【正文】 設(shè)計(jì)采用以單片機(jī)為控制核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目 輸油泵站機(jī)泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系 別 信息工程系 學(xué)生姓名 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 職 稱 教授 2 年月 20 日 輸油泵站機(jī)泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 傳統(tǒng)輸油泵站的機(jī)泵有人職守，大量物力財(cái)力用于人工。為了提高管理效率，本文設(shè)計(jì)了一套可以實(shí)現(xiàn)輸油泵站無(wú)人職守、監(jiān)控泵站運(yùn)行狀態(tài)，集中管理泵站的自動(dòng)控制系統(tǒng)。同時(shí)把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，得到數(shù)據(jù)在 LCD 液晶顯示器上顯示。 本文設(shè)計(jì) 的 輸油泵站機(jī)泵控制系統(tǒng)的 特點(diǎn)是成本較低， 管理效率高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸油線路工作狀態(tài)的監(jiān)控。相比發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)石油工藝水平、 生產(chǎn)技術(shù)手段及管道運(yùn)輸起步較晚，自動(dòng)化管 理水平較低。目前國(guó)內(nèi) 主要使用 傳統(tǒng)的人工定期巡檢、巡查的方式 對(duì)輸油管道進(jìn)行 監(jiān)測(cè) ，導(dǎo)致在具體實(shí)施的過(guò)程中存在著較大的誤差，監(jiān)測(cè)流程復(fù)雜，監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)費(fèi)用高等很 多缺點(diǎn)，在技術(shù)上，經(jīng)濟(jì)上 都不能適應(yīng)管道監(jiān) 測(cè)的自動(dòng)化、信息化發(fā)展的要求。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國(guó)管道自動(dòng)化隨著輸送工藝、計(jì)算機(jī)應(yīng)用 、通信技術(shù)、自控技術(shù)的不斷發(fā)展，經(jīng)歷了一個(gè)由低級(jí)向高級(jí)的發(fā)展過(guò)程。新建的管道，如撫順 —— 營(yíng)口成品油管道、輪南 —— 庫(kù)爾勒輸油管道及復(fù)線、庫(kù)爾勒 —— 部善輸油管道等均采用 SCADA 系統(tǒng)，管道自動(dòng)化控制系統(tǒng)與管道同步投產(chǎn)。最大加熱能力已達(dá) 8000kW。同時(shí)輸送工藝的進(jìn)步也對(duì) 設(shè)備材料的制造提出了更高的要求， 通過(guò)不斷的摸索與實(shí)踐，使我國(guó)在埋地金屬管道和儲(chǔ)罐的防腐保溫、陰極保護(hù)和腐蝕探測(cè)等研究領(lǐng)域也接近國(guó)際水平 [1]。 國(guó)外先進(jìn)的原油管道普遍采用密閉輸送工藝、高效加熱爐和節(jié)能型輸油泵 。 世界各國(guó)尤其是盛產(chǎn)含蠟粘性原油的大國(guó)，都在大力進(jìn)行長(zhǎng)距離管道常溫輸送工藝的試驗(yàn)研究。硬件上要求各測(cè)控站點(diǎn)之間有遠(yuǎn)程傳感檢測(cè)裝置 ，如溫度傳感器壓力傳感器，而且要有遠(yuǎn)程控制裝置，如泵站的啟停、報(bào)警、加熱裝置等。 本系統(tǒng) 的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容是以單片機(jī)系統(tǒng)為核心，結(jié)合 現(xiàn)代 通信技術(shù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件電路和系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì) 輸油泵站的自動(dòng)控制和 無(wú)線監(jiān)測(cè) 。 （ 2） 環(huán)境溫度： 15～ +60 攝氏度。 （ 6） 可手動(dòng)設(shè)置數(shù)據(jù)。其任務(wù)是供給油流一定的能量（包括壓力能、熱力能），以使油品保質(zhì)保量、安全經(jīng)濟(jì)的輸送到目的地。首站設(shè)有輸油機(jī)泵和加 熱裝置，還 設(shè)置較大容積的儲(chǔ)油罐，以滿足計(jì)量及調(diào)節(jié)來(lái)油與輸油間不平衡的需要。主要任務(wù)是接收輸油管線所輸?shù)娜坑推?，?jīng)過(guò)計(jì)量后將油儲(chǔ)存起來(lái)或直接把油品輸給用油單位，或以其它運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)運(yùn)給用戶。采集的溫度和壓力 電位數(shù)據(jù)通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 ， 同時(shí)傳遞給單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并處理。 系統(tǒng)原理框圖如圖 1所示 ： 圖 1 系統(tǒng)組成的原理框圖 系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù) 單片機(jī)技術(shù) 隨著微電子科技的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)也得到快速發(fā)展，并且由 芯片的集成度的提高而使計(jì)算機(jī)微型化，出現(xiàn)了單片微型計(jì)算機(jī)（ Single Chip Computer），簡(jiǎn)稱單片機(jī)，也可稱為微控制器 MCU（ Micro controller Unit）。主要有 Intel 公司的 MCS— 4 5 96 系 列單片機(jī)； Motorola 公司的 MC680 6805 系列單片機(jī)； Zilog 公司的 Z8 系列單片機(jī)；近年有 Atmel公司的 AT89 系列單片機(jī)和 Microchip 公司的 PIC 系列單片機(jī)等。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 對(duì)于 輸油 泵站 和輸油管道 自動(dòng) 控制 系統(tǒng)，從油田生產(chǎn)和實(shí)際需要的角度出發(fā) ，傳感器需要滿足以下要求： 可靠性。 安全性。一體化溫度變送器 不需要經(jīng)過(guò)二次轉(zhuǎn)換，直接接入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行顯示和控制 [2]。 通信 技術(shù) 目前國(guó)內(nèi)油田油井?dāng)?shù)量較多且大部分處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，位置分散，環(huán)境惡劣， 距離很遠(yuǎn)。主要應(yīng)用的領(lǐng)域包括：石油管道無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；工業(yè)遙測(cè)系統(tǒng)；無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸；安全設(shè)備無(wú)線監(jiān)控；城市管網(wǎng)壓力、溫度監(jiān)測(cè)；電力無(wú)線報(bào)警等。 輸油泵站和輸油線路的運(yùn)行參數(shù)可以更快更可靠的傳送到監(jiān)控中心 ， 從而可以以泵站監(jiān)控中心為平臺(tái)，依靠局部無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，全程、全天候、全方位的 對(duì)遠(yuǎn)距離故障點(diǎn)管道、設(shè)備搶維修技術(shù)支持，危險(xiǎn)點(diǎn)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)決策、精確指揮、經(jīng)濟(jì)節(jié)能降耗、生產(chǎn)高效運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)，從而使企業(yè)管理運(yùn)行達(dá)到新的精細(xì)化高度 [3]。 中央處理電路 單片機(jī)最小系統(tǒng)是指能夠使單片機(jī)正常工作的最小系統(tǒng)。與 MCS51系列產(chǎn)品指令系統(tǒng) 兼容。 GND：接地。在 FIASH 編程時(shí)， P0 接 口作為原碼輸入 接 口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0接口 輸出原碼，此時(shí) P0接口 外部必須接上拉電阻。 P2接 口： P2接 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 接 口， P2 接口緩沖器可接收、輸出 4個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 接 口被寫(xiě) “1” 時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。 P2接 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高 8位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3 接 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能 接 口，如下表所示： 接 口管腳 備選功能 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 共 38 頁(yè) RXD（串行輸入 接 口） TXD（串行輸出 接 口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（計(jì)時(shí)器 0 外部輸入） T1（計(jì)時(shí)器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） /RD（ 外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器讀選通） P3接 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH）， 不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 P3接 口： 連接 74HC138 譯碼器，通過(guò)譯碼器與 LED 連接實(shí)現(xiàn)跑馬燈設(shè)計(jì)。只要保持 RST 引腳為高電平時(shí)間足夠長(zhǎng)，就可使 CPU 復(fù)位。 本課題 中 ，復(fù)位電路中的電阻 R1=10KΩ ， 電容取 10μF ，若頻率為 ，可以保證可靠的上電復(fù)位。外接石英晶體及電容 C C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。本課題采用 ADC0832 作為 A/D轉(zhuǎn)換芯片。 CH1： 模擬輸入通道 1。 CLK： 芯片時(shí)鐘輸入。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為 32μs ，據(jù)有雙 數(shù)據(jù)輸出 可作為 數(shù)據(jù)校驗(yàn) ，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 38 頁(yè) 快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。但由于 DO端與 DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以把 DO和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。在第 1 個(gè)時(shí) 鐘脈沖的下沉之前 DI 端必須是高電平，表示啟始信號(hào)。當(dāng) 2 位數(shù)據(jù)為 “0” 、 “1” 時(shí)，將 CH0作為負(fù)輸入端 IN， CH1 作為正輸入端 IN+進(jìn)行輸入。也正是從此位開(kāi)始輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第 11 個(gè)字節(jié)的下沉輸出 DATA0。 74HC138 特有 3 個(gè)使能輸入端：兩個(gè)低有效（ E1和 E2）和一個(gè)高有效（ E3）。 表 1 74HC138 真值功能表 圖 8 74HC138 引腳圖 INPUTS 輸入 Outputs輸出 ENABLE 使能 ADDRESS地址 E3 E2 E1 A2 A1 A0 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 X X H X X X H H H H H H H H L X X X X X H H H H H H H H X H X X X X H H H H H H H H H L L L L L L H H H H H H H H L L L L H H L H H H H H H H L L L H L H H L H H H H H H L L L H H H H H L H H H H H L L H L L H H H H L H H H H L L H L H H H H H H L H H H L L H H L H H H H H H L H H L L H H H H H H H H H H L 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 共 38 頁(yè) 跑馬燈設(shè)計(jì)原理 根據(jù) 74S138 譯碼器的工作原理，當(dāng) G1 口、 G2A 口和 G2B 口分別致高電平時(shí)，譯碼器工作，根據(jù) 74LS138 的 3個(gè)譯碼信號(hào) A、 B、 C來(lái)選擇 Y0、 Y Y Y Y Y Y6作為輸出 ，實(shí)現(xiàn)譯碼。通過(guò)編程，可以清晰地顯示各種字符屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 共 38 頁(yè) 和漢字 ， 直觀便捷的進(jìn)行操作編程和進(jìn)行多種漢字、字符的顯示，可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并具有良好的 “ 人機(jī)對(duì)話 ” 界面。與數(shù)碼管相比 液晶顯示 位數(shù)多，可顯示 32位 ；顯示內(nèi)容豐富，可顯示所有數(shù)字和大、小寫(xiě)字母 ； 程序簡(jiǎn)單，如果用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，會(huì)占用很多時(shí)間來(lái)刷新顯示，而 LM016L 自動(dòng)完成此功能 。 （ 3） 工作電流： (5V)。接正電源時(shí)對(duì)比度最弱 ， 接地電源時(shí)對(duì)比度最高，但對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生 “ 鬼影 ” ，因此通常使用一個(gè) 10K 的電位器來(lái)調(diào)整對(duì)比度，或者直接串接一個(gè)電阻到地 。 R/W 為高電平時(shí)，讀取數(shù)據(jù)； R/W 為低電平時(shí)，寫(xiě)入數(shù)據(jù) 。如果 MCU 的 I/O 口資源緊張的話，該模塊也可以只使用 4 位數(shù)據(jù)線 D4～ D7接口傳送數(shù)據(jù)。 DSl820的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源 。 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器引腳說(shuō)明 圖 11 DS18B20 引腳 圖 DSl820 引腳如圖 11 所示， DSl820 引腳功能說(shuō)明 ： 1接口 :接地 。 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 主程序是整個(gè)系統(tǒng)軟件的運(yùn)行主體，各個(gè)子系統(tǒng)軟件都必須經(jīng)過(guò)它的調(diào)度，才能運(yùn)行得當(dāng)。 圖 14 調(diào)節(jié)壓力按鈕圖 中斷 初始化 選擇轉(zhuǎn)換通道 啟動(dòng) ADC0832 等待轉(zhuǎn)換完成 N Y 輸出數(shù)據(jù)并處理 返回 開(kāi)始 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè) 共 38 頁(yè) 溫度 傳感器 ：系統(tǒng)可以通過(guò)按鈕調(diào)節(jié)溫度值。 圖 17 LCD 仿真 圖 清屏 開(kāi)顯示 向 LM016L 送顯示地址、 顯示字符 指向下一個(gè)待顯示的字符及地址 延時(shí) 字符顯示 完否？ 延時(shí) 返回 Y N 顯示系統(tǒng)設(shè)置 初始化 LCD 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè) 共 38 頁(yè) 跑馬燈程序設(shè)計(jì) 跑馬燈 程序流程 跑 馬燈程序 流程圖，如圖 18 所示： 圖 18 跑馬燈程序流程圖 跑馬燈 說(shuō)明與仿真 本設(shè)計(jì)中使用跑馬燈模擬油路傳輸，使用兩條跑馬燈，分別代表首站和中間站 的油路 。 Proteus 組合了高級(jí)原理布圖、混合模式 SPICE 仿真 ,PCB 設(shè)計(jì)以及自動(dòng)布線來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)。此外，還可以結(jié)合微控制器軟件使用動(dòng)態(tài)的鍵盤，開(kāi)關(guān)，按鈕， LED 甚至 LCD 顯示 CPU 模型 [4]。 （ 4） IAR CSPY 和 KeiluVision2 等開(kāi)發(fā)工具的源層調(diào)試 。如圖 20所示。如圖 22 所示。軟件設(shè)計(jì)包括主程序、 A/D 轉(zhuǎn)換程序、液晶顯示程序、 跑馬燈程序 等。 系統(tǒng) 采用 LCD 液晶顯示可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)， 液晶顯示 充分滿足了使用者對(duì)產(chǎn)品使用便捷直觀的要求 。 Taylor :186 [19] temperature controller based on single chip microputer control equipment ,. [20] Takeshi Adaptive Fuzzy Controller Using Fuzzy Nneural IFSA Word :769—772 [21] Wang Responsibility of Fuzzy 8th Triennial Word [22] king Appl