毕业论文-动液面监测系统研究(共51页)

1、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(xnxng)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(hxn)设计(shj)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

2、，实现了测距的功能。关键字：动液面；STC89C52；油井；测距AbstractIn the process of oil exploitation，the well needs irregular detection of temperature, pressure, working level and other parameters to monitor a production processThe working level is an important parameterTraditional working level measurement by the manual ope

3、ration 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 det

4、ailed 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 softw

5、are 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 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _

6、Toc15232 第1章 绪论(xln) 东北石油大学本科生毕业设计（论文） 第1章 绪论(xln)1.1课题(kt)的来源及意义油田在开采初期，油井主要依靠原始的地层(dcng)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

7、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

8、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

9、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(duy)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

10、触，而且多数(dush)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(ynji)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

11、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 102000m，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

12、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15002000m。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

13、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(chngsh)，误差小，但是价格偏高且不便于维修。1.3 研究(ynji)内容（1）动液面测试(csh)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(fsh)、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

14、量数据。采用数码管显示结果，通过判定所得(su d)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。第2章 动液面测量(cling)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(cng r)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

15、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(zhyo)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(zhngling)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

16、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

17、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

18、波频率较音频信号低，只有(zhyu)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(shz)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(shz)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、

19、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

20、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(shxin)动态测量。在测量过程(guchng)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。（3）数字化测量技术(jsh)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

21、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

22、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。2.3.2 计算方法动液面测试的设备种类(zhngli)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(ynbio)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(shn b)遇到音标产生反射脉冲，音标的深度已知。深度 ，H 是井口至液面深度，是井口至音标深度，

23、是记录曲线上声波至音标长度，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，H 是井口至液面深度，是井口第n根油管的累积长度（施工资料查得），是记录纸上声波至n个油管接箍波长度，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

24、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(xn s)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(chnshng)火花，

25、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。 实用性来说声弹型发声装置在击发瞬间产生的能量较大(jio d)，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

26、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。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

27、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(shn b)测距原理本文用超声波测距模拟动液面检测系统(xtng)，下面是该检测系统框图：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图2-2 声波测距仪原理(yunl)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40

28、KHZ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/22.5 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

29、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。第3章 系统硬件设计3.1 控制器模块(m kui)设计在动液面监测(jin c)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(li z)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

30、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

31、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

32、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。1990年美国(mi u)INTEL公司(n s)推出了80960超级(choj)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，I

33、NTEL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

34、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

35、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

36、低功耗产品做准备。根据多方面的比较，本设计选用ATMEL公司的STC89C52单片机作为控制器。STC89C52是一种(y zhn)低功耗、高性能 HYPERLINK /view/22318.htm t _blank 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(chngx)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(yngyng)系统中得到广泛应用14。图3-1

37、 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 HYPERLINK /view/2246970.htm t _blank 时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种 HYPERLINK /view/37.htm t _blank 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

38、断或硬件复位为止15。3.1.3复位电路VCC上电时，电容(dinrng)充电，在10K电阻上出现电压(diny)，使得单片机复位；几个毫秒后，电容(dinrng)电压充满，10K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机 HYPERLINK /view/1355461.htm t _blank 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。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

39、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(dinyun)上电后，发光二极管D13被点亮，以指示控制系统外部

40、供电正常。图3-4上电指示(zhsh)电路3.2 显示模块(m kui)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

41、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(y )7段两位带小数点 10引脚的LED数码管图3-6 引脚定义(dngy)每一笔划都是对应(duyng)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

42、，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

43、,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12ms，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

44、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。图3-7 数码管温度(wnd)显示图3-8 74HC753锁存器3.3 A/D转换(zhunhun)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(zhunhu)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

45、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。图3-9 A/D转换(zhunhun)电路图3-10 ADC0832芯片(xn pin)芯片接口(ji ku)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 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。 GND 芯片参考0 电位（地）。 DI 数据信号输入，选择通道控制。 DO 数据信号输出，转换数据输出。 CLK 芯片时钟输入。 Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。3.4 报警电路模块设计本设计

46、采用蜂鸣器作为报警装置。通过判断所接收到的数据来确定是否报警，所接受到的数据主要来自超声波传感器和数码管。 蜂鸣器的正极性的一端联接到VCC电源上面(shng min)，另一端联接到三极管的发射集，三极管的基级由单片机的P2.3管脚来控制(kngzh)，当单片机接收到超额信号(xnho)时，即P2.3引脚输出低电平，三极管Q1导通，致使蜂鸣器BELL得电工作，发出报警声。图3-11 蜂鸣器电路3.5 系统总电路图本设计用到了单片机、复位电路、晶振电路、上电指示电路、LED数码管显示模块、AD转换模块以及报警电路模块。单片机是整个电路的核心，它实现的是对整个电路的智能控制。复位电路的作用是保证电

47、路安全工作，它可以使电路回到最初状态总重新运行。晶振电路的作用是为单片机提供时钟信号，单片机工作的最小时间计量单位就是由晶振决定的。上电指示电路是指示电路通电的标志。显示模块是重要的人机交互界面，它的作用是把所得的信息准确的表示出来。AD转换模块是数据采集的重要部分，它的作用是把测得的模拟量转换成数字量以便单片机进行后续操作。报警电路的作用是指示电路是否运行超时。总电路图如下：图3-12 总电路图3.6 本章(bn zhn)小结 首先(shuxin)简单介绍了系统工作原理。对系统各个模块进行设计，分别是控制器模块设计， HYPERLINK l _Toc359173385 显示模块(m kui)

48、设计， HYPERLINK l _Toc359173386 A/D转换模块设计， HYPERLINK l _Toc359173387 报警电路模块设计。第4章 系统的应用软件设计4.1 STC89C52单片机调试(dio sh)及开发工具本系统的软件编程使用的是美国Keil Software公司出品的Keil C51，是51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比(xin b)，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。STC89C52单片机下载程序使用的是ISP下载编程软件。ISP工具的功能主要是将由PC机串接来的8位并行数据与单片机的串行数据进行相互转换，以实现PC机与S

49、TC89C52的RXD及TXD口通讯。当用户将源程序(汇编语言或C语言)经语法(yf)检查无误并生成代码时，就可以将程序代码下载到Flash芯片中，而用户的系统可以是在线状态。用户可以通过调试环境软件的人机对话界面，检查或修改Flash芯片内的各种存储器、寄存器的数据。并可以在程序中设置断点，在STC89C52中，可以同时设置3个硬件断点，它是经过串口的传输，由芯片中的几组断点条件寄存器实现的。4.2 主程序流程主程序首先初始化系统环境，设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2清0。开始调用发送程序，为了避免声音从发射器直接传输到接收器，它需要

50、一个约1ms的延迟（因为这是可以测量最小距离），然后启用外部中断0接收返回信号。由于使用12MHz晶体振荡器，定时器增加1，间隔为1us，当主程序检测到的标志是成功的，它根据定时器T0开始计算的距离，其结果将被发送到LED进行显示。然后，只需重复此处理，若超过时间未收到回波信号，则启动蜂鸣器响起警报。开始是否发送超声波，开始计时延迟1ms，避免盲区是否收到回音读取时间间隔计算出距离显示距离报警初始化图4-1 主程序流程图 4.3 数码管显示(xinsh)驱动程序当多位数码管应用(yngyng)于某一系统时，它们的“位选”是可独立(dl)控制的，而“段选”是连接在一起的，我们可以通过位选信号控制

51、哪几个数码管亮，而在同一时刻，位选选通的所有的数码管上显示的数字始终都是一样的，因为它们的段选是连接在一起的，所以送入所有数码管的段选信号都是相同的，那么它们显示的数字必定一样。TX-1C实验板上使用的数码管为共阴极，如图2-8中，最上面一排是六个单位数码管，可以看到所有数码管的阳极，即标有a,b,c,d,e,f,g,h的引脚全部连到一起，然后与下面的U1元件74HC573锁存器的数据输出端相连，锁存器的数据输入端连接单片机的P0口，P0口同时加了上拉电阻。数码管中的WE1，WE2，WE3，WE4，WE5，WE6是它们的位选端，每一个数码对应一个位选端，与下面的U2元件74HC573的数据输出

52、端的低6位相连，U2的数据输入端也连接到单片机的P0口。两个锁存器的锁存端分别与单片机的P2.6和P2.7相连，用单片机可以控制锁存器的锁存端，进而控制锁存器的数据输出，这种分时控制的方法便可方便的控制任意数码管显示任意数字。4.4 中断(zhngdun)程序中断服务程序是响应单片机的中断。在系统主程序中发射的40KHz脉冲信号遇到障碍物反射后经接收检测电路产生外中断信号至单片机。在中断服务程序中首先进行必要的现场(xinchng)保护再把进入中断服务程序处的计数值读出并对该数据进行处理计算得到相应的距离值同时转换为十进制最后送到P0口显示输出。外部中断入口关外部中断结果输出计算距离读取时间值

53、返回开外部中断图4-2 外部(wib)中断服务子程序框图4.5 定时器初始化子程序定时器中断子程序流程图如图4-2所示。由于51单片机是16位定时器的最大计时时间为65536us当测量的距离很远的时候定时器就会发生溢出，所以必须对溢出中断进行相应的设置才能使得单片机正常工作。同时由于电路的测量距离有限最远为5米当测量距离超4米时接收探头就不能检测回波即不能产出外部中断更不可能关闭定时器。4.6 A/D转换程序正常情况(qngkung)下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以

54、将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入 HYPERLINK /view/1539297.htm t _blank 时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2 位数据用于选择通道功能，当此2 位数据为“1”、“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当2

55、位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2 位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2 位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入。到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出(fch)最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出D

56、ATA0。随后输出8位数据，到第19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理。4.7 本章(bn zhn)小结 首先简单介绍了 HYPERLINK l _Toc359173865 STC89C52单片机调试及开发工具，即keil软件。然后设计了各个子模块程序流程图，分别是 HYPERLINK l _Toc359173866 主程序流程图， HYPERLINK l _Toc359173867 数码管显示驱动程序， HYPERLINK l _Toc359173868 延时程序， HYPERLINK l _Toc359173869

57、距离测量程序， HYPERLINK l _Toc359173870 中断程序， HYPERLINK l _Toc359173871 定时器初始化子程序。在不断设计中精确完成各个功能，最后实现整个系统的整合。第5章 系统调试5.1 安装(nzhung)keil软件安装成功后，首次启动(qdng)界面如下图：图5-1 启动(qdng)界面我们先新建一个工程文件，点击“Project-New Project”。选择工程文件要存放的路径，并且输入工程文件名，这里我们用test2 作为工程文件名，这里就不用在后面加.c扩展名。图5-2新建工程文件点击(din j)Save后弹出选择(xunz)CPU及型

58、号(xngho)的对话框。由于本开发板所配的单片机是STC公司的，而KEIL中并没有STC公司的产品，不过STC公司的单片机和传统的51单片机是兼容的，所以这里我们就选择Atmel公司的AT89C52。图5-3 选择AT89C52新建一个C51 文件，单击左上角的New File 如下图所示：图5-4 新建C51文件保存新建的文件，单击保存按钮。图5-5 保存(bocn)新建文件输入(shr)文件名test2.c,这里(zhl)必须以*.c 为文件名。图5-6 保存文件保存好后我们还需要把文件加入到工程项目中，如下图所示在Source Group1 上单击右键，选择(xunz)Add File

59、s to Group Source Group1。图5-7 文件(wnjin)加入工程项目然后选择刚才(gngci)建立的test2.c 文件，单击Add。图5-8 选择需要添加的文件这时我们看左边工程信息窗口中的Source Group1 下面多了test2.c 文件，这说明添加文件成功了。在编辑框内输入下列字符。图5-9 编写程序接着我们编译(biny)工程项目，如下图点击编译。图5-10 编译(biny)主程序如果在下面的信息(xnx)窗口中显示0 Error(s),0 Warning(s).则说明(shumng)没有错误，已经成功编译。接下来我们(w men)生成.HEX 文件，如下图

60、点击Option for Target。图5-11 生成HEX文件在下图我们单击Output选中Create HEX File,再单击OK。再次点击编译按钮就会在文件目录下生成test2.hex 文件。到此为止，我们使用KEIL编译文件并生成能够往单片机中烧写的HEX 文件了，下面我们使用STC-ISP 给单片机下载程序。5.2 程序调试首先要保证开发板上插的是STC89C52RC 单片机，左上方的USB 数据电缆线一定要与计算机相连，它一方面实现USB 通信，更重要的是给整块电路板提供电源。当连好USB 线后，按下左上方的开关，会看到开关右边有个电源指示灯会亮。左下方的九孔串口线与计算机串口