光電傳感器在智能水表中的應用

吳 偉

（上海水務建設工程有限公司，中國 上海200072）

1 智能水表

1.1 智能水表概述

隨著計算機技術，現代通訊技術和自動化技術的迅猛發展，智能化建筑在發達國家應運而生。 近年來，智能化住宅小區建設在我國發展的很快，自來水遠程抄表系統正是智能化住宅小區的必備系統。 目前我國城鄉居民用戶水表抄表一般采用人工抄表方式。這種方式需要消耗大量的人力、物力,采集數據的時間跨度大、采集數據的準確度低，同時給用戶帶來很多麻煩，甚至帶來不安全的因素。為了有效解決入戶抄表收費存在的諸多弊端，提高效率，避免入戶抄表引發的不安全因素和杜絕拖欠費用等情況，遠傳抄表系統得到了大力推廣。 遠程抄表是一種便民系統，作為現代化管理系統的重要組成部分，該系統發揮了重要作用。

1.2 傳感器在智能水表中應用

目前，實現遠程抄表有很多技術，例如藍牙技術、無線局域網技術等，現有的各種轉換方式如采用單、雙干簧管傳感器、攝像直讀傳感器或霍爾元件，都在不同方面存在缺陷或不足。 從實際的運行的情況來看，表現不盡如人意,存在兩大問題：（1）必須不間斷供電，當電源斷電時間過長或信號線路需要維修時，遠傳讀數部分停止計量，機械讀數照常運轉。 因此恢復供電或維修完畢后需重讀水表的機械讀數，再對遠傳部分重新設置底數。（2）運行中會產生累積誤差，水表機械讀數與電子讀數不完全一致，總存在一定誤差。尤其是“單、雙干簧管表”因為臨界點顫動誤發信號無法克服，誤差非常大。 由于這些問題如果不能得到妥善解決，上述傳感器在市場上難以成為主流產品。 針對上述的難以克服的缺陷，人們將研究目光投向光電直讀，本文在此介紹的是一種直讀式遠傳水表，其最大特點是平時不需要電源，只有在抄表的瞬間才需要電源， 擺脫了脈沖等遠傳水表離開電源便無法工作的難題，并且使水表的機械讀數與電子讀數完全一致。

2 光電直讀計數器的應用

光電直讀表是在普通水表的計數器字輪印刷0-9 位置的外緣印刷特定標記，在其外圍固定光電傳感器及相關電路。外部供電讀表時，通過光電傳感器判斷特定標記“有”和“無“的狀態，通過組合編碼判斷以獲得字輪的讀數（表計的窗口值）。

2.1 光電直讀計數器的組成

光電直讀計數器包括殼體、驅動輪、進位齒輪、數字輪、信號采集板、光電傳感器等。

圖1 光電計數器示意圖

2.2 光電直讀計數器概述

光電直讀計數器有若干個同軸數字輪，最低位數字輪與驅動輪連接， 該數字輪端面的兩個半徑圓周上分別開有若干個弧形透光孔，同時數字輪上印有0-9 共10 個數碼，每個數碼的間隔被3 等分；進位輪與數字輪嚙合，位于最右邊的低位數字輪每轉一圈，就帶動與它相連的進位齒輪走一個齒， 進而帶動位于左邊的高位數字輪走一個數字，實現進位；信號采集板，位于數字輪兩側，其上設置若干對光電傳感器，每對光電傳感器包含一個發射管和一個接收管。

2.3 光電直讀計算器編碼原理

2.3.1 數字輪設計

數字字輪的柱面被30 等分， 整個柱面平均分為0-9 共10 等分，然后，每個數字間隔之間的扇面再3 等分，因此整個數字輪的柱面被30 等分。 自此，數字輪上的每個數就具有“上格”“正格”“下格”之分。例如：數字“8”就有“8 上格”“8 正格”“8 下格”。 當讀數在“8 上格”“8正格”“8 下格”時，均讀為“8”，這就避免了進位時的誤讀。

圖2 數字字輪示意圖

2.3.2 光電傳感器設置

在光電直讀計算器中，信號采集板上安裝6 對紅外發射管和紅外接收管，發射管和接收管構成的紅外對管光路與數字輪的轉動軸線平行，同一個同心圓的半個圓周上分布5 對光電傳感器，其作用是抄報數字輪的讀書，在另一個同心圓的圓周上設置1 個光電傳感器，稱為進位傳感器，其作用是校驗進位輪的進位狀態。

2.3.3 碼道分布及其編碼方法

數字輪的端面上分別開有3 個弧形透光槽，作為編碼的碼道。 每一個數字輪的端面上分布有3 個圓弧孔，其中三個圓弧孔是位于同心圓上的，該同心圓的半徑與5 個光電傳感器所位于的同心圓的半徑相同，當圓弧孔轉到5 個光電傳感器中的任何一個時，均可通過圓弧孔透光，從而使接收管能夠接收到發射管所發射的光線，起到抄報數字輪讀數的作用。 其中一個圓弧孔比另外兩個圓弧孔更寬一些，覆蓋到進位校驗傳感器所處的同心圓中，這樣，當此圓弧孔轉動到進位校驗傳感器時，接收管可以接收到發射管所發射的光線，起到進位校驗作用。

圖3 直讀采集器結構示意圖

2.3.4 數據讀取與上傳

上述編碼方式讀取的數據通過程序方式存入單片機， 抄表時，由外部供電，通過光電傳感器讀取字輪編碼傳遞給單片機，單片機按照電路邏輯關系，將數據上傳給區域集中器，再由集中器將所抄表具讀數上傳給上位機管理軟件。

3 應用

經過多年從理論到實踐經過多次研究， 對設計方案進行了修改和實際產品驗證，實踐證明在結構和裝配誤差要求范圍內，確定此方案可以做到準確讀取字輪數據。

4 結束語

隨著現代計量技術、傳感技術、計算機信息技術等的日益發展，智能水表的智能性也得到日益提高。利用智能水表具有經濟、實時、數據共享等優點，將會越來越多地應用于社會發展的各個方面，并實現人類和水資源的和諧相處。光電直讀式計算器由于既有機械式計數器的無需帶電工作的優點，又可采用光電直讀方式讀取計算值，可用于集中管理。 可見，光電直讀計數器的合理廣泛應用對于大力發展智能水表具有非常重要的作用和意義。

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