基于51单片机的油矿测控系统硬件设计

程传杰,王 斌,吴凤娇

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌 712100)

基于51单片机的油矿测控系统硬件设计

程传杰,王 斌,吴凤娇

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌 712100)

某油矿由于历史原因,在原油开采和传输技术等方面存在不足。针对该油矿的现状及特点,利用Protel DXP以及Multisim对直流稳压电源模块、主要控制模块、AD转换模块、无线数传接口模块、输出控制模块、无线传输模块等模块进行了仿真研究,最后完成了系统硬件电路的总体设计,达到降低生产成本,减少损耗,延长抽油机寿命的目的。实验测试表明,系统整体符合设计要求,可以满足工程需要。

油矿;C51单片机;遥测;遥控;ZigBee技术

由于历史原因,某油矿的现状是:油田地域广,油井多,单井产量低;地形地貌复杂,原油极易在地面管汇中滞留使输油管道堵塞;油层伴生水质不配伍,结垢十分严重;地形复杂、高差大,阻挡、屏蔽、干扰严重,遥测遥控难度比平原、坡地的难度大[1]。

结合此油矿的具体情况,本文设计了一种基于ZigBee无线传输协议,使用C51系列单片机对油矿进行控制,并且利用可视化的上位机软件对油矿进行监控的遥测遥控系统。经过仿真分析以及测试,此系统可以较好解决此油矿的具体问题,符合各项技术指标。

1 系统总体设计

在抽油机的井口处安装有温度传感器,配电柜安装有电流传感器,传感器输出的信号为反映抽油机运行状况的模拟信号,通过AD转换模块转换为数字信号后进入下位机。下位机一方面通过本地内置的算法进行逻辑运算及判断,通过输出控制模块进而达到控制抽油机的目的;另一方面又将采集到的信号经RS232接口传入ZigBee模块,然后发送出去。在上位机处也装有ZigBee模块,其接收到下位机传来的信号之后,经RS232接口传入上位机。上位机在画面上显示各抽油机状态,温度和电流等参数,实时直观地反映抽油机工作状态。同时还可以通过上位机向下位机发送预设参数,修改间隔时间、温度、电流等内置的判断参数,从而使整个系统工作在最优模式。系统总体设计框图如图1所示,其中“经验时间”,即在长期的生产过程中积累的经验时间,油井从无油到油量较多时所经历的时间。

图1 系统总体结构

2 系统硬件设计

系统硬件设计主要分为下位机现场控制模块以及无线数传模块两部分。

2.1 下位机现场控制模块设计

根据系统总体设计方案,设计思路如下:

(1)集中设计直流稳压电路,为整个电路中的其它部分工作提供稳定的直流电源。电路输入为市电(220V,50Hz),输出为稳定的直流5V电压。在当地停电(无市电供应时),应有UPS继续提供可用的电源,使得模块可以继续保持运行状态。

(2)使用单片机最小系统设计主要控制模块,配合其它外围电路以满足对象控制的需要。

(3)设计AD转换模块,从而可以从传感器获取现场传感器的相关数据,并进行相应的逻辑判断以及分析。

(4)对串口通信部分进行设计,使得单片机可以与无线数传接口模块进行正常通信。从而保证下位机现场控制模块可以与上位机(中心计算机)进行通讯。

(5)设计用于现场控制的输出控制模块,用以控制井台抽油机启/停,从而达到系统的设计目标和要求。

2.1.1 直流稳压电源模块

直流稳压电源模块主要由电源变压器、桥式整流电路、滤波电路、集成稳压电路等来构成[2]。利用Multisim进行仿真,从而确定各个参数,如图2所示。桥式整流电路选用的是集成模块3N250,并引入集成稳压电路模块LM7805。为了表明整体电路的工作状况,在电路内接入了一个LED,如果LED亮说明电路正常工作,如果不亮则说明电路未工作。

图2 直流稳压电源模块的仿真

2.1.2 主要控制模块[3]

主要控制模块主要基于单片机最小系统电路进行设计[4]。本设计中所选用的MCU为与MCS-51兼容的AT89C51芯片。

2.1.3 AD转换模块[5]

人类直接感受到的模拟信号不容易存储、处理与传输,且容易失真,所以往往要转换为数字信号。故我们需要一个模块(模/数转换器,ADC)来将传感器测得的模拟信号转换成数字信号[6]。本设计中选用的是ADC0809芯片。

2.1.4 无线数传接口模块[7]

本设计采用RS232串口作为单片机与ZigBee模块进行通讯的接口。而RS232在进行通信时需要12V的电压才能识别,即高低逻辑电平为 12V和0V,但是51单片机的高低逻辑电平为5V和0V。所以为了避免二者电平不一样而造成的无法通信,中间就需要一个电平转换芯片,在本设计中选用了MAX232[8]。

2.1.5 输出控制模块

主要控制模块在接收到经过AD模块处理过的数据之后,经过逻辑判断从而有针对性的对现场井台的抽油机进行控制,此模块即输出控制指令的模块。此模块主要由排针构成,仅对外部提供一个由高低电平组成的控制信号,再经过外置的放大电路和驱动电路,从而达到控制抽油机启停的目的。

最终设计出的电路原理图如图3所示,可以清晰的看出上述各部分电路模块。

图3 下位机现场控制模块电路原理图

2.2 无线数传模块设计

通过对几种主流的无线传输技术进行对比,其中表1列出了部分技术以及比较项目,最终选用ZigBee作为系统的无线传输协议。

表1 部分无线传输技术对比

ZigBee是一种经济、高效、低数据速率(＜250 kbps)、工作在2.4GHz和868/928 MHz的无线技术,用于个人区域网和对等网络[9]。由于ZigBee价廉以及低功耗的无线通信特点,它一直占据着无线通讯市场。特别在无限传感器网络方面,ZigBee有着十分广泛的应用。

无线数传模块采用了德州仪器(TI)公司推出的高度整合的SOC芯片CC2430方案进行模块设计。CC2430具有成本低,体积小,外围设备丰富且电路简单、扩展性强、而且能够胜任WSN节点的功能和作用[10]。

CC2430的射频部分其实就是一个CC2420,有关射频原理和CC2420相同[11]。32 kHz时钟驱动睡眠定时器和看门狗定时器,并当计算睡眠时期的时间时,作为MAC定时器的闸门。应用RF收发器时,必须选择32MHz晶振,确保其稳定。因此在外围电路中设计了32 MHz和32 kHz两个晶振电路,32 kHz晶振设计成运行在32.768 kHz,需要时间精度时,为系统提供一个稳定的时钟信号。根据官方手册,设计CC2430的基本射频电路图如图4所示。

3 系统测试

3.1 下位机测试

下位机测试主要对印刷电路板以黑箱测试的方法进行。所谓黑箱测试,是已知产品所应具有的功能,通过测试来检测每个功能是否都能正常使用。在完全不考虑内部结构和内部特性的情况下,只对接口部分进行测试,检查是否按照规定正常使用,是否能接收输入数锯而产生正确的输出信息,并且保持外部信息的完整性。

图4 基本射频电路图

使用万用表对电路板进行测试,主要测试电路板各个组件之间电源线及信号线是否完好,可否进行正常通信。测试结果表明,电路板工作正常,测试通过。

3.2 无线数传模块测试

对ZigBee模块进行测试时,当主机发送数据:0002http://www.nwsuaf.edu.cn时,从机接收到的数据是:0000http://www.nwsuaf.edu.cn,结果如表 2所示。由测试结果表明数据传输正确,并且可以双方向传输。

表2 数据的接收和发送

4 结 语

通过深入分析某油矿的具体特点,针对系统要实现的功能,实现了油井信息的实时监控与抽油机启/停的智能控制。系统根据工艺技术要求,通过对直流稳压电源模块、主要控制模块、AD转换模块、无线数传接口模块、输出控制模块、无线传输模块的选型设计,完成了系统硬件电路的设计。系统选用CC2430对ZigBee模块进行设计,在遵守ZigBee技术相关协议的基础上,现场数据以“自组网技术”和“直序扩频传输方式”得以无线和无冲突远距离的发送,实现了较远距离的可靠通信。

设计的测控系统具有技术先进、功能合理、造价低廉、结实耐用的特点,达到了预期的设计要求。

[1]刘 晔,王 斌,杨新伟,等.基于ZigBee技术的油矿遥测遥控系统设计[J].计算机测量与控制,2010,18(2):339-341,353.

[2]刘 建,高振玲.直流稳压电源的设计[J].河北建筑工程学院学报,2008,(4):69-71.

[3]刘建清.轻松玩转51单片机C语言:魔法入门、实例解析、开发揭秘全攻略[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011:8-9,137-138.

[4]谢 波.超低频数据采集系统接收机的开发研究[D].武汉:华中科技大学,2008.

[5]郭文川.单片机原理及接口技术[M].北京:中国农业出版社,2007:241-243.

[6]张 瑾,刘海燕,朱元丽,等.用大规模可编程逻辑器件实现湿度检测[J].电子测量技术,2006,29(5):115-117.

[7]张义和,等.例说51单片机(C语言版)(第 3版)[M].北京:人民邮电出版社,2010:43.

[8]张 申.步进电机驱动的钩舌堆焊控制系统[D].成都:西南交通大学,2011.

[9]李剑桥.基于WinCE的应急信息采集系统接收终端的设计与实现[D].西安:西安科技大学,2009.

[10]孟庆斌,潘 勇.基于CC2430的分布式无线温度测量系统设计[J].电子测量技术,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

程传杰(1989—),男,山东嘉祥人,本科生,研究方向为电气及自动化控制。