基于单片机的太阳能抽油机工作监测系统

陈雪松，张卉雨，赵子豪

(东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318)

0 引言

目前石油开采行业中的地面采油设备主要是采用游梁式抽油机，而这种抽油机工作状态的监测主要是靠人工定时巡回检查完成［1］。夜晚在灯光下可见度低，对抽油机的巡视管理难度大，特别是在油井数量多、抽油机之间分布范围广的时候会给巡视带来很大困难，降低了工作效率［2］。人工巡视方法不仅劳动强度大，而且实时性差，耗费大量的人力物力资源［3］。

近几年，为解决抽油机监测上的人力资源浪费问题，出现了多种监测系统。这些监测系统在具体应用过程中普遍存在操作复杂、设备及其维护费用高、突发状况应变能力差等弱点。不仅如此，这些系统在采油过程中会耗费大量的电力，造成对电力和设备资源的浪费［4-6］。

随着环境的污染、生态平衡的破坏以及不可再生能源的日益枯竭，清洁的可再生能源的开发逐渐成为影响世界经济发展的技术领域［7］。特别是太阳能的开发和利用更成为世界各国及科研机构争先研究的内容。如今，太阳能发电技术被应用于各个行业和领域，是因为太阳能发电具有其他能源不可比拟的优势［8］。例如，美国、欧洲等大国制定了庞大的光伏计划，国内的市场也逐渐由特殊应用向普通家用型大规模使用的方向发展，光伏发电已经成为不可再生能源的替代能源之一［9］。

本文设计的太阳能抽油机工作监测系统正是利用太阳能为系统充电以解决抽油机运行时的监测问题。系统固定安装在抽油机的驴头上，如图1 所示，其中阴影部分为本系统。

图1 系统安装位置示意图

白天，太阳能电池板将太阳能转化为电能，并储存在蓄电池中。夜晚，当抽油机正常工作时，驴头上下摆动，使安装在驴头上的系统也随之摆动，从而系统的倾斜角在不停变化，到达一定倾角值后，红绿2个指示灯之间就会进行一次亮灭切换;当抽油机发生故障不再摆动时，系统也就停止了摆动，从而系统倾斜角不再变化，2 个指示灯的亮灭也不会再切换。即依靠红绿2 个指示灯是否交替闪烁就可以判断抽油机是否在工作，这对于人眼在夜晚进行远距离观察有很大的帮助。

本系统既可以解决电力资源浪费的问题，又可以在夜晚实时监测抽油机是否在工作，便于维护和管理。相较于其他检测系统，此系统小巧便携，易于安装，而且造价低，有利于大规模使用［10］。

1 系统的硬件电路设计

本系统的硬件电路设计采用单片机STC12C5A60S2为智能核心模块，硬件电路主要包括电源及太阳能充电电路模块、蓄电池电压采样电路模块、系统倾斜角采样电路模块、数码管显示电路模块和指示灯控制电路模块共5 个模块。整个系统硬件结构设计原理如图2 所示。

图2 系统硬件结构原理框图

本系统主要由12 V 的蓄电池供电，单片机实时采集蓄电池两端的电压，并将电压数值显示在数码管上。当低于蓄电池的电压值下限时，单片机控制太阳能板连接蓄电池，利用太阳能板将太阳能转化成电能为蓄电池充电，当充电完毕时自动断开。到了晚上，光照低于一定阈值时，光敏开关自动打开，2 个指示灯与电源连通开始工作。固定安装在系统内部的倾角传感器负责采集该装置的倾斜角度，因为系统的倾斜角度与抽油机驴头的倾斜角度同步，所以也就是在实时采集抽油机转动的角度。采集到倾角值后将结果以电压形式传给单片机进行处理，换算成角度值，最后单片机根据角度值来判断2 个指示灯的亮灭。

1.1 电源及太阳能充电电路设计

为了实现太阳能给蓄电池充电的功能，本设计主要采用了18 V 的太阳能板和12 V 的蓄电池。白天在光照条件下，光伏电池将所接收的光能转换成电能，经充电电路对蓄电池充电;天黑后，太阳能电池板停止工作，由蓄电池给整个系统供电［11］。

白天，当太阳能板给蓄电池充满电以后，即蓄电池电压大于13.6 V 时，或当蓄电池欠压即小于11.3 V 时，需要断开或连接充电电路，则用一个继电器K1来控制电路的通断，继电器K1 由单片机P2.5 控制;当蓄电池电压到达13.2 V 而又小于13.6 V 时，为了给蓄电池充满电，需要用稳压器LM317 将太阳能板的电压稳定至14 V 输出给蓄电池进行浮充，则用继电器K2 来控制是否浮充。为了保证继电器的稳定工作，故采用高耐压、大电流复合晶体管ULN2003 进行驱动［12］。

单片机正常运行需要5 V 电压，所以需要把蓄电池电压(12 V)转换为系统所需的电压(5 V)。本系统采用的是蓄电池正极接LM7805 稳压管来为系统的正常运行进行供电。充电电路设计如图3 所示。

图3 电源及太阳能充电电路

1.2 蓄电池电压采样电路设计

蓄电池作为系统的重要储能工具，白天蓄电池将太阳能板输出的电能转换成化学能储存起来，到了晚上再转换回电能为系统提供电源［13］。

本系统主要利用STC12C5A60S2 自带的AD 转换功能进行模拟电压采样。为了能够在充电时对蓄电池进行过充保护和低电量时及时控制太阳能板为蓄电池充电，必须实时查看蓄电池的电量，实时采集蓄电池两端的电压值。采样电路如图4 所示。

1.3 系统倾斜角采样电路设计

由于系统是固定在抽油机上的，随着抽油机的工作，系统的倾斜角度在不断变化，利用这一原理判断抽油机是否在工作。

系统倾斜角的采样电路主要采用ADXL335 模拟三轴重力加速度模块，把ADXL335 中X、Y、Z 这3 个端口输出的电压值传给单片机，再利用程序进行加速度转换后判断系统的倾斜角度，从而得到抽油机上下摆动的角度值。倾斜角采样电路如图4 所示。

图4 电压及倾斜角采样电路

1.4 数码管显示电路设计

系统采用4 位共阳极数码管来实时显示系统的蓄电池两端电压，用2 个八位锁存器74HC573 进行驱动。其中一个锁存器用于控制位显示，控制位LE 接单片机的P2.7;另一个锁存器用于控制段显示，控制位LE 接单片机的P2.6。2 个锁存器的输入端均连接单片机的P0.0～P0.7。数码管显示电路如图5 所示。

图5 数码管显示电路

1.5 指示灯控制电路设计

图6 指示灯控制电路

夜晚指示灯控制电路主要由红、绿2 个发光二极管，光敏开关模块组成。发光二极管正极接光敏开关的常开端，负极接单片机的P2.2、P2.3。光敏开关模块主要包括了一个光敏电阻、一个电位器和一个继电器。电位器用于调节光敏阈值，光强低于阈值则继电器的公共端与常开端接通，发光二极管亮起;高于阈值则与常闭端接通，发光二极管熄灭。控制电路如图6所示。

2 系统的软件程序设计

本系统的软件程序用于控制外围电路和逻辑判断，主要程序包括太阳能充电控制程序、蓄电池电压采样程序、数码管显示程序、定时器处理程序、倾斜角度数采样程序和指示灯转换控制程序等几部分。

2.1 主程序

主程序由3 个子程序构成，包括蓄电池电压采样子程序、太阳能充电控制子程序和指示灯转换控制子程序。其流程如图7 所示。

图7 主程序流程图

2.2 蓄电池电压采样子程序

本系统所采用的单片机STC12C5A60S2 自带10位A/D 转换，可以直接利用单片机内的P1 口模拟功能控制寄存器(P1ASF)和ADC 控制寄存器(ADC_CONTR)来进行模拟电压的采集。由于倾斜角角度值是通过采集XYZ 端口的电压值得到的，所以倾斜角度数的采样与蓄电池电压的采样所用子程序均是调用AD 转换子函数实现［14］。

2.3 太阳能充电子程序

太阳能充电子程序是判断是否对蓄电池充电的程序。通过对蓄电池电压的采集，由单片机设定充电策略，从而更有效、更科学地使用蓄电池，对提高蓄电池的使用效率、延长蓄电池的使用寿命，起着非常关键的作用［15］。

首先需要采集蓄电池的电压，根据蓄电池的电压状态来判断蓄电池是否需要充电。如果采集到的电压大于13.6 V，则认为蓄电池已充满，进入过充保护，即停止充电;如果采集到的电压小于11.3 V，则认为蓄电池过放，进入过放充电阶段，即开始直充;如果采集到的电压大于13.2 V 小于13.6 V，则认为蓄电池已快充满，进入浮充阶段，即开始浮充。

太阳能充电子程序流程如图8 所示。

图8 太阳能充电子程序流程图

2.4 指示灯转换控制子程序

指示灯控制子程序主要是根据倾斜角的度数来对小灯切换进行控制，同时进行放电保护，防止过放［16］。

当倾斜角度数大于270°时，绿灯(LED1)亮，红灯(LED2)灭;当倾斜角度数小于等于270°时，绿灯(LED1)灭，红灯(LED2)亮。当抽油机运行正常时，该系统的倾斜角不断改变，2 个小灯就会交替闪烁，而当抽油机停止时，系统倾斜角会停在某一数值上不变，2 小灯会停止在某一状态不再改变，即一个灯常亮一个灯常灭的状态。该系统的负载切断电压是11.3 V，当蓄电池电压小于11.3 V 时，2 个小灯均灭。指示灯转换控制子程序流程如图9 所示。

图9 指示灯转换控制子程序流程图

3 结束语

本文针对抽油机监测存在的缺陷，介绍了以单片机STC12C5A60S2 为智能处理核心的太阳能抽油机工作监测系统［17］。该系统主要实现了太阳能充电和抽油机监测2 个功能。其中充电电路及其程序实现了对蓄电池的充电控制，监控电路及其程序实现了对抽油机工作状态的指示功能。实验和运行结果表明，该太阳能抽油机工作监测系统具有安全、高效、节能和工作稳定等优点。

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