8-3)×8]＝10.8α52＝19.8
α53＝28.8α54＝37.8α55＝46.8α56＝55.8α57＝64.8α0＝360÷(N-3)＝360/5＝72段長度集合為{10.8，19.8，28.8，37.8，46.8，55.8，64.8，72}(3)滿足全部反光段和非反光段的角度之和等于360度條件的段長度組合為72+72+37.8+37.8+28.8+28.8+19.8+19.8+10.8+10.8+10.8+10.8＝360(4)驗證字輪旋轉(zhuǎn)一周時，由光電傳感器讀出的所有數(shù)據(jù)沒有重復(fù)數(shù)據(jù)當各段長組合按以下順序組合時，光電三極管的輸出信號無重復(fù)數(shù)據(jù)。{72°、72°、37.8°、19.8°、28.8°、10.8°、19.8°、37.8°、10.8°、28.8°、10.8°、10.8}(見圖3)(5)驗證方法如下全部發(fā)光二極管(2)發(fā)光，分別檢測光電三極管(1)的輸出電平，當光纖定位孔(7)位于反光段上方時，光電三極管(1)的輸出電平為1，當光纖定位孔(7)位于非反光段上方時，光電三極管(1)的輸出電平為0，將全部光電三極管(1)的輸出電平按圖1中D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0的順序排列成一個十六進制編碼數(shù)據(jù)，字輪旋轉(zhuǎn)一周時，光電三極管依次輸出的編碼數(shù)據(jù)如下0 1 3 7 F 1F 3F 7F FF FE FC F8 F0 E0 E1 C1 C3 83 87 866 E C 1C 18 38 30 31 71 61 63 62 E2 C2 C6 C4 84 8C 88 899 19 11 13 33 23 27 67 47 4F CF 8F 9F 9E 1E 3E 3C 3D 7D 797B FB F3 F7 E7 EF EE CE DE DC DD 9D BD B9 BB BA 3A 7A 72 7674 F4 E4 EC E8 C8 D8 D0 90 B0 A0 20 60 40 C0 80全部96個編碼數(shù)據(jù)中無重復(fù)數(shù)據(jù)，證明(圖3)所示的段長組合為一組有效組合。在字輪旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生上述數(shù)據(jù)的同時，也產(chǎn)生出以下字輪數(shù)字與編碼數(shù)據(jù)對照表。


將字輪數(shù)字與編碼數(shù)據(jù)對照表保存在單片機內(nèi)，采用圖7的信號處理電路讀出傳感器的編碼數(shù)據(jù)，通過查字輪數(shù)字與編碼數(shù)據(jù)對照表得到對應(yīng)的字輪數(shù)字，由單片機控制電路經(jīng)由通訊插座以串行方式輸出字輪指示數(shù)字，實現(xiàn)了非接觸方式讀取機械式字輪計數(shù)器指示數(shù)值的功能。
實施例2在7只光電三極管傳感器上應(yīng)用。
支架和電路板的設(shè)計(1)確定每個字輪對應(yīng)的光電三極管的數(shù)量N＝7(見附圖4)；(2)計算相鄰兩光纖固定孔之間的夾角α＝360÷[(7-3)×7]＝360÷28＝12.9度；(3)光纖固定孔的數(shù)量為7個，間隔角度為12.9度(見附圖5)；根據(jù)以上方法設(shè)計出支架(5)和出支架(5)上的光纖定位孔(7)以及電路板(3)上裝有7只光電三極管(見附圖4)。
反光條的設(shè)計(1)反光段和非反光段的長度以字輪圓心夾角度量；(2)每段長度計算αMK＝360×(K-1/M)÷[(N-3)×N]α0＝360÷(N-3)N＝7；M＝3；K＝1、2、3、4、5、6時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；段長度集合為{8.6，21.4，34.3，47.1，60，72.9，90}(3)滿足全部反光段和非反光段的角度之和等于360度條件的段長度組合為90+90+47.4+47.4+21.4+21.4+21.4+21.4＝360(4)驗證字輪旋轉(zhuǎn)一周時，由光電傳感器讀出的所有數(shù)據(jù)沒有重復(fù)數(shù)據(jù)當各段長組合按以下順序組合時，光電三極管的輸出信號無重復(fù)數(shù)據(jù)。{90°，21.4°，21.4°，21.4°，47.1°，47.1°，21.4°，90}(見圖6)(5)驗證方法如下全部發(fā)光二極管(2)發(fā)光，分別檢測光電三極管(1)的輸出電平，當光纖定位孔(7)位于反光段上方時，光電三極管(1)的輸出電平為1，當光纖定位孔(7)位于非反光段上方時，光電三極管(1)的輸出電平為0，將全部光電三極管(1)的輸出電平按圖1中D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0的順序排列成一個十六進制編碼數(shù)據(jù)，字輪旋轉(zhuǎn)一周時，光電三極管依次輸出的編碼數(shù)據(jù)如下0 1 3 7 F 1F 3F 7F 7E 7C 7D 79 7B 73 72 76 66 64 6C 4C48 58 18 10 30 31 21 61 63 43 42 46 6 4 C D 9 19 1B 1333 37 27 67 6F 4F 4E 5E 1E 1C 3C 38 78 70 60 40全部56個編碼數(shù)據(jù)中無重復(fù)數(shù)據(jù)，證明(圖6)所示的段長組合為一組有效組合。在字輪旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生上述數(shù)據(jù)的同時，也產(chǎn)生出以下字輪數(shù)字與編碼數(shù)據(jù)對照表。

將字輪數(shù)字與編碼數(shù)據(jù)對照表保存在單片機內(nèi)，采用圖7的信號處理電路讀出傳感器的編碼數(shù)據(jù)，通過查字輪數(shù)字與編碼數(shù)據(jù)對照表得到對應(yīng)的字輪數(shù)字，由單片機控制電路經(jīng)由通訊插座以串行方式輸出字輪指示數(shù)字，實現(xiàn)了非接觸方式讀取機械式字輪計數(shù)器指示數(shù)值的功能。
權(quán)利要求
1.一種機械字輪計數(shù)器非接觸讀數(shù)傳感器，它包括字輪(8)、光纖固定孔(7)、支架(5)、反光條(6)、電路板(3)、光纖(4)、發(fā)光二極管(2)和光電三極管(1)，其特征在于支架(5)上部的電路板(3)上裝有光電三極管(1)、發(fā)光二極管(2)和信號處理電路，支架(5)開有光纖固定孔(7)，光電三極管(1)和發(fā)光二極管與支架(5)的光纖固定孔(7)之間采用光纖(4)作為光通道，且每個光纖固定孔(7)內(nèi)并列安裝2根光纖，其中1根與光電三極管(1)連接，1根與發(fā)光二極管(2)連接，支架(5)下部裝有字輪(8)，字輪(8)上貼有反光條(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機械字輪計數(shù)器非接觸讀數(shù)傳感器，其特征在于光纖固定孔(7)的中心線沿字輪外周法線方向與字輪同心等間隔均布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機械字輪計數(shù)器非接觸讀數(shù)傳感器，其特征在于光纖(4)連接在光電三極管(1)、發(fā)光二極管(2)與光纖固定孔(7)之間作為光通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機械字輪計數(shù)器非接觸讀數(shù)傳感器，其特征在于字輪(8)上的反光條(6)以黑白相間的反光段和非反光段構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機械字輪計數(shù)器非接觸讀數(shù)傳感器，其特征在于信號處理電路包括單片機控制電路和多路開關(guān)電路，光電三極管的輸出端與多路開關(guān)的輸入端相連，單片機控制電路的A、B、C端與多路開關(guān)的地址選擇端A、B、C相連，多路開關(guān)的輸出端X與單片機控制電路的AD-IN端相連，單片機控制電路的CON1端與發(fā)光二極管的陰極相連，單片機控制電路首先拉低CON1端使發(fā)光二極管發(fā)光照亮字輪上的反光條，單片機以掃描方式依次控制多路開關(guān)的A、B、C地址選擇端，由AD-IN端將對應(yīng)的光電三極管的輸出信號讀入單片機內(nèi)組合成編碼數(shù)據(jù)，再由單片機字輪數(shù)字與編碼數(shù)據(jù)對照表將編碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字輪計數(shù)器指示數(shù)字，通過串行通訊插座輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機械字輪計數(shù)器非接觸讀數(shù)傳感器，其特征在于所述傳感器中的光電三極管(1)的數(shù)量和支架(5)上各光纖固定孔(7)之間的夾角采用以下計算方法和步驟(1)根據(jù)設(shè)計需求選定每個字輪對應(yīng)的光電三極管(1)的數(shù)量N；(2)支架(5)上相鄰兩光纖固定孔(7)之間的夾角α＝360÷[(N-3)×N]。(3)支架(5)的光纖固定孔(7)的數(shù)量與光電三極管(1)數(shù)量N相等。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述一種機械字輪計數(shù)器非接觸讀數(shù)傳感器，其特征在于所述的黑白相間的反光段和非反光段的角度采用以下計算方法和步驟(1)反光段和非反光段的角度以字輪圓心夾角度量；(2)每段長度是由360×(K±1/M)÷[(N-3)×N]所確定的角度和360÷N所確定的角度組合構(gòu)成，其中K＝1、2、3...(N-1)，M＝3、4...N，N為光電三極管數(shù)量；(3)全部反光段和非反光段的角度之和等于360度；(4)驗證字輪旋轉(zhuǎn)一周時，由光電傳感器讀出的所有數(shù)據(jù)沒有重復(fù)數(shù)據(jù)；(5)將(4)中確定的數(shù)據(jù)與字輪計數(shù)器的字輪指示數(shù)字對應(yīng)起來構(gòu)成字輪數(shù)字與編碼數(shù)據(jù)對照表；(6)采用傳感器信號處理電路讀出傳感器的編碼數(shù)據(jù)，通過查字輪數(shù)字與編碼數(shù)據(jù)對照表得到字輪指示數(shù)字，由單片機控制電路經(jīng)由通訊插座以串行方式輸出字輪指示數(shù)字。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種機械字輪計數(shù)器非接觸讀數(shù)傳感器及設(shè)計方法，它利用光反射原理，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號編碼數(shù)據(jù)，實現(xiàn)非接觸方式讀取計數(shù)器字輪指示數(shù)字的功能。光電三極管、光電二極管和信號處理電路安裝在支架上部的電路板上，支架的下部開有光纖固定孔，光纖連接在光電三極管、發(fā)光二極管與光纖固定孔之間作為光通道，支架下部裝有字輪，字輪上貼有反光條，以掃描方式讀出光電三極管的編碼數(shù)據(jù)，再由單片機查字輪數(shù)字與編碼數(shù)據(jù)對照表將編碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字輪計數(shù)器指示數(shù)字，通過串行插座輸出，本發(fā)明精確計算出各光纖固定孔之間的夾角和反光條的幾何參數(shù)?？梢詫崿F(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸，不需要連續(xù)供電電源，使用方便，壽命長，不會產(chǎn)生累積誤差。
文檔編號G06M1/00GK1835002SQ20061004636
公開日2006年9月20日 申請日期2006年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月24日
發(fā)明者張安戈 申請人:張安戈