凍土區(qū)斜坡穩(wěn)定性安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙巧絨 權(quán)宏偉

【摘要】不穩(wěn)定斜坡是凍土區(qū)管道面臨的巨大威脅，極有可能造成斜坡底部管道發(fā)生屈曲褶皺變形，因此急需結(jié)合實(shí)際情況應(yīng)用合適技術(shù)對(duì)大型斜坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)。論文根據(jù)所測(cè)當(dāng)?shù)貎鐾羺^(qū)實(shí)際情況，從高精度、低功耗、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸三方面出發(fā)，討論了凍土區(qū)斜坡穩(wěn)定性安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。包括系統(tǒng)各功能模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主控板電路設(shè)計(jì)及主控板及采集模塊的PCB板設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】監(jiān)測(cè)系統(tǒng);主控板;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);數(shù)據(jù)采集

1.引言

在原油輸送過(guò)程中，管道經(jīng)由多年凍土區(qū)，輸油管道中原油溫度會(huì)影響管道周?chē)嗄陜鐾羺^(qū)土壤的溫度場(chǎng)，引起復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，如凍脹、融沉、水土流失、邊坡失穩(wěn)等，對(duì)管道安全造成威脅，嚴(yán)重影響原油的運(yùn)輸。其中，不穩(wěn)定斜坡是凍土區(qū)管道面臨的最大威脅，極有可能造成斜坡底部管道發(fā)生屈曲褶皺變形。論文通過(guò)對(duì)凍土區(qū)斜坡失穩(wěn)機(jī)理、形成過(guò)程及斜坡監(jiān)測(cè)技術(shù)的分析，討論了凍土區(qū)斜坡穩(wěn)定性安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

管道的較大形變?nèi)菀滓鸸艿赖臄嗔押托孤叮瑫r(shí)由于凍土層微小的溫度都會(huì)影響到石油管道的安全傳輸，所以要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有±0.2℃的溫度測(cè)試精度，并具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性。在選擇元器件時(shí)不僅要求各個(gè)器件達(dá)到所需精度，還要分析元器件組合的總精度。另外，由于監(jiān)測(cè)儀器是在野外安裝使用，環(huán)境比較復(fù)雜，而溫度對(duì)于系統(tǒng)的工作又有很大的影響，元器件的工作溫度范圍需在-50℃～+50℃之間。但大多數(shù)元器件工作溫度在低于零下25度以上，所以需要對(duì)系統(tǒng)板進(jìn)行保溫處理。保溫處理雖能在一定時(shí)間內(nèi)保證器件正常工作，但為了滿足系統(tǒng)低功耗及工作長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在選擇元器件時(shí)，需選擇溫度范圍較寬且溫度較低也能正常工作的器件。

2.系統(tǒng)各功能模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主控板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在滿足低功耗、高精度及高低溫適應(yīng)的原則下，主控芯片選用Atmel公司ATmega128L芯片，時(shí)鐘芯片選用美國(guó)DALLAS公司推出的性能比較高的DS1302，數(shù)字溫度傳感器選較常用的DS18B20，存儲(chǔ)芯片選用Atmel公司推出的大容量串行數(shù)據(jù)Flash存儲(chǔ)器AT45db161，繼電器選擇常用的電流為5A小型MY2NJ。其各芯片布置如圖1所示，在主控板預(yù)留LCD1602的接口，在調(diào)試結(jié)束后可拔掉顯示屏以降低功耗。整個(gè)主控板模塊中DS1302確定數(shù)據(jù)的定時(shí)發(fā)送，AT45db161芯片將各個(gè)溫度傳感器收集的信息進(jìn)行存儲(chǔ)。ATmega128L具有兩個(gè)可編程的串行UART，ATmega128L通過(guò)其中一個(gè)串行UART，以尋址的方式與數(shù)據(jù)采集模塊中的AT89C51進(jìn)行通信，控制多個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊中的一個(gè)進(jìn)行溫度采集。另一個(gè)串行UART與GSM模塊進(jìn)行通信，將采集的數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)送至目標(biāo)SIM卡。由于野外無(wú)供電條件，電源由12V的蓄電池及太陽(yáng)能電池板構(gòu)成，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電壓。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊在選用各芯片時(shí)，同樣滿足以上所述的芯片選用原則。主控芯片選擇性能及價(jià)位比較合適的由美國(guó)STC公司推出的52內(nèi)核單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換芯片選擇具有4通道單獨(dú)輸入的ADS8341。采集模塊各芯片布置如圖2所示。由于系統(tǒng)需要測(cè)量30個(gè)點(diǎn)的溫度，既需要40個(gè)溫度傳感器。一個(gè)ADS8341有4個(gè)通道，能夠連接4個(gè)溫度傳感器，圖2中包含3個(gè)ADS8341，能夠連接12個(gè)溫度傳感器。所以，在整個(gè)數(shù)據(jù)采集部分，要完成數(shù)據(jù)的正確采集需要有4個(gè)同類(lèi)型的采集模塊。

圖1 主控板框圖

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊框圖

2.3 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)主要由GSM通信模塊、上位機(jī)系統(tǒng)、下位機(jī)系統(tǒng)等組成，如圖3所示。下位機(jī)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信息通過(guò)GSM模塊1以短信方式發(fā)出，經(jīng)過(guò)全球無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（GSM網(wǎng)絡(luò)）將數(shù)據(jù)發(fā)送給GSM模塊2。上位機(jī)軟件將短信從GSM模塊2中讀取，并進(jìn)行計(jì)算、分析及顯示。當(dāng)需要對(duì)下位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定時(shí)，上位機(jī)軟件通過(guò)GSM模塊2以短信形式將命令發(fā)出，經(jīng)過(guò)全球無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將命令發(fā)送給GSM模塊1，下位機(jī)系統(tǒng)通過(guò)GSM通信模塊1接收來(lái)自上位機(jī)的命令。

圖3 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)框圖

3.主控板電路設(shè)計(jì)

根據(jù)上面所確定的主控板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)主控板硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。主控芯片ATmega128L是一款基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗CMOS8位微控制器。具有片內(nèi)128KB的程序存儲(chǔ)器（Flash）、4KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（SRAM）和4KB的EEPROM，有8個(gè)10位ADC通道、2個(gè)8位和2個(gè)16位硬件定時(shí)/計(jì)數(shù)器、8個(gè)PWM通道。與ATmega128A相比，ATmega128L具有較寬的供電電壓（2.7～5.0V），實(shí)際應(yīng)用中，可選擇3.3V的供電電壓以降低系統(tǒng)功耗。

ATmega128L的時(shí)鐘源可以選取外部晶體振蕩器、外部RC振蕩器、內(nèi)部RC振蕩器等方式。其時(shí)鐘源的選擇可通過(guò)JTAG編程、ISP編程等方式對(duì)ATmega128L的內(nèi)部熔絲位來(lái)設(shè)定。為了降低系統(tǒng)主控板與采集板數(shù)據(jù)通信中的誤碼率，ATmega128L的晶體振蕩器頻率選用7.3728MHz，以產(chǎn)生精準(zhǔn)的9600bps波特率。

4.主控板及采集模塊的PCB板設(shè)計(jì)

PCB板設(shè)計(jì)的成敗直接決定了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，需要考慮其電磁兼容性和散熱性。由于本系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度較低，PCB板上元器件的發(fā)熱為有利因素，因此在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)僅考慮其電磁兼容性。本系統(tǒng)的主控板和采集板采用了分離設(shè)計(jì)，因此各PCB基板上的元器件較少，為減低系統(tǒng)制作成本，選用常用的雙層板設(shè)計(jì)。系統(tǒng)PCB板實(shí)物圖如圖4所示，采集板通過(guò)4個(gè)插接槽與主控板相連。

圖4 系統(tǒng)實(shí)物圖

5.結(jié)論

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)硬件需求分析，對(duì)系統(tǒng)的主控板模塊及采集模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)各個(gè)模塊中所需的元器件按系統(tǒng)所需性能及低功耗要求進(jìn)行選擇，并對(duì)各個(gè)元器件功能、參數(shù)進(jìn)行介紹。在硬件設(shè)計(jì)中不僅對(duì)各個(gè)元器件的電路連接進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮到供電問(wèn)題，并對(duì)各模塊電源供電進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，最后根據(jù)使用性將設(shè)計(jì)電路出PCB板。

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