基于51單片機(jī)的油礦測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

程傳杰,王 斌,吳鳳嬌

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西楊凌 712100)

基于51單片機(jī)的油礦測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

程傳杰,王 斌,吳鳳嬌

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西楊凌 712100)

某油礦由于歷史原因,在原油開采和傳輸技術(shù)等方面存在不足。針對(duì)該油礦的現(xiàn)狀及特點(diǎn),利用Protel DXP以及Multisim對(duì)直流穩(wěn)壓電源模塊、主要控制模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、無線數(shù)傳接口模塊、輸出控制模塊、無線傳輸模塊等模塊進(jìn)行了仿真研究,最后完成了系統(tǒng)硬件電路的總體設(shè)計(jì),達(dá)到降低生產(chǎn)成本,減少損耗,延長抽油機(jī)壽命的目的。實(shí)驗(yàn)測試表明,系統(tǒng)整體符合設(shè)計(jì)要求,可以滿足工程需要。

油礦;C51單片機(jī);遙測;遙控;ZigBee技術(shù)

由于歷史原因,某油礦的現(xiàn)狀是:油田地域廣,油井多,單井產(chǎn)量低;地形地貌復(fù)雜,原油極易在地面管匯中滯留使輸油管道堵塞;油層伴生水質(zhì)不配伍,結(jié)垢十分嚴(yán)重;地形復(fù)雜、高差大,阻擋、屏蔽、干擾嚴(yán)重,遙測遙控難度比平原、坡地的難度大[1]。

結(jié)合此油礦的具體情況,本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線傳輸協(xié)議,使用C51系列單片機(jī)對(duì)油礦進(jìn)行控制,并且利用可視化的上位機(jī)軟件對(duì)油礦進(jìn)行監(jiān)控的遙測遙控系統(tǒng)。經(jīng)過仿真分析以及測試,此系統(tǒng)可以較好解決此油礦的具體問題,符合各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在抽油機(jī)的井口處安裝有溫度傳感器,配電柜安裝有電流傳感器,傳感器輸出的信號(hào)為反映抽油機(jī)運(yùn)行狀況的模擬信號(hào),通過AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)入下位機(jī)。下位機(jī)一方面通過本地內(nèi)置的算法進(jìn)行邏輯運(yùn)算及判斷,通過輸出控制模塊進(jìn)而達(dá)到控制抽油機(jī)的目的;另一方面又將采集到的信號(hào)經(jīng)RS232接口傳入ZigBee模塊,然后發(fā)送出去。在上位機(jī)處也裝有ZigBee模塊,其接收到下位機(jī)傳來的信號(hào)之后,經(jīng)RS232接口傳入上位機(jī)。上位機(jī)在畫面上顯示各抽油機(jī)狀態(tài),溫度和電流等參數(shù),實(shí)時(shí)直觀地反映抽油機(jī)工作狀態(tài)。同時(shí)還可以通過上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送預(yù)設(shè)參數(shù),修改間隔時(shí)間、溫度、電流等內(nèi)置的判斷參數(shù),從而使整個(gè)系統(tǒng)工作在最優(yōu)模式。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示,其中“經(jīng)驗(yàn)時(shí)間”,即在長期的生產(chǎn)過程中積累的經(jīng)驗(yàn)時(shí)間,油井從無油到油量較多時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要分為下位機(jī)現(xiàn)場控制模塊以及無線數(shù)傳模塊兩部分。

2.1 下位機(jī)現(xiàn)場控制模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)思路如下:

(1)集中設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電路,為整個(gè)電路中的其它部分工作提供穩(wěn)定的直流電源。電路輸入為市電(220V,50Hz),輸出為穩(wěn)定的直流5V電壓。在當(dāng)?shù)赝ｋ?無市電供應(yīng)時(shí)),應(yīng)有UPS繼續(xù)提供可用的電源,使得模塊可以繼續(xù)保持運(yùn)行狀態(tài)。

(2)使用單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要控制模塊,配合其它外圍電路以滿足對(duì)象控制的需要。

(3)設(shè)計(jì)AD轉(zhuǎn)換模塊,從而可以從傳感器獲取現(xiàn)場傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù),并進(jìn)行相應(yīng)的邏輯判斷以及分析。

(4)對(duì)串口通信部分進(jìn)行設(shè)計(jì),使得單片機(jī)可以與無線數(shù)傳接口模塊進(jìn)行正常通信。從而保證下位機(jī)現(xiàn)場控制模塊可以與上位機(jī)(中心計(jì)算機(jī))進(jìn)行通訊。

(5)設(shè)計(jì)用于現(xiàn)場控制的輸出控制模塊,用以控制井臺(tái)抽油機(jī)啟/停,從而達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求。

2.1.1 直流穩(wěn)壓電源模塊

直流穩(wěn)壓電源模塊主要由電源變壓器、橋式整流電路、濾波電路、集成穩(wěn)壓電路等來構(gòu)成[2]。利用Multisim進(jìn)行仿真,從而確定各個(gè)參數(shù),如圖2所示。橋式整流電路選用的是集成模塊3N250,并引入集成穩(wěn)壓電路模塊LM7805。為了表明整體電路的工作狀況,在電路內(nèi)接入了一個(gè)LED,如果LED亮說明電路正常工作,如果不亮則說明電路未工作。

圖2 直流穩(wěn)壓電源模塊的仿真

2.1.2 主要控制模塊[3]

主要控制模塊主要基于單片機(jī)最小系統(tǒng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。本設(shè)計(jì)中所選用的MCU為與MCS-51兼容的AT89C51芯片。

2.1.3 AD轉(zhuǎn)換模塊[5]

人類直接感受到的模擬信號(hào)不容易存儲(chǔ)、處理與傳輸,且容易失真,所以往往要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。故我們需要一個(gè)模塊(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,ADC)來將傳感器測得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)[6]。本設(shè)計(jì)中選用的是ADC0809芯片。

2.1.4 無線數(shù)傳接口模塊[7]

本設(shè)計(jì)采用RS232串口作為單片機(jī)與ZigBee模塊進(jìn)行通訊的接口。而RS232在進(jìn)行通信時(shí)需要12V的電壓才能識(shí)別,即高低邏輯電平為 12V和0V,但是51單片機(jī)的高低邏輯電平為5V和0V。所以為了避免二者電平不一樣而造成的無法通信,中間就需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片,在本設(shè)計(jì)中選用了MAX232[8]。

2.1.5 輸出控制模塊

主要控制模塊在接收到經(jīng)過AD模塊處理過的數(shù)據(jù)之后,經(jīng)過邏輯判斷從而有針對(duì)性的對(duì)現(xiàn)場井臺(tái)的抽油機(jī)進(jìn)行控制,此模塊即輸出控制指令的模塊。此模塊主要由排針構(gòu)成,僅對(duì)外部提供一個(gè)由高低電平組成的控制信號(hào),再經(jīng)過外置的放大電路和驅(qū)動(dòng)電路,從而達(dá)到控制抽油機(jī)啟停的目的。

最終設(shè)計(jì)出的電路原理圖如圖3所示,可以清晰的看出上述各部分電路模塊。

圖3 下位機(jī)現(xiàn)場控制模塊電路原理圖

2.2 無線數(shù)傳模塊設(shè)計(jì)

通過對(duì)幾種主流的無線傳輸技術(shù)進(jìn)行對(duì)比,其中表1列出了部分技術(shù)以及比較項(xiàng)目,最終選用ZigBee作為系統(tǒng)的無線傳輸協(xié)議。

表1 部分無線傳輸技術(shù)對(duì)比

ZigBee是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率(＜250 kbps)、工作在2.4GHz和868/928 MHz的無線技術(shù),用于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和對(duì)等網(wǎng)絡(luò)[9]。由于ZigBee價(jià)廉以及低功耗的無線通信特點(diǎn),它一直占據(jù)著無線通訊市場。特別在無限傳感器網(wǎng)絡(luò)方面,ZigBee有著十分廣泛的應(yīng)用。

無線數(shù)傳模塊采用了德州儀器(TI)公司推出的高度整合的SOC芯片CC2430方案進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)。CC2430具有成本低,體積小,外圍設(shè)備豐富且電路簡單、擴(kuò)展性強(qiáng)、而且能夠勝任WSN節(jié)點(diǎn)的功能和作用[10]。

CC2430的射頻部分其實(shí)就是一個(gè)CC2420,有關(guān)射頻原理和CC2420相同[11]。32 kHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)睡眠定時(shí)器和看門狗定時(shí)器,并當(dāng)計(jì)算睡眠時(shí)期的時(shí)間時(shí),作為MAC定時(shí)器的閘門。應(yīng)用RF收發(fā)器時(shí),必須選擇32MHz晶振,確保其穩(wěn)定。因此在外圍電路中設(shè)計(jì)了32 MHz和32 kHz兩個(gè)晶振電路,32 kHz晶振設(shè)計(jì)成運(yùn)行在32.768 kHz,需要時(shí)間精度時(shí),為系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。根據(jù)官方手冊,設(shè)計(jì)CC2430的基本射頻電路圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)測試

3.1 下位機(jī)測試

下位機(jī)測試主要對(duì)印刷電路板以黑箱測試的方法進(jìn)行。所謂黑箱測試,是已知產(chǎn)品所應(yīng)具有的功能,通過測試來檢測每個(gè)功能是否都能正常使用。在完全不考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部特性的情況下,只對(duì)接口部分進(jìn)行測試,檢查是否按照規(guī)定正常使用,是否能接收輸入數(shù)鋸而產(chǎn)生正確的輸出信息,并且保持外部信息的完整性。

圖4 基本射頻電路圖

使用萬用表對(duì)電路板進(jìn)行測試,主要測試電路板各個(gè)組件之間電源線及信號(hào)線是否完好,可否進(jìn)行正常通信。測試結(jié)果表明,電路板工作正常,測試通過。

3.2 無線數(shù)傳模塊測試

對(duì)ZigBee模塊進(jìn)行測試時(shí),當(dāng)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù):0002http://www.nwsuaf.edu.cn時(shí),從機(jī)接收到的數(shù)據(jù)是:0000http://www.nwsuaf.edu.cn,結(jié)果如表 2所示。由測試結(jié)果表明數(shù)據(jù)傳輸正確,并且可以雙方向傳輸。

表2 數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送

4 結(jié) 語

通過深入分析某油礦的具體特點(diǎn),針對(duì)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能,實(shí)現(xiàn)了油井信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控與抽油機(jī)啟/停的智能控制。系統(tǒng)根據(jù)工藝技術(shù)要求,通過對(duì)直流穩(wěn)壓電源模塊、主要控制模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、無線數(shù)傳接口模塊、輸出控制模塊、無線傳輸模塊的選型設(shè)計(jì),完成了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)選用CC2430對(duì)ZigBee模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),在遵守ZigBee技術(shù)相關(guān)協(xié)議的基礎(chǔ)上,現(xiàn)場數(shù)據(jù)以“自組網(wǎng)技術(shù)”和“直序擴(kuò)頻傳輸方式”得以無線和無沖突遠(yuǎn)距離的發(fā)送,實(shí)現(xiàn)了較遠(yuǎn)距離的可靠通信。

設(shè)計(jì)的測控系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、功能合理、造價(jià)低廉、結(jié)實(shí)耐用的特點(diǎn),達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

[1]劉 曄,王 斌,楊新偉,等.基于ZigBee技術(shù)的油礦遙測遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2010,18(2):339-341,353.

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[11]CC2420 2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee-ready RF Transceiver.Texas Instruments[OL].http://www.ti.com.

Hardware Design for Measurement and Control System of Oilfield Based on C51

CHENG Chuan-jie,WANG Bin,WU Feng-jiao
(College of Water Resources and Architectural Engineering,Northwest A&F University,Yangling,Shaanxi712100,China)

Owing to historical reasons,there exist some aspects in an oilfield,which cannot make people very satisfied in crude oil exploitation and transmission.According to the status and characteristics of the oilfield,by using Protel DXP andMultisim,the hardware part of the system including the DC stabilized voltage power supply module,main control module,AD conversion module,wireless digital interface module,output control module andwireless transmission module iswell researched simulatively,and the design of the hardware part of the system is completed,so as to reduce production costs,reduce losses,and prolong the service life of the pumping.The experiment results exhibit that the whole system is not only in accordance with the design requirement,but can meet the engineering needs.

oilfield;C51;telemetry;remote control;ZigBee

TD679

A

1672—1144(2013)02—0168—04

2012-09-20

2012-10-21

程傳杰(1989—),男,山東嘉祥人,本科生,研究方向?yàn)殡姎饧白詣?dòng)化控制。