基于PIC16F877A單片機(jī)的井下壓力測量技術(shù)研究

【摘要】本文描述了以PIC16F877A單片機(jī)為主控制器的壓力檢測系統(tǒng)，它主要以惰性氣體作為壓力傳遞介質(zhì)，在地面完成井口氣體壓力的測量，然后通過井口壓力的大小推算井下測壓深度處壓力大小。本文詳細(xì)敘述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與軟硬件的實(shí)現(xiàn)方法，整個(gè)系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)顯示等。經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，這種壓力檢測系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可滿足測量現(xiàn)場環(huán)境的要求。

【關(guān)鍵詞】PIC16F877A；測壓；數(shù)據(jù)采集；實(shí)時(shí)顯示

目前，我國油井主要采用的是電子式井下壓力測量系統(tǒng)，由于電子壓力傳感器長期工作在高溫環(huán)境中，所以存在漂移問題，而且可靠性不高。同時(shí)這種儀器大多數(shù)將采集的數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，缺乏實(shí)時(shí)性測量的要求。而本文所介紹的井下壓力采集系統(tǒng)是一種新型的壓力測量系統(tǒng)，其主要是以惰性氣體作為壓力傳遞介質(zhì)，在地面完成對井口氣體壓力的測量，然后通過井口壓力的大小推算井下測壓點(diǎn)處壓力大小。其主要特點(diǎn)是所有的測量都在地面上進(jìn)行，避免了井下復(fù)雜環(huán)境對測量結(jié)果造成的影響，同時(shí)也滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

1.井下壓力測量系統(tǒng)工作原理

井下測壓系統(tǒng)的基本原理是帕斯卡定理。整個(gè)套管設(shè)備在測壓時(shí)被下放到井下測壓點(diǎn)處，地面可以通過壓力泵向傳壓筒內(nèi)充放氣體，為維持井液與高壓氣體接觸的氣液面平衡，傳壓筒里面的氣體要定期進(jìn)行補(bǔ)充。根據(jù)帕斯卡定理，傳壓筒內(nèi)氣體的壓力等于井液的壓力，將信號采集到PIC16F877A中，在PIC16F877A中根據(jù)相應(yīng)的算法計(jì)算出井內(nèi)的壓力值，并進(jìn)行存儲、實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)回放。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

壓力檢測系統(tǒng)主要由以下幾部分組成，分別為數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)存儲電路、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)回放。數(shù)據(jù)采集電路主要使用PIC16F877A單片機(jī)對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，存儲電路使用型號FLASH存儲芯片；數(shù)據(jù)顯示使用的是智能顯示器；數(shù)據(jù)回放采用RS-232串行接口，將存儲在flash芯片中的數(shù)據(jù)回放到計(jì)算機(jī)中。圖2為壓力檢測硬件電路的設(shè)計(jì)框圖。

2.1 壓力傳感器的選取

壓力的測量一直以來受到壓力傳感器技術(shù)的制約，其測量的準(zhǔn)確程度取決于壓力傳感器的技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)壓力檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，最后決定選用德國HeLM公司生產(chǎn)的HM10高精度壓阻式壓力傳感器，此傳感器采用了最堅(jiān)固可靠的壓力敏感元件，特別適合于野外的壓力測量。HM10主要的性能指標(biāo)[3]：

工作溫度：-40～85℃

沖擊：100g，11毫秒

振動：10gRMS，20～2000Hz條件下無變化

壓力量程：-0.1MPa～0～10KPa...70MPa

2.2 壓力采集電路設(shè)計(jì)

壓力檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要是通過單片機(jī)PIC16F877A來完成。壓力檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有一項(xiàng)要求就是精度要達(dá)到0.1%FS，且采集最小間隔為1s，鑒于這兩個(gè)要求，在數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)時(shí)選用精度很高的多通道24位芯片ADS1226，具有100SPS的數(shù)據(jù)采集率，符合最小1s的數(shù)據(jù)采集間隔。圖3為壓力采集電路的連接圖，其中，P3.0、P3.1、P3.2、P3.3為單片機(jī)的I/O接口，分別與ADS1226的START、SCLK、DOUT、MUX引腳相連。其中P3.0控制著ADS1226的啟動信號，當(dāng)P3.0輸出高電平時(shí)，ADS1226開始進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，當(dāng)P3.2輸入低電平時(shí)A/D轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)信號隨著SCLK傳輸?shù)絇IC16F877A單片機(jī)內(nèi)。由于壓力傳感器HM10輸出的是4～20mA的電流信號，而ADS1226是一個(gè)電壓采集芯片，在此處選用了型號為ISO-A4-P3-O4的電流轉(zhuǎn)電壓芯片。ISO-A4-P3-O4把4～20mA的電流信號轉(zhuǎn)換成了0～5V的電壓信號。

2.3 數(shù)據(jù)存儲電路設(shè)計(jì)

井下數(shù)據(jù)測量期間可能會有大量的原始數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對油井狀況的評估是一份寶貴的資料，因此測量系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮數(shù)據(jù)的存儲。本系統(tǒng)選用的是大容量Flash存儲器。該器件采用三星公司的CMOS浮置門技術(shù)和與非存儲結(jié)構(gòu)，存儲容量為64M×8位，除此之外還有2048K×8位的空閑存儲區(qū)。對528字節(jié)一頁的寫操作所需時(shí)間典型值是200μs，而對16K字節(jié)一塊的擦除操作典型值也僅需2ms。每一頁中的數(shù)據(jù)讀出速度也很快，平均每個(gè)字節(jié)只需50ns，已經(jīng)與一般的SRAM相當(dāng)。8位I/O端口采用地址、數(shù)據(jù)和命令復(fù)用的方法。這樣既可減少引腳數(shù)，還可使接口電路簡潔。片內(nèi)的寫控制器能自動執(zhí)行寫操作和擦除功能，包括必要的脈沖產(chǎn)生，內(nèi)部校驗(yàn)等，完全不用外部微控制器考慮，簡化了器件的編程控制難度。如圖4為單片機(jī)PIC16F877A與Flash存儲器的接口連接圖。單片機(jī)的P5.0～P5.7管腳與Flash的8為I/O口相連。

2.4 數(shù)據(jù)顯示電路設(shè)計(jì)

壓力檢測系統(tǒng)采用了彩色智能顯示液晶屏，該系列顯示器采用集成化CPU，內(nèi)置一級漢字庫（二級字庫可選），采用標(biāo)準(zhǔn)指令集，通過RS232C接口或打印機(jī)并行口接收控制命令和數(shù)據(jù)。同時(shí)為了提高通訊速度，顯示器內(nèi)設(shè)置了一個(gè)256字節(jié)的輸入緩沖區(qū)。在發(fā)送數(shù)據(jù)前應(yīng)先檢查DTR（液晶顯示器上串口名稱）信號，若DTR為高電平（TTL），表示緩沖區(qū)滿，要等到DTR信號變?yōu)榈碗娖剑═TL）后再發(fā)送數(shù)據(jù)。即DTR為低電平（TTL）時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，DTR為高電平（TTL）時(shí)停止數(shù)據(jù)發(fā)送。如果每組的數(shù)據(jù)量少于256字節(jié)，同時(shí)每組之間又有足夠的間隔，則不需要判斷DTR位信號也可連續(xù)發(fā)送。

壓力檢測系統(tǒng)在處理器與液晶屏通信時(shí)采用的是串口的形式，把PIC16F877A的P4.6管腳當(dāng)作通用I/O口直接與液晶屏的串行接口向連接，標(biāo)準(zhǔn)的RS-232在進(jìn)行通信時(shí)只需要發(fā)送、接收和地線（GND）三個(gè)管腳即可，因此液晶顯示器與處理器的連接十分簡單。但是由于PIC16F877A管腳能承受的電平最大5.5V，而串行接口的電平是TTL電平，所以在連接這兩個(gè)器件時(shí)必須添加一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232，具體的連接方式如圖5所示，圖中YJ-RXD是液晶屏的串行接收接口，P4.6為PIC16F877A的發(fā)送端口，MAX3232起到了一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換的作用。數(shù)據(jù)回放主要指的是將存儲在FLASH存儲芯片中的數(shù)據(jù)回放到PC機(jī)上，PC機(jī)接收數(shù)據(jù)采用的是串口RS-232，通過MAX3232進(jìn)行連接，這里不在敘述。

3.軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。PIC16F877A的內(nèi)核CPU結(jié)構(gòu)是按照精簡指令集和高透明指令的宗旨來設(shè)計(jì)的，因此單片機(jī)開發(fā)采用專門用于PIC16F877A系列單片機(jī)而設(shè)計(jì)集成開發(fā)環(huán)境，編程采用C語言。PIC16F877A作為主CPU。PIC16F877A在系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)壓力數(shù)據(jù)的采集、系統(tǒng)的啟動、采集數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)的顯示和上位機(jī)數(shù)據(jù)的回放等。其軟件的主程序流程圖如圖5所示。

在整個(gè)壓力采集系統(tǒng)中，通過PIC16F877A單片機(jī)來控制啟動A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)共采集12個(gè)數(shù)據(jù)，去掉最大與最小的數(shù)據(jù)，取平均值，作為一個(gè)井口壓力值。在根據(jù)相應(yīng)的算法，通過進(jìn)口壓力值計(jì)算出測點(diǎn)壓力和油層壓力，在把這三個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和顯示。

4.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的壓力檢測系統(tǒng)通過了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的測試，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，采集了大量的數(shù)據(jù)，通過改變測試條件驗(yàn)證了測得壓力值的準(zhǔn)確性，由于要長期實(shí)時(shí)監(jiān)測井下壓力，F(xiàn)lash存儲器可以存儲十天的數(shù)據(jù)，所以該系統(tǒng)連續(xù)工作十天后要對數(shù)據(jù)進(jìn)行回訪，并存儲在計(jì)算機(jī)上，以便后續(xù)參考。井下壓力檢測系統(tǒng)是通過測量井口壓力來推算井底壓力的方法來實(shí)現(xiàn)壓力測量的，這就避免了井下的復(fù)雜環(huán)境，從而減少了環(huán)境對測量的影響。同時(shí)使用液晶屏將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，滿足了實(shí)時(shí)性測量的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]劉和平.PIC16F87X單片機(jī)實(shí)用軟件與接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[2]1G×8Bit/2G×16Bit/4G×8Bit NAND Flash Memory Datasheet SAMSUNG Electronics CO，LTD Mar 7.2006.

[3]李敏，孟臣.彩色液晶顯示器在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].新技術(shù)應(yīng)用，2004（2）.