【文章內(nèi)容簡介】 精度達(dá)到： %。 （ 4） 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。 （ 5） 超過閥值自動(dòng)報(bào)警，停止工作。 （ 6） 可手動(dòng)設(shè)置數(shù)據(jù)。 （ 7） 系統(tǒng)具有仿真功能和良好的可視性。 系 統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 輸油泵站工作原理 油氣集輸是把油、氣田生產(chǎn)的原油和天然氣收集起來，通過計(jì)量、初加工（凈化、穩(wěn)定）和輸送的全過程。 輸油 泵 站是長輸管線的主要組成部分之一。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。輸油站按所處位置分為首站、中間站和末站，中間站按其功能還可分為加熱站（只能提供熱能）、加壓站（只能提供壓能）及熱泵站（既提供熱能又提供壓能） 。 首站：是長輸管線的 起始站。主要任務(wù)是接收來油，經(jīng)計(jì)量后，加壓加熱向下站輸送。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)來油與輸油間不平衡的需要。 中間站：是長輸管線沿途設(shè)置的輸油站。其主要任務(wù)是對(duì)所輸油品按工藝要求供給一定的能量，使油品繼續(xù)流動(dòng)。 末站：是長輸管線的終點(diǎn)站。主要任務(wù)是接收輸油管線所輸?shù)娜坑推?，?jīng)過計(jì)量后將油儲(chǔ)存起來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。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖 根據(jù)系統(tǒng)功能的要求和系統(tǒng)構(gòu)成的需要其總體設(shè)計(jì)方案如圖 1 所示。 系統(tǒng)硬件組成分為以下幾個(gè)部分： A/D轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路、時(shí)鐘電路、 報(bào)警電路、跑馬燈電路 、加熱加壓電路 、數(shù)據(jù)采集電路 及核心控制電路。 實(shí)現(xiàn) 輸油泵站自動(dòng)控制 功能 的 總體思路如下 ： 系統(tǒng)由電源進(jìn)行供電，當(dāng) 啟動(dòng) 自動(dòng)控制系統(tǒng)后， 加熱加壓電路和跑馬燈電路（模擬油路的傳輸）開始工作。采集的溫度和壓力 電位數(shù)據(jù)通過 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。液晶顯示 模塊 LM016L 顯示 數(shù)據(jù) 。 通過按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度值和壓力值的調(diào)節(jié) 。 當(dāng)壓力屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 38 頁 低于 5MPa 時(shí)，系統(tǒng)低壓報(bào)警，加壓電路開始加壓；當(dāng)壓力高于 20MPa 時(shí)，系統(tǒng)高壓報(bào)警，減壓電路開始減壓；當(dāng)溫度低于 30攝氏度時(shí)，系統(tǒng)低溫報(bào)警，加熱電路開始加熱；當(dāng)溫度 高于 50 攝氏度時(shí)，系統(tǒng)高溫報(bào)警，加熱電路停止加熱。 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），簡稱單片機(jī)，也可稱為微控制器 MCU（ Micro controller Unit）。單片機(jī)，即集成在一塊芯片上的計(jì)算機(jī)，集成了中央處理器 CPU（ Central Processing Unit）、隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM（ Random Access Memory）、只讀存儲(chǔ)器（ Read Only Memory）、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器以及 I/O 接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件。 單片機(jī)具有功能強(qiáng)，體積小，成本低，功耗小，配置靈活等特點(diǎn)，使其在工業(yè)控制、智能儀表、技術(shù)改造、通信系統(tǒng)、信號(hào)處理等領(lǐng)域以及家用電器、高級(jí)玩具、辦公自動(dòng)化設(shè)備等方面均得到應(yīng)用。 從 1976 年 9月 Intel 公司推出 MCS— 48系列單片機(jī)以來，世界上的一些著名的器件公司都紛紛推出各自系列的單片機(jī)產(chǎn)品。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。各種系列的單片機(jī)由于其內(nèi)部功能、單元組成及指令系統(tǒng)的不盡相同，形成了各具特色的系列產(chǎn)品。 本設(shè)計(jì)采用的是 Atmel 公司開發(fā)的 AT89C51 單片機(jī) 。 AT89C51 是一種帶 4K字節(jié) FLASH存儲(chǔ)器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8位微處理器 ， 可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000 次。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。由于時(shí)鐘電路 CPU （單片機(jī) AT89C51） 液晶顯示電路 報(bào)警電路 A/D轉(zhuǎn)換電路 壓力傳感 電路 溫度傳感 電路 跑馬燈電路 加熱加壓電路 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 38 頁 將多功能 8位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器 。 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4k字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器， 128字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32個(gè) I/O 口線，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)， AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種 軟件可選的節(jié)電工作模式。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。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 傳感器技術(shù) 傳感器是 自動(dòng)化系統(tǒng)最基礎(chǔ)、最重要的組成部分之一，其可靠性和精度直接影響系統(tǒng)工作的可靠性和性能。 正確地選擇、合理地使用傳感器，對(duì) 設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng) 具 有重要意義。 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。傳感器要 具有較強(qiáng)的防爆、防水、防磁、 抗震和耐高、低 溫特性；傳感器超量程不損壞； 設(shè)備在正常使用情況下，主要部件平均無故障時(shí)間大于 1 年，使用壽命不小于 10 年； 自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作發(fā)生率不高于 1/10000。 準(zhǔn) 確性。主要參數(shù) (壓力、溫度等 )的計(jì)量誤差不高于 ％；各項(xiàng)參數(shù)的年漂移量不大于 %FS；采集誤差不高于 1/10000。 安全性。系統(tǒng)采用防爆結(jié)構(gòu)，保證不因系統(tǒng)問題而導(dǎo)致事故 [2]。 溫度 傳感器 的選擇：一體化溫度變送器是將熱電阻或熱電偶檢測(cè)出的溫度或溫差，通過溫度變送電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 420mA 直流 電流信號(hào)或 15V 直流 電壓信號(hào)的溫 度檢測(cè)儀表?，F(xiàn)在已利用集成電路技術(shù)，將變送電路做成小型模塊，安裝在鉑電阻或熱電阻的接線盒內(nèi)，直接安裝在現(xiàn)場，這樣可以最大限度地減少線路電阻的影響 ，從而獲得較高的精確度，安裝和使用十分方便。一體化溫度變送器 不需要經(jīng)過二次轉(zhuǎn)換，直接接入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行顯示和控制 [2]。 壓力 傳感器的選擇 ： 振弦式壓力變送器利用諧振元件 (振弦 )隨壓力變化改變其固有頻率的特性來測(cè)量壓力。正弦式壓力變送器由振弦、磁鐵、激振器、膜片及測(cè)頻電路組成，振弦式壓力傳感器依靠測(cè)量頻率來確定壓力，而頻率信號(hào)在傳輸過程中可以忽略導(dǎo)線電阻、電感、電容等的 影響，有較高的準(zhǔn)確度，精度可達(dá)到 級(jí)，可作為高精度壓力傳感器來用 [2]。 本設(shè)計(jì)中為了仿真需要， 使用 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器 代替 一體化溫度變送器 ；使用滑動(dòng)變阻器和 ADC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 代替 振弦式壓力變送器 。 通信 技術(shù) 目前國內(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)。通過專門的通訊電纜線或者是利用現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸， 這些方法傳輸距離有限，屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 38 頁 成本也比較高。 隨著電子、計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)是從新興的無線傳輸發(fā)展而來，具有低能耗，低成本，擴(kuò)展 性強(qiáng)，靈活度高等特點(diǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)。無線數(shù)據(jù)采集要將惡劣，復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境下的采集量完整的采集，還要將采集到的數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)端的控制室。主要應(yīng)用的領(lǐng)域包括：石油管道無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；工業(yè)遙測(cè)系統(tǒng)；無線數(shù)據(jù)傳輸；安全設(shè)備無線監(jiān)控；城市管網(wǎng)壓力、溫度監(jiān)測(cè)；電力無線報(bào)警等。 無線的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式主要有 移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信 、 微波通信和 衛(wèi)星通信三種。 由于移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信高帶寬、高可靠性、低延時(shí)、低成本和使用方便等特點(diǎn)被廣泛使用在長管道運(yùn)輸中。 LTE 是目前快速發(fā)展的 4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)， LTE 實(shí)現(xiàn)了 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的減少、更高的數(shù)據(jù)速 率、系統(tǒng)容量和覆蓋。 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]。 圖 2 輸油泵站通信示意圖 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 38 頁 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 本章詳細(xì)介紹硬件電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件電路包括以下幾個(gè)部分：以單片機(jī)為中央處理器、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、跑馬燈電路、液晶顯示電路、 時(shí) 鐘電路、 溫度傳感電路 和 加熱加壓電路。詳細(xì)闡明芯片的選擇比較，所選用芯片的內(nèi)部組成、功能特點(diǎn)、外圍電路及其接口電路，并設(shè)計(jì)出具體的硬件電路。 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)。單片機(jī)是將中央處理器、只讀存儲(chǔ)器（ ROM）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（ RAM）、計(jì)數(shù)器 、 定時(shí)器及輸入輸出接口電路等計(jì)算機(jī)主要器件集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。本 設(shè)計(jì)的輸油泵站機(jī)泵控制 系統(tǒng)的中央處理電路采用美國 ATMEL 公司生產(chǎn) 的單片機(jī) AT89C51 來實(shí)現(xiàn)。 中央處理器電路核心芯片 中央處理電路 是以 AT89C51 為核心芯片， AT89C51 是一種附帶 4K字節(jié) 可編程 、 可擦除的只讀存儲(chǔ)器 CMOS8 位微處理器。與 MCS51系列產(chǎn)品指令系統(tǒng) 兼容。其主要功能特性： （ 1） 存儲(chǔ)器可 寫入 、 擦除 1000 次。 （ 2） 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)保存時(shí)間是 10年。 （ 3） 4K 字節(jié)可重復(fù) 擦寫 Flash 存儲(chǔ)器 （ 4） 三級(jí) 可 加密程序存儲(chǔ)器 （ 5） 128 8 字節(jié)內(nèi)部 隨機(jī)存儲(chǔ)器 （ 6） 32 個(gè)可編程 I/O 口線 （ 7） 兩組 16 位定時(shí) 、 計(jì)數(shù)器 （ 8） 六 個(gè)中斷源 （ 9） 可編程串行通道 （ 10） 低功耗的 掉電 和 閑置 模式 （ 11） 片內(nèi)部 振蕩器和時(shí)鐘電路 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 38 頁 圖 3 AT89C51 引腳圖 單片機(jī) AT89C51 引腳如圖 3所示， AT89C51 引腳功能說明： VCC：供電 。 GND：接地。 P0接 口： P0接口是 一個(gè) 8位 開路雙向 I/O 接 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P0 接口的管腳第 1 次寫 1時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 接口能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可被定義為數(shù)據(jù) 、地址的低 8 位。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。 P1接 口： P1接 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 接 口， P1 接 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 接 口管腳寫入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 接 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1接口作為低 8 位地址接收。 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 “1” 時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 接口的管腳被外部拉低， 輸出電流。 P2 接 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口 接 輸出地址的高 8位。在給出地址 “1”時(shí)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn) 行讀寫時(shí)， P2接 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 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： P3接 口管腳是 八 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O口，可接收輸出 4個(gè) TTL 門電流。當(dāng) P3接 口寫入 “1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 接 口將輸出電流（ ILL） 。 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 共 38 頁 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)。 RST：復(fù)位輸入。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用