智能水表的光脉冲传感器的原理及设计

今天为大家介绍一项国家发明授权专利——一种智能水表的光脉冲传感器。该专利由智恒科技股份有限公司申请，并于2018年11月6获得授权公告。

内容说明

本发明涉及智能水表领域，特别涉及一种智能水表的光脉冲传感器。

发明背景

在智能水表行业内，现有的水表流量采集传感器主要包括以下几种类型：磁感水表传感器、摄像直读水表、LC金属感应传感器以及光感水表传感器。其中，磁感水表传感器需要在水表体内安装磁性指针，对金属的水表体有吸引力作用，这会增大指针的旋转阻力，影响水表的性能；摄像直读水表的图片数据量太大，网络传输困难；成本较高，难以推广；摄像头功率较高，不能支持实时监测，只能替代人工定期读取水表表盘数，无法实时监测水表的流量过程； LC金属感应传感器通用性较差。

光感水表传感器的主要原理是在传感器上集成处理器、发光二极管和感光电子元件，通过发光二极管发送亮光，在水表表盘上产生反射后由感光电子元件吸收，转换为电信号；由于指针靠近感光电子元件时，对发光二极管的光亮或产生吸收、或产生反射，从而使得感光电子元件上感应到的光强度产生变化，从而使输出电信号变化；同时，由处理器根据电信号的变化，判别出水表指针的旋转轨迹。

现有技术中主要存在以下三种光感水表传感器：第一种，申请日为2016 .06 .21，申请号为201610449360 .9的中国发明专利公开了一种单感光型水表传感器。传感器采用两个发光二极管，传感器的功耗较大，不利于智能水表采用电池供电的低功耗的要求。

第二种，申请日为2015 .11 .05，申请号为201510743251的中国发明专利公开了一种水表传感器，该水表传感器的功耗也比较大，不利于智能水表采用电池供电的低功耗的要求。

第三种，申请日为2017 .08 .24，申请号为201721065902 .9的中国实用新型专利公开了一种用于水表的外置式数据传感器。该数据传感器功耗较大，不利于智能水表采用电池供电的低功耗的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种智能水表的光脉冲传感器，通过该光脉冲传感器可极大的降低整体运行功耗，进而可很好的满足智能水表采用电池供电的低功耗的要求。

本发明是这样实现的：一种智能水表的光脉冲传感器，所述光脉冲传感器包括一传感器壳体、一MCU、一线路板、一发光二极管、两光学环境亮度感应元件、两导光柱以及一限流电阻单元；所述MCU和线路板均设于所述传感器壳体内部，所述MCU固定在所述线路板上；所述MCU通过所述限流电阻单元与所述发光二极管的正极相连接，所述发光二极管的负极与所述MCU相连接；两所述光学环境亮度感应元件均与所述MCU相连接；

所述光学环境亮度感应元件间距设于所述线路板的底部，且使两所述光学环境亮度感应元件位于所述智能水表表盘指针的旋转轨迹任意一处的正上方；每所述导光柱均固设于一所述光学环境亮度感应元件的下表面；

所述发光二极管倾斜设置在所述线路板的底部，且使所述发光二极管照射到所述智能水表表盘上的光斑位于两所述导光柱的正下方。

进一步地，所述光脉冲传感器还包括一传感器输出引线，所述传感器输出引线的一端与所述线路板相连接，另一端延伸至所述传感器壳体的外部。所述限流电阻单元至少包括一第一限流电阻以及一第二限流电阻；所述MCU分别通过所述第一限流电阻以及第二限流电阻与所述发光二极管的正极相连接；所述第一限流电阻与第二限流电阻的阻值不同。

所述限流电阻单元包括一第一限流电阻、一第二限流电阻、一第三限流电阻、一第四限流电阻以及一第五限流电阻；所述MCU分别通过所述第一限流电阻、第二限流电阻、第三限流电阻、第四限流电阻以及第五限流电阻与所述发光二极管的正极相连接；所述第一限流电阻、第二限流电阻、第三限流电阻、第四限流电阻以及第五限流电阻的阻值均不相同。

所述导光柱为凸面的导光柱。所述发光二极管为550纳米波长的发光二极管。所述MCU采用PIC16F1559芯片。所述光学环境亮度感应元件采用ISL29006芯片。

本发明的优点在于：1 、采用具有两个独立A D C （模数转换） 通道的低功耗PIC16F1559芯片作为MCU，能够同时对两个光学环境亮度感应元件输出的电信号进行ADC转换，从而可减少MCU的运行时间，并降低光脉冲传感器的整体运行功耗，进而可很好的满足智能水表采用电池供电的低功耗的要求；

2、在光学环境亮度感应元件上安装具有凸面设计的导光柱，可增加有效感应面积，使得光学环境亮度感应元件能够感应到更大的区域范围，这样表盘指针经过该区域的时间就比较长，从而可保证在降低发光二极管的发光频率和对光学环境亮度感应元件的采样频率的情况下，也能够正确捕捉到表盘指针到达该区域的状态，这也有助于降低光脉冲传感器的整体运行功耗，进而可很好的满足智能水表采用电池供电的低功耗的要求；

3、具有根据环境亮度自动调节发光二极管发光亮度的功能，可进一步降低光脉冲传感器的功耗，进而可很好的满足智能水表采用电池供电的低功耗的要求。具体实现过程是：MCU通过多种不同阻值的限流电阻单元来连接发光二极管；在工作时，MCU通过光学环境亮度感应元件上的电信号，即可判别出环境亮度的大小，再选择相应的限流电阻来控制发光二极管发光；由于环境亮度存在一定的波动性，当环境亮度越大时，MCU就控制小阻值的限流电阻使发光二极管发光，以提高发光亮度，增大信噪比；当环境亮度越小时，MCU就控制大阻值的限流电阻使发光二极管发光，以适当降低发光二极管的发光亮度，例如在较暗的控制箱内，可降低发光二极管的运行亮度，以进一步降低功耗；

4、巧妙的利用机械水表本身的表盘指针和表盘的颜色差异，根据不同颜色对光的吸收反射程度不同的原理来检测表盘指针的旋转状态，并采集水表的实时流量；相比于磁感应传感器和LC金属感应传感器，本实用新的光脉冲传感器不需要对智能水表安装特定的指针，因此，适用性强，尤其适合在旧表改造等场合使用；

5、采用高亮的550纳米波长的发光二极管，且发光二极管采用具有一定斜度的安装设计，使得照射在表盘上的光斑处于光学环境亮度感应元件的正下方，可增大光的通量，提高与环境亮度的信噪比，并进而可提高采集的准确性和可靠性。