（检测技术与自动化装置专业论文）油水界面智能监测仪的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在原油生产过程中，从油井中开采出来的原油是含有一定水分的，由于油 和水的比重不同，原油中的水分会沉降在油罐底部，需输送到分离灌中进行油 水分离，处理成低含水率的成品原油。因此，油水界面检测是实现储油罐水位 自动控制的重要环节。原油储罐内油水界面的实时及准确测量是成功分离出原 油的重要保障，也是储运系统管理和计算原油储量的主要依据。 该文在详细研究国内外油水界面检测理论与技术的基础上，根据油水介电 常数不同的原理，采用分段式电容传感器，设计了一款新颖先进的油水界面智 能监测仪。文中详细论述了油水界面的检测原理和整个系统的构成，并论述了 系统的硬件设计和软件设计。该监测仪的重要特色是该油水界面监测仪中设置 了串行通信模块，具有两种工作模式。该油水界面监测仪可以单机工作，又可 以作为一个下位机，构成基于r s - 4 8 5 总线的远程计算机监控系统。 油水界面的测量是该油水界面智能监测仪的关键性技术，分段式电容传感 器的原理就是将一根全量程长度的圆筒形传感电容进行分段处理，每一段对应 着固定的长度，用现代微电子技术手段，逐段测量每段的电容值，如果所测的 电容值既不是纯油对应的电容值，也不是水对应的电容值，从而便可确定储油 罐内的油水界面。 + 该监测仪采用分段式电容传感器通过在线检测介质( 油和水) 介电常数的 方法，把储油罐内油水界面的动态变化转换为电信号的变化，并对不同层面液 体的电容进行扫描检测，且将检测结果转换成数字量送到单片机进行处理，从 而达到对储油罐内油水界面实时监控与调理之目的。 整个系统的硬件设计和软件设计都采用模块化的设计方法，仿真结果表明 设计方案达到预期目标。 关键词：分段式电容传感器，油水界面，串行通信，介电常数 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ep r o d u c t i o np r o c e s so fc r u d eo i l 。t h ec r u d eo i ie x p l o i t e df r o mt h eo i lw e l i h a sc e r t a i nm o i s t u r ec o n t e n t b e c a u s et h es p e c i f i cg r a v i t yo f o i la n dw a t e ri sd i f f e r e n t ， t h ew a t e ri nt h ec r u d eo i lw i l is u b s i d et h eb a s eo fo i lt a n lm u s tb es e p a r a t e df r o mt h e w a t e ri ns e p a r a t i o nt a n ka n dp r o c e s s e dt ob el o ww a t e rc o n t e n to i l t h e r e 触t h e d e t e c t i o no fo i l - w a t e ri n t e r f a c ei st h ei m p o r t a n ti i n kt or e a l i z et h ea u t o c o n t r o lo f w a t e rl e v e li no i lt a n k 1 1 r e a l - t i m ea n da c c u r a t ed e t e c t i o no fo i l - w a t e ri n t e r f a c ei n o i lt a n ki st h ei m p o r t a n tg u a r a n t e et os u c c e s s f u l l ys e p a r a wo i if r o mw a t e r , a n di sa l t h em a i n l yb a s i so f m a n a g i n ga n dc o m p u t i n gt h eo i lv o l u m e a f t e rt h ec o m p r e h e n s i v es t u d yo fp r e s e n tt h e o r ya n dt e c h n o l o g yo no i l - w a t e r i n t e r f a c ee x a m i n a t i o na lh o m ea n da b o a r d a c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l et h a tt h e d i e l e c t r i cc o n s t a n to f o i la n dw a t e ri sd i f f e r e n t , w ed e s i g nak i n do f o i l - w a t e ri n t e r f a c e i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gi n s t r u m e n tb ys e c t i o n a lt y p ec a p a c i t a n c es e n s o r n l i sp a p e r d i s c u s s e st h ee x a m i n a t i o np r i n c i p l e so fo i l w a t e ri n t e r f a c ea n di t ss y s t e m i cs t r u c t u r e i nd e t a i l a n db o t ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nf o rt h ew h o l es y s t e m 1 1 抡 m o n i t o r i n gi n s t r u m e n ti sc h a r a c t e r i s t i co fi t ss e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dt w o k i n d so fw o r k i n gp a t t e r n s t h em o n i t o r i n gi n s t r u m e n tn o to n l yc a nw o r ks o l e l y b u t a l s oc a nc o n s t i t u t et h ec o m p u t e rs u p e r v i s o r ys y s t e mb a s e d0 1 1t h er s - 4 8 5b u sa sa s l a v e n 圮d e t e c t i o no fo i l - w a t e ri n t e r f a c ei st h ec r u c i a lt e c h n o l o g yo ft h em o n i t o r i n g i n s t r u m e n t , t h ep r i n c i p i l eo fs e c t i o n a lt y p ec a p a c i t a n c es e n s o ri st h a ta l le n t i r e m e 硒u r i n gr a n g el e n g t hc o l u m n a rc a p a c i t a n c es e n s o ri ss e p a r a t e di n t os u b s e c t i o n s ， e a c hs e c t i o nh a st h ef i x e d l e n g t h , m e 嬲u r e se a c hs e c t i o n w i t hm o d e r n m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , i ft h ec a p a c i t a n c ev a l u ed e t e c t e di sn e i t h e rt h e c o r r e s p o n d i n gv a l u eo fp u r eo i l n o rt h ec o r r e s p o n d i n gv a l u eo fw a t e r , t h u st h e o i l - w a t e ri n t e f f a c ei no i lt a n kw i l lb ef i x e do n 1 r i l em o n i t o r i n gi n s t r u m e n tt r a n s f o r m st h ed y n a m i cc h a n g eo fo i l w a t e ri n t e r f a c e i no i lt a n ki n t ot h ec h a n g eo fe l e c t r i cs i g n a l st h r o u g ht h em e t h o dt h a tt h ed i e l e c t r i c c o n s t a n to fm e d i u m ( o i la n dw a t e r ) r e a l - t i m ed e t e c t e db vt h es e c t i o n a l t y p e c a p a c i t a n c es e i l s o r a n dd e t e c t st h ec o r r e s p o n d i n gc a p a c i t a n c eo ft h ed i f f e r e n tl a v e r s l i q u i d , t h e nt r a n s f o r i l l st h er e 刚td e t e c t e di n t ot h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s c db yt h e m c u t h u sa c h i e v et h ei n t e n t i o no fo i l - w a t e ri n t e r f a c er e a l t i m em o n i t o t i n ga n d a d j u s t i n gi no i lt a n k b o t ht h ew h o l es y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nu s et h em o d u l a rd e s i g n m e t h o d t i l es i m u l a t i o nr e s n i tp r o v e st h ed e s i g nu pt ot h ed e s i r e dg o a l k e yw o r d s ：s e c t i o n a lt y p ec a p a c i t a n c es e n s o r , o i l w a t e ri n t e r f a c e ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ，d i e l e c t r i cc o n s t a n t i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 石油是现代社会应用得最为广泛的能源物质之一，其被喻为是现在工业社 会的“血液”，然而石油从开采出来到分离、提炼，再到工业、生活的生产消费， 却是一个极其复杂的过程，仅开采原油就是一道非常复杂的工序。一般情况下， 随着原油的开采，油井内会伴随着有大量的水和气同时产出，即实际开采出来 的是油、气、水的混合物，有时还会伴随有少量的泥沙，在油田采油的中后期， 开采出来的原油含水量会更大。这样开采出来的油水混合物，并不是纯粹的原 油，因而，需要采取一定的工艺处理去除其中的气、水和泥沙等杂质。一般说 来，除去原油中的泥沙和气体是比较容易的，而除去其中的水却是一个很复杂 的过程，相应地也就产生了油水的检测与分离技术【l j l 2 】。 由于原油的生产过程中面临着这样的一个难题，特别是在原油的采收和储 运过程中，油中的水分会沉降在储油罐的底部，占据大量的容积。因此，只有 随时将储油罐中的水排出去，才能够充分利用储油罐的容量，处理成低含水率 的成品原油。因而，必须将开采出来的油水混合物送入油水分离罐中静置一定 的时间，由于油和水的比重不同，在重力的作用下，混合物中的小水滴将会汇 聚成大水珠，进而沉淀到分离罐的底部，其中的油层则浮于水层的上面，再通 过对分离灌内水层和原油层的分别引出，就实现了油水分离的目的。在这个过 程中，对原油层和水层分界面的检测非常重要，然而，由于油水混合物复杂的 物理特性，油水界面的检测也十分特殊，在国内尚无成熟的技术。国外虽然有 较成型的仪器，但其昂贵的价格令人望而却步。如今国内许多油田依然采用原 始的人工方法进行检测，劳动效率非常低下【3 】1 4 l 。 国内先后也开发出多种不同形式的油水界面检测仪器，投入使用后，虽然 取得了一定的效果，但由于工艺和技术水平等各方面的原因，其稳定性、准确 性、实时性、可靠性及成本情况难以适应国内原油生产的实际要求。因此，针 对国内原油生产的特点，研究出适合国内原油的油水界面检测技术，开发出高 品质的仪器仪表，使国内原油分离灌内油水界面的测量技术迈入一个新台阶， 武汉理工大学硕士学位论文 具有重要的社会意义和经济意义。 近年来，随着石油工业的不断发展，许多高新技术、新方法和新型仪表， 如计算机、微电子、光纤、超声波、雷达传感器等高新技术已经应用到油罐的 计量领域，使油罐的自动计量进入到了一个多功能、高精度的新阶段 5 1 1 6 1 。但是， 由于多种原因，这些新技术在油田的原油生产中并没有得到广泛的应用，因此， 原油储罐内油水界面的检测成了一个急待解决的问题。 油水界面的检测是原油的开采、脱水、集输、计量、销售、炼化等过程中 的重要环节。因此，在油田原油的生产和储运过程中，都要求对储油罐中的油 水界面进行检测。准确地对原油储油罐内油水界面进行检测，及时地反映原油 储罐中油水界面的状态，对管理部门减少能耗、降低成本、实现油田的自动化 管理起着重要作用【”。 准确地检测油罐内油水界面是实现原油分离灌自动放水的重要保障，也是 储运系统管理和计算原油储量的主要依据，在自动化技术中占有着重要的位置。 油水晃面检测技术，在原油的开采、加工、储运等过程中都起着重要作用。 为了满足油田现场生产的实际需要，迫切需要结合国内原油的特点和生产 实际，将高新技术引入到原油储罐内油水界面检测的研究开发中，研制出新型、 准确度高、稳定性好的高品质油水界面检测仪器，从而解决目前各种油水界面 检测过程中存在的问题，从根本上提高我国油水界面的检测技术水平删。 根据油水界面测量的特点；该课题正是针对国内油田生产原油过程中的这 个重要环节油水分离问题而提出的。该文研究的油水界面智能监测仪的重 要特色是在该油水界面智能监测仪中设置了串行通信模块，具有两种工作模式。 该油水界面智能监测仪既可以单机独立工作，又可以作为一个下位机，构成基 于r s - 4 8 5 总线的远程计算机监控系统。该监测仪在单机工作时，电容检测电路 把待测的分段式电容传感器各分段电容的大小转化为直流电压信号，经过放大 电路进行放大处理后，再经过a d 转换器把模拟信号转换为数字信号后输入单 片机，经单片机进行一系列的运算处理后，将处理结果通过l e d 显示出来，然 后给出油和水的控制信号，自动调节阀门的开启，实现分离罐的自动切水。 当该监测仪作为一个下位机，构成基于r s - 4 8 5 总线的多机监控系统时，通 过电容传感器把检测到的油水界面的动态变化转换成对应的电信号，再由单片 机通过串口通信电路传送到远端的监控计算机，然后由远程计算机对数据进行 处理和控制，从而实现储油罐自动放水的集中控制和数据的集中管理。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 近年来，随着国内外生产过程自动化水平的不断提高，各国的油田工作者 也先后研制出了基于不同原理的油水界面自动检测装置。当前，国内外油罐液 位测量仪表根据测量方式的不同，可分为接触式和非接触式两种类型，其中测 量原油中含水量的方法也是各种各样，目前，常用的在线检测方法有：t 射线法、 电容法、射频法、短波法及微波法等1 9 1 1 0 1 儿1 。 在1 9 世纪末2 0 世纪初，国外就已经出现了关于油水分离的理论，h a z e n 经 过进一步的探索，于1 9 0 4 年根据实践经验提出了“浅池理论”，“浅池理论”对 推动油水分离技术的发展起到了至关重要的作用【1 2 1 。6 0 年代末至8 0 年代初，国 外主要研制和使用的是各种钢带浮子液位计，大多都是对每个油罐进行独立安 装，现场显示，这类仪表的主要缺点是机械摩擦影响了计量精度，浮子在滑动 杆上容易被敷住1 1 3 l 。随着对计量精度要求的不断提高，出现了伺服式液位计， 由于其使用了伺服马达，消除了因机械摩擦而引起的误差，提高了灵敏度，其 液位的计量精度也得到极大地提高。这一时期的典型产品是美国v a r e c 公司生 产的2 5 0 0 型钢带浮子液位计和6 5 0 0 型伺服式液位计，荷兰n r a f 公司的8 1 l 型伺服动力液位计等。德国的e n r a f - n o n i u s 公司于8 0 年代末期推出了串式 电容物位测量系统，该系统采用多级串式电容液位传感器1 1 4 ”l 。9 0 年代中期， 曼彻斯特理工大学的电子工程系成功地研制出了分段电容阵列法，这种方法的 电容传感器不但对传感器的制作工艺要求很高，而且对安装维护的要求也很高。 近几年，美国研制出了磁致伸缩液位计，这种传感器同时可以测温，具有很高 的测量精度，但是它的致命缺点是不适合测量粘稠的原油i l o j 。 在国内，由于起步比较晚，油水分离技术依然处于初始的研究阶段，目前 依然普遍采用传统的重力油水分离方法。重力分离法原理简单、成本低，目前 不但在国内，在世界上也是最主要的油水分离方法【1 7 1 1 8 1 。重力法的关键技术和 难点在于原油与水的界面检测技术，即油水晃面检测技术。虽然油水界面检测 技术发展了很多年，但是，由于原油与水混合物成分的复杂性，到目前为止还 没有可以十分有效地应用于国内各油田的产品推出0 9 1 2 0 l 。近些年随着大庆油田 等国内大型油田都已经临近了枯油期，原油中的水分含量也越来越高，油田迫 切需要能有效地解决油水分离的一种技术，因此不断地加大对该技术的资金投 入，同时业内人士们的不断关注和油水界面检测技术的不断发展，推动了油水 武汉理工大学硕士学位论文 界面检测技术的迅速发展【2 1 1 1 2 2 1 。目前，已有不少可以小规模应用于特定油田的 技术出现，并且也相继出现了一批专门制造这一类检测仪器的公司，如北京创 新思成科技有限公司、山东力创、兰州科庆仪表公司等。而且检测手段和方法 也得到了长足的发展，目前，不但有传统的电容式、电极式、放射线式、机电 式和浮球式等；超声波探测技术、射频技术和光纤技术等新技术也开始尝试应 用于油水界面的检测中，并且已经取得了一定的成果1 2 3 2 4 1 1 2 5 j 。 1 3 主要研究成果与内容 该文在详细研究国内外油水界面检测技术与理论的基础上，取长补短，根 据油水介电常数不同的原理，采用分段式电容传感器，设计了一种油水界面智 能监测仪。该油水界面智能监测仪主要由硬件部分和软件部分组成，整个系统 的硬件设计和软件设计都采用了模块化的设计方法。该文详细地论述了原油储 罐油水界面的检测方案，并完成了整个系统的硬件部分设计和软件部分设计。 油水界面的测量是该油水界面智能监测仪的关键性技术，分段式电容传感 器的原理就是将一根全量程长度的圆筒形传感电容进行分段处理：每一段对应 着固定的空间高度，用现代微电子技术手段，逐段测量每段的电容值。如果所 测的电容值既不是纯油对应的电容值，也不是水对应的电容值，从而便可确定 储油罐内的油水界面。该监测仪采用分段式电容传感器通过在线检测介质( 油 和水) 介电常数的方法，把储油罐内油水界面的动态变化转换为电信号的变化， 并对不同层面液体的电容进行扫描检测，且将检测结果转换成数字量送到单片 机进行处理，从而达到对储油罐内油水界面实时监控与调理之目的。 针对目前国内油田生产的实际情况，文中对油水晁面检测技术进行了深入系 统的研究，整个系统的硬件设计和软件设计都采用模块化的设计方法。文中首 先论述7 此课题所研究的油水界面智能监测仪的组成原理。接着设计了该监测 仪的具体硬件电路，详细地论述了该系统的检测方案及其工作原理。在系统的 软件设计上，精心策划了模块化编程的程序设计思想与方案，并提供了该系统 的主要模块化程序流程图及其源程序。尤其值得指出的是：该监测仪的重要特 色是该油水界面监测仪中设置了串行通信模块，具有两种工作模式。为储油罐 的集中管理提供了扩展接口，该油水界面监测仪可以单机工作，又可以作为一 个下位机，构成基于r s - 4 8 5 总线的远程计算机监控系统。在传感器的选择上， 4 武汉理工大学硕士学位论文 该系统选用了分段式电容传感器来检测油水界面，克服了传统电容传感器在油 水界面测量方面的不足与缺陷，实现油水界面的在线检测，提高了该系统油水 界面的测量精度 该文共分为七个部分： 第l 章为绪论，首先论述了该课题研究的目的和意义，接着论述了油水界 面检测技术的国内外研究现状，最后论述了该论文的主要研究成果与内容。 第2 章在论述了该油水界面智能监测仪监控系统模型的工作过程之后，策 划了该油水界面智能监测仪的总体设计方案，详细地论述了系统的工作原理， 最后论述了与该油水界面智能监测系统相关的关键性技术。 第3 章详细论述了该油水界面智能监测仪的硬件部分设计，整个油水界面 智能监测仪以单片机为核心，包括复位电路、电容检测电路、串行通信电路、 数据采集等电路。该监测仪用电容检测电路把油水界面的动态变化转换为其对 应的电信号的变化，在经过必要的放大和a d 转换后，由单片机把所得数据进 行处理，再把油水界面的高度及其动态变化由l e d 显示出来，并根据测量数据 自动调节阀门的开启，来实现油罐的自动放水。 第4 章是系统的软件设计部分。对系统各功能模块的软件流程图和软件的 设计思想进行了详细的论述，并给出了该系统的部分软件程序或流程图。 第5 章论述了系统存在的一些干扰来源，论述了干扰的种类，干扰的几种 耦合方式，干扰的形成和干扰的传播途径，然后分别论述了从硬件和软件方面 对干扰所采取的一些抑制性措施。 第6 章主要论述了系统的调试与分析，论述了系统的硬件方面和软件方面 的调试；分析了电容测量误差对界面测量精度的影响，以及影响界面测量精度 的几种主要因素。 第7 章论述了通过研究该课题与设计该课题相关装置所得到的结论，并对 该装置的未来发展提出了新的展望。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 概论 第2 章系统的总体策划 随着油田的开发，油井产出的原油的含水量会大量增加，所以开采出来的 含水原油需要通过输油管道送入沉降罐( 分离罐) 中进行油水分离。以辽河油 田为例，沉降罐一般高为1 8 米，直径为3 0 米，每个采油厂一般有数个到数十 个的沉降罐。为了完成石油、水、气体及泥沙的分离，沉降罐内需要投入适量 的降粘剂、乳化剂、破乳剂，并采用高温蒸气管回路或者是用电加热的方法对 储油罐内的原油进行加热( 温度一般在5 0 1 2 8 0 之闻，平均为7 8 1 2 ) ，经过 一定的时间，就实现了储油罐内的油水分离。由于油和水的比重不同，混合物 中的水份就会逐渐沉积到分离灌的底层，纯油则浮现于水层的上面。为了实现 油水分离，首先，需要对沉降罐中油和水的分界面进行检测1 2 6 1 2 7 。该研究以单 片机为核心，采用分段式电容传感器，设计了一款新颖先进的油水界面智能监 测仪。该监测仪可以单机独立工作，又可以作为远程计算机控制的一个下位机， 构成基于r s - 4 8 5 总线的多机监控系统。当该监测仪通电运行后，程序首先扫描 监测仪的单机工作键是否按下? 如果没有按下，系统主程序默认进入远程计算 机集中控制管理模式；当单独使用该仪器时，按下单机工作键，系统进入单机 工作模式。在单机工作模式下，该监测仪可以完成数据的处理、显示，并控制 外设进行油罐的自动放水等功能。 随着工业自动化生产和工作效率要求的日益提高，油田的集中管理也势在 必行。如果只设置单机工作模式，不利于油田的集中管理。所以，该研究在油 水界面智能监测仪中设置了串行通信模块，为以后进行油田的集中管理提供了 扩展接口。该监测仪具有两种工作模式，该监测仪在通电运行后，首先检测单 机工作键是否按下? 如该键没有被按下，则自动进入远程计算机控制模式。该 监测仪在单机工作时，分段式电容检测电路把待测的传感器各分段电容信息转 化为直流电压信号，经过调理放大处理后，再经过a d 转换模块转化为数字信 号后输入单片机，经单片机进行一系列的运算处理后，将储油罐中的水面高度 通过l e d 显示出来，然后给出油和水的控制信号，自动调节阀门的开启，实现 分离罐的自动放水等功能。当该检测仪作为一个下位机构成基于r s - 4 8 5 总线的 6 武汉理工大学硕士学位论文 多机监测系统进行工作时，通过分段式电容传感器把检测到的油水界面信号转 换成对应的电信号，由单片机经过初步地处理后通过串口传输到端的监控计算 机，然后由远程监控计算机对数据进行处理和控制。 图2 1 所示为监测仪工作在单机工作模式时，监控一个油水分离罐的工作模 型示意图，其具体的工作过程描述如下： 图2 1油水界面监测仪的工作模型示意图 首先该油水界面智能监测仪通电运行后，单片机启动进油泵。并打开进 油阀门，将待分离的、已经处理过的油水混合物用泵抽进储油罐中，注入过程 中，油水混合物与空气的界面不断上升，当上升到一定高度后，关闭进油泵， 开始静置一定的时间。罐中原油与水的混合物经过一定时间的静置后，分成了 空气层、原油层和水层。 7 武汉理工大学硕士学位论文 通过分段式电容传感器把检测到的油水界面信号转换成对应的电信号， 再由单片机对数据进行分析和处理，把处理数据结果通过l e d 显示出来。然后 工作人员根据油水界面的高度决定是否对分离灌放水。当放水键按下后，单片 机打开排水阀，排出油罐内最下层的水；排水过程中，油水界面不断下降，当 油水界面下降至一定高度时，关闭排水阀，排水结束。 接着监测仪检测出油键是否按下，如果按下，单片机控制打开出油阀， 开始排油；排油过程中，油和空气的界面不断下降；当原油与空气界面降到一 定高度时；关闭排油阀，排油结束。 返回到步骤，整个过程不断的循环工作。 2 2 系统的总体架构 该研究根据油水介电常数不同的原理，采用分段式电容传感器，设计了一种 油水界面智能监测仪。数据采集电路把采集来的油水界面信息送到单片机中进 行处理，通过l e d 显示储油罐内水面的高度及其动态变化，并控制外设放出储 油罐底部的水。该油水界面智能监测仪由硬件部分和软件部分组成，整个系统 的硬件设计和软件设计都采用了模块化的设计方法。该监测仪具有两种工作模 式，它可以作为一个完整的油水界面监测仪，也可以作为远程计算机控制的一 个下位机，构成基于r s 4 8 5 总线的多机监控系统。该系统选用了分段式电容传 感器来检测油水界面，克服了传统电容传感器在油水界面测量方面的不足与缺 陷，实现油水界面的在线检测，提高了该系统油水界面的测量精度。 2 2 1 整体框图 该油水界面智能监测仪采用分段式电容传感器通过在线检测油水界面的方 法，把油水界面的变化转换为电信号的变化，测量电路是把被测对象对应的电 容转变成为电信号的电路，数据采集模块包含分段式电容传感器、电容检测电 路、恒流源电路、5 5 5 定时器组成的方波产生电路、放大电路和a d 转换电路。 测量系统采用功能强、价格低的a t 8 9 c 5 1 单片机做处理器，手控电路与远程计 算机的控制构成了该智能监测仪的控制模块，既可以实现集中又可以实现单机 手控操作。单片机完成数据采集、数据处理、数据显示、控制外设进行油罐的 自动放水等一系列功能。外设为步进电机驱动的自动放水系统和分离灌的进油 8 武汉理工大学硕士学位论文 系统。油水界面的数据经过处理后通过l e d 显示油罐内水面的高度，该油水界 面智能监溯仪的整体框图如图2 - 2 所示。 圈日 麴爵 a t 8 9 c 5 l 阿 图2 - 2 系统的整体框图 2 2 2 功能模块 该油水界面智能监测仪主要分为一下几个模块：数据采集模块、串行通信 模块、键盘控制模块、显示模块、外设控制模块、报警模块。下面简要论述一 下这几个主要模块的构成及其功能作用。 数据采集模块。数据采集模块包含分段电容传感器、电容检测电路、恒 流源电路、5 5 5 定时器组成的方波产生电路、放大电路和a d 转换电路组成。该 模块把油水界面的信号转换为相应的电信号后，经过放大处理，a d 转换后送到 单片机中进行处理。 串行通信模块。主要用于以后的系统扩展，串行通信模块主要用于单片 机与p c 的通信，当该监测仪仪工作在集中控制模式时，由单片机通过串口传送 到远端的监控计算机，然后由远端监控计算机控制对数据进行分析和处理，并 控制单片机打开排水阀排出储油罐内最下层的水。 键盘控制模块。键盘控制模块主要用于单机工作模式，以方便人工操作。 在单机工作模式下，工作人员通过键盘实现人机对话，来完成沉降罐放水，出 油等工作。 9 武汉理工大学硕士学位论文 显示模块。显示模块用来显示沉降罐内水面的高度，该显示模块采用4 段数码管进行数据显示，由三极管构成的驱动电路为l e d 显示提供驱动电流。 外设控制模块。主要由进油泵电机、排水阀电机和出油阀电机的驱动电 路构成，由单片机控制，来完成沉降罐的进油，放水，出油等功能。 报警模块。该模块主要用于油水界面智能监测仪的故障报警，油水界面 智能监测仪发生故障时，发出报警信号，提醒工作人员前去维修。 2 3 相关设施 传感器技术、单片机技术、数据采集技术、串行通信技术等是智能仪器的 理论基础，也是与文中设计的油水界面智能监测仪的主要理论依据，下面主要 介绍一下传感器技术、a t 8 9 c 5 1 单片机、a d c 和d a c 、r s - 4 8 5 总线。 2 3 1 传感器 传感器是摄取信息的关键性器件，它与通信技术和计算机技术构成了信息 技术的三大支柱，是现代信息系统和各种装备中不可缺少的信息采集手段，也 是采用微电子技术改造传统产业的重要方法，对提高经济效益、科学研究与生 产技术的水平有着举足轻重的作用。传感器技术的水平高低不但直接影响信息 技术水平，而且还影响信息技术的发展与应用。目前，传感器技术已经渗透到 了科学和国民经济的各个领域，在工农业生产、科学研究及改善人民生活等方 面，起着越来越大的作用。为适应智能仪器发展的需要，各种新型传感器不断 涌现。传感器的发展经历了三个阶段： 聋哑传感器 传统的传感器是模拟仪器仪表时代的产物。它的设计指导思想是把外部信 息变换成模拟电压或电流信号。这类传感器的输出幅值小，灵敏度低，而且功 能单一，因而被称为“聋哑传感器”。 智能传感器 微电子技术、光电子技术获得了迅猛的发展，加工工艺逐渐成熟，新型敏 感材料不断被开发出来。在高新技术的渗透下，尤其是计算机硬件和软件技术 i o 武汉理工大学硕士学位论文 的渗入，使微处理器和传感器得以结合，产生了具有一定数据处理能力，并能 自检、自校、f l * l , 偿的新一代传感器智能传感器。智能传感器的出现是传 感技术的一次革命，对传感器的发展产生了深远的影响。 网络化传感器 网络通信技术逐步走向成熟并渗透到各行各业，各种高可靠、低功耗、低 成本、微体积的网络接口芯片被开发出来，微电子机械加工技术，将网络接口 芯片与智能传感器集成起来并使通信协议固化到智能传感器的r o m 中时，就产 生了网络传感器。智能传感器和网络化传感器的飞速发展大大提高了信号检测 能力，进而推动智能仪器总体性能的提高。 2 3 2a t 8 9 c 5 1 单片机 a t 8 9 c 5 1 是美国a t m e l 公司生产的低电压、高性能的c m o s 8 位单片机， 片内含有4 k 字节的可反复擦写的只读程序存储器p e r o m 和1 2 8 字节的随机存 取数据存储器r a m ，器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产， 兼容标准的m c s 5 1 指令系统，内置通用的8 位中央处理器( c p u ) 和f l a s h 存 储单元。功能强大的a t 8 9 c 5 1 单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活 应用于各种工业的控制领域。 ( 1 ) 主要性能参数 与m c s 5 1 产品的指令系统完全兼容 4 k 字节的可重擦写f l a s h 闪速存储器 1 0 0 0 次写擦循环周期 全静态操作：0 i - i z 2 4 加电 三级加密程序存储器 1 2 8 字节内部洲 3 2 个可编程i o 线 两个1 6 位定时器，计数器 6 个中断源 可编程串行u a r t 通道 低功耗的闲置和掉电模式 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 功能特性概述 a t 8 9 c 5 1 单片机提供以下的标准功能：4 k 字节的f l a s h 闪速存储器、1 2 8 字节内部r a m 、3 2 个i o 口线、两个1 6 位定时，计数器、一个5 向量的两级中 断结构、一个全双工串行通信口、片内振荡器及时钟电路。同时，a t 8 9 c 5 1 可 降至0 t - l z 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停 止c p u 的工作，但允许r a m 、定时，计数器、串行通信口及中断系统继续进行 工作。掉电方式保存r a m 内的内容，振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作 直到下一个硬件复位为止。a t 8 9 c 5 1 单片机管脚分布如图2 - 3 所示。 a t 8 9 c 5 1 p 1 0v c c p 1 1 p 0 0 p 1 2p 0 1 p 1 3p o 2 p 1 4p o 3 p 1 5 p o a p 1 6 p 0 5 p 1 7p o 6 r s t p 0 7 p 3 0 r x de a v p p 1 7 3 1 t x da l b 雪r o g p 3 2 ，n 呵t 0p e s n p 3 3 r n t lp 2 7 p 3 4 t 0p 2 6 p 3 5 t 1 p 2 5 p 3 6 w rp 2 4 p 3 7 r dp 2 3 x t a l lp 2 2 x t a l 2p 2 1 g n d p 2 0 图2 - 3a t 8 9 c 5 1 单片机管脚分布图 ( 3 ) 引脚功能说明 v c c ：供电电压。 心d ：接地。 p o 口：p o 口是一组8 位漏极开路型双向i o 口，也即地址数据总线复用口。 作为输出口用时，每位能驱动( 吸收或输出电流) 8 个t t l 逻辑门电路，对端 口写“l ”可作为高阻抗输入端使用。在访问外部数据存储器或程序存储器时， 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 这组口线分时转换地址( 低8 位) 和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉 电阻。在f i a s h 编程时，p o 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节， 校验时，要求外接上拉电阻。 p l 口：p l 是一个带内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p l 的输出缓冲级可驱 动( 吸收或输出电流) 4 个r r l 逻辑门电路。对端口写“l ”，通过内部的上拉 电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上 拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流i n 。f i a s h 编程和程序校验 期间，p l 接收低8 位地址。 p 2 口：p 2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向v o 口，p 2 的输出缓冲级可 驱动( 吸收或输出电流) 4 个r r l 逻辑门电路。对端口写“l ”时，通过内部的 上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存 在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流i m 。在访问外部程序 存储器或1 6 位地址的外部数据存储器( 如执行m o v x i ) p t r 指令) 时，p 2 口 送出高8 位地址。在访问8 位地址的外部数据存储器( 如执行m o v x r i 指令) 时，p 2 口线上的内容( 即特殊功能寄存器s f r 区中r 2 寄存器的内容) 在整个 访问期间不变。f l a s h 编程或校验时，p 2 亦接收高位地址和其它控制信号。 p 3 口：p 3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向f o 口。p 3 口的输出缓 冲级可驱动( 吸收或输出电流) 4 个r r l 逻辑门电路。对端口写“l ”时，它们 被内部上拉电阻拉高，并可作为输入端口。作输入端口时，被外部拉低的p 3 口 将用上拉电阻输出电流i m 。p 3 口还接收一些用于f l a s h 闪速存储器编程和程序 校验时的控制信号。p 3 口除了作为一般的i o 口线使用外，更重要的用途是它 的第二功能，如表2 1 所示。 r s t ：复位输入。当振荡器工作时，r s t 引脚上出现两个机器周期以上高电 平时将使单片机复位。 删p r o g ：当访问外部程序存储器或数据存储器时，a l e ( 地址锁存允 许) 输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。即使不访问外部存储器，a l e 仍以 时钟振荡频率的1 6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时 的目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个a l e 脉冲。对f l a s h 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲p r o g 。如有必要，可通过对特 殊功能寄存器s f r 区间8 e h 单元的d o 位进行置位，禁止a l e 操作。该位被置 武汉理工大学硕士学位论文 位后，只有一条m o v x 和m o v c 指令，a l e 才会被激活。此外，该引脚会被 微弱拉高，单片机在执行外部程序时，应设置a l e 无效。 p s e n ：外部程序存储器的选通信号。当a t 8 9 c 5 1 由外部程序存储器取指 令( 或数据) 时，每个机器周期两次p s e n 有效，即输出两个脉冲。在此期间， 当访问外部数据存储器时，这两次有效的p s e n 信号不出现。 表2 - 1p 3 口管脚的第二功能 端口引脚第二功能 p 3 0 r x d ( 串行输入口) p 3 1 t x d ( 串行输出口) 1 3 2丽石( 外部中断o ) p 3 3雨丽( 外部中断1 ) p 3 4 t o ( 计时器0 外部输入) p 3 5t l ( 计时器1 外部输入) 1 3 6w r ( 外部数据存储器写选通) p 3 7 r d ( 外部数据存储器读选通) e a v p p ：欲使c p u 只访问外部程序存储器( 地址为0 0 0 0 h f f f f h ) ，e a 必须保持低电平( 接地) 。需注意的是：如果加密位l b i 被编程，复位时内部 会锁存e a 端的状态。如e a 端为高电平( 接v c c 端) ，c p u 则执行内部程序 存储器中的指令。f l a s h 存储器编程时，该引脚加上+ 1 2 v 的编程允许电源。 x t a l l ：振荡反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 x t a l 2 ：振荡器反相放大器的输出端。 2 3 3a d c 和d a c 2 0 世纪，电子行业的发展给人们的生活带来的巨大影响，是人类历史中前 所未有的，在电子行业中，如何将现实的模拟世界和电子的数字世界连接起来 是关键之所在，接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和 输出接口。a d c 和d a c 器件就是连接模拟信号源与数字设备、数字计算机或其 它数字系统之间联系的桥梁。a d c 的任务是将连续变化的模拟信号转换为离散 的数字信号，以便于数字系统进行处理、处理、控制、显示，d a c 的作用是将 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 经过处理的数字信号转换成模拟信号进行处理。 现在的软件无线电、数字图像采集都需要有高速的a d c 采样保证有效度和 精度，一般的测控系统也希望在精度上有所突破。a d c 主要有并行、逐渐逼近 型、积分型、一型和流水线型a d c ，它们各有优缺点，能满足不同的应用场 合的使用。 逐渐逼近型、积分型、压频变换型等主要应用于中速或较低速、中等精度 的数据采集和智能仪器中。分级型和流水线型a d c 主要应用于高速情况下的瞬 态信号处理、快速波形存储与记录、高速数据采集、视频信号量化及高速通信 技术等领域。此外，采用脉动型和折叠型等结构的a d c ，可应用于广播卫星中 的基带解调等方面。型a d c 主要应用于高精度数据采集特别是数字音响 系统、多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量领域。 数据采集就是将模拟输入信号经a d 转换后进行信号处理，最后经d a 转 换器将数字信号转换为模拟信号。数据采集的基本流程如图2 4 所示。 模拟信号输入 二二三三二二 _ 三三三三三三 ：j ；! + 模拟信号输出 图2 - 4 数据采集的基本流程图 2 3 4r s - 4 8 5 总线 串行通信是c p u 与外界进行信息交换的一种方式，是指数据按顺序进行位 传输的一种方式。串行通信有两种基本工作方式，即异步传送与同步传送。串 行通信的主要优点是对硬件传输资源需求较少，只要几根数据传输线即进行， 从而降低了硬件成本