采油监控系统设计.docx
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采油监控系统设计
摘要
针对目前通井机在复杂而恶劣的工作环境下作业而会给生产带来诸多不安全因素，研制了基于AT89S52单片机和霍尔传感器为核心的智能监控系统，该系统采用霍耳传感器进行检测，经单片机计算处理，实时显示工作实际深度，从而实现上下限声光报警，有效的防止碰撞安全事故的发生和提高工作效率；其技术性能可靠、实用性强，多功能性，很好的满足了现场的工作要求。
关键词：
通井机监控系统硬件设计软件设计
Abstract
Aimedatthemachineworksinthecomplexandpoorconditionsofproductionoperationsandwillbringalotofinsecurity,wedeveloptheintelligentmonitorsystembasedontheAT89S52MCUandHallsensorforthecore,thesystemusesHallsensorstodetectsignl,calculatedbythesingle-chipprocessing,real-timedisplaytheactualworkingdepth，inordertoachievesoundandlightalarmattheupperorlowerlimit,andeffectivepreventcollisionaccidentsandimproveefficiency;it’sreliableintechnicalperformance,practical,andMulti-function,it’sgoodtomeettheworkingrequirements.
Keywords:
tractorhoistmonitorsystemhardwaredesignsoftwaredesign
第1章 绪论
1.1 研究此课题的目的
由于通井机抽汲一般在野外作业，其环境条件恶劣（如场地污染大、噪音大、振动大）；且通井机进行作业的时间很长，工人一般需要昼夜不停工作；因此必须要解决通井机工作的安全性问题（如在工作时保护井口设备不被井下抽汲仪器碰撞破坏、地面工作人员的安全等）、保证良好的现场工作环境（主要是油液污染）、提高工作效率和减轻工人的劳动强度（如能够控制抽汲仪器在井下油液层的位置、以及记录通井机工作循环次数等），所以通井机上须安装智能监控系统，才能同时很好的解决以上出现的生产安全性问题和提高工作效率性。
1.2 监控系统的发展概况
目前在生产过程中只采用以下两种方法来解决安全性问题，一种是人工操作方法，即在钢丝绳上做记号，用眼睛观测记号的位置来控制安全位置和观察估计滚筒钢丝绳层数来判断井下仪器的工作位置，这种方法的工作安全性、效率性都很低，尤其是在夜间作业的时候问题就显得更加突出；
另一种方法是使用一些有专利的安全防碰监控装置，这类装置都是把磁钢安装在滚筒一侧面，传感器安装在滚筒支架上，通过检测滚筒的转数来转换显示为钢丝绳的长度，从而监控出安全位置达到报警的目的。
但此类装置存在一下问题：
一是由于钢丝绳一般在工作时不能按严格的规律缠绕在滚筒上，会出现滚筒骑绳、乱绳、铰绳等问题，所以这一类单纯依靠滚筒半径来计算的电子防撞系统检测到的数据不可靠，也就不能准确的测量出钢丝绳的实际长度，所以此类装置的报警误差很大，反而会增加了工作的安全隐患；其二由于传感器距离滚筒侧面很近，一般只有10毫米以内的距离，但滚筒侧面在工作时温度一般可达到80℃以上，传感器极易失效甚至被损坏，最终导致装置寿命短且可靠性差；其三此类装置只具有报警的单一功能，没有钢丝绳长度的显示和记录工作次数的功能，因此不具有提高工作效率等功能；最后此类装置的安装较复杂，需要在通井机上进行焊接，影响了通井机整体结构和现场的生产安全等，所以此类专利安全防碰监控装置没有得到用户的认可和推广。
所以目前还没有很好的智能监控系统能够解决通井机工作安全性和提高作业效率问题。
此课题主要针对现有技术和方法存在的不足之处，提供一种能解决以上问题的安全监控系统，它能够准确显示钢丝绳长度从而正确的反映井下仪器的位置、记录存储工作数据和任意设定安全位置，以及及时报警功能；并为了解决电磁干扰问题，采用了信号传输的抗干扰设计方法，从而大大提高了天车防撞监控系统的可靠性和实用性。
使装置具有多功能性、准确性高和可靠性强等特点，从根本上解决了以上技术难点问题。
1.3 本文主要研究内容
本文主要研究了监控系统中的防碰控制仪器，确定仪器的整体设计与工作方案，仪器的外形，仪器的电路原理设计，PCB制作与元器件选择，程序调试与仿真，仪器组装
及调试。
第2章 仪器整体方案设计
2.1 仪器功能要求
1．工作次数显示；2．刹车预警；3．刹车预警点的任意调整；4．智能控制离合器及刹车；5．紧急制动刹车；6．多设备用途；7．仪器系统自检；8．抗震性好，稳定性高，故障率低，耐高、低温能力强，使用寿命长。
2.2仪器方案的开发制定步骤
单片机应用系统是以单片机为核心，配以一定的外围电路和软件，能实现某种功能的应用系统。
它由硬件部分和软件部分组成。
硬件是系统的基础，软件则是在硬件的基础上对其合理的调配和使用，从而完成应用系统所要完成的任务。
单片机应用系统的研制过程主要包括总体设计、硬件设计、软件设计、仿真调试等几个阶段，图2-1为单片机应用系统设计过程框图。
单片机应用系统一般要求可靠性好、系统具有自诊断功能、操作维修方便、性能价格比较高。
这些要求在进行应用系统设计的过程中要根据不同的需要和应用场合予以考虑。
2.2.1总体方案设计、确定技术指标
对于一个待开发的单片机应用系统，应收集相关的技术资料，看过去有否类似项目、产品，如果有，则可分析这些项目、产品有什么优点、缺点，有什么可值得借鉴。
如果没有，则应首先从理论上分析，探讨实现的可能性方案，根据客观条件如环境、测试手段、仪器设备、资金成本等，选择一种最佳方案。
总体方案确定后，对应用对象的工作过程进行深入调查和分析，了解课题的要求、信号的种类和数量、应用环境等，不管是老产品改造还是新产品的设计，都应对产品性能改善的程度、成本、可靠性、可维护性及经济效益等进行综合考虑，提出合理可行的技术指标。
主要技术指标是系统设计的依据和出发点，此后的整个设计与开发过程都要围绕着如何能达到技术指标的要求来进行。
图2-1系统设计过程框图
2.2.2具体方案设计（软硬件功能划分）
具体方案设计是将总体设计方案具体化、细化。
画出各部分功能框图，大致给出各框图的实现方法，明确哪些部分由软件完成，哪些部分由硬件完成。
系统的硬件配置和软件的设计是紧密地联系在一起的，且硬件和软件具有一定的互换性。
多用硬件完成一些功能，可以提高工作速度，减少软件研制工作量，但增加了硬件成本。
若用软件替代某些硬件的功能，可使硬件成本降低，但增加了软件的复杂性，而且降低了系统的工作速度。
因此，总体设计时，应综合考虑以上因素，合理搭配软硬件的比重。
2.2.3机型和器件选择
在选择机型和器件时应考虑以下几点：
1）货源充足稳定，便于批量生产；
2）在考虑性能/价格比的前提下，选择最容易实现产品技术指标的机种；
3）所选机型功能强、性能价格比好、使用方便的开发装置；
4）要选择设计者最熟悉的机种和元器件，以缩短研制周期；
5）按照系统的精度、速度和可靠性等方面的要求合理选择包括传感器、模拟电路、输入/输出电路和存储器等器件。
第3章 仪器总体硬件方案设计
3.1硬件方案确定
根据现场工作条件、功能要求及开发步骤，设计硬件方案如图3-1：
图3-1硬件设计框图
3.2 硬件系统组成
3.2.1单片机系统
根据要实现的具体功能，并控制成本，采用ATMEL公司的AT89S52单片机，该单片机与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：
0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器、八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。
功能特性描述：
At89s52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
8位微控制器8K字节在系统可编程FlashAT89S52
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
引脚号第二功能：
P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5MOSI（在系统编程用）
P1.6MISO（在系统编程用）
P1.7SCK（在系统编程用）
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入
口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）
P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下：
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
端口引脚第二功能：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INTO（外中断0）
P3.3INT1（外中断1）
P3.4TO（定时/计数器0）
P3.5T1（定时/计数器1）
P3.6WR（外部数据存储器写选通）
P3.7RD（外部数据存储器读选通）
此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。
RST——复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
图3－1
3.2.2LED动态扫描显示电路
为实现数据显示以及电源、报警等信号显示，需选用显示器件。
拟定数据显示采用七段LED共阴极数码管，信号及工作状态显示采用发光二极管。
数码管采用动态显示方式，故采用美信公司的MAX7219，芯片图例3-1，MAX7219是一个高性能的多位LED显示驱动器,可同时驱动8位共阴极LED或64个独立的LED。
其内部结构框图如图1所示,主要包括移位寄存器、控制寄存器、译码器、数位与段驱动器以及亮度调节和多路扫描电路等。
MAX7219采用串行接口方式,只需LOAD、DIN、CLK三个管脚便可实现数据传送。
DIN管脚上的16位串行数据包不受LOAD状态的影响,在每个CLK的上升沿被移入到内部16位移位寄存器中。
然后,在LOAD的上升沿数据被锁存到数字或控制寄存器中。
LOAD必须在第16个时钟上降沿或之后,但在下一个时钟上升沿之前变高,否则数据将会丢失。
DIN端的数据通过移位寄存器传送,并在16.5个时钟周期后出现在DOUT端,随CLK的下降沿输出。
图3-3
3.2.3报警电路
报警指示灯及喇叭驱动选用NE555，它是一种应用极为广泛的中规模集成电路。
该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。
因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。
目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555（或5G555）和C7555等多种。
它们的结构及工作原理基本相同。
通常，双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时器具有低功耗、输入阻抗高等优点。
555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。
双极型定时器电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下。
图3-4
3.2.4 信号调理电路
传感器电路中采用高速光耦TLP521，脉冲信号经光电隔离及施密特
整形后送入单片机，这样有效的避免了电、磁场的干扰。
3.2.5 电源模块
现场提供电压为24V，经过直流变压器为喇叭提供12V电压，经过稳压电路向单片机、传感器和报警电路提供恒定5V电压。
3.2.6开关量输出电路
开关量输出用于控制液压系统进行刹车，由于被控对象为非电液压系统，我们采用继电器进行输出，控制电磁阀的导通，完成电控液过程，。
由于继电器的驱动线圈有一定电感，在关断瞬间可能会有较大的电压，因此在继电器的驱动电路上反接一个保护二极管用于反向放电。
3.2.7 硬件系统抗干扰设计
以单片机为核心的工业测控系统，由于大多工作在工业现场，存在着电网电
压波动和周围空间的高频干扰等大量的干扰因素，其应用的可靠性和安全性是一
个非常突出的问题。
我们在该系统的硬件设计及PCB绘制中采取了以下的抗干扰措施，力求尽量减少外部环境的影响，提高系统本身的抗干扰能力。
1.在输入输出通道之间加光电祸合器件，因为光信号的传送不受电场、磁场的干扰，可以有效的隔离电信号。
2.在对继电器的驱动电路上反接保护二极管用于反向放电，保护继电器线圈。
3.为了防止市电及现场各种电磁干扰对系统的损害，采用开关型稳压电源获得系统工作所需电源。
4.PCB设计中，在每个芯片的电源和地之间安置一个0.01uF的陶瓷电容器。
在每个印制板入口处的电源和地之间并接退祸电容。
并接的电容应为一个大容量的电解电容（100uF）和一个非电解电容（0.01uF）。
3.3传感器选择及安装示意图
传感器是系统的信号检测与输入端，很大程度上影响着仪器的测量准确度，由于现场工作条件恶劣，现场使用设备温度高是使用设备现场温度高，噪音和振动大，周边环境被溅出的石油污染，因此要合理选择传感器类型。
经分析现场条件，拟采用霍尔传感器进行信号采集。
该防碰把信号采集装置安装在钢丝绳通过的定滑轮上，将磁钢安放在定滑轮侧面凹槽中部，再将霍尔传感器固定在定滑轮支架的空槽中；在定滑轮上安装张紧防滑机构，而且与定滑轮支架保持一定角度，使钢丝绳与定滑轮有一定的包角，达到钢丝绳与定滑轮张紧防滑的效果，保证了传感器采集的定滑轮转数信号与钢丝绳运动的长度的准确的对应关系，如图3-6：
用螺杆（9）把霍尔传感器（6）及其固定架（8）安装在定滑轮支架
（2）的空槽中，磁钢（5）固定在定滑轮
（1）端面的凹槽中部，并与传感器（6）位置相对应。
图3-5
3.4操作面板及功能操作示意图
操作面板是实现人机对话的重要组成部分。
它包括LED显示及按键输入，前者用于向操作人员显示设定参数值及数据处理结果，后者是操作人员对仪表进行状态干预及参数设置。
显示操作面板如图3-6：
图3-6
如图3-6所示，通过信号传输线（18）连接传感器信号采集装置（19）和多功能智能防碰仪器（11），仪器面板上显示传感器测量的定滑轮转数和钢丝绳上升或下降的长度，并存储工作次数；仪器内的采集电路和报警电路、刹车电路相连接。
当达到警示位置时自动发出警报，仪器警示灯（13）不停的闪烁；当到达刹车位置点的时候，仪器发出信号通过电线（16）驱动电磁阀自动刹车装置（15）对滚筒制动。
整个系统的电源有通井机自带的24V直流电源（17）提供。
在开始工作时，先调整好滚筒工作起始位置为零点，然后打开仪器电源开关（14），设定上限、下限报警参数和刹车参数。
井下仪器在下降阶段时，仪器计数从0开始依次递增到某一最大累加值；在井下仪器返回的上升阶段时，仪器计数从最大累加值开始依次递减到0，即起始点。
如此循环工作，仪器并自动存储工作次数，通过切换键（20）可显在仪器面板（12）上。
第4章防碰仪的软件系统设计
工业控制软件编写中所遵循的一个最重要的原则，就是软件要最大限度的与硬件合充分发挥各自的效能来满足不同工业控制领域的需要，使系统在不降低可靠性的前提下性价比最高。
原则上，只要软件能做到的，就不用硬件。
硬件多了，不但增加成本，而且可能使系统的可靠性降低。
本系统在设计中，充分发挥了软件与硬件的配合，尽量做到以“软”代“硬”，如采用动态扫描技术，将数码管的8根段选线分别接在一起，在硬件上节省了相应的口线和驱动电路;采用软件延时实现按键的去抖处理等。
一个单片机系统在程序存储器中放入编制好的应用程序，系统即可运行。
但一次性成功几乎是不可能的，多少会出现一些硬件、软件上的错误，这就需要经过调试来发现错误并加以改正。
由于单片机在执行程序时人工是无法控制的，为了能调试程序，检查硬件、软件执行状态，就必须借助某种开发工具模拟实际的单片机，并且能随时观察运行的中间过程而不改变运行中原有的性能和结果，从而进行模拟现场的真实调试。
我们采用Proteus软件进行程序的仿真。
4.1系统主程序
主程序主要完成数据采集，数据处理，数值显示和设置功能。
图4-1软件设计流程图
4.2中断服务程序
中断源是申请中断的来源。
MCS-51有5个中断源，即2个外部中断
、
；2个片内定时器/计数器T0、T1的溢出中断源；1个片内串行口。
见表4-2。
表4-251单片机中断系统表
中断源
说明
外部中断
从P3.2引脚引入的外部中断申请
定时器0中断T0
定时器0的溢出使TF0置位，发出中断申请
外部中断
从P3.3引脚引入的外部中断申请
定时器1中断T1
定时器1的溢出使TF1置位，发出中断申请
串行口中断
一次串行发送或接收完成后，使中断标志
TI（发送）或RI（接收）置位
系统共有两个中断程序，分别采用外部中断
和外部中断
，没接收一次信号单片机进入一次中断。
部分中断程序：
voidinterrupt0（）interrupt0
{
if（RotateResult==1）
{
iRotateTimes++;
iWorkTimeFlag1=1;
}
RotateFlag--;
}
voidinterrupt1（）interrupt2
{
if（RotateResult==2）
{
iRotateTimes--;
iWorkTimeFlag2=1;
}
RotateFlag++;
}
4.3MAX7219控制程序
图4-3MAX7219控制时序图
voidsend（ucharadd,uchardat）//发送16字节子函数
{
ucharADS,i,j;
LOAD=0;
i=0;
while（i<16）
{
if（i<8）
{
ADS=add;
}
else
{
ADS=dat;
}
for（j=8;j>=1;j--）
{
DIN=ADS&0x80;
ADS=ADS<<1;
CLK=1;
CLK=0;
}
i=i+8;
}
LOAD=1;
}
4.4智能仪表功能分析
智能化测量控制仪表与传统常规测量控制仪表的一个最大差别是，前者对于仪表的操作管理是通过计算机的外部输入输出设备来进行的，而外部输入是通过键盘来实现的。
仪表的键盘包括0-9十个数字键外，还有一些如自检、复位等功能键。
因此，仪表要设计专用的功能键盘。
本仪器在软件中设计菜单程序，配合“校正”、“设置”、“增加”、“左移”、“清零”、“切换”六
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