油田注水智能控制系统设计

摘要油田注水是采油生产过程中最重要的工作之一，油田的注水开发在油田的开发过程中具有极其重要的意义，通过控制注水和控制产出水量保持地底压力，达到油田长期高产、稳产是一项十分重要的技术。在实际的注水过程中，人工调节注水会存在很多的问题，工作人员不能长期驻守在现场，而且人工调节易出现超注或欠注的现象，影响正常的生产。针对目前的这些状况，本文设计了一种基于ATmega16单片机的油田注水智能监控系统，实现了注水流量的自动监测，并将PID控制引入到控制系统中，实现实时增加注水量保持地层压力的目的。本文在介绍了注水油田系统的研究背景和国内外发展现状基础上，根据油田注水系统的的结构组成和注水流程，确立了油田智能注水监控系统的总体方案，并介绍了测控系统的工作原理。测控系统选用ATmega16作为系统的核心，利用流量计监测流量，由流量误差值通过PID控制器计算出控制量，单片机通过PWM控制电机的转向和转速控制阀门的开关度，达到调节注水的目的。关键词油田注水PID控制单片机流量测控系统AbstractOilfieldwaterinjectionisoneofthemostimportantworksintheoilproductionprocess，oilfieldwaterfloodinghastheextremelyvitalsignificanceintheprocessofoilfielddevelopment，itcanremainundergroundthroughthecontrolofwaterinjectionandcontrolofoutputwater，it'saveryimportanttechnologytoachievelong-termoil.Intheactualwaterinjectionprocess，therearemanyproblemsintheartificialregulationofwater，theworkerscouldnotstayatthesameallthetime，whenitneedtoregulatetheflowcannotbeperformedimmediately，anditwillaffectthenormalproductionbecauseofultrainjectionorshortphenomenon.ThispaperdiscussesthedesignofasinglechipmicrocomputerbasedonATmega16ofoilfieldwaterinjectionintelligentmonitoringsystemforaimingattheseconditions，realizingthewaterinjectionflowautomaticmonitoring，andthePIDcontrolisintroducedintothecontrolsystem.Thispaperintroducesthebackgroundofresearchingonthewaterfloodinganddevelopmentstatusathomeandabroadfirstly，andestablishedoilfieldintelligentinfusionmonitoringsystemaccordingtotheoilfieldwaterinjectionsystemstructureandtheinjectionprocess，atthesametime，itintroducestheprincipleofmeasurementandcontrolsystem.Inthispaper，wechoosetheATmega16asthecoreofthesystem，andflowerrorvaluesbyPIDcontrollercalculatesacontrololume，throughthesingle-chipPWMcontrolofmotorsteeringandspeedcontrolvalveswitch，toregulatethepurposeofwaterinjection.KeywordOilfieldwaterinjectionPIDcontrolSinglechipFlowmeasurementancontrolsystem目录TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1课题的研究背景和意义 11.2油田注水系统研究现状 21.2.1国外研究现状 21.2.2国内研究现状 31.3本课题主要研究目的及内容安排 41.3.1研究目的 41.3.2主要内容安排 4第2章油田注水系统基本工作原理 52.1油田注水系统的结构和基本原理 52.2注水系统控制方式比较 62.3关键参数 6第3章系统方案的确定 73.1系统的设计要求 73.2系统总体方案确定 73.3执行机构的选择 93.3.1流量计 93.3.2调节阀 103.4测控系统的工作原理 10第4章基于ATmega16的测控系统设计 124.1单片机的选型和特点 124.2测控系统硬件电路设计 154.2.1电源电路 164.2.2时钟电路 174.2.3复位电路 184.2.4键盘设计 194.2.5液晶显示部分 194.2.6压力传感器电路 214.2.7流量计传感器电路 234.2.8PWM控制电路和负载驱动电路 254.2.9温度保护电路 274.3软件设计 294.3.1开发环境 294.3.2控制系统工作流程分析 304.3.3初始化程序模块 314.3.4电机控制模块 314.3.5PID控制模块 324.4系统的MATLAB仿真 354.4.1MATLAB简介 354.4.2电机MATLAB仿真 35结论 38致谢 39参考文献 40附录1 42附录2 43CONTENTSAbstract IPartIIntroduction 11.1Thebackgroundandsignificanceofthesubject 11.2Researchstatusofoilfieldwaterinjectionsystem 21.2.1Thestatusofforeignresearch 21.2.2Thestatusofdomesticresearch 31.3Themainpurposeofthissubjectandcontentarrangement 41.3.1Researchpurpose 41.3.2Maincontents 4PartIIThebasicoperatingprincipleofwaterinjectionsystem 52.1ThestructureandbasicprinciplesofOilfieldwaterinjection 52.2Compareofinjectionsystemcontrol 62.3Keyparameters 6PartIIIDeterminethesystemplan 73.1TherequirementsofSystemdesign 73.2Programtodeterminetheoverallsystem 73.3Choiceofimplementingagencies 93.3.1Flowmeter 93.3.2Regulatingvalve 103.4Principlesofmeasurementandcontrolsystem 10PartIVMeasurementandcontrolsystembasedonATmega16 124.1MCUselectionandfeatures 124.2Controlsystemhardwarecircuitdesign 154.2.1Thepowersupplycircuit 164.2.2Clockcircuit 174.2.3Resetcircuit 184.2.4Keyboarddesign 194.2.5LCDportion 194.2.6Pressuresensorcircuit 214.2.7Flowmetercircuit 234.2.8PWMcontrolcircuitandloaddrivingcircuit 254.2.9Temperatureprotectioncircuit 274.3Softwaredesign 294.3.1Developenvironment 294.3.2Controlsystemworkflowanalysis 304.3.3Initializationprogrammodule 314.3.4Motorcontrolmodule 314.3.5PIDcontrolmodule 324.4MATLABsimulationofsystem 354.4.1MATLABintroduction 354.4.2MotorMATLABsimulation 35Conclusion 38Acknowledgements 39Reference 40Appendix1 42Appendix2 43第1章绪论1.1课题的研究背景和意义石油，被称作“工业的血液”，我国的石油缺口很大，所以石油的开采量及石油资源利用率最大化，成为了重中之重[1]。在油田开采过程中，为了保持地底油层中的压力，利用注水井将水注入到油层中，地底油层压力大小是和油田的开采时间长短成正比的，开采时间越长，压力越小，油田注水的目的是为了保持油层压力，提高供液能力，降低原油递减率，以达到进一步开采石油的目的，是实现原油高产、稳产的重要手段[2]。特别是油田进入中后期开发阶段，措施增油效果越来越差，稳产难度日益增大，强化有效的注水是目前改善油田开发效果的关键[3]。当油井压力发生变化时，注水量就会随之改变。目前很多油井注水量主要是人工控制[4]。每口注水井都安装有高压阀门、压力表、高压注水表。所用的注水阀门多为高压闸阀或截止阀，开关时需要人工旋转手轮，用来打开或关闭阀门[5]。操作人员根据注水工艺配注量进行人工调节，由于闸阀或截止阀不适于经常性调节，丝杆和螺母磨损易漏，加之由于人工控制的时间滞后效应，不能对注水出现的异常情况及时处理，特别是夜间，由于压力波动，操作人员不能及时发现并做出处理，使得注水量失控或反吐“倒灌”，严重时造成地底出砂，严重影响油田的稳定开发和安全生产。对于周期短的间注水井和层间矛盾突出或测试难度大的油井，人工测试的控制精度差，注水量调节难度大，工作量大，注水倒流和因此引起的地层出砂现象时有发生[6][7]。另一方面，大部分油田注水压力都在10MPa~30MPa之间，属高压力危险环境，普通闸阀或截止阀易损易漏，在实际中存在着许多的不安全因素，现场人工调节极不安全[8]。另外，注水流量人工调节，程序繁琐，油田为了减员增效，对网络信息化、自动化管理要求极为迫切。此时，需要能自动调节流量的智能注水系统。1.2油田注水系统研究现状1.2.1国外研究现状国外油田注水自动化监控工作已有几十年的历史了，上世纪50年代，美国海湾石油公司就建成了世界上第一套自动化监控输送系统（LACT）并解决了原油的自动收集、计量、处理、输送等问题。上世纪六十年代，Arco公司的IatanEastHoward油田将PLC用于注水控制，并快速的发展到其他的领域，例如报警、泵控、撬装等[9]。在上世纪八十年代，作为数字化油田检测的重要组成部分的注水井检测就已经相当发达了，可以实现分布式监测[10]。目前国外油田将现代管理制度引入到油田自动化系统中，可以实现原油开采、存储、加工、销售的全面监控。并且在实际应用中取得了良好的经济效益和社会效益，例如在巴西Bahia州，某个油田的700口井安装了PLC自动控制系统，操作人员可以实时遥测遥控现场采油设备[11]，科威特石油公司基于提供高质量且可靠的石油开采和生产信息给技术监管和决策人员的目的设计的E&P数据管理系统也是油田生产自动化的典型范例，此系统将计算机技术很好地应用到石油开采中，将位于沙漠地区的1480多口油井利用油井管道整合成19个采集中心，大大方便了油井管理。随着科技的发展，近几年的自动化监控技术又有了极大的进步，如:为了达到原油的最大采收率，保持地层压力，英国石油公司建立了自动化监控系统，它通过监测到的地质情况自动控制注水井注水井注入情况；功能强大的PRC油田自动控制系统是美国LUFKIN公司最近推出的产品，它可以对油井、注水井进行全方位的测量，从而达到自动控制的目的，大大提高了工作效率。并且，代表当前世界最高水平的美国部分油田自动化管理系统中，精确到将原油销售过程中由于温度等因素引起的体积变化导致的销售差额都作为考虑因素[12]；Jeroen等人在石油开采国际会议上提出了油田脉冲技术，避免了不断调节注水压力来保持流量不变，并在加拿大的油田中得到了很好的应用。虽然国外的油田自动化监测系统功能已经十分齐全，监测水平也远远超过了国内的水平，但是国外的油田自动化监测系统并不完全适用于国内油田，且其价格十分昂贵，制约了在我国的发展推广[13]。1.2.2国内研究现状我国油气田较晚步入到自动化监测控制领域，随着资源的日益匮乏和可持续发展战略的提出，国内油田越来越感受到自动化监控的重要性，所以近些年来将国外的一些比较先进的自动化设备和技术引入到海洋采油平台、西部油田和长输管道方面，经过近十年的发展应用、吸收消化，达到了集中分布式监控阶段，并且正向着智能化、网络化和现代企业自动化方向发展[14]。我国早在上世纪60年代就开始了对油井远程监控系统的研究和开发，国内涉足过此类系统的企业有数百家，但由于技术、科技含量低等问题在实际应用中效果不佳[15]。20世纪90年代，我国西部的塔里木、海上、吐哈等油田为了提高工作效率，提高采收率，引入了国外的自动化系统，并且取得了良好的效果。这些百万吨油田的操作人员基本控制在100人以内[16]。由于计算机、网络技术的迅猛发展，特别是油井的现代化管理的要求有力促进了油井监控系统的研究和发展，到20世纪90年代后期，我国的华盛信息技术有限公司、集纳公司、安控公司等在油井监控研究方面取得了可喜的成绩[17]。当对油田注水系统进行数据采集后，如何应用反馈对执行元件进行控制是关键。传统的控制方法是PID控制，但其对大惯性、纯滞后和非线性的系统控制往往整定不良、性能欠佳，而且注水系统需要实时调节，并且实际中有些系统难以用建立数学模型，人们需要非传统的控制方法进行控制[18]。李湘闽、张君等将改进了数字流量阀的PID控制器，将模糊控制、自适应控制引入到了PID控制算法中，流量阀控制性能得到了显著提高[19]。这些实例都为以后的研究提供了可借鉴的思路。1.3本课题主要研究目的及内容安排1.3.1研究目的对油田集输、注水泵站生产过程实现自动化管理后，能够提高泵站生产管理及运行水平，主要表现在：（1）现场生产管理人员通过实时监控站各个生产过程的生产参数，能够及时分析各个生产过程的工作状态，可以预测并发现生产过程中出现的问题，能够大大提高油田站的生产运行质量。（2）对油田集输、注水泵站生产参数实现自动采集后，可以减少大量的现场值班人员，同时较大幅度降低了现场工人的劳动强度，有利于油田减员增效。（3）实现油田集输、注水泵站生产过程的全自动化监控，对建成环保、节能、运行效率高、自动化管理水平高的智能化、数字化的油田泵站有着重要意义，它同时也是数字化油田建设的重要组成部分。1.3.2主要内容安排（1）查阅油田注水方面的有关著作，了解油田注水过程存在的问题，研究国内外油田注水流量监控系统的现状及发展趋势。（2）在了解系统工作原理的基础上，介绍几种注水方式和注水流程，针对系统实现的功能，分析系统耗能的主要原因，并分析了节能的几种主要方式。（3）提出了系统的总体设计方案，根据设计方案确定了需要的几种相关技术，并根据系统的要求选取了PID控制作为控制方法。（4）搭建系统的硬件平台，选取合适的单片机，控制系统的硬件模块设计由电源管理模块、控制器基本电路、伺服电机控制等模块组成。（5）编写控制系统软件，软件系统由控制器模块、系统初始化模块、和电机控制模块等几个软件模块组成。（6）搭建MATLAB软件仿真平台，对PWM控制直流电机进行MATLAB仿真，并对波形进行分析整理。第2章油田注水系统基本工作原理2.1油田注水系统的结构和基本原理注水系统是由节点单元（包括注水间、配水间、注水井及管线交汇点）、管道单元（包括注水干线、注水支线）和附属单元（包括阀门、三通、弯头等）组成的，是一个复杂而庞大的水力学系统，同时也是一个大型流体网络系统[20]。在注水系统中，随着油田注水工作不断进展，新、老联合注水站的污水已成为注入水主要来源，污水经过沉降过滤处理后，用泵打入污水储罐，依据生产指标要求，经过高压注水泵增压后，注入到注水管网中，然后到达各个配水间，再经控制、计量后分配至各注水井，通过各条注水管柱，最后通过配水嘴喷出，注入到地底油层中[21]，注水系统结构图如图2-1所示。注水干线注水井注水干线注水井注水支线多井配水间注水井i（i=1，2，…，n）单井配水间注水井注水站注水管网系统表示水的流向图2-1注水系统结构图注水系统整个流程是从水源——净化系统——注水站——配水间——注水井，净化系统实际上是水质处理系统。注水站的主要任务是将处理后符合质量标准的水升压，使其满足注水井注入压力的要求。由于油田区域分布广，注水管网复杂庞大，注水井的数目也比较多，因此油田注水系统往往不是一个注水站或单个注水间，而是包含有很多注水站、多个配水间。2.2注水系统控制方式比较控制注水的目的是在保证达到地底油层压力的条件下，通过提高注水泵的效率、降低单耗等手段，来达到降低系统功耗、节约电能的目的。对注水系统的控制有三种方式:泵的台数控制、调速控制和阀门节流控制。三种控制方式的比较：泵的台数控制：优点是控制方式简单，经济性好；缺点是压力变化大，不能连续控制；适用条件为泵的实际扬程大于管道损失或台数多、小容量水泵多的情况。阀门节流控制：优点是控制方法较简单，可连续控制流量、压力，经济性好；缺点是效率低，有噪音；适用条件为泵的扬程大于管道损失，台数多、中等容量水泵的情况。泵的调速控制：优点是可连续控制流量和压力，效率高；缺点是初期投资大，并联运转是对控制要求高；适用条件为流量范围大，台数少、大容量水泵和泵实际扬程小于管道损失的情况。2.3关键参数流量、压力、温度是工业自动化领域的三大检测参数。在工业生产中流量测量的意义重大，它可以直接为生产提供消耗的能源数量，进行经济核算，也可以将流量信号作为控制生产的主要参数。地层压力和地层温度是开发油气田的能量，也是油气田开发中重要的基础参数。油气藏地层压力和温度的高低，不仅决定着油气等流体的性质；还决定着油气田开发的方式、油气开采的技术特点与经济成本，以及油气的最终采收率。因此，对一个油气田来说，在勘探阶段以至整个开发过程中，都要十分重视地层压力和温度这两个基础参数的获取、由于油气层深埋地下，多种因素影响着油气层压力和温度，要想准确地获取地层压力和温度特别是不同开发阶段地层压力的确切数值是十分困难的，所以要精心的做好地层压力的测试、计量和计算工作。第3章系统方案的确定3.1系统的设计要求对于油田注水智能监控系统，从油田生产和实际需要出发，要求系统有如下功能:（1）可靠性:第一，传感器超过量程时不会损坏；第二，现场所有仪表要具有较强的防水、防磁、防爆、耐高低温、抗振特性。（2）准确性:压力、温度、流量等参数的计量误差小于5%。（3）安全性:一是软件访问网络的权限要实施保密和防护，以保证数据的安全；二是为了保证系统不因系统问题而造成事故发生，系统要采用防爆结构；三是为了保证系统数据的正常传输，所有电缆要埋于地下并且要有管保护；四是系统对每一个动作操作提供检查和校核，操作有误时，被禁止并报警。（4）良好的开放性和扩充性:现场总线通讯网络结构的采用使系统设备可方便灵活的进行扩充，可根据泵站的要求及需要进行设备的增加。硬件的设计具有开放性，所有的硬件均为模块化，构成一个通用、开放的结构体系；这就允许系统随时增加新的标准设备，构成有机整体结构。3.2系统总体方案确定方案一：传统PID控制，这种控制方式在很多情况下，PID控制器只需要一到两个单元就可以达到目的，并不需要三个单元一起来调节，但是这些单元中必须要有比例控制单元。PID控制原理简单、使用方便、适应性强、鲁棒性强等优点。PID控制器在实际应用中同样存在着缺点，当其在控制时变、耦合、非线性及参数和结构不确定的复杂系统时，在系统静态和动态性能之间，跟踪设定值与抑制扰动能力之间存在着矛盾，通常使用折中的办法，使系统不能获得最佳的控制效果。PID控制器在实际的工程应用中参数整定相当繁杂，需要通过试凑法等方法来实现，影响了PID控制器的性能，对于实际的工程运行状况适应性差，所以常规PID控制在实际应用中受到了限制。方案二：采用AVR单片机与PID控制相结合的方式，弥补PID控制中的不足，结合两者优点，利用单片机与计算机的结合，编成计算机可以接受的控制方式，让计算机代替人力来进行有效地，实时控制。本次实验采用第二种方案。本设计的油田注水智能监控系统，结合油田注水环境及流量控制的特点，确定注水监控系统的总体设计方案，以期达到稳定高效安全的实现注水系统的监测及控制的目的，保证注水质量，提高原油生产率。油田注水智能流量监控系统整体框图如图3-1示，系统的检测元件为压力计、温度计、流量计，选用流量为主要的被控对象，并由控制电路调节阀门，完成对流量的调节，达到所需要的流量标准。在工业控制领域控制主机有多种选择，本系统选用有高性价比的低功耗ATmega16系列单片机为主机。ATmega16单片机具有耗电量小，适用温度范围宽，小巧灵活，成本低，易于产品化，抗干扰能力强等特点，非常适合油田注水环境。本系统充分利用ATmega16单片机的高性能，结合LCD、键盘、压力计、流量计、阀门等，组建一个具有良好的人机交互界面的油田注水监测控制系统。系统利用流量计对油田注水流量进行计量，并把实时的流量值传送给ATmega16单片机，ATmega16根据事先设置的预定值和检测值的差值控制阀门的开启，并根据流量值的反馈值，实时调整阀门状态，调节注水量；同时将相关的数值进行记录存储，并在LCD上进行查询显示。图3-1油田注水智能控制系统整体框图鉴于油田环境恶劣，电磁干扰较强，温度和湿度变化范围较大，空气中含腐蚀性气体浓度高，野外供电不方便和成本问题，系统选用了8位的、具有先进指令集的高性能、低功耗的AVR微处理器，ATmega16单片机。3.3执行机构的选择3.3.1流量计流量仪表即使在实验中获得很高的精度，但在油田现场不一定会出现相同的精度，因为流量仪表对于使用条件的依赖十分强烈，性能会随着条件的变化而变化。油井的温度大概是80~180℃，注水压力范围一般在15~50MPa之间，流量范围最大约为40~0.1m3/h（400:1），且液体中含有气体，仪表容易被腐蚀，一般的流量仪表很难适应这种恶劣的环境。本系统根据现场工作条件，选用容积式流量计FLOMECOM004。FLOMECOM004容积式流量传感器两大优势：（1）活动的机械部件仅有两个椭圆齿轮，有利于系统运行的可靠性和稳定性。（2）脉冲电压输出信号，这种信号适合AVR单片机处理。综上，FLOMECOM004容积式流量传感器具有抗干扰能力强、可靠性高、输出脉冲稳定性好、体积小等优点，适合本次设计的应用场所。3.3.2调节阀在自动调节系统的设计中，调节阀的选择是一个十分重要的环节。正确选择调节阀，合理地确定水泵的扬程，还有明显的节能效果。调节阀是按照控制信号的方向和大小，通过改变阀芯行程来改变阀的阻力系数，达到调节流量的目的。随着科技的发展，出现了智能调节阀，它具有控制、保护、诊断等功能，集常规调节阀检测、控制、调节于一身的现场智能控制器，可以根据系统工作过程中的流量、阀门开度、压力变化等情况及时调整，使系统系统可以更好的工作。调节阀在现场使用中，会出现各种各样的问题，其中很多问题是由调节阀的安装使用不当造成的，所以在调节阀在安装过程中需要注意一下以下几方面:（1）调节阀属于现场仪表，环境温度应该在-25~60℃范围，相对湿度≤95%。在高温或露天场所要增加降温、防水措施。（2）调节阀只有在特殊情况下可以倾倒，一般应垂直安装，在阀本身过重或倾斜角度太大时，应该对调节阀增加支承件。（3）执行机构的减速器在维护时要注意加润滑油，一般不要拆洗低速电机。当调节阀安装后，要注意检查阀门开度显示与实际的开度是否相符。3.4测控系统的工作原理仪器测控系统是泵站实现自动化最基础、最重要的组成部分，其可靠性和精度直接影响泵站的正常运行，因此熟悉测控系统的工作原理具有重要的意义。整个测控系统对提高注水生产的效率具有非常重要的作用。它所完成的主要功能是对实现参数进行采集，并转换成电流标准信号，送到显示仪表、控制仪表或单片机的输入端，通过对采集到的数据进行记录分析、比较，达到实现对注水泵的压力、流量的调节，实现系统的自动保护、报警功能。系统装置内的逻辑控制保护电路部分，能够自动进行超限报警保护、自动停泵保护、安全状况下重新启动等功能。本设计采用流量值作为控制系统的调节参数，检测控制系统主要由流量计（测量机构）、电机控制阀门（控制器）、电动机（执行机构）和被控对象（流量值）构成。如下图所示。PID算法PID算法图3-2检测控制系统结构图由采集模块中流量计、压力计测得的流量值和压力值输入到单片机中，与单片机中设置的流量值上、下限值进行比较，可以得到实际值与预设值的偏差，通过单片机内的控制算法，可以由偏差计算出电动机的转动量，电机阀门调节的流量值输出量，完成整体控制。注水监测系统的主要组成部分是以ATmega16单片机为核心的控制器，控制器通过流量计所检测的流量值来控制阀门调节，即对电动机转动量的调节，以达到保持地底压力的目的。通过程序设定注水井压力A1和注水流量值B1，通过压力计和流量计采集实时压力值A2和流量值B2，压力传感器将实时压力信号转化为电信号，通过放大滤波，数模转换传入单片机中与预设值A1进行比较，当A1>A2，单片机发出开阀门信号，经保护电路、隔离放大电路和驱动放大电路后驱动电动机，即驱动电机阀门的开关和转动量。随后，流量计检测流量值大小传入单片机，进行数据分析比较，判断实际流量值B2与预设值B1的大小，当B2=B1时，阀门不动；当B1>B2或B2>B1时，根据流量差值计算电动机转量，利用单片机来驱动电机，进而达到控制电机阀门的开关度的目的，实现电机阀门的正转和反转，实现自动控制，直到B1=B2，装置自动停止调节。第4章基于ATmega16的测控系统设计测控系统硬件部分主要由单片机的流量采集、压力采集、温度采集和电机控制等组成。本设计选用ATmega16系列单片机，所设计的产品较适合用于工业环境下，并且具有低功耗、开发方便等特点。4.1单片机的选型和特点ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。ATmega16实物图如下：图4-144引脚TQPF封装实物图图4-240引脚PDIP封装实物图ATmega16管脚图如下：图4-344引脚TQPF封装管脚图图4-440引脚PDIP封装管脚图ATmega16是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISPFlash允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区（ApplicationFlashMemory）。在更新应用Flash存储区时引导Flash区（BootFlashMemory）的程序继续运行，实现了RWW操作。通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。产品特性：–高性能、低功耗的8位AVR微处理器–先进的RISC结构（简单指令结构）–131条指令–大多数指令执行时间为单个时钟周期–32个8位通用工作寄存器–计数/定时器：2个8位，1个16位–全静态工作–工作于16MHz时性能（最大吞吐量）高达16MIPS–只需两个时钟周期的硬件乘法器–非易失性程序和数据存储器–片内数据存储器：16K字节的系统内可编程Flash，512字节的EEPROM（电可擦除可编程ROM）擦写寿命:10，000次–具有独立锁定位的可选Boot代码区通过片上Boot程序实现系统内编程真正的同时读写操作擦写寿命：100.000次–1K字节的片内SRAM–可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密·JTAG接口（与IEEE1149.1标准兼容）–符合JTAG标准的边界扫描功能–支持扩展的片内调试功能–通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程·外设特点–两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器–一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器–具有独立振荡器的实时计数器RTC–四通道PWM–8路10位ADC8个单端通道TQFP封装的7个差分通道2个具有可编程增益（1x，10x，或200x）的差分通道–面向字节的两线接口–两个可编程的串行USART–可工作于主机/从机模式的SPI串行接口–具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器（WatchDog）–片内模拟比较器·特殊的处理器特点–上电复位以及可编程的掉电检测–片内经过标定的RC振荡器–片内/片外中断源（共有21个中断源）–6种睡眠模式:空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式·I/O和封装–32个可编程的I/O口–40引脚PDIP封装，44引脚TQFP封装，与44引脚MLF封装·工作电压:–ATmega16L：2.7-5.5V–ATmega16：4.5-5.5V·速度等级–0-8MHzATmega16L–0-16MHzATmega16·ATmega16L在1MHz，3V，25°C时的功耗–正常模式:1.1mA–空闲模式:0.35mA4.2测控系统硬件电路设计油田注水流量监控系统主要由键盘输入模块、信息采集模块、显示模块、报警模块和CPU处理模块等组成，系统的原理框图如图4-5所示。信息输入模块通过采集传感器采集压力、温度和流量等信号。显示模块则采取了显示效果较好的液晶显示模块。图4-5系统原理框图整个系统的结构一目了然，信息采集模块直接与ATmega16连接，简化采集设计，增加系统的可靠性。通过单片机的P0口来实现键盘输入，由于P0口具有中断功能，实现起来非常容易，同时也适合软件编程。电源和复位模块主要是为系统提供可靠的电源，另外系统工作需要复位功能，需要提供复位信号。报警模块是为了当注水流量出现异常时，给予提示。显示模块用以显示实时的测量值，以便进行读取。4.2.1电源电路本设计中主电路及控制电路用电电压为5V，传感器供电电压为15V，本次设计电源电路采用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源，其所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如设计中用到的7805表示输出电压为+5V，7915输出电压为-15V，在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。在78**、79**系列三端稳压器中最常应用的是TO-220和TO-202两种封装。这两种封装的图形以及引脚序号、引脚功能如下图所示。从正面看①②③引脚从左向右按顺序标注，接入电路时①脚电压高于②脚，③脚为输出位。如对于78**正压系列，①脚高电位，②脚接地，③脚为输出位；而对于79**负压系列，①脚接地，②脚接负电压，③脚为输出位。图4-678系列封装图7805三端稳压IC内部电路具有过压保护、过流保护、过热保护功能，这使它的性能很稳定。能够实现1A以上的输出电流。器件具有良好的温度系数，因此产品的应用范围很广泛。可以运用本地调节来消除噪声影响，解决了与单点调节相关的分散问题，输出电压误差精度分为±3%和±5%。7815为三端正稳压器电路，TO-220F封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达1A。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。一般的双电源（正负对称电源）都没有连续可调的功能，给使用带来一定程度上的不便。用一块7815和一块7915三端稳压器对称连接，可获得一组正负对称的正负15V稳压电源。电源电路原理图如下图所示。图4-7电源电路4.2.2时钟电路本次设计中的时钟电路采用单片机内部时钟加上外部晶振的方式。这种时钟的方式简单，成本低廉，虽然精度稍差，但是不影响整体运行情况。外部电路图如下图所示。图4-8时钟电路4.2.3复位电路无论用户使用哪种类型的单片机，总是要涉及到复位电路的设计，它的性能好坏直接影响到整个系统工作的可靠性，如果设计的复位电路不可靠，会引起“死机”、“程序走飞”等现象。复位电路是在系统上电或者复位过程中，控制CPU的复位状态，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，提高电磁兼容性能。复位电路可以采用矩阵搭载单片机内部RESET管脚来复位，或者是使用复位芯片来实现。本系统选用搭载电路，利用单片机内置RESET管脚来实现电路的复位，采取一键复位。复位电如图4-9所示。图4-9复位电路4.2.4键盘设计该扫描键盘由4个按键组成，为了实现中断功能，选用PA2、PA3、PA4和PA5作为键盘的输入端，按键接上拉电阻，若无按键按下，为高电平，若有健按下，则为低电平，这时通过设置低电平触发中断方式，低电平就触发中断而进入中断服务程序，从而获得输入的数据，S1为设置按键，第一次按下为压力预设值设置，第二次按下为流量预设值设置，第三次按下为温度预设值设置，第四次按下为设置完成，循环设定；S2为换档键，换档键是更换输入加减键位的数量档初始档位为1，按下后变为10，再按下重新变为1，循环；S3为预设值加，每次按下预设值增加1或10，档位通过换档键设置；S4为预设值减，用法与S3相同。键盘模块电路图如图4-10所示。图4-10键盘电路4.2.5液晶显示部分测试现场的数据需要存储，并且在液晶显示屏上显示出来，例如流量计所测得的瞬时流量，同时单片机求得一段时间内的压力值，压力值是否在要求范围内，都要根据ATmega16的时钟电路按照日期显示，以便可以随时查阅历史记录，为油田注水提供依据。液晶显示模块是一种将液晶显示器件、背光源、PCB（Printedcircuitboard）线路板、集成电路、连接件、结构件装配在一起的组件。几乎所有的通用型点阵液晶显示器件都是加工成模块后才供给用户的，所以通常所说的“模块”主要是指点阵液晶显示器装配的点阵液晶显示模块，这和广义上所说的模块，即模块是由液晶显示器件和集成电路装配在一起的部件有所不同。液晶显示器件本身不发光，它主要是通过背光源滤光并且通过电路板给显示器件供电通过不同的占空比驱动来显示。液晶显示器具有功耗低、体积小、质量轻、超薄等优点，LCD（LiquidCrystalDisplay）液晶显示器弥补了LED（LightEmittingDiode）显示效果不够美观、不能显示图形和汉字等特点，不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、汉字和曲线。本设计中选用型号为1602液晶显示屏，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。ATmega16单片机内部并具有LCD控制寄存器和显示寄存器，可以将采集到的数据进行显示，外部搭载时钟模块可以实现实时信息比较，将采集到的压力值、流量值、温度值与预设值进行比较，通过LCD进行显示。图4-11LCD1602显示电路4.2.6压力传感器电路随着集成电路和半导体的发展，人们利用半导体材料的压阻效应原理，研究出半导体力敏传感器，半导体力敏传感器之中的硅压阻式压力传感器具有性价比高、体积小等优点。本设计根据应用场合，实现测量液体压力的要求，确定选型采用扩散硅压力传感器，此种传感器满足检测环境，方便安装，稳定性好，价格便宜的特点。（1）扩散硅型压力传感器工作原理和构成工作原理：被检测的液体的压力作用在传感器的膜片上时，传感器膜片就会产生位移量，此位移量与液体压力成正比，从而引起传感器的电阻值随之相应的改变。传感器的内部电路检测到阻值变化时，就将这种阻值变化转换成与压力相对应的标准检测信号。使用硅材料的压力传感器一般都是压阻式传感器，这种传感器属于微型化的传感器。压阻效应机理：被测介质有力作用于硅晶体后，晶体的晶格发生变形，这个过程载流子自一个能谷向另一个能谷漂移，致使载流子的迁移率发生改变，引起载流子纵向量和横向量的波动，硅的电阻率也随之产生改变。硅晶体的压阻效应与晶体的取向有着紧密关系，硅晶体的压阻效应与金属应变产生的压阻是不同的，硅晶体电阻是外界压力引起的电阻率变化决定的，金属电阻则是由金属变形的形变量决定。前者的灵敏度极高，所以在系统检测压力时能够达到高精准度。压阻式压力传感器的结构：压阻式压力传感器也被称作固态压力传感器，它是通过硅膜片感应压力。压阻式压力传感器是采用高集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上，同时将芯片固定在封装外壳内，拉出信号引线。引线的一端是硅膜片与被测介质相通的高压腔，引线的另一端则是硅膜片到与大气相连接的低压腔。其制成工艺为圆形硅膜片中N型域内扩散出4条掺杂P杂质的电阻条，连接为全桥型。掺杂P杂质的电阻条有两个在压应力区，另外的两个则在拉应力区，他们对称分布在膜片两侧。（2）设计选择PRC-801压力传感器PRC-801压力传感器实物图如图4-12所示，该产品压力敏感元件采用扩散硅充油芯体，稳定性好。外壳采用不锈钢壳体，具有耐腐蚀性，方便安装。高性能、高可靠性、全固态、耐腐蚀，不锈钢全焊接结构及“0”型圈密封结构，恒压源供电。图4-12PRC-801压力传感器实物图PRC-80压力传感器技术指标如下表所示：表4-1压力传感器技术指标量程范围0~100Mpa测量精度0.5%/0.2%FS输出形式功率输出管的集电极压力接口电压比较器的输出端瞬时过载功率输出压力形式电源输出端长期稳定性定时电容供电9~36VDC响应时间≤10ms介质温度-30℃~85℃压力检测由压力传感器PRC-801和CPU的A/D功能实现。PRC-801的工作范围广，线性度好，灵敏度较高。PRC-801输出的是电压信号，经过放大电路放大后，输入单片机。运放A4采用LM324通用运放，以恒流驱动传感器，输出电流为1.5mA。从压力传感器输出端取出的电流要变换为差动电压输出。因此，要采用阻抗高、仅放大差动电压的电路。在这里A1和A3亦选用LM324，构成差动输入与差动输出的放大电路。由于输出电压很小，约为60mV~70mV，因此，如果要求测量精度高，必须选用失调电压很小的运放。若要求放大电路输出电压为0~1V，则要求放大电路增益为5.5倍到17倍，以为压力传感器输出为60mV~180mV。因此电路增益G科表示为：硬件电路如图4-13所示。图4-13压力传感器放大电路4.2.7流量计传感器电路流量传感器信号用于实现将油路中的流量输出转换为脉冲电压信号，反馈给单片机进行处理并将测量数据与内部预设值比较，调节电机转速，为了实现对流量进行采样，本系统采用FLOMECOM004椭圆齿轮流量计作为智能传感器，它将测到的流量转换为脉冲形式的电压信号输出。FLOMECOM004流量计为不同行业所要测量的流体、或液体提供精确的体积测量。应用行业之广，使用领域之多。FLOMECOM004流量计之所以被广泛应用，是因为其采用先进的生成工艺，能够精确地实现测量流量，是一种精密度极高的流量检测设备。FLOMECOM004容积式流量计技术参数要求精度：±1%重复精度、±0.03%流量范围、2~100L/h压力、2~8公斤黏度：3~400立波材质、不锈钢4~20毫安，定标脉冲。外形结构如图4-14所示。图4-14FLOMECOM004实物外形FLOMECOM004小型容积式流量传感器是一对椭圆齿轮端面上镶有四块磁体，当椭圆齿轮因存在压差产生旋转时，磁铁将伴随着齿轮进行同步转动。传感器的感应探头被放置在磁体运转的轨道中，当椭圆齿轮运行到感应探头时，此刻其作用相当于提供磁感应强度为B的磁场，当磁场方向与流过探头的电流方向垂直时；由于存在洛伦兹力，导致导体片的电阻率因运动方向的偏转而增大，这个过程被称为半导体磁阻效应。磁感应探头电阻增大时，由磁性金属薄膜电阻组成桥路放大器会产生不平衡，此时桥路就会输出高电位。齿轮旋转离开探头时，由于不存在磁场作用，其电阻值没有变化，此时桥路处于平衡状态，输出低电位。由以上理论得出，齿轮旋转一圈时，桥路放大器一共输出四个脉冲，这些脉冲的宽度与齿轮转速成正比关系。脉冲电压信号经放大整形后，输出信号为5V，送进单片机，内部结构如图4-15所示。1传动轴总集成2转子总集成3机身安装O型圈4仪表盖5机身安装螺丝6脉冲输出板7输出板安装螺丝8端盖O型圈9外端盖10端盖安装螺丝图4-15流量传感器内部结构图FLOMECOM004容积式流量传感器两大优势：（1）活动的机械部件仅有两个椭圆齿轮，有利于系统运行的可靠性和稳定性。（2）脉冲电压输出信号，这种信号适合AVR单片机处理。综上，FLOMECOM004容积式流量传感器具有抗干扰能力强、可靠性高、输出脉冲稳定性好、体积小等优点，适合本次设计的应用场所。采用FLOMECOM004流量计，最小流量数据采样小于10秒（最大脉冲周期2.4922sec）。大流量时，保证时间计数器最小读数1000，采用16位计时计数器，计数下限为210=1024，上限为214=16384。采用固定的时钟频率1KHz（1msec）最大流量保护，设定流量最大值，一旦超过此值，反馈给单片机，控制电机从而控制阀门开度，降低流量，保护系统安全性。最小流量检测，设定最大时间脉冲数，若实测脉冲数超过此值，则认为该通道没有喷油或流量过低，控制阀门开度增大，增加流量。放大电路设计如图4-16所示。图4-16流量传感器放大电路4.2.8PWM控制电路和负载驱动电路本文中的电动机选用直流伺服电动机，它是控制电动机的一个种类，又称为执行电动机，可以把输入的电压信号变换为轴上的角位移和角速度的输出。直流伺服电动机的结构和直流电动机相同。它由定子和转子两大部分组成。磁极安装在定子上，电磁式伺服电动机的定子磁极上绕有励磁绕组。伺服电动机和普通电动机的最大区别是在于其电枢铁心长度和直径之比，比普通电动机的要大，气隙也较小。直流伺服电动机的工作原理是当定子中的励磁磁通和转子中的电流相互作用时，电磁转矩就会产生，从而驱动电枢转动，改变控制转子中电枢的电流方向和大小，就可以控制伺服电动机的转动速度和转动方向。电枢电流为零时，伺服电动机则停止转动。脉宽调制PWM（PulseWidthModulated）是对输出方波的一个周期中高电平和低电平所占的时间比例进行调整。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换，让信号保持在数字形式减小了噪声的影响。因为PWM控制具有控制简单、灵活和动态响应好的特点成为电力电子技术最广泛应用的控制形式。在PWM调速时，占空比是一个重要的参数。在一个周期T内开关导通时间与周期的比值就是占空比。当电源电压不变，占空比大小决定着电枢电压平均值的大小，改变占空比就可以达到调速的目的。在ATmega16中，定时器A、B均带有多个捕获/比较寄存器，同时可实现多路PWM输出。直流电动机PWM控制系统有可逆和不可逆系统之分。可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转；不可逆系统是指电动机只能单向旋转。对于可逆系统，可又分为单极性驱动和双驱动方式两种。单极性驱动是指在一个PWM周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的，双极性驱动的脉冲电压则是正负交替的。本系统因为要控制阀门的开关，同时双极性系统具有电流波动大，功率损耗较高的特点，所以选用单极性可逆系统。单极性驱动也有T型和H型之分，我们选用H型驱动。采用专用集成电路芯片可以很方便的组成单片机控制的直流伺服系统，LM629是一种功率集成芯片，它的主要功能是电机驱动，是由美国国家半导体公司生产的。图4-17应用LM629组成的位置伺服系统。LM629的I/O口D0~D7与单片机的PC口相连，用来从单片机传送数据和控制指令。ATmega16的PD3引脚与LM629的片选相连，作为选中LM629的地址线。引脚PD7与LM629的PS相连，作为另一条地址线。当PD7=0时，ATmega16可以向LM629写指令，或从其中读状态；当PD7=1时，ATmega16可以向LM629写数据，或从中读信息。ATmega16的主要工作就是向LM629传送运动数据和PID数据，并通过LM629对电动机进行监控，LM629则根据ATmega16发来的数据生产速度图，进行位置跟踪，进行PID控制和生成PWM信号输出。LM629的2个输出PWMS和PWMM经光电隔离与驱动芯片LMD18200相连，来驱动直流电机运行，并通过增量式光电编码器来进行转速反馈。光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。增量式光电编码器是码盘随位置的变化输出一系列的脉冲信号，然后根据位置变化的方向用计数器对脉冲进行加/减计数，以此达到位置检测的目的。它是由光源、透镜、主光栅码盘、鉴向盘、光敏元件和电子线路组成。增量式光电编码器输出两路相位相差90o的脉冲信号A和B，当电机正转时，脉冲信号A的相位超前脉冲信号B的相位90o，此时逻辑电路处理后可形成高电平的方向信号Dir。当电机反转时，脉冲信号A的相位滞后脉冲信号B的相位90o，此时逻辑电路处理后的方向信号Dir为低电平。因此根据超前与滞后的关系可以确定电机的转向。驱动电路如图4-17所示。图4-17伺服电机驱动系统4.2.9温度保护电路本设计中温度保护电路中的温度传感器采用DALLAS公司的DS18B20数字温度传感器，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。DS18B20在出厂时以配置为12位，读取温度时共读取16位，前5个位为符号位，当前5位为1时，读取的温度为负数；当前5位为0时，读取的温度为正数。温度为正时读取方法为：将16进制数转换成10进制即可。温度为负时读取方法为：将16进制取反后加1，再转换成10进制即可。DS18B20的主要特性：（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；（5）温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；（8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。DS18B20引脚定义：（1）DQ为数字信号输入/输出端；（2）GND为电源地；（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。DS18B20实物图及封装图如下图所示。图4-18DS18B20实物图及封装图本文使用DS18B20与主控单片机ATmega16相结合，控制温度检测显示在LCD显示屏上，并且设置报警温度，当温度高于预设高温报警温度时，将会致使蜂鸣器报警，并中断整个注水控制系统，使电机停止转动控制阀门停止开度，保证电机的正常运转，不被烧毁，从而保护整个注水控制系统的安全性。温度保护电路部分原理图如图4-19。图4-19温度保护电路图4.3软件设计4.3.1开发环境许多第三方的厂商为AVR系列单片机开发了对应的AVR单片机C编译器，每个C编译器各有特点。其中比较主要的有：CVAVR（CodeVisionAVR）、EWAVR（IAREmbeddedWorkbench）、ICCAVR、WinAVR（GCCAVR）。EWAVR由IAR公司推出，ICCAVR由ImageCraft公司推出。本次设计中采用ICCAVR来编译程序，ICCAVR是一种符合ANSI标准的C语言来开发MCU（单片机）程序的一个工具，功能合适、使用方便、技术支持好，它主要有以下几个特点：1、ICCAVR是一个综合了编辑器和工程管理器的集成工作环境（IDE）；2、源文件全部被组织到工程之中，文件的编辑和工程的构筑也在这个环境中完成，错误显示在状态窗口中，并且当你点击编译错误时，光标自动跳转到错误的那一行；3、该工程管理器还能直接产生INTELHEX格式文件的烧写文件（该格式的文件可被大多数编程器所支持，可以直接下载到芯片中使用）和符合AVRStudio的调试文件（COFF格式）。4、ICCAVR是一个32位的程序，支持长文件名。5、ICCAVR是一个综合了编辑器和工程管理器的集成开发环境（IDE），是一个纯32位的程序，可在Win95、Win98、WinME、WinNT、Win2000、WinXP和Win7环境下运行。4.3.2控制系统工作流程分析智能流量监控系统的软件主要由主程序、中断服务程序、子程序等组成。子程序主要包括PID控制子程序、电机控制子程序等。测控系统平时处于低功耗状态，当有外部中断信号时，才开始执行程序，达到低功耗设计的目的。其流程图如图4-20所示。图4-20智能流量控制系统流程图4.3.3初始化程序模块在ATmega16测控系统设计中，用中断方式实现全部功能，主程序初始化后，开中断进入到低功耗模式死循环，当有中断时，CPU从低功耗模式唤醒，进行中断处理，当执行完后再返回低功耗死循环。其流程图如下。图4-21ATmega16程序流程图4.3.4电机控制模块电机控制是利用超声波流量计测得的流量值通过计算与设定值的偏差来控制，采样周期设为20分钟，由定时器A实现该功能，当要采集数据时，将ATmega16单片机从低功耗模式唤醒，采集数据并存储，并计算测量值与流量值的偏差，若为零，不用调节，否则根据单片机内部的控制规则表来决定是正转还是反转，达到控制流量的目的。其流程图如图4-22所示。图4-22电机控制模块流程图4.3.5PID控制模块在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器结构简单、工作可靠、稳定性好、调整方便，成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能得到精确的数学模型，控制理论的其他技术难以实现时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和调试来确定，这时采用PID控制最为方便。PID控制器是根据系统产生的误差，利用比例、积分、微分来计算出控制量进行控制。比例（P）控制比例控制是最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。仅有比例控制时系统存在稳态误差。积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自控系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，就称这个控制系统是有差系统。为消除稳态误差，所以在控制器中引入积分项。随着时间的增加，积分项会增大。这样，即使误差很小，积分项也会随着时间而增大，它使控制器的输出增大，使稳态误差进一步减小，直到为零。因此，比例积分（PI）控制器，可以在静茹稳态后使系统稳态误差为零。微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系。自控系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。原因是存在有较大惯性的组件或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差变化。解决办法是使抑制误差的变化“超前”，即在误差接近于零时，抑制误差的作用就应该为零。所以对具有较大惯性或滞后的被控对象，采用比例微分（PD）控制器能够改善系统在调节过程中的动态特性。在连续控制过程中，采用增量式数字PID程序对脉冲输出进行控制，此算法结构简单，参数易于调整。增量式数字PID的数学表达式为式中——比例系数；——采样周期；——微分周期；——积分周期；——积分系数，；——微分系数，。下图为软件实现PID算法流程图。图4-23PID算法流程图4.4系统的MATLAB仿真4.4.1MATLAB简介MATLAB是MathWorks公司于1984年推出的数学软件，是一种用于科学工程计算的高效率的高级语言。MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵实验室，主要向用户提供一套完善的矩阵运算命令。随着数值运算的演变，它逐渐发展成为各种系统仿真、数字信号处理、科学可视化的通用标准语言，由于MATLAB软件完整的专业体系和先进的设计开发思路，使得MATLAB在多种领域都有广阔的应用空间，特别是在科学计算、建模仿真以及工程系统的设计开发上，已经成为业内的首选工具。MATLAB具有其他高级语言无法比拟的一些优点，例如编写简单、编程效率高、简单易懂等，因此MATLAB语言也被通俗地称为“演算纸式的科学算法语言”。MATLAB由主包和功能各异的工具箱组成，其基本的数据结构是矩阵。4.4.2电机MATLAB仿真本次设计选用直流电动机的额定参数PN=2.2kW、UN=220V、IN=10A、nN=1480r/min，Ks=30，电动势系数Ce=0.136V/min/r。选取电动机参数为Ra=1.5Ω，La=0.5H，Ka=0.015，Kb=0.015，f=0.3Nms，Ja=0.02kg·m2.。分别以电动机的电枢电压和负载力矩为输入变量，以电动机的转动速度为输出变量，在MATLAB中建立电动机的数学模型。>>Ra=1.5;La=0.5;Ka=0.1;>>Kb=0.1;f=0.3;Ja=0.02;>>G1=tf(Ka,[LaRa]);>>G2=tf(1,[Jaf]);>>dcm=ss(G2)*[G1,1];>>dcm=feedback(dcm,Kb,1,1);>>dcm1=tf(dcm)Transferfunctionfrominput1tooutput:10s^2+18s+46Transferfunctionfrominput2tooutput:50s+150s^2+18s+46下图为电机数学模型函数图。/图4-24电机数学模型函数图系统基于MATLAB的仿真部分为PID控制的直流电机调速部分，基于Simulink的结构图如图4-25所示。图4-25基于MATLAB中Simulink的结构图图4-26PID仿真波形图结论本文在分析了国内外油田注水监控现状的基础上，从我国油田生产的实际出发，设计了一套基于ATmega16的油田注水智能监控系统，以流量计和压力计作为测量工具，以ATmga16作为控制中心，以直流电动机作为执行机构，实现油田注水的智能控制，同时利用LCD显示技术将采集到的数据显示出来，更直观的观测数据。在课题研究的过程中，主要完成了以下工作:（1）开发了以ATmega16低功耗单片机为主控芯片的系统硬件平台，设计了控制系统的硬件模块和电路，实现了数据采集、存储、显示以及直流伺服电动机的控制等。（2）将增量式PID控制器与单片机结合引入到系统当中，相较于传统的PID控制具有调节时间短、鲁棒性强等优点，并利用增量式PID控制达到间歇性控制的目的，减少执行结构的动作次数。（3）利用MATLAB对电机进行数学模型的构建，并用Simulink对PID控制电机部分进行仿真，输出PID控制波形。致谢感谢我的指导教师任思璟，本文是在他热切的指导、鼓励与关爱下顺利完成的。在毕业设计过程中我看到的是一个博学多才、认真负责的任老师，任老师以他的谦逊、豁达的胸怀让我领受到的教师的智慧和本色。让我深深地体会到人类心灵工程师的风采。论文题目虽然是我自己选定的，可里面也蕴涵着任老师曾经挥洒过的汗水和功劳，没有任老师，不会有本问的出现，任老师让我学到很多东西，他是我一生的榜样，永远的恩师。在这短短的毕业设计期间，得到了同学的帮助和支持，与他们相处的时刻、点点滴滴都是我永远难忘的美好回忆，忠心的表达我对他们的友爱和感谢！学校也给我提供了一个安静舒适的设计环境，让我在无受外界干扰的情况下完成论文。在论文中的写作过程中也参阅了大量的文献资料，在此对各位作者表示感谢！再次向我的导师任思璟表示衷心的感谢！参考文献[1]吴锡令.石油开发测井原理[M].高等教育出版社，2004，4:1-2.[2]于振威，王慧敏，卢迪.油田注水站工控机监控系统[J].哈尔滨科学技术大学学报，1994，18（2）:40-43.[3]油田注水工艺技术.（2011-10-8）[2012-3-6]/view/0a5e5a0a581b6bd97f19eabd.html.[4]刘永胜，宋雪杰，赵世新，等.老油田恒定量注水工艺技术[J].油气田地面工程.2005，30（7）.[5]李靖，王红标，房忠明，等.油田开发监控系统的开发与应用[J].石油地质与工程.2010，24（5）:97-94.[6]屈静，马瑞竹，杜春龙.油田的自动化监控系统探析[J].信息技术，2010.16:40.[7]万大松.油田注水自动化的设计与应用[J].中国仪器仪表.2005（6）:79-81.[8]黄伟，郭兵.基于智能融合的油田注水系统控制策略[J].辽宁工程技术大学学报.2010，29（5）:799-802.[9]张源.油田生产与安全监控技术研究[D].西安石油大学检测技术与自动化装置硕士学位论文.2008，3:2.[10]OrmerodL，SardoffH，WilkinsonJ，etal.Real-TimeFieldSurveillanceandWellServecesManagementinaLargeMatureOnshoreField:casestudy[J].SPEProductionandOperations，2007，22（4）:392-402.[11]JesFC，JoseFC，HermanL，etal.SPE.Proceedingsofthe2002SPEAnnualTechnicalConferenceandExhibition[C]，SanAntonio，UnitedStates，2002.SPE，2002:2361-2371.[12]敬蜀蓉.油田生产自动化集中监控模式的研究[D].天津大学工业工程硕士学位论文.2004:5-12.[13]刘合.油田联合站集输系统控制技术[M]，石油工业出版社.2003，5:6.[14]毛宝瑚，郑金吾，刘敬彪.油气田自动化[M]，石油工业出版社.2005，1:9.[15]郇宇，周宇君.油田联合站综合监控系统研究[J]，辽宁化工.2011，40（6）:641-642.[16]刘先刚，姜建胜，顾文滨.油井远程监控系统的应用及展望[J].小型油气藏.2004，9（1）:58-61.[17]鲍秀华.油田集输、注水泵站生产自动化监控系统的应用研究[D].浙江大学电气工程硕士学位论文.2006，11:3-4.[18]赵维林，孟先虎，刘丰，等.彩南油田钻井防漏技术研究与应用[J].新疆石油科技.2010，20（3）:4-5.[19]李湘闽，张君，肖顺根.基于模糊自适应PID控制的智能数字流量阀研究[J].机床与液压，2009.8（37）:158-160.[[20]张和烽，夏涛，罗放，等.油田注水系统仿真模型校正[J].计算机与应用化学.2010，27（10）:1647-1650.[21]陈祥光.油田联合注水站注水系统实时监测与控制[J].自动化与仪器仪表.2000，20（9）:42-44.附录1附录2程序清单：#include<iom16v.h>#include<macros.h>#include"delay_Accurate.h"#defineSEI()asm("sei")#defineCLI()asm("cli")#def