程傳杰,王 斌,吳鳳嬌

(西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院,陜西楊凌 712100)

基于51單片機的油礦測控系統(tǒng)硬件設計

程傳杰,王 斌,吳鳳嬌

(西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院,陜西楊凌 712100)

某油礦由于歷史原因,在原油開采和傳輸技術等方面存在不足。針對該油礦的現(xiàn)狀及特點,利用Protel DXP以及Multisim對直流穩(wěn)壓電源模塊、主要控制模塊、AD轉換模塊、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行了仿真研究,最后完成了系統(tǒng)硬件電路的總體設計,達到降低生產(chǎn)成本,減少損耗,延長抽油機壽命的目的。實驗測試表明,系統(tǒng)整體符合設計要求,可以滿足工程需要。

油礦;C51單片機;遙測;遙控;ZigBee技術

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;油層伴生水質不配伍,結垢十分嚴重;地形復雜、高差大,阻擋、屏蔽、干擾嚴重,遙測遙控難度比平原、坡地的難度大[1]。

結合此油礦的具體情況,本文設計了一種基于ZigBee無線傳輸協(xié)議,使用C51系列單片機對油礦進行控制,并且利用可視化的上位機軟件對油礦進行監(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,符合各項技術指標。

1 系統(tǒng)總體設計

在抽油機的井口處安裝有溫度傳感器,配電柜安裝有電流傳感器,傳感器輸出的信號為反映抽油機運行狀況的模擬信號,通過AD轉換模塊轉換為數(shù)字信號后進入下位機。下位機一方面通過本地內(nèi)置的算法進行邏輯運算及判斷,通過輸出控制模塊進而達到控制抽油機的目的;另一方面又將采集到的信號經(jīng)RS232接口傳入ZigBee模塊,然后發(fā)送出去。在上位機處也裝有ZigBee模塊,其接收到下位機傳來的信號之后,經(jīng)RS232接口傳入上位機。上位機在畫面上顯示各抽油機狀態(tài),溫度和電流等參數(shù),實時直觀地反映抽油機工作狀態(tài)。同時還可以通過上位機向下位機發(fā)送預設參數(shù),修改間隔時間、溫度、電流等內(nèi)置的判斷參數(shù),從而使整個系統(tǒng)工作在最優(yōu)模式。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示,其中“經(jīng)驗時間”,即在長期的生產(chǎn)過程中積累的經(jīng)驗時間,油井從無油到油量較多時所經(jīng)歷的時間。

圖1 系統(tǒng)總體結構

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件設計主要分為下位機現(xiàn)場控制模塊以及無線數(shù)傳模塊兩部分。

2.1 下位機現(xiàn)場控制模塊設計

根據(jù)系統(tǒng)總體設計方案,設計思路如下:

(1)集中設計直流穩(wěn)壓電路,為整個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?shù)赝ｋ?無市電供應時),應有UPS繼續(xù)提供可用的電源,使得模塊可以繼續(xù)保持運行狀態(tài)。

(2)使用單片機最小系統(tǒng)設計主要控制模塊,配合其它外圍電路以滿足對象控制的需要。

(3)設計AD轉換模塊,從而可以從傳感器獲取現(xiàn)場傳感器的相關數(shù)據(jù),并進行相應的邏輯判斷以及分析。

(4)對串口通信部分進行設計,使得單片機可以與無線數(shù)傳接口模塊進行正常通信。從而保證下位機現(xiàn)場控制模塊可以與上位機(中心計算機)進行通訊。

(5)設計用于現(xiàn)場控制的輸出控制模塊,用以控制井臺抽油機啟/停,從而達到系統(tǒng)的設計目標和要求。

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)壓電路等來構成[2]。利用Multisim進行仿真,從而確定各個參數(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最小系統(tǒng)電路進行設計[4]。本設計中所選用的MCU為與MCS-51兼容的AT89C51芯片。

2.1.3 AD轉換模塊[5]

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

2.1.4 無線數(shù)傳接口模塊[7]

本設計采用RS232串口作為單片機與ZigBee模塊進行通訊的接口。而RS232在進行通信時需要12V的電壓才能識別,即高低邏輯電平為 12V和0V,但是51單片機的高低邏輯電平為5V和0V。所以為了避免二者電平不一樣而造成的無法通信,中間就需要一個電平轉換芯片,在本設計中選用了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性的對現(xiàn)場井臺的抽油機進行控制,此模塊即輸出控制指令的模塊。此模塊主要由排針構成,僅對外部提供一個由高低電平組成的控制信號,再經(jīng)過外置的放大電路和驅動電路,從而達到控制抽油機啟停的目的。

最終設計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 下位機現(xiàn)場控制模塊電路原理圖

2.2 無線數(shù)傳模塊設計

通過對幾種主流的無線傳輸技術進行對比,其中表1列出了部分技術以及比較項目,最終選用ZigBee作為系統(tǒng)的無線傳輸協(xié)議。

表1 部分無線傳輸技術對比

ZigBee是一種經(jīng)濟、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,用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)絡[9]。由于ZigBee價廉以及低功耗的無線通信特點,它一直占據(jù)著無線通訊市場。特別在無限傳感器網(wǎng)絡方面,ZigBee有著十分廣泛的應用。

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方案進行模塊設計。CC2430具有成本低,體積小,外圍設備豐富且電路簡單、擴展性強、而且能夠勝任WSN節(jié)點的功能和作用[10]。

CC2430的射頻部分其實就是一個CC2420,有關射頻原理和CC2420相同[11]。32 kHz時鐘驅動睡眠定時器和看門狗定時器,并當計算睡眠時期的時間時,作為MAC定時器的閘門。應用RF收發(fā)器時,必須選擇32MHz晶振,確保其穩(wěn)定。因此在外圍電路中設計了32 MHz和32 kHz兩個晶振電路,32 kHz晶振設計成運行在32.768 kHz,需要時間精度時,為系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的時鐘信號。根據(jù)官方手冊,設計CC2430的基本射頻電路圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)測試

3.1 下位機測試

下位機測試主要對印刷電路板以黑箱測試的方法進行。所謂黑箱測試,是已知產(chǎn)品所應具有的功能,通過測試來檢測每個功能是否都能正常使用。在完全不考慮內(nèi)部結構和內(nèi)部特性的情況下,只對接口部分進行測試,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

使用萬用表對電路板進行測試,主要測試電路板各個組件之間電源線及信號線是否完好,可否進行正常通信。測試結果表明,電路板工作正常,測試通過。

3.2 無線數(shù)傳模塊測試

對ZigBee模塊進行測試時,當主機發(fā)送數(shù)據(jù):0002http://www.nwsuaf.edu.cn時,從機接收到的數(shù)據(jù)是:0000http://www.nwsuaf.edu.cn,結果如表 2所示。由測試結果表明數(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 語

通過深入分析某油礦的具體特點,針對系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能,實現(xiàn)了油井信息的實時監(jiān)控與抽油機啟/停的智能控制。系統(tǒng)根據(jù)工藝技術要求,通過對直流穩(wěn)壓電源模塊、主要控制模塊、AD轉換模塊、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計,完成了系統(tǒng)硬件電路的設計。系統(tǒng)選用CC2430對ZigBee模塊進行設計,在遵守ZigBee技術相關協(xié)議的基礎上,現(xiàn)場數(shù)據(jù)以“自組網(wǎng)技術”和“直序擴頻傳輸方式”得以無線和無沖突遠距離的發(fā)送,實現(xiàn)了較遠距離的可靠通信。

設計的測控系統(tǒng)具有技術先進、功能合理、造價低廉、結實耐用的特點,達到了預期的設計要求。

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[10]孟慶斌,潘 勇.基于CC2430的分布式無線溫度測量系統(tǒng)設計[J].電子測量技術,2009,(5):128-130.

[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,研究方向為電氣及自動化控制。