钻井倾斜角及方位角微机测量仪.doc

本科生毕业设计本科生毕业设计 钻井倾斜角及方位角微机测量仪 digital instrument of dip angle and azimuth of drilling 学生姓名霍兆权 所在专业电气工程及其自动化 所在班级电气 1081 申请学位工学学士 指导教师刘丹职称副教授 副指导教师职称 答辩时间2012 年 6 月 2 日 目 录 目目 录录 设计总说明 I INTRODUCTION II 第一章 绪论 1 1 1钻井测量系统研究的意义 1 1 2钻井测量系统的国内外研究现状 1 1 2 1国内钻井测量系统研究现状 2 1 2 2国外钻井测量系统研究现状 2 1 3本文主要的研究内容 3 第二章 系统总体设计 4 2 1系统总体方案 4 2 2传感器类型选择 4 2 3单片机选择 6 2 4数据传输方式选择 7 第三章 系统硬件设计 8 3 1硬件设计整体方案 8 3 2硬件各部分设计 8 3 2 1单片机最小系统电路 8 3 2 2USB TTL 驱动电路 10 3 2 3T Flash 驱动电路 11 3 2 4L3G4200D 驱动电路 12 3 2 5MMA7455 驱动电路 13 3 2 6电源电路 14 第四章 下位机软件设计及调试 15 4 1下位机软件整体方案设计 15 4 2软件各模块设计 16 4 2 1STC12C5608AD 的 SPI 模块 16 4 2 2MMA7455 读写模块 18 4 2 3L3G4200D 读写模块 19 4 2 4T Flash 卡读写模块 23 4 2 5内部 EEPROM 模块 24 4 2 6串口通信及下位机通信协议模块 26 4 2 7定时采集模块 29 目 录 第五章 上位机软件设计 32 5 1上位机整体方案设计 32 5 2上位机各模块设计 33 5 2 1上位机界面设计及控件使用 33 5 2 2串口接收数据和配置下位机 33 5 2 3数据格式转换及存储 35 5 2 4数据滤波 36 5 2 5数据处理 36 5 2 6出错处理 38 第六章 系统样机测试 40 6 1系统样机测试总体方案 40 6 2上位机和下位机联合测试 40 6 2 1下位机数据校正和传输 40 6 2 2下位机配置设置 41 6 2 3上位机数据滤波及处理 42 6 2 4出错处理调试 42 第七章 设计总结 43 鸣 谢 44 参考文献 45 附 录 46 附录 A 46 A1 元件清单 46 A2 下位机原理图 47 A3 系统硬件连接图 48 附录 B 49 B1 下位机程序代码 49 B2 上位机程序代码 62 设计总说明 设计总说明 数字化数据采集和存储可以提高数据的处理效率和可靠性 很多优秀的数据处理 算法也可以比较方便的实现 本文针对传统钻井倾角和方位角以照相和人工处理繁琐 方法加以大大的改进 提出使用数字式三轴陀螺仪和数字式三轴加速度传感器 实时 测量钻井相应深度下的倾斜角和方位角 考虑到测量过程中采用有线或无线传输数据 的困难及高成本 转而采用大容量的 TF 卡来离线记录数据 从而大大简化数据传输及 存储的问题 本系统由 8 位单片机 STC12C5608AD 为控制核心 采用 L3G4200D 数字式 3 轴陀螺 仪 MMA7455 数字式 3 轴加速度传感器 以一定的下降速度 通过设定采集时间的方法 对一定深度的钻井通过定时测量来测量出整个钻井各个部分的倾斜角和方位角的信息 并采用特殊格式记录到 TF 卡 采集完成可以通过串口或读卡器上传数据到电脑上 使 用相应的上位机处理数据 由于单片机只需完成采集和记录数据的功能 不需要进行 对硬件要求很高的各种浮点运算 大大简化下位机的设计和成本 本设计可以在陆上 或海上复杂电磁环境的钻井平台上 关键词 倾斜角 方位角 陀螺仪 加速度传感器 上位机 ABSTRACT I INTRODUCTION Digital data acquisition and storage can improve the data processing efficiency and reliability many excellent data processing algorithm can also be more convenient realization This article in view of the traditional drilling to take a picture and azimuth Angle and artificial processing method can greatly improve red tape and puts forward three axis gyro and use digital digital three axis acceleration sensors real time measuring drilling depth of the dip Angle and the corresponding azimuth Angle Considering the measuring process using wired or wireless data transmission difficulty and high cost in turn the capacity of the TF card to record data and thus greatly simplified data transmission and storage problem The system is composed of eight STC12C5608AD microcontroller as control core the L3G4200D digital 3 axis gyro MMA7455 digital 3 axis acceleration sensors down at a certain speed through the method of setting the collection period to certain depth of drilling through the timing measurements to measure the whole drilling all aspects of the dynamically azimuth of information and the use of special format record to the TF card collect the complete can through a serial port or deposit card reader data to a computer use the corresponding PC processing data Because single chip just completed acquisition and record the data function do not need to undertake all kinds of high demand for hardware of floating point calculation which can simplify the design of a machine under and cost This design can on land or at sea the electromagnetic environment of complex drilling platforms KEYWORDS dip angle azimuth gyroscope sensor acceleration sensor upper computer 广东海洋大学 2012 届本科生毕业设计 0 毕业设计题目 电气工程及其自动化 200811631114 霍兆权 指导教师 刘丹 第 1 章 绪论 1 1钻井测量系统研究的意义 钻井测量系统主要任务是测量钻井的倾斜角和方位角 通常是先完成一部分作业 达到一定深度后 测量倾斜角和方位角是否符合设计的要求 然后继续完成剩下的作 业 当然更高的技术是采用实时测量 从而对钻头位置设置闭环 达到自动高精度的 钻井 在 4500m 以下的深井 超深井以及高陡构造 易斜难钻地区的油气直井钻探中 垂直钻井技术是决定钻井质量高低的一项关键技术 1 1 对钻井的倾斜角及方位角测量 十分重要 井斜是指一口井偏离了铅直线 它是钻井工程中的经典问题 直接影响着钻井井 身质量和钻井速度 井斜的危害随着井深的增加而愈加严重 例如 使井眼偏离设计 井位 使地质资料失真 引发诸如卡钻 钻柱磨损折断等工程事故 影响固井质量等 最终使得油气钻采周期延长 成本增加 因此对于直井的井身质量通常都有井斜角 井斜变化率和井底水平位移的要求 国外井斜控制标准主要是限制井眼斜率 国内主 要是以井斜角和方位角作为控制标准 对于定向井尤其是丛式井组的直井段 井斜角 的要求更高 2 2 从 20 世纪 20 年代开始 经历了氢氟酸加浮动磁针 机械照相 陀螺仪式测斜仪 由于早期的测斜仪存在着精度低 只能单点测量 测量周期长 抗扰动性能差等缺点 目前一种以磁通门传感器与重力加速度传感器为主的新一代钻井测斜仪出现 然而其 结构复杂 安装困难 很难保证安装误差控制在要求的范围内 3 3 通过采用 3 轴加速 度传感器 陀螺仪 地磁场传感器 可以通过卡尔曼滤波等滤波算法可以得到高精度 的倾斜角和方位角数据 但由于钻井地质结构复杂 电磁场干扰极大 地磁场传感器 测量数据不能用作对陀螺仪的测量结果进行修正 所以只能采用对陀螺仪的数据滤波 重力传感器修正的方法提高动静态特性 本设计的研究对钻井测量系统的效率和精度 的提高有十分重要的意义 1 2钻井测量系统的国内外研究现状 广东海洋大学 2012 届本科生毕业设计 1 1 2 1 国内钻井测量系统研究现状 在上世纪 80 年代以前 我国主要依赖国外的测斜仪器 然而费用高 维修周期长 却从客观上刺激了我国测斜仪的研制工作 进入 90 年代 以精密机械 电子技术 计 算机应用为基础的新颖的钻井测斜仪陆续在国内问世 1993 年北京石油勘探开发科学 研究院与航天部 33 设计研究所研制出我国第一代有线随钻测量仪 50 型 该系统可 适时地测量倾斜角 方位角 装置角 地磁倾角 地磁场强度 井底环温和井深 并 可打印记录 4 4 该系统也成功地在华北油田和冀东油田完成定向井 5 口 在 2000 年三季度西安石油勘探仪器总厂也顺利完成了 DEV43XA 井斜测井仪的制造 其测量核心采用的是三个磁力计和三个加速度计作为井斜角和方位角的测量仪器 5 5 2000 年以来 郑州士奇测控技术有限公司开发了 FDZ 一 50 32 型自浮式电子单多 点测斜仪 它是一种先进的磁性测斜仪 可以替代机械单点和自浮式机械单点测斜仪 既能测单点 又能测多点它使用三轴磁力计和双轴重力加速度来测量井斜角和方位角 兰州科庆仪器仪表有限责任公司的组合式井斜方位多功能测井仪 6 6 2003 年 08 月 08 号申请专利 组合式井斜方位多功能测井仪是由一个挠性陀螺仪 一个框架陀螺仪与三个加速度计配接而成 挠性陀螺仪与三个加速度计配接完成仪器 的倾斜角 方位角 方向角的点测量 框架陀螺仪与三个加速度计完成倾斜角 方位 角 方向角的连续测量 并以高精度的挠性陀螺的点测方位初始化框架陀螺的初始方 位并消除框架陀螺的漂移 05 年中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院也研制 出了井斜及方位伽马随钻测量仪 7 7 并申请专利 该仪器将方位伽马测量功能与井斜 测量功能集成在同一个短节中 因此在钻井过程中 不但能够实时测量地层岩性 还 能够分辨上下界面岩性特征 有效发现储层的上部盖层 捕捉进入油气储集层的最佳 时机 并且在分辨上下界面岩性特征的同时 能够实时无滞后测量该点的井斜及钻具 状态 有利于根据地质信息及时调整井眼轨迹 控制钻具穿行在油藏最佳位置 适合 于在石油工程中进行地质导向 08 年 5 月 26 号国内首套具有自主知识产权的多参数随钻测斜系统 CGLWD 也在 四川成功应用 该系统可以同时测量仪器周围的侧向环形电阻率 方位电阻率以及方 位自然伽马等地层地质参数 以及无线随钻测量系统测量的井斜 方位 工具面等井 眼工程参数 8 8 1 2 2 国外钻井测量系统研究现状 从 1927 年 schlumberger 兄弟第一次成功在法国实施了电缆测井 人们就有了将 其用于 随钻 中的想法 随着随钻测井技术的发展 对井斜的动态测量也有了较大 的突破 到了 60 年代后期 Redwine 和 Osborne 开发出一套 随钻单电极电阻率测井 仪器 遥测仪器也应用而生并开发出正泥浆脉冲的机械式倾角计 来测量井斜角和方 位角 9 9 从 70 年代开始随钻测井技术逐渐受到了人们的充分关注和发展 在三十多年 间的发展 随钻测量技术日趋完善 其研制并在现场使用的仪器已达到了系列化 较 为成熟的测量系统更有以下几种 SlimPulse 回收式 MWD 系统该系统由斯伦贝谢公司开发 在意大利 Villafor2tuna Trecate 油田应用时 解决了深水平井作业面临的高温 高压难题 钻成了井深 6421m 井斜角 89 6 的水平井 创造了在垂深 6062 m 井斜角 85 90 的条件下水平钻进 184 m 的世界纪录 10 10 广东海洋大学 2012 届本科生毕业设计 2 MWD HEL MWD 系统由 Prccision Drilling Computalog 公司开发的用于恶劣环境 的 MWD HEL MWD 系统包括定向探测器 高温方位伽马仪 环境恶劣度测量和井眼 环空 压力探测器 能在 180 C 172 MPa 的井下环境中稳定工作 目前 该系统已在墨西 哥和美国进行了广泛的现场试验 在钻井液密度达 1 87 kg L 井下温度超过 170 C 的井中成功作业 11 11 电磁随钻测量系统 EM MWD TrendSET 该系统由 Wealherford 公司开发 2004 年 1 月开始进行商业应用 其特点是 可满足欠平衡环境下的恶劣钻井条件或过平衡应用 的一些基本要求 比常规 MWD 工具更可靠 数据传输速度更快 在高阻层 无水层或 盐层区域作业时 地面测量系统能识别并过滤较弱的信号 深井工作能力较强 传输 深度达到 3292m 经过 500 h 以上的现场试验 各部件完好无损 Gravity 重力 MWD 系统由美国 PathFinder 能源服务公司开发出的 这套系统采用 了 一种新的 MWD 测量方法 不采用磁通门测量方位 而是通过测量两组加速度计一传感 器 之间 相距 30 48 m 的底部钻具组合的固有弯曲来获得方位的相对变化 12 12 该系统采 用高速钻井液一脉冲遥测技术 不受磁干扰 对测量时的并下移动极不敏感 可用于 不能进行正常陀螺测量的工作环境 适用于套管钻井 钻穿套管鞋与套管开窗 重入 作业 具有强磁干扰的地热升 救险井及防碰情况下钻直井 分支片和绕障井 Gravity 重力 MWD 系统可用于 8534 8 m 以上深的井 13 13 gMWD 系统 2005 年 3 月 15 日 美国科学钻井公司开发出了 gMWD 系统 该系统摒 弃了电缆设计 将一种高精度的陀螺定向系统集成到 MWD 中 大大提高了安全性能 在 得克萨斯的一台陆地钻机上使用 创造了测量总进 30 48 10000m 的随钻陀螺测量纪 录 Orienteer MWD 无线随钻测量仪该测量仪由英国 Geolink 公司 被 Sondex 公司收购 生产 自 1996 年进入中国市场以来 已经成为国内最大的 MWD 仪器供应商 Orienteer 2WD 采用负脉冲传输方式 具有坚固耐用 工作可靠 抗恶劣环境 安装 测试简单 模块化设计 运输方便 维修方便 维护成本低等特点 14 14 同时国际上三大石油钻井服务公司之一哈里伯顿公司自 1992 年开始商业性生产 FEWD 测斜仪一 RGD 系统之后由于 1996 年新开发了 探路者 随钻测量系统 High speed directional survey 系统 将定向工程参数传感器与地质参数测量传感器相结合 该 系统的主要特点是 耐高温 150 耐冲击 500G 耐震动 20G 井下装有侧向 振动传感器 可及时了解井下钻具所处状态 井下仪器采用锂电池供电 可连续工 作 400 小时 所有仪器可通过 湿联结 装置相互联结 以满足不同作业需要 所有井下测量短节均带有储存器 测得信息既可以井下储存 也可随时传向地面 1 3本文主要的研究内容 本设计主要研究钻井方位角和倾斜角的测量 测量方法采用单片机控制 数据需 广东海洋大学 2012 届本科生毕业设计 3 要数字化 存储 可视化 工作环境为温度 40到 70 倾斜角 设计方位角C C 1 0 精度为 定时测量整个钻井的倾斜角和方位角 数据显示要求上位机显示 有必要 1 的可视化和相应的参数设置 根据这个要求 下文针对这个要求提出总体方案 并提 供下位机硬件和软件 上位机软件数据处理等等内容 最终结果以下位机硬件和配套 的上位机程序为课题的最终成果 广东海洋大学 2012 届本科生毕业设计 4 第 2 章 系统总体设计 2 1系统总体方案 本设计主要任务在于数据测量 存储 处理和可视化显示 数据测量和存储的任 务由单片机组成的下位机来完成 而数据处理涉及数据标度变换 数字滤波 不同传 感器的数据融合滤波 对陀螺仪还要进行浮点积分 乘除法运算等等 就算采用比较 高级的 32 位单片机或 DSP 处理器 都显得有点吃力 而且开发也比较复杂 成本高 所以采用 VB 编写的上位机 把存储在 T Flsah 卡上的数据通过串口或者读卡器上载到 电脑上处理 极大的简化数据处理 同时也大大简化硬件电路和软件的设计 图像化 显示可谓是 VB 的强项 用 VB 开发开发可视化上位机可以大大缩短开发周期 由于本设计使用的器件比较特殊 在使用比较广泛的仿真软件如 Proteus Multisim 上找不到相应的模型 所以设计思路采用先对各模块采用开发板实 现底层驱动 选择合适精度的器件或者芯片 然后把各模块组合在一起 画电路图 做实物 以串口为调试和通信的接口 完成下位机特定的协议 把该下位机当做一个 测量的器件 在 VB 的编程里可以看做一个对象 然后以 VB 的编程思想编写上位机处 理程序 2 2传感器类型选择 传感器的选择问题集中在使用模拟式还是数字式上 模拟式传感器根据物理化学 原理把被测量转换为电压或电流信号 很多都没有补偿和信号处理 必须另外设计模 拟电路加以处理 而且分散性大 举例来说 如果要用模拟式的电子陀螺仪 3 轴的校 正就是一个很困难的问题 算法及硬件都变得很复杂 而采用数字式传感器 如 L3G4200D 本身带硬件滤波 可编程补偿 温度补偿等等功能 虽然价格相对较高 但稳定性高 所以选择数字式的陀螺仪 L3G4200D 和数字式加速度传感器 MMA7455 1 L3G4200D 陀螺仪测量的是角速度 而本设计需要的倾斜角及方位角等信息是角 度 根据物理学相关知识 只需对角速度进行积分 就可以得到相应轴的角度 但是 角速度值参考坐标都是传感器本身 或者说是下位机自身是陀螺仪角速度的参考坐标 我们需要的是正北方向为方位角 角速度 参考方向 所以需要对角速度进行坐标变 换 现在先来讨论三维下任意一矢量 点 绕过原点的任意矢量旋转的坐标变换 我们把旋转轴 V 和要旋转的三维图形先以 X 轴为旋转轴 把 V 旋转到 ZOX 平面的 V 接着把 V 绕 Y 轴旋转 使 V 与 Z 轴重合 这样 就可以把三维图形绕 Z 轴按需 要的旋转角度旋转 最后就把旋转轴和绕 Z 轴旋转后的三维图形逆变换就可以完成 要求 相关图示如图 2 1 组图所示 广东海洋大学 2012 届本科生毕业设计 5 绕 X 轴到 ZOX 面 绕 Y 轴到 Z 轴 图 2 1 任意轴变换为 Z 轴图示 由于变换过程中涉及很多矩阵变换 这里不加证明给出三维某一向量 点 下以 某一过原点的向量旋转的坐标变换 为待变换的三维点 为变换后的三维点 P P zyx aaaA 那么就可以采用在空间积分的方法 根据现有的三个旋转轴单位 的坐标 分别对它们进行在 3 个 1 1 1 1 1 1 1 1 1 zyxzyxzyx zzzZyyyYxxxX 旋转坐标轴上进行变换 得到 即为陀螺仪新的空间位置 如 2 2 2 2 2 2 2 2 2 zyxzyxzyx zzzZyyyYxxxX 图 2 2 所示 假设以绝对坐标的 x 轴为正北方向 某时刻相对坐标系的 x1 轴如图 2 3 所示 根 据三维代数几何知识 方位角计算公式为 1 1y 1 xTan 其中 x1 y1 为相对坐标 z 轴上的单位长度向量在绝对坐标的坐标值 同理 也可以通过计算相对坐标 z 轴的单位长度向量与绝对坐标的 z 轴的夹角来 广东海洋大学 2012 届本科生毕业设计 6 计算倾斜角 但由于采用加速度传感器计算的结果稳态性能更好 所以不采用该办法 计算倾斜角 但可用作对倾斜角的修正量 图 2 2 三维下的角速度积分模型 图 2 3 方位角图示 2 MMA7455 在没有其他外力的作用下 测量出来的是重力在 3 轴上的分量 事实 上 我们只需要 X 轴与重力的夹角 也就是我们期望的倾斜角 根据牛顿的力学原理 可以把重力在三维坐标上正交分解 而且可以知道 2 22 2 mgmgmgmg zyx 化简得 2 222 gggg zyx 所以在和形成的三角形上 其中的一条直角边就是 那么 g x g 22 zy gg 倾斜角 22 1 zy x gg g Tan 倾斜角的三维展示如图 2 4 所示 图 2 4 倾斜角图示 z g x g y g g z x y 广东海洋大学 2012 届本科生毕业设计 7 2 3单片机选择 单片机可谓是整个下位机的核心 选择好了可以大大简化下位机的硬件设计 提 高系统可靠性 单片机选择综合多方面的考虑 有一下三个方案 方案一 嵌入式 ARM 系列 32 位单片机 如 LPC2138 STM32 等等 有丰富的片内 外设 如 SPI 串口 ADC PWM 等等 个别还带有 DSP 核 混合交火数据处理能力强 高级的 ARM 系列单片机还支持浮点运算及丰富的指令 支持多级流水线 主频高达几 百兆 运算速度快 程序 ROM 及数据 RAM 都很大 适合高级的嵌入式开发 方案二 增强型 8 位单片机 如 ATMEGA 系列 STC12 系列 也有丰富的片内外设 如 SPI Watch Dog PWM ADC 等等 STC12C5608AD 系列还带有 512 字节的 SRAM 4K 的数据 ROM 很适合本设计需要对 T Flash 卡等大容量内存卡读写 因为这些内存卡每 次的读写的基本单位是 512 字节 而且本设计需要把整个单片机系统构建成一个对象 断电时需要保存一些设置 无疑内部数据 ROM 十分方便设计 方案三 普通 51 单片机 需要比较多的外围器件 如外部 SRAM 如果选用模拟的 传感器还要加入 AD 模块 使整个系统复杂化 不利于提高可靠性和抗电磁干扰能力 首先可以剔除的是方案三 普通单片机主频低 运算速度低 片内外设不足 而 且没有明显的价格优势 虽然现在高级的嵌入式 ARM 系列单片机在数据运算和布尔量 处理能力都很强 可以进行图形化显示及复杂的数学运算 但是价格相对增强型 8 位 单片机来说成本高很多 而且开发难度高 对于本设计只需采集数据 传输数据来说 有点大材小用 增强型 8 位单片机使用 1T 周期指令 可以使用更高的主频 速度已经 可以适合比较复杂的硬件系统 开发简单方便 性价比高 所以最终决定采用方案二 增强型 8 位单片机 型号是 STC12C5608AD 2 4 数据传输方式选择 本设计由于要对钻井的倾斜角及方位角进行连续多点测量 数据量极大 对数据 可以采用即时处理后采集后处理 综合各种考虑 有以下两个方案 方案一 采用即时传输 串口直接传输数据给上位机 需要长距离传输 可采用 485 中继达到几千米传输距离要求 17 17 也可以采用无线中继传输 采用钻井专用的无 线通信通信系统 深度也能达到上千米 方案二 采用离线存储数据 现在的大容量存储器如 SD 卡 T Flash 卡体积极小 存储容量大 可达几十 GB 且支持 SPI 传输协议 可以很方便的对数据进行读写 通过对比两个方案 根据本设计要求和目的 本设计只需把一段钻井的倾斜角和 广东海洋大学 2012 届本科生毕业设计 8 方位角信息采集 而不需要根据结果进行实时的控制 方案一无论是采用有线或者无 线都要考虑到钻井电磁干扰极大的难题 而方案二只需对采集的设备进行电磁屏蔽 就可以得到很好的效果 而且成本低 实现简单 所以数据传输方式采用方案二 广东海洋大学 2012 届本科生毕业设计 9 第 3 章 系统硬件设计 3 1硬件设计整体方案 本设计目的是将测量的数据送给电脑的上位机程序进行处理 所以下位机硬件设 计只需包含信号采集 数据存储 数据传输 还有基本状态显示功能 对下位机的设 置由串口及内部数据 ROM 配合使用 硬件系统结构图如图 3 1 所示 图 3 1 硬件系统结构图 3 2硬件各部分设计 3 2 1 单片机最小系统电路 STC 的 8 位单片机系列与普通 51 单片机的启动电路相同 而且可以通过串口进行 ISP 在线下载程序 16 16 使用十分方便 STC 8 位单片机内部有内部晶振 但是频率易 受环境温度的影响 结合本设计需要和电脑进行串口通信 选择晶振为 11 0592M 读卡器 STC12C 5608AD 陀螺仪 L3G4200D 加速度传感器 MMA7455 T Flash 卡 LED 指示灯及 相关按键 SPI SPI SPI SPI TTL USB 上位机 电脑 下位机 广东海洋大学 2012 届本科生毕业设计 10 配上上电复位的 RC 电路 就可以让 STC 8 位系列单片机工作 本设计选用 STC12C5608AD 型号的单片机 具体参数如下所示 STC12C5608AD 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟 机器周期 1T 的单片机 是高 速 低 功耗 超强抗干扰的新一代 8051 单片机 指令代码完全兼容传统 8051 但速度快 8 12 倍 内部集 成 MAX810 专用复位电路 4 路 PWM 8 路高速 10 位 A D 转换 针对电 机控制 强干扰场合 19 19 1 增强型 8051CPU IT 单时钟 机器周期 指令代码完全兼容传统 8051 2 工作电压 STC12C5620AD 系列工作电压 5 5V 3 5V 5V 单片机 STC12LE5620AD 系列工作电压 3 6V 2 2V 3V 单片机 3 工作频率范围 0 35MHz 相当于普通 8051 的 0 420MHz 4 用户应用程序空间 30K 28K 24K 20K 16K 12K 8K 4K 字节 5 片上集成 768 字节 RAM 6 通用 I O 口 27 23 15 个 复位后为 准双向口 弱上拉 普通 8051 传统 I O 口 可设置成四种模式 准双向口 弱上拉 强推挽 强上拉 仅为输入 高阻 开漏 每个 I O 口驱动能力均可达到 20mA 但整个芯片最大不要超过 55mA 7 ISP 在系统可编程 IAP 在应用可编程 无需专用编程器 无需专用仿 真器 可通过串口 P3 0 P3 1 直接下载用户程序 数秒即可完成一片 8 有 EEPR0M 功能 9 看门狗 10 内部集成 MAX810 专用复位电路 外部晶体 20M 以下时 可省外部复位电路 11 时钟源 外部高精度晶体 时钟 内部 R C 振荡器 用户在下载用户程序时 可选择是使用内部 R C 振荡器还是外部晶体 时钟 常温 下内部 R C 振荡器频率为 5 2MHz 6 8MHz 精度要求不高时 可选择使用内部时钟 但因为有制造误差和温漂 以实际测试为准 12 共 6 个 16 位定时器 两个与传统 8051 兼容的定时器 计数器 16 位定时器 TO 和 T1 没有定时器 2 PCA 模块可再实现 4 个 16 位定时器 13 2 个时钟输出口 可由 TO 的溢出在 P1 0 输出时钟 可由 T1 的溢出在 PI 1 输出时钟 14 外部中断 9 路 下降沿中断或低电平触发中断 PCA 模式可分别或同时支持上 升沿中断 下 降沿中断 Power Down 模式可由外部中断唤醒 5 P3 2 5 fT P3 3 T0 P3 4 T1 P3 5 RxD P3 0 PCA0 P3 7 PCA1 P3 5 PCA2 P2 0 PCA3 P2 4 15 PWM 4 路 PCA 可编程计数器阵列 4 路 也可用来当 4 路 D A 使用 也可用 来再实现 4 个定时器 也可用来再实现 4 个外部中断 上升沿中断 下降沿中断均可分 别或同时支持 16 A D 转换 10 位精度 ADC 共 8 路 广东海洋大学 2012 届本科生毕业设计 11 17 通用全双工异步串行口 UART 由于 STC12 系列是高速的 8051 也可再用定时器 软件实现多串口 18 SPI 同步通信口 主模式 从模式 19 工作温度范围 40 85 C 工业级 0 75 C 商业级 20 封装 LQFP 32 SOP 32 28 20 SKDIP 28 PDIP 20 TSSOP 20 超小封装 6 4mm X 6 4mm LQFP32 SOP32 27 个 I O 口 SOP28 SKDIP28 有 23 个 I O 口 SOP20 TSSOP20 PDIP20 有 15 个 I O 口 I O 口不够时 可用 2 到 3 根普通 I O 口线外 接 74HC595 164 165 均可级联 来扩 展 I O 口 还可用 A D 做按键扫描来节省 I O 口 或用双 CPU 三线通信 还多了串口 由于采用该单片机 所以不用再扩展如 SRAM EEPROM 模块 硬件电路将得到大大 的简化 单片机最小系统电路图如图 3 2 所示 10uF C1 12 34 S1 switch1 10K R1 Res1 RST 30pF C2 30pF C3 11 0592 crystal1 P2 2 1 P2 3 2 RST 3 RxD P3 0 4 TxD P3 1 5 XTAL2 6 XTAL1 7 INTO P3 2 8 INT1 P3 3 9 ECI T0 P3 4 10 PWM1 PCA1 T1 P3 5 11 PWM3 PCA3 P2 4 12 P2 5 13 Gnd 14 P2 6 15 P2 7 16 P3 7 PCA0 PWM0 17 P1 0 ADC0 CLKOUT0 18 P1 1 ADC1 CKLOUT1 19 P1 2 ADC2 20 P1 3 ADC3 21 P1 4 SSADC4 22 P1 5 MOSI ADC5 23 P1 6 MISO ADC6 24 P1 7 SCLK ADC7 25 P2 0 PCA2 PWM2 26 P2 1 27 VCC 28 U4 STC12C5610AD VCC1 RXD TXD SCL SDO SDA MMA CS L3G CS SD CS VCC1 START LED ERROR LEDReset 图 3 2 单片机最小系统 3 2 2 USB TTL 驱动电路 由于现在许多电脑都舍弃了 9 针串口接口 特别是笔记本就没有考虑使用串口 而工业控制中 很多设备都是用串口通信的 为了解决这个问题 有通过以太网为上 层网络 串口为下层网络的工业网络结构 但是该网络复杂 成本高 如果是简单的 几个串口硬件 一般使用 USB TO TTL 或 USB TO COM 结构的通信方式 而前者直接与 单片机 TTL 电平串口直接连接 省去的 MAX232 等 9 针串口电平电路 使电路达到极大 的简化 在电脑上看 USB TTL 设备就是一个串口 COM 设备 使用者可以完全按照 串口协议来使用 十分方便 本设计使用 CP2102 芯片实现 USB 和 TTL 串口的电平和协 议转换 具体参数如下 CP2102 其集成度高 内置 USB2 0 全速功能控制器 USB 收发器 晶体振荡器 EEPROM 及异步串行数据总线 UART 支持调制解调器全功能信号 无需任何外部的 USB 器件 CP2102 与其他 USB UART 转接电路的工作原理类似 通过驱动程序将 PC 的 广东海洋大学 2012 届本科生毕业设计 12 USB 口虚拟成 COM 口以达到扩展的目的 特性 1 内含 USB 收发器 无需外界电路器 2 内含时钟电路 无需外接电路器 3 内含上电复位电路 4 片内电压调节可输出 3 3V 电压 5 符合 USB2 0 规范的要求 6 SUSPEND 引脚支持 USB 状态挂起 7 异步串行数据总线兼容所有握手和调制调节器 接口信号 8 支持的数据格式为数据位 8 停止位 1 2 和校验位 9 内涵 512 字节接 收缓冲器和 512 字节发送缓冲器 10 支持硬件或者 X ON X OFF 握手 由于该芯片已被广泛使用 而且模块化程度高 所以本设计直接购买现有的模块 化产品 插上电脑的 USB 口后 只需接上下位机的 VCC GND TXD RXD 即可实现串口通 信 在下位机电路板上以留有相应的接口 以连接电脑 查阅该芯片手册 有如图 3 3 所示典型电路 图 3 3 CP2102 典型应用电路 3 2 3 T Flash 驱动电路 T Flash 卡为 SD 卡的小型化版 在手机 数据存储 多媒体应用中使用广泛 发 展到现在 已经有高达 32GB TF 卡 64GB SD 卡 的大容量 数据安全性高的产品 相比传统的 EEPROM FlashROM 的速度快 容量大 数据可靠性高 而且支持 SD 和 SPI 模式下读写 由于 8 位单片机本身速度不高 内存不足 而且考虑到 STC12C5608AD 本 身就用硬件 SPI 所以采用 SPI 模式速度更快 效率更高 而电脑 嵌入式单片机一般 采用 SD 模式 要用 SPI 与 SD MMC 卡通信 需要根据相关的时序操作 相关驱动问题 可查阅本文 T Flash 卡的软件设计 在硬件设计上 只需给 T Flash 卡提供 3 3V 电压 在下位机控制板上留有与其连接的 SPI 口即可 为画出 TF 卡的接口 查阅 TF 卡相关 资料 达到如图 3 4 所示的管脚分布和如表 3 1 管脚说明 广东海洋大学 2012 届本科生毕业设计 13 图 3 4 TF 卡管脚分布 表 3 1 TF 卡说明 由于 3 3V 的 TTL 电平跟 5V 的 CMOS 电平在电平逻辑上是兼容的 SPI 连接上没有 电平转换的必要 可以直接连接 电路图可以得到简化 设计上采用插件模块设计 方便调试 插件电路如图 3 5 所示 控制板上接口如图 3 6 所示 CS DI CLK DO 1 2 3 4 5 6 JP1 HEADER 6 VDD GND 1 2 3 4 5 6 7 8 TF1 8 HEADER 1 2 3 4 5 6 U3 TF Card SD CS SDA 3 3V SCL GND SDO 图 3 5 TF 卡插件 图 3 6 TF 卡接口 3 2 4 L3G4200D 驱动电路 数字陀螺仪根据克里奥利力原理 对传统机械式陀螺仪改进的半导体测量器件 它测量的物理量是角速度 本设计使用 TI 意法半导体 的 L3G4200D 三轴数字式陀螺 仪 最大精度为 16 位有符号数 内部有相应高通滤波器和温度补偿等等滤波补偿功能 输出精度和稳定性都很高 通常用于飞行器自动平衡系统 手机转动应用中 相关参 数如下所述 三轴数字输出陀螺仪 L3G3200D 封装尺寸较现有传感器缩减近一半 让外观尺寸 不断缩小的手机 平板电脑等智能消费电子设备拥有先进的运动感应功能 沿用非常 坚固的单一感应结构 全新 3x3 5x1mm 陀螺仪展现出优异的稳健性和抗机械应力性能 以及出色的温度稳定性 能够为沿三个正交轴的运动进行高性能的测量 意法半导体 全新陀螺仪为解决电池供电便携设备的电源限制问题而设计 整合关闭和睡眠两个省 电模式 内置智能电源管理所需的先入先出 FIFO 存储块 新陀螺仪的工作电压范 围为 2 4V 至 3 6V 三个可选量程 250 500 2000dps L3G3200D 陀螺仪在中断线 和数据准备线上输出 16 位数据 集成用户可选带宽的低通和高通滤波器 该产品的工 作温度范围为 40 至 85 并集成 8 位数据输出温度传感器 广东海洋大学 2012 届本科生毕业设计 14 由于芯片封装小巧 焊接水平和工艺要求较高 所以采购现有商业模块进行调试 在控制板留有相应的接口 该模块采用典型电路 如图 3 7 所示 控制板提供的 SPI 接 口电路如图 3 8 所示 18 27 36 45 U2 L3G4200D GND SCL SDA SDO L3G CS 3 3V 图 3 7 L3G4200D 典型应用 图 3 8 控制板 L3G4200D 接口 3 2 5 MMA7455 驱动电路 数字式加速度传感器一般采用半导体压电效应原理制造而成 由于重力影响 测 量出来的结果也包含了重力加速度部分 本设计就是利用重力加速度在三个轴上的分 量的大小来测量钻井的倾斜角的 MMA7455 由 Motorola 公司生产的数字式三轴有符号 8 位精度加速度测量芯片 相关参数如下所述 MMA745 是一款数字输出 I2C SPI 低功耗 紧凑型电容式微机械加速 度计 具 有信号调理 低通滤波器 温度补偿 自测 可配置通过中断引脚 INT1 或 INT2 检 测 Og 以及脉冲检测 用于快速运动检测 等功能 Og 偏置和灵 敏度是出厂配置 无需外部器件 客户可使用指定的 Og 寄存器和 g Select 量程 选择对 Og 偏置进行校 准 量程可通过命令选择 3 个加速度范围 2g 4g 8g MMA745XL 系列具备待机模式 使它成为以电池为电源的手持式电子器件的理想选择 21 21 MMA7455 数字三轴加速度传感器模块核心为飞思卡尔公司的 MMA7455L 数字三轴加 速度传感器 该模块设计使用官方推荐设计 板卡线路经过高电磁兼 容设计和优化 具有输出精确 体积小 工作可靠 各种标识清晰 扩展性好等 特点 MMA7455L 芯片 安装在带 DIP 插脚的印刷电路板 PCB 上 它允许客 户将其集成到特定的设计应用对 产品进行评估 这样客户就能够在他们自己硬件 和软件环境内灵活地评估器件 特性 Z 轴自测 低压操作 2 4V 3 6V 用于偏置校准的用户指定寄存器 可编 程阀值中断输出 电平检测模式运动识别 冲击 震动 自由下落 脉冲检测模式单 脉冲或双脉冲识别 灵敏度 64 LSB g 2g 8g 10 位模式 8 位模式的可选灵敏度 2g 4g 8g 可靠的设计 高抗震性 5000g 环保型产品 低成本 由于本芯片也是很小巧 采用商业模块简化调试难度 本模块电路图如图 3 9 所 示 控制板提供的 SPI 接口如图 3 10 所示 广东海洋大学 2012 届本科生毕业设计 15 18 27 36 45 U1MMA7455 3 3V GND MMA CS SDO SDA SCL 图 3 9 MMA7455 典型应用电路 图 3 10 MMA7455 接口电路 3 2 6 电源电路 本设计需要离线采集数据和向电脑上传数据 所以宜采用两个电源供电的设计 一个在测量时 由于采用导线传输电能十分麻烦 所以宜采用干电池供电 需要稳压 和滤波电路 由 4 节干电池提供 1 5V x 4 6V 的电压 经过低功耗稳压管 LM2940 稳压 加上必要的电容滤波 就可以给各模块提供稳定的 5V 电源 当上传数据时 为节省电 池的电能 宜采用 USB 供电 直接从 USB TTL 模块上取得 5V 电源 由于 L3G4200D MMA7455 T Flash 卡都是使用 3 3V 电源的 所以还要加上 3 3V 的稳压电 路 采用 ASM1117 的 3 3V 稳压管 可以提供最大 1A 的电流 由于采用电池供电时代 表的是采集功能 采用 USB 供电的代表串口通信功能 所以对电池供电的开关电路进 行改进 加上对一个 I O 口控制 作为系统启动初始化判断是采集还是串口通信 使 下位机用起来简单 方便 蓝色 LED 灯代表使用 USB 供电 进行的是串口通信 红色 LED 灯代表使用电池供电 进行的是数据采集 电路图如图 3 11 所示 0 1uF C5 0 1uF C7 0 1uF C9 0 1uF C11 100uF C4 10uF C6 10uF C8 10uF C10 1 2 3 VV GND IN OUT U5 LM2940 3 1 2 VV GND IN OUT U6 ASM1117 VCC1 3 3V GND 1K R3 Res2 D3 LED GND GND Reset buttery1 Battery S2 SW DPDT 1 2 3 4 JP1 Power D4 LED VCC1 RXD TXD 1K R2 Res2 S3 SW DPDT 图 3 11 电源电路 广东海洋大学 2012 届本科生毕业设计 16 第 4 章 下位机软件设计及调试 4 1下位机软件整体方案设计 下位机的目标是测量钻井的倾斜角及方位角 把数据存储在 T Flash 卡上 待数 据测量完成 通过串口或度读卡器传输数据给上位机 下位机的参数设置也是通过串 口完成的 这样设计程序的目的 在于最大简化下位机的硬件及对单片机性能的要求 避免应需要大量浮点 长整形运算带来程序上的冲突 影响数据的测量 主程序只做 对各部分硬件的初始化 通过串口中断响应上位机和下位机之间数据的交换 通过定 时器中断实现对钻井信息的定时采集 所以说 通信各个功能是在串口中断实现的 测量及数据存储则在定时器实现 当然 在设计初期要分别对各个硬件模块的初始化 和读写进行调试和规范化 读写函数需要提供必要的接口 以便于在编写主程序时方 便使用 15 15 鉴于本设计的 T Flash 卡 L3G4200D MMA7455 都可以采用 SPI 通信方式 所以以单主多从的 SPI 网络 介绍 STC12C5608AD 的 SPI 功能 接着以 SPI 协议介绍他 们的初始化和读写 其他片内外设也会逐一介绍 软件设计方案由串口中断和定时中断分成两条主线 主程序只做启动初始化和状 态检查 主程序流程图如图 4 1 所示 主函数具体代码请查看附录 B1 Start SPI 初始化 TF 卡 L3G