基于AVR單片機(jī)的新型井深測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

【摘要】石油行業(yè)的開發(fā)與利用帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也對(duì)現(xiàn)代油田勘探技術(shù)提出了更高的要求。本文針對(duì)現(xiàn)階段國內(nèi)的井深測(cè)量?jī)x深度測(cè)量誤差大，高精度成本高等一系列問題，設(shè)計(jì)了一種新型的油田深度探測(cè)儀。該探測(cè)儀通過碼盤的脈沖信號(hào)計(jì)量下管、升管的長(zhǎng)度值，對(duì)井深結(jié)果校正，得出精確的深度坐標(biāo)，并且實(shí)現(xiàn)LCD顯示設(shè)定及微碼打印機(jī)打印輸出結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】井深測(cè)量;AVR單片機(jī);Atmega32;光電傳感器ST256C

一、引言

科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展加速了人類社會(huì)的繁榮和文明，也加強(qiáng)了人類對(duì)自然界的操控能力。在石油的開采過程中，測(cè)量油井液面深度是一個(gè)非常重要的工作，是了解油井產(chǎn)油能力的重要前提，只有準(zhǔn)確的測(cè)量油井深度，才能夠采取最有效的開采方式，更大程度地提高產(chǎn)油率[1]。但是如何高效精確低成本的完成油井深度測(cè)量則是石油測(cè)井中不得不面對(duì)的挑戰(zhàn)，油井深度測(cè)量的準(zhǔn)確性對(duì)后期測(cè)井安全、油田開發(fā)都有著舉足輕重的作用。在處理井深測(cè)量?jī)x器的測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，絕對(duì)深度的精度尤為重要，一旦出現(xiàn)誤差，對(duì)后期相關(guān)的繪圖工作、流體界面深度估算工作及構(gòu)造解釋工作均有較嚴(yán)重的干擾，特別針對(duì)油田區(qū)塊的劃分相對(duì)零碎時(shí)，干擾更為嚴(yán)重。因此針對(duì)現(xiàn)階段國內(nèi)的井深測(cè)量?jī)x深度測(cè)量誤差大，高精度成本高等一系列問題提出切實(shí)可行的解決方案，顯得尤為重要。

新型井深測(cè)量?jī)x的開發(fā)與研究的目的是開發(fā)出一種新型儀器，可以通過碼盤的脈沖信號(hào)計(jì)量下管、升管的長(zhǎng)度值，對(duì)井深結(jié)果校正，得出精確的深度坐標(biāo)，并且可以實(shí)現(xiàn)LCD顯示設(shè)定及微碼打印機(jī)打印輸出結(jié)果。

二、系統(tǒng)綜述

按照設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求本課題要完成的工作主要有三大部分（如圖1所示）：井深測(cè)量?jī)x硬件電路設(shè)計(jì)與調(diào)試、井深測(cè)量?jī)x軟件開發(fā)與調(diào)試以及機(jī)械滑輪部分的實(shí)現(xiàn)，本文將對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)與調(diào)試做重點(diǎn)介紹。

圖1 井深測(cè)量?jī)x運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖

圖2 電源供電電路

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

操作終端以ATxmega32為控制核心，完成前端傳感器采集數(shù)據(jù)返回處理、微碼打印、液晶顯示等操作。該硬件電路系統(tǒng)由以下幾部分組成：1）電源電路;2）主控電路;3）信號(hào)采集處理電路;4）存儲(chǔ)電路;5）打印電路;6）顯示電路。

1.電源電路

電源電路主要功能是為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠地電源支持，因此電源電路的穩(wěn)定性和可靠性顯得尤為重要?？紤]到油田測(cè)量環(huán)境較為惡劣，本文中的電源電路擬設(shè)計(jì)兩種供電方式以備用戶根據(jù)使用環(huán)境靈活選擇，即交流電源供電和鎳氫充電電池供電兩種方式。

（1）交流電源供電電路設(shè)計(jì)

交流電源供電電路如圖2所示，市電220V正弦交流電壓接入到供電輸入端，經(jīng)直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行變壓、整流、濾波及穩(wěn)壓，輸出5V的直流電壓。其中整流模塊為橋式整流電路，由四只5408二極管組成;穩(wěn)壓模塊則選用三端穩(wěn)壓器78L05。

（2）鎳氫電池充電控制電路設(shè)計(jì)

由于井深測(cè)量時(shí)環(huán)境較為惡劣，本系統(tǒng)特別提供充電電池供電方式，以備無市電接入環(huán)境下進(jìn)行井深測(cè)量。如圖3所示，BAT+、BAT-為電池正負(fù)兩極，U1為電池充電控制芯片，選用LS2364T多節(jié)鎳氫電池充電IC。

圖3 鎳氫電池充電電路

2.主控電路

主控電路主要是通過單片機(jī)控制外圍電路實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和傳遞。在本設(shè)計(jì)中需要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制的外圍電路包含四部分（如圖4所示）：1）控制前端傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作、并對(duì)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、放大及模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換等處理;2）控制處理后的數(shù)字信號(hào)送入存儲(chǔ)芯片并存儲(chǔ);3）控制測(cè)量結(jié)果經(jīng)打印接口電路送入RD微碼打印機(jī)打印輸出;4）控制測(cè)量結(jié)果經(jīng)顯示接口電路送入LCD液晶顯示屏顯示輸出。主控電路如圖4所示。

圖4 主控電路電路圖

圖5 信號(hào)采集處理電路

電路中第10、11引腳作為VCC、CNG接入端，直接連接外部供電接地;第9引腳作為復(fù)位信號(hào)接入端;12、13引腳則連接外部晶體振蕩器，振蕩頻率為6MHz;第30引腳通過一個(gè)低通濾波器與VCC連接，作為PA端口的A/D轉(zhuǎn)換模式選通信號(hào)，PA0-PA7此時(shí)作為模擬信號(hào)輸入端口使用，與VCC相連的AVCC端口則提供PA0-PA7進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)的電源;第32引腳與VCC直接相連，作為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)的模擬基準(zhǔn)信號(hào)輸入引腳，代表此時(shí)模擬基準(zhǔn)信號(hào)為VCC。

3.信號(hào)采集處理電路

信號(hào)采集處理電路是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制下，前端信號(hào)的采集處理工作，其核心器件選用芯片ST256C。信號(hào)采集處理電路如圖5所示。

前端信號(hào)由單片機(jī)控制下的ST256進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集結(jié)果經(jīng)施密特觸發(fā)器CD40106進(jìn)入到單片機(jī)PD端口進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。當(dāng)間機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)遮光部分擋住光電二極管時(shí)，ST256無信號(hào)輸出，反之有輸出，據(jù)此計(jì)算計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。該系統(tǒng)控制器模塊為AVR嵌入式單片機(jī)為主控電路，功率控制模塊為小功率輸入控制大功率輸出。當(dāng)電動(dòng)裝置運(yùn)行時(shí)，探測(cè)數(shù)據(jù)與單片機(jī)內(nèi)存程序數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)生異常情況，即通過B1電鈴發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)單片機(jī)控制切斷電機(jī)電源，停止工作并由LCD液晶顯示屏顯示相應(yīng)故障代號(hào)。

4.存儲(chǔ)電路

根據(jù)設(shè)計(jì)功能要求，存儲(chǔ)電路如圖6所示。

圖6 存儲(chǔ)電路

圖7 打印機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電路中，單片機(jī)控制數(shù)據(jù)信號(hào)由PB1、PB2、PB3三個(gè)引腳送入AT24C64的A0、A1、A2端進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，AT24C46的WP、SCL、SDA三個(gè)引腳通過端口J106與外部開關(guān)按鈕相連，可以方便的經(jīng)由外部操作進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和刪除。

5.打印電路

打印驅(qū)動(dòng)電路是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制下，驅(qū)動(dòng)后端外圍輸出設(shè)備RD-T微碼打印機(jī)的電路，其接口選用串行接口RS232。打印機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。

DB0-DB7為數(shù)據(jù)傳輸引腳，BAT+，BAT-為電池電源接入引腳。除此之外，在串行接口RS-232中設(shè)置了多個(gè)打印控制引腳。單片機(jī)接收到接口J108相連的開關(guān)按鈕的打印、后翻、前翻及清零信號(hào)后，通過串行接口RS-232驅(qū)動(dòng)打印機(jī)進(jìn)行相應(yīng)操作。

圖8 液晶顯示接口電路

6.顯示電路

顯示電路是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制下，驅(qū)動(dòng)后端外圍輸出設(shè)備TBM12864-16A的電路，其通過接口J105和單片機(jī)相連。具體電路如圖8所示，單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)直接經(jīng)由J105進(jìn)入LCD液晶顯示屏并顯示。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的核心處理器件為Atmega32單片機(jī)，程序控制功能方面主要為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、處理及輸出。通過主程序控制各外圍電路系統(tǒng)模塊，外圍電路模塊主要包括數(shù)據(jù)采集處理模塊、通訊處理模塊、打印模塊及LCD顯示模塊等。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制軟件擬采用C語言編寫，根據(jù)硬件電路功能設(shè)計(jì)要求，擬將整套軟件控制程序分解為若干個(gè)子程序模塊，以增強(qiáng)程序的可讀性、可調(diào)試性及通用性。且此方法將大大提高程序的執(zhí)行效率，跟有利于于今后軟件更新和井深測(cè)量?jī)x功能擴(kuò)展。軟件設(shè)計(jì)過程中將對(duì)所有子程序逐一進(jìn)行編制、調(diào)試、編譯并最終下載到Atmega32單片機(jī)的EPROM中，并經(jīng)固化以便于使用。

五、結(jié)束語

本設(shè)計(jì)主要針對(duì)現(xiàn)階段國內(nèi)的井深測(cè)量?jī)x深度測(cè)量誤差大，高精度成本高等一系列問題，確定解決方案，從理論﹑實(shí)踐﹑軟硬件實(shí)現(xiàn)等方面開展了大量的工作。所研制的儀器具有實(shí)用性、可靠性及技術(shù)先進(jìn)性。

參考文獻(xiàn)

[1]劉玉馨.油井液位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].燕山大學(xué)，2013.

[2]ATMEGA32數(shù)據(jù)手冊(cè).ATMEL Corporation.

[3]AT24C64數(shù)據(jù)手冊(cè).ATMEL Corporation.

作者簡(jiǎn)介：宋兆霞（1983—），山東青島人，中國海洋大學(xué)在讀碩士研究生，助理講師，現(xiàn)供職于青島市職業(yè)教育公共實(shí)訓(xùn)基地，主要研究方向：現(xiàn)代檢測(cè)與控制技術(shù)，長(zhǎng)期從事機(jī)電、電工電子課程教學(xué)與研究。