用于定位字轮旋转位置的方法及使用该方法的计量装置

摘要

用于定位字轮旋转位置的方法及使用该方法的计量装置，基于配置光传感计数字轮的计量装置，包括至少一组字轮组件，所述字轮组件包括字轮支架、圆柱状字轮体和微处理器MCU。每组所述光传感器组件包括一个光接收管，以及射出光线都正对着该光接收管的第一光发射管和第二光发射管。所述光传感器组件输出四种状态信号，应用在同样的编码设计中，所述光传感器组件的数量少于现有技术光传感器的数量，减少了计量装置的制造成本；同时，所述光传感器组件可以确定字轮体自身的旋转方向，避免了因字轮体反转而造成的读数错误。

说明书

技术领域

本发明涉及用字轮实现计数的计量装置及字轮旋转位置的确定方法，特别是涉及借助光 传感器确定字轮旋转位置的方法及使用该方法的计量装置。

背景技术

现有技术用字轮实现计数的计量装置，例如水表、电表、煤气表等，包括至少一个字轮 组件，每个字轮组件用于显示计量读数中的一位数字。所述字轮组件包括柱面上均匀标注有 字码的字轮体和用于支撑该字轮体的字轮支架。为了解决人工抄表带来的人工成本和抄表效 率低的问题，现有技术还在所述字轮组件中设置用于检测字轮旋转位置的检测装置和数据处 理装置，借助该检测装置和数据处理装置可以在字轮旋转位置与通过计量装置的读数窗口读 出的字码读数之间建立一一对应的关系，从而实现计量装置自动计数读数，并且通过构建网 络实现远程抄表。光传感器是现有技术一种常用的所述检测装置，在使用所述光传感器时还 需要在所述字轮体上设置至少一个透光窗口，借助该透光窗口可以使光传感器输出两种状态， 即透光窗口通过光传感器的状态信息和透光窗口没有通过光传感器的状态信息。合理设置透 光窗口的数量和位置，以及光传感器的数量和位置，就可以通过采集各光传感器的输出状态 确定一组编码，进而根据该组编码确定所述字轮体的旋转位置。

现有技术用光传感原理实现对字轮自动读数的计量装置还存在以下的缺陷和不足之处：

1.现有技术光传感器包括一个光发射管和一个光接收管，因此，该光传感器只能输出两 种状态，即光接收管接收到来自光发射管的光的状态和光接收管没有接收到来自光发射管的 光的状态，一个光传感器只能对应二进制编码的一位，不能适应较为复杂的编码设计需要， 而现有技术为了防止对字轮自动读数出现错位情况，以及因字轮反转出现的错误读数情况， 往往被迫设计较为复杂的编码；

2.如上所述，一个光传感器只能输出两种状态，而不能反映字轮旋转方向；因字轮反转 造成读数错误的问题是目前设计所述字轮自动读数的计量装置需要解决的一个重要问题；现 有技术大都通过设计复杂的码制，例如格雷码，来判别字轮的旋转方向是否正确，这种方法 形成的编码比较复杂，而且为了实现这种码制，还需要对光传感器和透光窗口各自的位置和 数量作出特殊的设计，例如，设置多个透光窗口和多个光传感器并且严格限定它们互相之间 的夹角关系，甚至需要设置两组或两组以上不同半径的透光窗口，从而增加了所述计量装置 的设计成本，也降低了字轮本身所能承受的机械强度；

3.现有技术光传感器的光发射管必须保持点亮状态，即使字轮体没有发生转动，所述光 发射管仍然需要点亮，造成能量损失；虽然点亮光发射管的需要的电能很小，但是对于一些 安装在野外或者恶劣环境的所述计量装置，需要使用电池对该计量装置供电并在所述计量装 置的寿命期内达到尽量不更换电池的效果，因此，节省电能消耗对所述计量装置也是一项需 要解决的重要问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于避免现有技术的不足之处而提出一种用于准确定位字轮以 确定显示字码的方法以及使用该方法制成的配置光传感计数字轮的计量装置，改变传统光传 感器的配置及其工作方式，简化实现字轮自动读数的编码方式，提高自动读数准确度，并且 解决字轮反转造成的错误读数问题。

本发明解决所述技术问题可以通过采用以下技术方案来实现：

设计、制造一种配置光传感计数字轮的计量装置，包括至少一组字轮组件，所述字轮组 件包括字轮支架、柱面上均匀标记有N个字码的圆柱状字轮体、至少一组光传感器组件和微 处理器MCU，其中，N≥2。所述字轮体设置至少一个沿轴向贯穿该字轮体的透光窗口。所 述光传感器组件借助透光窗口实现状态变化，所述微处理器MCU采集各光传感器组件的不 同状态并编码以确定字轮体的旋转位置。尤其是，每组所述光传感器组件包括一个光接收管， 以及射出光线都正对着该光接收管的第一光发射管和第二光发射管；所述光接收管与第一、 第二光发射管分别设置在字轮体两端面的外侧。所述各第一、第二光发射管都处于各自熄 灭或者点亮的常态。所述微处理器MCU控制各第一光发射管依次改变它们各自的常态，并 检测各光接收管是否接收到各自对应第一光发射管的状态改变，从而形成第一编码组；随 后，该微处理器MCU控制各第二光发射管依次改变它们各自的常态，并检测各光接收管是 否接收到各自对应第二光发射管的状态改变，从而形成第二编码组。所述微处理器MCU根 据第一编码组和第二编码组确定字轮体的旋转位置，即确定该字轮体通过读数窗口显示的 读数。

所述字轮体上设置有一个透光窗口，该透光窗口的窗口角φ是度； 所述窗口角φ，是指所述透光窗口的沿字轮体旋转方向两边界面在垂直于该字轮体轴线的平 面上的正投影之间形成的最大圆心角。所述字轮组件设置有组光传感器组件， 函数INT[x]表示取变量x的整数部分；每组所述光传感器组中，在垂直于所述字轮体轴线的 平面上，第一光发射管和第二光发射管形成的正投影分别位于光接收管的正投影所在径线的 两边，而且所述第一光发射管的正投影与所述第二光发射管的正投影之间的第一间隔圆心角 α满足所述个光接收管之间的第二间隔圆心角β是 度；所述第二间隔圆心角β是指相邻两光接收管在垂直于该字轮体轴线的平面上的正 投影之间形成的圆心角。所述圆心角的圆心是指所述字轮体轴线在垂直于该字轮体轴线的平 面上的正投影。

每组所述光传感器组中，在垂直于所述字轮体轴线的平面上，以光接收管的正投影所在 径线为对称轴，第一光发射管的正投影和第二光发射管的正投影对称设置。

为提高自动读数准确度，所述第一间隔圆心角α还满足度。

本发明解决所述技术问题可以通过采用以下技术方案来实现：

实施一种用于准确定位字轮以确定显示字码的方法，基于配置光传感计数字轮的计量装 置，所属计量装置包括至少一组字轮组件，所述字轮组件包括字轮支架、柱面上均匀标记有N 个字码的圆柱状字轮体和微处理器MCU，其中，N≥2。所述方法包括如下步骤：

A.在所述字轮体上开设至少一个沿轴向贯穿该字轮体的透光窗口；

B.设置至少一组光传感器组件，借助所述透光窗口，所述各光传感器组件实现状态变化， 所述微处理器MCU采集各光传感器组件的不同状态并编码以确定字轮体的旋转位置；

尤其是，

C.为每组所述光传感器组件配置一个光接收管，以及射出光线都正对着该光接收管的 第一光发射管和第二光发射管；所述光接收管与第一、第二光发射管分别设置在字轮体两 端面的外侧；所述各第一、第二光发射管都处于各自常灭或者常亮的常态；

D.所述微处理器MCU控制各第一光发射管依次改变它们各自的常态，并检测各光接 收管是否接收到各自对应的第一光发射管的状态改变，从而形成第一编码组；

E.所述微处理器MCU控制各第二光发射管依次改变它们各自的常态，并检测各光接 收管是否接收到各自对应第二光发射管的状态改变，从而形成第二编码组；

F.所述微处理器MCU根据第一编码组和第二编码组确定字轮体的旋转位置，即确定 该字轮体通过读数窗口显示的读数。

所述步骤F包括如下分步骤：

F1.所述微处理器MCU比较第一编码组和第二编码组，只有当所述第一编码组与第二编 码组完全相同时，再根据两编码组相同的编码确定所述字轮体的旋转位置，即确定该字轮体 通过读数窗口显示的读数。

在步骤A中，在所述字轮体上开设一个透光窗口，并且使该透光窗口的窗口角φ是 度；所述窗口角φ，是指所述透光窗口的沿字轮体旋转方向两边界面在 垂直于该字轮体轴线的平面上的正投影之间形成的最大圆心角。在步骤B中，设置 组光传感器组件，函数INT[x]表示取变量x的整数部分。在步骤C中，设置所 述光接收管、第一光发射管和第二光发射管的位置，每组所述光传感器组中，在垂直于所述 字轮体轴线的平面上，第一光发射管和第二光发射管形成的正投影分别位于光接收管的正投 影所在径线的两边，而且所述第一光发射管的正投影与所述第二光发射管的正投影之间的第 一间隔圆心角α满足同时，设置所述个光接收管之间的 第二间隔圆心角β是度；所述第二间隔圆心角β是指相邻两光接收管在垂直于该字轮 体轴线的平面上的正投影之间形成的圆心角。所述圆心角的圆心是指所述字轮体轴线在垂直 于该字轮体轴线的平面上的正投影。

在所述步骤C中，每组所述光传感器组，在垂直于所述字轮体轴线的平面上，以光接收 管的正投影所在径线为对称轴，第一光发射管的正投影和第二光发射管的正投影对称设置。 为提高自动读数准确度，在所述步骤C中，所述第一间隔圆心角α还满足度。

同现有技术相比较，本发明“用于定位字轮旋转位置的方法及使用该方法的计量装置” 的技术效果在于：

1.本发明所述光传感器组件包括一个光接收管和两个光发射管，一组该光传感器组件就 可以输出四种状态信号，包括仅来自第一光发射管的光被光接收管收到的状态、仅来自第二 光发射管的光被光接收管收到的状态、来自两个光发射管的光被光接收管收到的状态和光接 收管没有接收到光的状态；应用在同样的编码设计中，所述光传感器组件的数量将少于使用 现有技术光传感器的数量，减少了计量装置的制造成本；

2.通过判断光传感器组件中光接收管分别接收到两光发射管的光的先后顺序，可以确定 字轮体自身的旋转方向，避免了因字轮体反转而造成的读数错误问题；

3.以是否接收到第一光发射管的状态作为初始编码，以是否接收到第二光发射管的状态 作为确认编码，将初始编码和确认编码相同的状态对应字码读数的准确位置，可以大大简化 编码设计，使得仅设置一个透光窗口就能实现对字轮旋转位置的准确定位，同时还解决了错 位读数问题和因字轮反转造成的错误读数问题；

4.本发明对所述光传感器组件的状态检测采用轮询方式，从而令光传感器组件中两光发 射管不需要处于常亮状态，节省了所述光传感器组件的电能消耗，为延长所述计量装置在野 外环境或者恶劣环境中的寿命提供了条件。

附图说明

图1是本发明“用于定位字轮旋转位置的方法及使用该方法的计量装置”光传感器组件 110工作原理正投影主视示意图；

图2是本发明光传感器组件110工作原理正投影左视示意图；

图3是本发明光传感器组件110状态检测硬件连接示意图；

图4是本发明第一实施例的正投影主视示意图；

图5是所述第一实施例的字码显示与编码对照表；

图6是本发明第二实施例的正投影主视示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例作进一步详述。

本发明提出一种配置光传感计数字轮的计量装置，包括至少一组字轮组件100，所述字 轮组件100包括字轮支架、柱面上均匀标记有N个字码的圆柱状字轮体120、至少一组光传 感器组件110和微处理器MCU 140，其中，N≥2。所述字轮体120设置至少一个沿轴向贯 穿该字轮体120的透光窗口121。所述光传感器组件110借助透光窗口121实现状态变化， 所述微处理器MCU 140采集各光传感器组件110的不同状态并编码以确定字轮体的旋转位 置。所述字轮组件100的数量由具体应用需求决定，即所述计量装置需要显示数据的位数， 每个字轮组件100对应所显示数据中的一位数字。

如图1和图2所示，每组所述光传感器组件110包括一个光接收管111，以及射出光线 都正对着该光接收管111的第一光发射管112和第二光发射管113。图2中的虚线代表光发 射管发出的光线。所述光接收管111与第一、第二光发射管112、113分别设置在字轮体120 两端面的外侧。为了方便安装，所述光接收管111和两光发射管112、113都安装在所述字 轮支架上。所述字轮支架用于为所述字轮体120提供轴承，并固定安装整个字轮组件100。 配合字轮体120及其上设置的透光窗口121，所述光传感器组件110可以输出四种状态，图1 体现了这四种状态。在图1中，所述字轮体120上设置了三个透光窗口121和四组光传感 器组件110，每组光传感器组件110处于一种工作状态。所述光传感器组件110的四种输出 状态分别是：

①光接收管111同时收到来自两光发射管112、113的光的状态，如图1中在虚线O₁Z₁₀和O₁Z₁₁所夹区域Z₁中的光传感器组件110的输出状态，此时两光发射管112、113发出的 光都可以通过透光窗口121射向光接收管111；

②光接收管111仅收到来自第一光发射管112的光的状态，如图1中在虚线O₁Z₂₀和 O₁Z₂₁所夹区域Z₂中的光传感器组件110的输出状态，此时第一光发射管112发出的光可以 通过透光窗口121射向光接收管111，但第二光发射管113发出的光被字轮体120挡住；

③光接收管111没有接收到光的状态，如图1中在虚线O₁Z₃₀和O₁Z₃₁所夹区域Z₃中 的光传感器组件110的输出状态，此时两光发射管112、113发出的光都被字轮体120挡住；

④光接收管111仅收到来自第二光发射管113的光的状态，如图1中在虚线O₁Z₄₀和 O₁Z₄₁所夹区域Z₄中的光传感器组件110的输出状态，此时第二光发射管113发出的光可以 通过透光窗口121射向光接收管111，但第一光发射管112发出的光被字轮体120挡住。

如图3所示，本发明通过微处理器MCU 140采用轮询的方式实现对上述四种状态的检 测。假设字轮组件100中设置了M个光传感器组件110，那么各第一光发射管112电连接 微处理器MCU 140的端口T₁₁、T₂₁、......、T_M1，各第二光发射管113电连接微处理器MCU 140的端口T₁₂、T₂₂、......、T_M2，各光接收管111电连接微处理器MCU 140的端口R₁、R₂、......、 R_M。首先需要使所述各第一、第二光发射管112、113都各自处于熄灭状态或者点亮状态中 的一种常态。从节能角度考虑，应当将所述两光发射管112、113设置为常灭状态。因此， 以下以两光发射管112、113设置为常灭状态为例说明状态检测过程：所述微处理器MCU 140 控制各第一光发射管112依次改变它们各自的常态，即微处理器MCU 140的依次向端口T₁₁、 T₂₁、......、T_M1发出点亮信号，使各第一光发射管112被依次点亮，并且微处理器MCU 140 检测端口R₁、R₂、......、R_M的状态，即检测各光接收管111是否接收到各自对应第一光发 射管112从熄灭到点亮的状态改变，从而形成第一编码组；当然本轮检测完成就要恢复各第 一光发射管112的常态，即常灭状态；随后，该微处理器MCU 140控制各第二光发射管113 依次改变它们各自的常态，即微处理器MCU 140的依次向端口T₁₂、T₂₂、......、T_M2发出 点亮信号，使各第二光发射管113被依次点亮，并且微处理器MCU 140检测各光接收管111 是否接收到各自对应第二光发射管113从熄灭到点亮的状态改变，从而形成第二编码组，同 样本轮检测完成就要恢复各第二光发射管113的常态，即常灭状态。所述微处理器MCU 140 根据第一编码组和第二编码组确定字轮体120的旋转位置，即确定该字轮体120通过读数 窗口显示的读数。显然，如果设置两光发射管112、113的常态是常亮状态，同样可以应用 上述轮询的原理实现检测光传感器组件110的输出状态。

显然，通过判断第一光发射管112和第二光发射管113的点亮顺序，就可以获知所述字 轮体120的旋转方向。

对于以两光发射管112、113设置为常亮状态为时，所述微处理器MCU 140的轮询和检 测过程与上述实例相反，这对本领域普通技术人员是显而易见的，此处不再赘述。

本发明通过以下方法实现上述技术内容：

实施一种用于准确定位字轮以确定显示字码的方法，基于上述配置光传感计数字轮的计 量装置，所述计量装置包括至少一组字轮组件100，所述字轮组件100包括字轮支架、柱面 上均匀标记有N个字码的圆柱状字轮体120和微处理器MCU 140，其中，N≥2。所述方法 包括如下步骤：

A.在所述字轮体120开设至少一个沿轴向贯穿该字轮体120的透光窗口121；

B.设置至少一组光传感器组件110，借助所述透光窗口121，所述各光传感器组件实现 状态变化，所述微处理器MCU 140采集各光传感器组件110的不同状态并编码以确定字轮体 的旋转位置；

C.为每组所述光传感器组件110配置一个光接收管111，以及射出光线都正对着该光接 收管111的第一光发射管112和第二光发射管113；所述光接收管111与第一、第二光发射 管112、113分别设置在字轮体120两端面的外侧；所述各第一、第二光发射管112、113都 处于各自常灭或者常亮的常态；

D.所述微处理器MCU 140控制各第一光发射管112依次改变它们各自的常态，并检测 各光接收管111是否接收到各自对应的第一光发射管112的状态改变，从而形成第一编码组；

E.所述微处理器MCU 140控制各第二光发射管113依次改变它们各自的常态，并检测 各光接收管111是否接收到各自对应第二光发射管113的状态改变，从而形成第二编码组；

F.所述微处理器MCU 140根据第一编码组和第二编码组确定字轮体120的旋转位置， 即确定该字轮体120通过读数窗口显示的读数。

本发明所述光传感器组件110可以输出四种状态，应用在同样的编码设计中，所述光传 感器组件110的数量将少于使用现有技术光传感器的数量，减少了计量装置的制造成本；通 过判断光传感器组件中光接收管111分别接收到两光发射管112、113的光的先后顺序，可以 确定字轮体120自身的旋转方向，避免了因字轮体120反转而造成的读数错误问题。

关于所述字轮体120上开设的透光窗口121数量及位置，以及设置光传感器组件110 的数量及位置可以有多种方案，从工业应用角度考虑，本发明提出一些最为简化的具体技 术方案，也是成本最低的方案，但不应当用以下具体方案作为本发明的唯一限定技术方案。

从简化微处理器MCU 140的处理过程考虑，本发明上述步骤F可以更具体为如下分步 骤F1：

F1.所述微处理器MCU 140比较第一编码组和第二编码组，只有当所述第一编码组与第 二编码组完全相同时，再根据两编码组相同的编码确定所述字轮体120的旋转位置，即确定 该字轮体120通过读数窗口显示的读数。

从简化字轮组件100结构方面，可以用最少的透光窗口121和最少的光传感器组件110 来实现对字轮体120在显示窗口呈现字码的自动读数。

由于N个字码在字轮体120柱面上的分布是均匀的，相当于在字轮体120的旋转一周 的过程中，每个字码占据了度的旋转角度，因此，如图4和图6所示，可以将字轮体 120在垂直于轴线平面上的圆形正投影分成N个扇形区，那么作为最简方案，在所述字轮体 120上仅设置有一个透光窗口121，该透光窗口121应当覆盖不少于半数的最少的扇形区， 即透光窗口121覆盖的扇形区应达到个，函数INT[x]表示取变量x的整数部分， 即四舍五入后的由此，所述透光窗口121的窗口角φ是度；所述 窗口角φ，是指所述透光窗口121的沿字轮体120旋转方向两边界面在垂直于该字轮体120 轴线的平面上的正投影之间形成的最大圆心角。

适应上述透光窗口121的设置方案，所述字轮组件100设置有组光传感器 组件110，相当于每个光传感器组件110对应检测一个扇形区，而且能够出现所有光传感器 组件110都被透光窗口121覆盖的情况。因此，如图4和图6所示，每组所述光传感器组110 中，在垂直于所述字轮体120轴线的平面上，第一光发射管112和第二光发射管113形成的 正投影分别位于光接收管111的正投影所在径线的两边，而且所述第一光发射管112的正投 影与所述第二光发射管113的正投影之间的第一间隔圆心角α满足所 述个光接收管111之间的第二间隔圆心角β是度。所述第二间隔圆心角 β是指相邻两光接收管111在垂直于该字轮体120轴线的平面上的正投影之间形成的圆心角。 所述圆心角的圆心是指所述字轮体120轴线在垂直于该字轮体120轴线的平面上的正投影。

为了获得较好的检测效果，每组所述光传感器组110中，在垂直于所述字轮体120轴线 的平面上，以光接收管111的正投影所在径线为对称轴，第一光发射管112的正投影和第二 光发射管113的正投影对称设置。

若要达到最好的检测效果，应当将两光发射管112、113之间的区域应当尽量靠近达到 一个扇形区的区域，即所述第一间隔圆心角α还满足度。

上述技术方案还可以依据如下方法实现：

在步骤A中，在所述字轮体120上开设一个透光窗口121，并且使该透光窗口121的窗 口角φ是度。所述窗口角φ，是指所述透光窗口121的沿字轮体120旋 转方向两边界面在垂直于该字轮体120轴线的平面上的正投影之间形成的最大圆心角。

在步骤B中，设置组光传感器组件110，函数INT[x]表示取变量x的整数 部分。

在步骤C中，设置所述光接收管111、第一光发射管112和第二光发射管113的位置， 每组所述光传感器组110中，在垂直于所述字轮体120轴线的平面上，第一光发射管112和 第二光发射管113形成的正投影分别位于光接收管111的正投影所在径线的两边，而且所述 第一光发射管112的正投影与所述第二光发射管113的正投影之间的第一间隔圆心角α满足 度。同时，设置所述个光接收管111之间的第二间隔圆心角 β是度。所述第二间隔圆心角β是指相邻两光接收管111在垂直于该字轮体120轴线 的平面上的正投影之间形成的圆心角。所述圆心角的圆心是指所述字轮体120轴线在垂直于 该字轮体120轴线的平面上的正投影。

为了获得较好的检测效果，在所述步骤C中，每组所述光传感器组110，在垂直于所述 字轮体120轴线的平面上，以光接收管111的正投影所在径线为对称轴，第一光发射管112 的正投影和第二光发射管113的正投影对称设置。

若要达到最好的检测效果，在所述步骤C中，所述第一间隔圆心角α还满足度。

作为字码数为偶数的代表，本发明第一实施例，如图4所示，字码数N＝10，字轮体 120沿箭头RD指示方向作逆时针旋转，计量装置读数窗口用线段S₁S₂示意，读数视角如箭 头W指示，每个用虚线分开的扇形区所占圆心角是36°，因此，设置了5组光传感器组件， 其中，φ＝180°，18°＜α＝30°＜36°，β＝36°。所述圆心角的圆心是O₂。每组所述光传感 器组110，在垂直于所述字轮体120轴线的平面上，以光接收管111的正投影所在径线为对称 轴，第一光发射管112的正投影和第二光发射管113的正投影对称设置。字轮体120旋转一 周，从计量装置读数窗口S₁S₂读出的字码、第一编码组、第二编码组和字码在窗口的显示 状态对应关系如图5所示。由图5可知，只有第一编码组和第二编码组完全相同时，才能 确定显示的字码，两编码组相同的编码对应自动读出的字码，而在两编码组不同时，通过 比较编码可以确定字轮体120的旋转方向。而采用现有技术光传感器，即用现有技术光传 感器替换本发明光传感器组110，现有技术无法达到准确对应读数并确定字轮体转向的技术 效果。

作为字码数为奇数的代表，本发明第二实施例，如图6所示，字码数N＝7，字轮体120 沿箭头RD指示方向作逆时针旋转，计量装置读数窗口用线段S₃S₄示意读数视角如箭头W 指示，每个用虚线分开的扇形区所占圆心角约是51.42°，因此，设置了4组光传感器组件， 其中，φ≈51.42°×4≈205.68°，25.71°＜α＝45.42°＜51.42°，β≈51.42°。所述圆心角的圆 心是O₃。每组所述光传感器组110，在垂直于所述字轮体120轴线的平面上，以光接收管111 的正投影所在径线为对称轴，第一光发射管112的正投影和第二光发射管113的正投影对称 设置。