毕业论文-动液面监测系统研究

摘 要 在油井开采过程中，需要对油井的温度、压力、动液面等参数进行不定期测量以监控采油过程，其中动液面是一个重要的参数。传统的动液面测量方法由人工操作、人工信号判读。其数据计算整理工作繁琐，误差大、自动化程度低、效率低。本文分析了传统动液面测量并与新型的动液面测量系统进行对比，研究了动液面测量的详细步骤。并 以 STC89C52 单片机为核心 设计 超声波测距的硬件电路和软件 来模拟动液面检测系统 。 首先设计了系统的整体方案，整个电路采用模块化设计，包括 控制模块、数据采集模块、显示等模块等，软件 由主程序、预置子程序、发射 子程序、接收子程序、显示子程序等组成。最后对系统进行调试，实现了测距的功能。 关键字： 动液面； STC89C52；油井； 测距 Abstract In the process of oil exploitation， the well needs irregular detection of temperature, pressure, working level and other parameters to monitor a production process The working level is an important parameter Traditional working level measurement by the manual operation and artificial signal interpretation. Data collation and calculation are complicated with big error, low degree of automation and low efficiency. This paper analyzes the traditional working level measurement compared to the new measurement system, and studies the working level measurement detailed steps. The hardware and software of the ultrasonic range is designed based on STC89C52 to simulate the working level detection system. First, the overall scheme of the system is designed with module design method, including control module, data acquisition module, display module etc. The software consists of main program, preset subroutine, launched subroutine, receive subroutine. display subroutine and so on. Finally, debugging the system and the system implements the functions of ranging. Key words: Working level； STC89C52； Oil well； Distance measurement I 目 录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题的来源及意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.3 研究内容 . 3 第 2 章 动液面测量基础 . 4 2.1 液位测量方法 . 4 2.2 数字仪表 . 5 2.3 动液面测量系统及研究内容 . 6 2.4 超声波测距模拟动液面检测系统 . 8 2.5 本章小结 . 9 第 3 章 系统硬件设计 . 10 3.1 控制器模块设计 . 10 3.2 显示模块设计 . 14 3.3 A/D 转换模块设计 . 16 3.4 报警电路模块设计 . 17 3.5 系统总电路图 . 18 3.6 本章小结 . 19 第 4 章 系统的应用软件设计 . 20 4.1 STC89C52 单片机调试及开发工具 . 20 4.2 主程序流程 . 20 4.3 数码管显示驱动程序 . 21 4.4 中断程序 . 22 4.5 定时器初始化子程序 . 22 4.6 A/D 转换程序 . 23 4.7 本章小结 . 23 II 第 5 章 系统调试 . 24 5.1 安装 keil 软件 . 24 5.2 程序调试 . 29 5.3 调试成果 . 33 5.4 本章小结 . 34 结 论 . 35 参考文献 . 36 致 谢 . 37 附 录 . 38 东北石油大学本科生毕业设计（论文） 1 第 1章 绪论 1.1课题的来源及意义 油田在开采初期，油井主要依靠原始的地层能量，利用原始地层压力进行自喷开采。在开采过程中，地层能量逐渐减低，油井必须依靠人工开采的方式将原油从地层举升至地面。在利用人工举升方式进行生产的过程中，需要了解油井的参数，来分析判断油井的工作情况，其中动液面深度是一个非常重要的参数。 油井动液面一般采用根据声波反射原理的回声仪测量。以往使用的回声仪都是将微音器得到的回声波信号经过放大、滤波之后打在纸带上，然后进 行人工分析。这种方法会由于指针的灵敏性和外界的干扰造成分辨率低、不易辨识等问题。随着电子技术，特别是计算机技术的发展，可以设计一定的电路，将微音器得到的回声波信号经过放大、滤波之后经过模 /数转换成为数字化信号，记录和存储在计算机上来进行分析和解释。对测量动液面反射声波的数字化有着很多的优点。第一，经过模 /数转换的数字化，信号的分辨率得到了提高，不再受到纸带分辨率差的限制。第二，计算机可以利用回声波数据进行自动、实时处理得到油井动液面深度。第三，计算机可以经过编程实现无人值守操作，自动对油井动液面深度进行测量 ，提高了安全性和工作效率。 油井动液面深度从井口到数千米不等，油井的井身轨迹并不是严格地竖直，会出现弯曲，从而使声波传播过程中受到影响。随生产的进行，油井压力和温度都会发生变化，井中的各种流体、固体随着温度和压力的变化而有状态和性质的变化，因此油井的油套环空中的状态是复杂的，复杂的情况容易使动液面的测量出现一些干扰。除去油井的井身轨迹对动液面测试的影响，油套环空中影响动液面测量的因素可以分为两类，一类是油套环空通道形状变化的影响，如：死油帽子、稠油、泡沫油、结蜡、油管柱变径和井身轨迹等因素的影响。另一类是噪 音的影响，如：井下潜油电机转动、抽油杆运动造成机械振动产生的噪声的影响等 1 。 环空中出现的死油对声波法动液面测试影响严重。由于重力分异，在泵吸入口以上充满了密度小的原油，当环空中的动液面较高时，动液面距离产出油层位置较远，温度降低，当温度降低到原油的凝固点以下时，原油会凝固，形成一个死油帽子，用声波法测油井动液面时，这个死油帽子会反射声波，造成真实的动液面无法辨识。 目前国内液位测量系统的生产采用引进加仿制的方法来开发。近些年来，国内有许多家公司和科研机构陆续推出了自行研发的动液面测量仪器，其精度也日 2 益 提高。而进口的动液面测量系统功能齐全，精度也相对较高，但是其价格比较昂贵，而且维修起来也不是十分方便，对于小型用户来说并不是理想的选择，国内自行研究生产的液位测量系统价格相对便宜，但精度相对不高，且功能单一。 现在的动液面测量方式一般分为两类，接触式测量仪表与非接触式测量仪表。接触式测量仪表由于其敏感元件与被测液体直接接触，而且多数存在传动部件，因此在使用过程中，或多或少的存在一些精度较低、维护开销大或使用寿命较短的弊病。而非接触式测量仪表其敏感元件不与被测液体直接接触，而且一般不存在可动部件，测量精度高且 在使用过程中对维护的要求比较低，特别是可以适应一些相对恶劣的环境的测量。因此非接触式的动液面测量系统是动液面测量方面的必然发展趋势 2 。 1.2国内外研究现状 传统的动液面测量方法均是由人工操作发声设备发射声波，通过分析所得回波曲线，确定节箍波数目以及液面回波的位置，将其代入计算公式中得到动液面值。显然，这种测量方法是比较落后的，并且测量误差大、效率低 3 。 如何能使螺杆泵稳定工作？这是国内外一些学者正在研究的问题，而动液面的测量就是研究的一个重要方面，其目的就是要提高采油率。目前，在这方面也取得了一定 的成果。 有几家公司已经做出了自己的产品，包括井岗山仪表厂、江汉石油管理仪表厂等。其中，井岗山仪表厂生产了 ZJY-1 型液面自动监测仪以及 CJ 型回声仪。ZJY-1 型液面自动监测仪可用于抽油井环形空间液面和套压，按一定的时间间隔程序进行定时自动监测，为抽油井进行不稳定试井提供基础数据。其液面测深范围为 10 2000m，该测量系统体积大，比较重。 CJ 型系列产品有： CJ-1 型、 CJ-2型、 CJ-3 型三种。 CJ-1 型与 CJ-2 型只是一处仪表（井口装置即声响发生器）不同而已， CJ-1 型配备声弹击发式， CJ-2 型配备 气枪式；而 CJ-3 型的仪表小型化，仪表结构与 CJ-1 型不同而原理相同。 CJ-1 型的最大测井深度为 3000m， CJ-2 型和CJ-3 型的最大测井深度为 2500m。此系列产品是以美国生产的 D-6B2 型回声仪为样机仿制而成，其结构原理、功能及操作方法等与 D-6B2 型回声仪相同。这类产品由记录笔记录节箍波及液面波，不能直接显示液位值。江汉石油管理仪表厂推出 SH3 型回声仪，其可测量深度为 1500 2000m。该产品采用声弹发生装置，由记录仪和井口装置组成，通过记录曲线上的节箍波数目计算液位深度，自动化程度低，误差大。 国内生产的这些产品价格相对国外要低，但都存在自身的缺点，测量精度不如进口设备，且不能实现闭环控制 4 。 国外生产的动液面测量系统与国内相比，技术比较成熟，误差小，但是价格偏高且不便于维修。 3 1.3 研究内容 （ 1）动液面测试系统总体方案研究与设计。根据目前国内油田使用的动液面测试系统存在的缺点进行分析，提出总体的设计方案。 （ 2）动液面测试系统的硬件设计。选择型号为 STC89C52 的单片机为电路的核心，硬件电路包括电源电路、信号输入和滤波电路、 CPU、数码管显示模块以及 TTL 转 RS232 电路等， 主要实现声波发射、数据采集、数据处理、界面显示及远程通讯等功能。 （ 3）动液面测试系统的软件设计。设计软件整体框架，存储油井测量数据。采用数码管显示结果，通过判定所得动液面值的异常情况，选择合理的工作制度，实现闭环控制。按照设计思路完成程序的编写。 （ 4）通过采样数据验证数据处理程序的可行性。 4 第 2章 动液面测量基础 2.1 液位测量方法 液位属于物位中的一种，是指密封容器（池子）或开口容器（池子）中液位的高低。液位测量就是通过检测液面两侧物质的特有性质，或者 是一些相同的物理参数（例如电阻、电容、电感、差压以及声速和光能等）在液面两侧所发生的变化，从而确定液位的方法。在现实生活中，测量液位是比较常见的。针对不同情况和用途，仅传统的液位测量方法就有 20 多种。从大类上可将其归为两类，即连续测量和位式测量。在石油行业一般使用连续测量 5 。 2.1.1 动液面测量方法 油田上用于动液面测量的方法主要有浮筒法、压力计探测法和回声法三种。 浮筒法利用浮筒测量动液面深度，因其受到自身重量和体积的限制，只适合在环空井和敞开井中使用。浮筒法操作简单、方便，但在测量时井中的环 形空间不能有压力。压力计测量法通过压力数据计算动液面值，在所有油井中都能够使用，并且测量结果比浮筒法准确。但这种测量方法存在停点选择的问题，测量工期长，操作比较麻烦且对操作人员的技术水平要求很高。回声法测量液面操作简单、方便，成本较低，且不需要把测量仪器放到油井中，适合抽油井在不停产的情况下进行测量。因此，本课题选用回声法测量动液面深度 6 。 2.1.2 声波 声波在气体介质传播过程中，遇到障碍物会发生反射，检测出声波在介质中的传播速度，以及反射波从障碍物处到声源处所经过的时间，便可计算出声源和障碍物间的 距离。这就是液位测量中回声法的测量原理 7 。 按照不同频率可将声波分为次声波（ 020Hz）、音频信号（ 2020KHz）、超声波（ 20KHz1GHz）、甚超声波（ 1GHz10THz）。 超声波在传播过程中衰减较小，遇障碍物时发生反射的信号较强，且发射和接收设备简单，因而不断应用于各个领域，如军事、医疗、容器、储油罐等。目前，超声波技术发展迅速，超声波不仅能够实现定点和连续液位测量 ,而且提供遥测或遥控所需信号很方便。但传播介质的物理性质（浓度、温度、压力等）会影响超声波的传播速度。因此，如果是短距离测 量（ 100 米以内），可用超声波信 5 号源，但在这个测量范围外便很难检测到回波。油井动液面值均大于超声波的可测量距离，此外，油井井况非常复杂，故超声波液位系统不适合油井动液面的测量。 与一般的声波、光波和无线电波等相比较，次声波的传播距离要远得多。例如，当次声波的频率小于 1Hz 时，其传播距离可达到几千至上万千米。次声波的穿透力很强，不管是大气、海水、土壤，还是坚固的钢筋水泥建筑物，都不能阻挡其通过。可见，次声波具有传播远、穿透力强的特点。次声波的在介质中的传播速度与音频信号相同，不同之处在于次声波频率较音频信 号低，只有极少一部分被介质吸收，即便在复杂的油井井况中，次声波的衰减也是较弱的。基于以上的特点，次声波适合用于油井动液面测量 8 。 2.2 数字仪表 随着电测技术、计算机技术、通讯技术的飞速发展，对测量设备和测量技术也提出了新要求，数字化测量就是近 20 多年来发展起来的新技术。利用数字化技术不仅可以对各种参数进行测量，而且可以通过接口技术与计算机配合实现自动化测量和生产过程的自动控制，数字测量仪表的应用也越来越广泛。 数字化测量技术的基本内容是指连续的被测物理量转换成相应的量子化了的断续量，即将模拟量自 动的转化成数字量，然后予以数字编码，进行传输、存储、显示、打印（即用仪器仪表以数字形式显示和打印测量结果）。 各种物理量从理论上都存在着这种处理的可能性，但最方便、最直接、最容易实现的还是电量，即直流电压和频率，易于实现数字化。其它物理量则可通过中间手段，如传感技术、转换技术将其转换为直流电压和频率后再对其进行数字化测量。 相对于其它仪表，数字化测量仪表具有测量精度高、速度快、读数方便，并可以实现自动化测量和将测量结果以数码形式进行传输等特点。随着计算机的发展，利用 GPIB 或 RS-232C 等通用接口，数字化 测量仪表已实现自动化、程序化。 由于微处理器的普遍应用，现代数字测量仪表已经从技术和应用上完成了它的普及阶段，正向新的阶段发展，其发展趋势有以下几个方面： （ 1）向精密测量领域发展并实现程控操作。 装有微处理器的测量装置，具有高的稳定性和准确性，这是精密测量领域所期望的。同时，测量过程编排、功能和量程的选择、测量结果的显示均可通过键盘及 LCD 实现。 （ 2）可实现动态测量。 在测量过程中，它可以自动进行数据处理，输出被测动态过程的各个参数值，动态测量在电测领域中正在高速发展。 6 （ 3）数字化测量技术与计算机配合 可以构成十分复杂的数字化自动测试系统。 2.3 动液面测量系统及研究内容 2.3.1 油井动液面的测量系统 动态液面测量系统主要由 3 个部分组成，分别是声波发生装置、声波接收器和波形处理装置等。图 2-1 所示为油井动液面测量示意图。 图 2-1 油井动液面测量示意图 由图 2-1 可见，两根管段间由油管节箍连接在一起，每根管段长度一定且为已知，整根油管由上百根管段连接而成。测量时，控制声波发声装置发射声波，产生一个起始脉冲。声波通过油管与套管间空气介质向井下传播，在传播过程中，每遇到一个油管节箍就会反射一个回波 ，组成节箍波信号。由于两个油管节箍间距基本相等，则所得的节箍波信号是一个周期信号，且每个周期范围内，节箍波信号的幅度最大且只有一个。当声波到达液面时，节箍波信号已经衰减为很小，此时接收到的一个较强的回波就是液面回波信号。由于传统的测量方法存在自动化程度低、效率低及工作量大等缺点，现在动液面测量系统的发展趋势是：采用微处理器（单片机）控制发声装置发射声波，由传声器接收回波信号，并将其转化为电信号，经放大滤波、采样、 A/D 转换及信号处理后直接的得到动液面值，达到自动测量油井动液面值的目的 9 。 7 2.3.2 计算方法 动液面测试的设备种类较多，常用的有声弹型，氮气型井口连接器，并配合相应的综合测试仪，单井的动液面数据一般按旬或月度来测试获取。动液面的计算方法，常用的有 .音标比较法与节箍法。 1.音标比较法 在油管下部某一节箍上加装一个音标（一般遮住油套环空的 50% 70%），声波遇到音标产生反射脉冲，音标的深度已知。深度 112 / LHLH ， H 是井口至液面深度， 1H 是井口至音标深度， 1L 是记录曲线上声波至音标长度， 2L 是记录曲线上声波至液面波长度，各单位均是毫米。 2.节箍法 此方法的最大特点就是放大器分为高频放大和低频放大两部分，高频放大部分用来记录有关节箍的反射波，低频部分用来记录动液面的反射波，液面深度nn LHLH /2， H 是井口至液面深度，nH是井口第 n 根油管的累积长度（施工资料查得），nL是记录纸上声波至 n 个油管接箍波长度， 2L 记录纸上声波至液面波长度，各单位均是毫米。 2.3.3 测量设备 人们在早些时期 测试油井液面，全部采用声弹型液面测试装置，进行液面测试工作。考虑到采用 声弹型液面测试装置有一定危险性，开始引进氮气液面测试装置，动液面测试工作逐步由声弹型向氮气型转化。 而随着油田开发工作的不断广泛深入，健康、安全、环保的理念被人们认同和接受，越来越多的新技术，新设备也被引进到油田工作当中，针对在实际工作当中发现的，有的井套管气比较丰富的情况，受到氮气测试设备的启发，一种全新的液面测试发声装置也应运而生，并渐渐取代传统的测量装置 1、声弹发声装置 声弹发 声 装置是使用最普遍，最广泛，同时也是应用时间最长的一种测试液面的发声装置，基本原理是枪击击发声弹底火，使声弹内部的火药短时间内 迅速反应膨胀，产生液面测试所需声波。 安全性 来说， 声弹型发声装置的声弹属军控易爆物质，在购置、运输和储存上手续繁琐，存在一定的安全隐患，对于一些套管气体压力高的油井，底火在激发时，易产生火花，引起安全事故，出于安全考虑，从 2010 年 6 月开始已经逐步停止使用。 8 实用性来说 声弹型发声装置在击发瞬间产生的能量较大，声波的频谱分布广，因冲破声弹折痕，损失能量较大，且易产生杂波，故对测试的深度有一定的影响。 2、 氮气发声装置 氮气发声装置在发生原料上和声弹不同，采用化学性质比较稳定的惰性气体氮气，基本原理是通过对拉 环的控制，实现气包内较高压力的氮气向井筒内的释放，产生动液面测量所需要的声波。 安全性来说， 氮气型发生装置采用的氮气，在放气发声的瞬间，无火星产生，提高了安全性。 实用性来说， 氮气型发声装置依靠压缩包内的氮气作为发生源，与声弹的频谱范围相似。释放能量较大，能在一些较深井，含气量太大、太小井，斜井等复杂井况中使用，液面效果测试良好，能满足油田各种井况的测试需要。 3、 新型动液面测试发声装置 新型井口发生器的想法源于氮气测试设备，摒弃了向气包里充高压氮气作为发声源的方式，针对三叠系油藏伴生气丰富的特点，采用一定压力 的套管气作为发声能量源，在保证密封性的同时，通过对放气阀的控制实现气体的释放，产生液面测试所需要的声波。产生的声波频率较为集中，低频范围能量充足，液面发射波清晰可辨，高频范围段声波的能量相对较小，油管节箍也能满足一般计算软件的计算要求。 安全性来说，由于采用憋有压力的套管气作为发声源，无需其他附加加压设备，体积小，重量轻，不存在运输、使用和储存上的安全隐患，排气的通道适当修改，避免操作时产生的意外伤害，安全性大大高于声弹和氮气测井。 实用性来说，用套管气为能量源，因各个井的实际情况不同，所积累的能量也不同， 但是其将有效的能量是放在了对液面和节箍反射波上，且含有的干扰杂波小。准确性高、重复性好、基本满足目前油田现有井况测试要求 10 。 2.4 超声波测距模拟动液面检测系统 下图是超声波的测距原理： 图 2-3声波测距原理 9 本文用超声波测距模拟动液面检测系统，下面是该检测系统框图： 图 2-2 声波测距仪原理框图 本系统采用单片机来控制的声波测距仪，先由单片机产生一个 40KHZ 信号，经过信号线，把信号引入到与声波发射器相连的信号引脚上，经放大后再由声波发射器向某一方向发射声波，在发射时刻的同时开始计时，声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为 t。声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离 (s)，即： S=Pvt/2 2.5 本章小结 简单介绍了动液面的测量方法。油田上用于动液面测量的方法主要有浮筒法、压力计探测法和回声法。然后介绍了声波的分类及其在动液面检测系统中的使用，还有数字仪表的发展和应用 。最后重点介绍了动液面测量系统及研究内容并绘制出检测系统框图。 声波发射器 放大电路 声波接收器 放大电路 锁相环 检波电路 定时器 单片机 控制 显示器 10 第 3章 系统硬件设计 3.1 控制器模块设计 在 动液面监测系统 的设计中，单片机是其核心部件。单片机一方面要接收来自传感器送来的感应信号和故障检测信号，另一方面要对不同信号分别进行处理，控制后续电路的相应工作。如今市面上比较普遍的单片机主要是 89C52 系列。89C52 单片机应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，编程灵活，控制简单，很适合我们所要制作的 动液面监测系统 11 。 3.1.1 单片机概述 单片机诞生于加世纪 70 年代，像 Fairchild 公司研制的 F8 单片微型计算机。所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元 （ Center Processing Unit，也即常称的 CPU）和数据存储器 （ RAM），程序存储器 （ ROM） 及其他 I/O 通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及 A/D 转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。 20 世纪 70 年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成 规模还比较小，功能比较简单，一般均把 CPU、 RAM 有的还包括了一些简单的 I/O 口集成到芯片上，像 Fairchild 公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。类似的单片机还有 Zilog 公司的 Z80 微处理器 12 。 1982 年以后， 16 位单片机问世，代表产品是创 INTEL 公司的 STC-96 系列，16 位单片机比起 8 位机，数据宽度增加了一倍，实时处理能力更强，主频更高，集成度达到了 12 万只晶体管， RAM 增加到了 232 字节， ROM 则达到了 8KB，并且有 8 个中断源，同时配置了多路的 A/D 转换通道，高速的 I/O 处理单元，适用于更复杂的控制系统。 九十年代以后，单片机获得了飞速的发展，世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的单片机。美国 Microchip 公司发布了一种完全不兼容 STC-51 的新一代 PIC 系列单片机，引起了业界的广泛关注，特别它的产品只有 33 条精简指令集吸引了不少用户，使人们从 INTEL 的 111 条复杂指令集中走出来。 PIC 单片机获得了快速的发展，在业界中占有一席之地。 11 1990 年美国 INTEL 公司推出了 80960 超级 32 位单片机引起了计算机界的轰动，产品相继投放市场，成为单片机 发展史上又一个重要的里程碑。 此期间，单片机园地里，单片机品种异彩纷呈，争奇斗艳。有 8 位、 16 位甚至 32 位机，但 8 位单片机仍以它的价格低廉、品种齐全、应用软件丰富、支持环境充分、开发方便等特点而占着主导地位。而 INTEL 公司凭着他们雄厚的技术，性能优秀的机型和良好的基础，目前仍是单片机的主流产品。只不过是九十年代中期， INTEL 公司忙着开发他们个人电脑微处理器，已没有足够的精力继续发展自己创导的单片机技术，而由 PHILIPS 等公司继续发展 C5l 系列单片机。单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据 处理能力 （ 如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理 ） 的微处理器 （ CPU） ，随机存取数据存储器 （ RAM） ，只读程序存储器 （ ROM） ，输入输出电路 （ I/O） ，可能还包括定时计数器，串行通信口 （ SCI） ，显示驱动电路 （ LCD 或 LED 驱动电路 ） ，脉宽调制电路 （ PWM） ，模拟多路转换器及 A/D 转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。 由此来看，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控 制功能，这是单片机最大的特征。 单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制统，可以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛 13 。 单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选 择。 诚然，单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。 3.1.2 STC89C52单片机 在 动液面监测系统 的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感器送来的模拟信号，另一方面要对信号进行处理，以控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否有键按下的请求。在单片机完成这些工作的过程中，尤其是信号处理中，计算后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观 测到液位数据，并根据情况进行相应的处理。并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功耗产品做准备。根 12 据多方面的比较，本设计选用 ATMEL 公司的 STC89C52 单片机作为控制器。 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 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 STC89C52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用 14 。 图 3-1 STC89C52引脚图 STC89C52 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 15 。 3.1.3复位电路 VCC 上电时， 电容 充电，在 10K 电阻上出现电压， 使得单片机复位；几个毫秒后， 电容电压 充满， 10K 电阻上电流降为 0，电压也为 0，使得单片机 进入工作状态 。工作期间，按下 S22， 电容 放电。 S 松手， 电容 又充电，在 10K 电阻上出现电压，使得单片机复位。几个毫秒后，单片机进入工作状态。 13 图 3-2手自一体复位电路 复位电路的目的就是在上电的瞬间提供一个与正常工作状态下相反的电平。一般利用电容电压不能突变的原理，将电容与电阻串联，上 电时刻，电容没有充电，两端电压为零，此时，提供复位脉冲，电源不断的给电容充电，直至电容两端电压为电源电压，电路进入正常工作状态。此设计中所采用的为手自一体复位电路。 3.1.4晶振电路 单片机内部有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器，通常在引脚 XTAL1和 XTAL2 跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，可以根据情况选择 6M，12M,24M 等频率的石英晶体，补偿电容通常选择 30PF 左右的瓷片电容。 本系统所设计的晶振电路为一个 11.0592MHZ 的晶振和两个 30PF 的电容组成。作用是给单片机输入时钟信号 。 图 3-3 晶振电路 3.1.5上电指示电路 外部分电源上电后，发光二极管 D13 被点亮，以指示控制系统外部供电正常。 14 图 3-4上电指示电路 3.2 显示模块设计 动液面监测系统 需要实现对距离的实时监测，故需要显示模块来显示距离的大小。采用 LED 数码管显示模块可以实时清楚的显示距离变量。 3.2.1 LED数码管介绍 LED 数码管实际上是由七个发光管组成 8 字形构成的，加上小数点就是 8 个。这些段分别由字母 a,b,c,d,e,f,g,dp 来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我 们眼睛看到的字样了。如：显示一个 “2”字，那么应当是 a 亮 b 亮 g 亮 e 亮 d 亮 f 不亮 c 不亮 dp 不亮。 LED 数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有 0.5 寸、 1 寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为 1.8V 左右，电流不超过 30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。常用 LED 数码管显示的数字和字符是 0、 1、 2、 3、4、 5、 6、 7、 8、 9、 A、 B、 C、 D、 E、 F。 图 3-5 这是一个 7段两位带小数点 10引脚的 LED数码管 15 图 3-6 引脚定义 每一笔划都是对应一个字母表示， DP 是小数点 。 3.2.2 LED数码管的 驱动方法 LED 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据 LED 数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 A、静态显示驱动： 静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的 I/O 口 行驱动，或者使用如 BCD 码十进位器进行驱动。静态驱动的 优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用 I/O 口 多，如驱动 5 个数码管静态显示则需要58=40 根 I/O 口来驱动，要知道一个 89C51 单片机可用的 I/O 口才 32 个呢。故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。 B、动态显示驱动： 数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划 a,b,c,d,e,f,g,dp 的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极 COM 增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的 I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有 数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通 COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。 透过分时轮流控制各个 LED 数码管的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为 1 2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显 示是一样的，能够节省大量的 I/O 口，而且功耗更低。 16 图 3-7 数码管温度显示 图 3-8 74HC753锁存器 3.3 A/D转换模块设计 经超声波传感器所检测的电压信号为模拟信号，无法直接被单片机所识别，所以在经过放大电路后对信号进行 A/D装换，将模拟信号转化为数字信号输入单片机。 ADC0832为 8位分辨率 A/D转换芯片，其最高分辨可达 256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在 05V之间。芯片转换时间仅为 32S，据有双数据输出可作为数据校验 ，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过 DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。 17 图 3-9 A/D转换电路 图 3-10 ADC0832芯片 芯片接口说明： CS_ 片选使能，低电平芯片使能。 CH0 模拟输入通道 0，或作为 IN+/-使用。 CH1 模拟输