【《油田井口监测系统的单片机硬件系统设计案例》6700字】

油田井口监测系统的单片机硬件系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u17748油田井口监测系统的单片机硬件系统设计案例 11751.1总体方案设计 137571.2主控芯片模块 2163691.2.1内部结构 420711.2.2应用系统 548041.2.3STC12C5A08S2时钟 593641.2.4掉电/停机模式 720571.2.5复位 8183471.3温度传感器模块 11278301.4MQ7传感器模块 12112501.5MQ2传感器模块 1352701.6ADC0809模块 1449461.7无线传输模块 15107671.8报警模块及按键 17138801.91602A液晶显示 18176821.10供电模块 191.1总体方案设计本设计从软件系统和硬件电路及结构两部分对设计整体进行分析，对MQ-2烟雾传感器模块、MQ-7一氧化碳传感器模块、DS18B20温度传感器模块，LCD1602a显示屏和蜂鸣器模块[8]、ESP8622无线网络数据传输模块以及51单片机系统进行深度探究，本设计采用AltiumDesigner软件对所涉及系统原理图进行绘制，采用C语言对程序进行编写及其控制、word对流程图进行建立，利用Keil将对应程序烧入51单片机，焊接电路。最后对本设计的实体装置进行功能调试及问题分析；本设计实现井口的温度、可燃气体浓度数据实时检测，并判断是否产生有害气体，当温度、可燃气体浓度达到相对应的阀值以及井口产生有害气体时执行蜂鸣报警器报警，LCD显示屏显示当前温度和可燃气体浓度，所测量的数据通过ESP8266模块将所监测动态数据上传至手机APP，方便现场员工对数据监测，同时所测得的数据将通过曲线图的形式直观的呈现在手机APP中，方便员工对废弃井井口的数据状态走向进行直观观察与分析。系统主结构电路连接图如图2-1所示图2-1系统主结构电路图1.2主控芯片模块本设计以STC12C5A08S2芯片作为中心控制芯片，此芯片的机器周期时单一的机器周期，具有快速运行、低能耗、反干扰能力强大等特点。该单片机指令与STC89C52单片机完全兼容，52系列单片机执行速度的8倍至12倍是该款单片机的执行速度。单片机内部由MAX810专用复位电路、2路PWM、8路高速10位A/D转换集成，工作电压为3.5V-5.5V，工作频率为0-35MHz，芯片上集成12820字节的RAM，用户应用的程序空间为8K/16K/20K/32K等字节[9]。系统主控芯片图如图2-2所示：a）主控芯片原理图b）主控芯片实物图图2-2系统主控芯片图1.2.1内部结构STC12C5A08S2单片机中具有的模块有程序存储器、中央处理器和数据存储器及定时/计数器、UART串口和串口2、I/O接口和高速AD转换模块、SPI接口、看门狗定时器及片内RC振荡器、外部的晶体振荡电路模块等[10]。MCU的内部结构如图2-3所示：RAM256字节RAM256字节RAM地址寄存器AUX-RAM1024字节ACCBACCB寄存器堆栈指针堆栈指针定时器0/1TMP2TMP1定时器0/1TMP2TMP1串口1串口1ALUALU串口2串口2WDTPSWWDTPSWLLVD/LVRPort0,2Port0,2,3,4,5锁存器Port1锁存器Port1锁存器ControlUnit RESETPort1驱动器ADCPort1驱动器Port0,2,3,4,Port0,2,3,4,5驱动器 8 P1.0-P1.7P1.0-P1.7 P0,P2,P3,P4,P5图2-3芯片内部结构图1.2.2应用系统对于STC12C5A08S2的复位电路：当时钟频率低于12MHz时,在此状态下电容器C1,电阻R1可以不通过1K的电阻与地端相连接，当时钟频率高于12MHz时,在此状态下采用第二复位功能引脚最佳[11]。关于单片机晶振电路阐述：当单片机外部时钟频率高于33MHz时,可以直接采用外部有源晶振[12]，XTAL1和XTAL2两引脚需要浮空。晶体的基本频率为高于27MHz的频率，三泛音晶体在该状态下不被使用。外部有源晶振部分被直接使用时,时钟从XTAL1脚输入,且XTAL2脚须在浮空状态[13]。MCU芯片应用系统如图2-4所示：图2-4芯片应用系统图1.2.3STC12C5A08S2时钟STC12C5A08S2是具有内部R/C振荡时钟和外部晶体时钟两个时钟源的单片机控制系统。对于5V单片机而言，常温下芯片内部的R/C振荡器的频率为11MHz-17MHz,对于3V单片机而言，常温下其芯片内部频率为8MHz-12MHz。与此同时，伴随着温度的变化，单片机板内部的R/C振荡器的频率会出现温飘现象，由于制造时存在制造误差，因此内部R/C振荡器仅仅适用于对时钟频率要求不高度敏感的场合[14]。外部晶振被省略当单片机工作在内部时钟频率时，XTAL1/XTAL2两个接口这时悬空。对时序要求高或连续通信的电路中，内部时钟源会造成比较大偏差而不被使用。在电路通电初始化程序时,通过读取内部RAM单元（FCH,FDH,FEH,FFH连续的单元)的数值获得STC12C5A08S2单片机出厂时内部R/C振荡器频率(内部时钟频率），通过读取内部RAM单元（F8H,F9H,FAH,FBH连续的单元)数值来获得用户最后一次使用本单片机时内部R/C振荡器时钟下载程序时的频率(内部时钟频率),运用“MOV@Ri”指令来读前面RAM单元数值[15]。众所周知，机器在油田油井井口投入运行的过程中，节能环保性能至关重要，同时节能性能亦是对设备性能优良评估的指标之一，对于时钟而言，降低时钟对系统的功耗，可以采用将时钟分频的方式，即对时钟进行分频处理。时钟分频可以采用时钟分频控制寄存器CLK_DIV对时钟进行分频处理，另单片机系统在较低频率下完成工作，达到节能的目的。时钟分频寄存器CLK_DIV各位的定义如表2-5所示：表2-5CLK_DIV位定义表SFRNameSFRAddressBitB7B6B5B4B3B2B1B0CLK_DIV97HName—————CLKS2CLKS1CLKS0分频后的CPU实际工作时钟与CLKS2、CLKS1、CLKS0的关系如表2-6所示：表2-6分频后CPU工作表CLKS2CLKS1CLKS0分频后CPU的实际工作时钟000外晶体时钟或内R/C振荡时钟001（外晶体时钟或内R/C振荡时钟）/2010（外晶体时钟或内R/C振荡时钟）/4011（外晶体时钟或内R/C振荡时钟）/8100（外晶体时钟或内R/C振荡时钟）/16101（外晶体时钟或内R/C振荡时钟）/32110（外晶体时钟或内R/C振荡时钟）/64111（外晶体时钟或内R/C振荡时钟）/128STC12C5A08S2时钟结构图如图2-7所示：不分频不分频000÷2÷2001÷÷4010÷8内部R/C震荡时钟 ÷8 外部晶体或时钟 011 系统时钟SYSclk÷16 ÷16100÷÷32101÷÷64110÷÷128111CLKS2，CLKS1，CLKS0图2-7时钟结构图1.2.4掉电/停机模式PD/PCON.1置1时，MCU将进入掉电模式，在进入该模式后，内部时钟振动停止。由于此时没有时钟源，所以只有外部中断继续工作，若低压检测电路可以产生中断，代表该部分可以继续工作，反之将停止。该模式下，所有I/O口、SFRs维持进入掉电模式前那一刻的状态并保持不变，可以把中央处理器从掉电模式唤醒的外部管脚有以下几个外部管脚[16]:(INT0)’/P3.2，（INT1）’/P3.3，（INT）’/T0/P3.4,（INT）’/T1/P3.5,（INT）’/RxD/P3.0。除此之外，外部复位也将MCU从停电模式下唤醒，唤醒后的MCU将从用户程序的0000H处开始正常工作运行。在用户系统没有外部中断源将STC12C5A08S2单片机从停电模式唤醒时，可以用如图2-8唤醒电路对掉电模式进行唤醒。I/O INTx 300ΩII 0.1μF C1 5MΩR1放电电阻该I/O口控制充电图2-8唤醒电路图1.2.5复位STC12C5A08S2单片机芯片有5种复位方式：分别为外部RST引脚复位、外部低压检测复位、软件复位、掉/上电复位及其看门狗复位五种复位方式[17]。1)外部RST引脚复位：单片机外部向RST引脚添加复位脉冲从而使其复位的方式。在出厂时，P4.7/RST管脚设定置为RST复位管脚，如果需要将其设置为I/O管脚口，则需在STC-ISP编程器中进行相关设置才可完成，若未被设置I/O口[18]，则P4.7/RST管脚为芯片复位输入管脚端口。2)外部低电压检测复位：本复位功能在单片机运行时可以不采用，本复位为低于1.33V且可以通过2个电阻进行分压实现外部可调的门槛电压复位[19]，用户可将P4.6管脚设置为第二幅为引脚，当时钟频率大于12赫兹时，启用本复位并利用增加的外部低压检测LVD功能作外部低压检测复位脚[20]。电路如图2-9所示：图2-9复位功能电路与低电压检测有关的寄存器有电源控制寄存器、中断允许寄存器、高位中断优先级控制寄存器和低位中断优先级控制寄存器[21]。PCON寄存器表如表2-10所示：表2-10PCON寄存器表SFRnameAddressbitB7B6B5B4B3B2B1B0PCON87HnameSMODSMOD0LVDFPOFGF1GF0PDIDLIE寄存器表如表2-11所示：表2-11IE寄存器表SFRnameAddressbitB7B6B5B4B3B2B1B0IEA8HnameEAELVDEADCESET1EX1ET0EX0IPH寄存器表如表2-12所示：表2-12IPH寄存器表SFRnameAddressbitB7B6B5B4B3B2B1B0IPHB7HnamePPCAHPLVDHPADCHPSHPT1HPX1HPT0HPX0HIP寄存器表如表2-13所示：表2-13IP寄存器表SFRnameAddressbitB7B6B5B4B3B2B1B0IEB8HnamePPCAPLVDPADCPSPT1PX1PT0PX03)软件复位：当程序在运行的过程且有特殊要求时需要实现单片机的软件复位，STC12C5A08S2单片机IAP_CONTR特殊功能寄存器，当对IAP_CONTR特殊功能寄存器中的SWBS/SWRST两位即可对软件复位进行控制[22]。IAP_CONTR:ISP/IAP控制寄存器相关表示如表2-14所示：表2-14ISP/IAP控制寄存器表SFRnameAddressbitB7B6B5B4B3B2B1B0IAP_CONTRC7HnameIAPENSWBSSWRETCMD_FAIL—WT2WT1WT04)上/掉电复位：在电源电压小于上电复位电路的门槛检测电压时，所有的逻辑电路复位；电源电压恢复正常时，延在迟32768个时钟后，上电/掉电复位结束；当电路进入掉电模式时，上电/掉电复位功能全部关闭[23]。5）看门狗复位：在工业控制领域中,为防止系统异常时受到干扰，MCU/CPU程序跑飞，使致系统长时间异常工作,此时通常引入看门狗复位计时器,如果MCU/CPU不在规定的时间内并且按要求访问看门狗时,则认为MCU/CPU异常,看门狗则会强迫MCU/CPU复位,使系统重新开始，并按规律执行用户程序[24]。WDT_CONTR:看门狗计时控制寄存器相关表示如表2-15所示：表2-15看门狗控制寄存器表SFRnameAddressbitB7B6B5B4B3B2B1B0WDT_CONTR0C1HnameWDT_FLAG—EN_WDTCLR_WDTIDLE_WDTPS2PS1PS0看门狗定时器预分频数值表如表2-16所示：表2-16预分频数值表PS2PS1PS0Pre-scale预分频WDToverflowTime@20MHz000239.3mS001478.6mS0108157.3mS01116314.6mS10032629.1mS101641.25S1101281.5S1112565S说明：看门狗溢出时间=（12*Pre-scale*32768）/Oscillatorfrequency例如：时钟频率为12MHz，看门狗计时器分频数值相关表示如表2-17所示：表2-17时钟为12MHz看门狗分频数值表PS2PS1PS0Pre-scale预分频WDToverflowTime@20MHz000265.5mS0014131.0mS0108261.1mS01116524.2mS100321.0485S101641.0971S1101284.1943S1112568.3886S1.3温度传感器模块本次设计温度感应模块采用DS18B20温度传感器模块，DS18B20温度传感器是一个无需外部器件的且每个器件都有唯一一个64位序列号，且存储在内部存储器中的简单多点分布式测温应用传感器[25]。此温度传感器是一个独特且具有单接线口的仅需一个引脚进行通信的传感器，其供电范围为3.0V-5.5V，温度范围为-55~+125℃，温度计分辨率可以选择为9到12位且最多可以再750ms内将温度转化成12位数字等特点[26]。DS18B20引脚排列图如图2-18所示： a）b）图2-18DS18B20引脚排列图引脚说明表如表2-19所示：表2-19引脚说明表1GND接地2DQ数据输入、输出引脚。对于单线操作时，漏极开路。当其工作在寄生电源模式时用于提供电源3VDD可选择的VDD引脚。当工作在寄生电源模式时，本引脚需接地1NC无任何链接DS18B20温度传感器各个引脚的对地电压为-0.5V~+0.6V，其工作温度为-55℃~+125℃，储存温度为-55℃~+125℃[27]。DS18B20温度传感器内部线路方框图如图2-20所示：4.7KDs18b20存储器和控制逻辑6Ds18b20存储器和控制逻辑64位ROM和单总线端口 DQ暂存器暂存器温度传感器温度传感器上限触发TH上限触发TH温度传感器温度传感器温度传感器电源探测温度传感器电源探测温度传感器VDD温度传感器图2-20温度传感器内部线路方框图DS18B20的功能指令为总线控制器发给想要与其连接的温度传感器一条ROM指令，随后即可发送一条DS18B20功能指令，此命令允许总线控制器读写温度控制器的暂存器，并发生温度转换和识别电源模式，其中，功能指令包括温度转换指令、写暂存器指令、读暂存器指令、拷贝暂存器指令、召回EEPROM指令、读电源模式指令等[28]。DS18B20原理图如图2-21所示：图2-21DS18B20原理图1.4MQ7传感器模块MQ7传感器是具有双路信号输出，且具有信号输出指示的模拟量输出0~5V电压的一氧化碳传感器检测装置，本次设计以一氧化碳检测传感器模拟油田或居民区废弃油井井口的可燃性气体，例如：一氧化碳、甲烷、乙炔等气体。其对一氧化碳具有监测灵敏度高、选择性好的特点，其有效信号为低电平，即当输出低电平的信号灯亮时，可以与单片机直接连接[29]，具有寿命长、稳定且可靠的有点。MQ7传感器原理图如图2-22所示：图2-22MQ7传感器原理图1.5MQ2传感器模块MQ2传感器模块是具有模拟量输出、TTL电平输出双信号输出通道的具有信号输出指示的烟雾传感器，本次设计以烟雾检测传感器模拟油田或居民区废弃油井井口的有害气体，例如：硫化氢、氮氧化物、硫氧化物等气体。该模块的模拟量输出电压为0~5V，工作电压为5V直流电，当烟雾浓度越高时电压越高。该装置输出低电平时，信号灯亮起并可以与单片机直接相连接。此传感器具有响应快速恢复性能，不仅寿命长、稳定性好，而且可靠性高。其电路原理图同MQ7相同，下图2-23所示：图2-23MQ2传感器原理图MQ2硬件实物图如图2-24所示：图2-24MQ2硬件实物图1.6ADC0809模块本次对油井井口智能检测报警装置的设计中，MQ2、MQ7两传感器模块搭载ADC0809模/数转换硬件电路，本模块将对模拟信号进行识别处理转换成数字信号。该模块A/D转换器为8路8位，且分辨率为8位，该模块不仅单电源供电，且转换时间为100μs，同时具有转换启停控制端，其模拟输入电压不需要进行零点校正和满刻度校准[30]，装置工作在-40~＋85℃的环境中，功耗可以低至15mW。模块可以与单片机相连接协同工作，亦可以单独进行工作。芯片外部是采用双列直插式封装结构，且具有28条功能引脚。ADC0809转换器内部结构逻辑图如图2-25所示：8路模拟量开关 STCLK8路模拟量开关 IN0 EOC IN1三态输出锁存器8路A/D三态输出锁存器8路A/D转换器 IN3 D0 IN4 D1 IN5 D2 IN6 D3 IN7 D4 D5地址锁存与译码器 D6地址锁存与译码器 A D7 B C VREF(+)VREF(-) OE ALE图2-25AD转换内部结构逻辑图ADC0809数据转换模块实物图如图2-26所示：图2-26ADC0809实物图1.7无线传输模块本次设计采用的无线传输方式对油井井口监测到的温度、可燃气体和有害气体进行实时数据传输，本模块与手机app进行连接，使工作人员可以直观的对废油气井井口所测量的相关数据进行监测。ESP8266无线传输模块具有高性能的无线soc，成本低且实用性强。此模块可以独立运行，也可以作为slave搭载在不同的Host上运行，还可以直接从外接闪存中启动，模块内部拥有高速缓冲存储器，本存储器对系统性能的提高有利且可以减少对内存的需求[31]。于模块片上，可以令其通过GPIO口对传感器进行集成和集成其他应用的特定设备，实现了最低的前期开发和在运行中最少的占用系统资源[32]。电源管理转换器、天线开关都置于模块片内，在几乎不需外电路条件下，可以将包括前端模块在内的整个系统解决方案占有的PCB空间降到最低[33]。ESP8266结构图如图2-27所示：接口MAC数字基带模拟接收射频接收开关射频balun接口MAC数字基带模拟接收射频接收开关射频balunSDIO寄存器SDIO寄存器SPICPU内核模拟发射SPICPU内核模拟发射射频发射GPIO成帧器GPIO成帧器锁相环1/2V锁相环1/2VOC锁相环I2C加速器I2C加速器电源管理SRAM电源管理SRAM晶振偏置电路偏置电路偏置电路偏置电路电源管理图2-27ESP8266结构图本模块灵敏度高，在3.3V电压、80mA电流、-40℃~125℃环境中工作，常温下储存。ESP8266管脚定义图如图2-28、管脚功能表如表2-29所示：图2-28ESP8266管脚定义图表2-29ESP8266管脚功能定义表PinNameFunction1VDDA本引脚为模拟电源为3.0~3.3V2LNA本引脚为射频天线接口，其芯片输出阻抗为50欧姆，不需要对芯片进行匹配，保留π型匹配网络与天线进行匹配3VDD3P3本引脚功放电源为3.0~3.3V4VDD3P3本引脚功放电源为3.0~3.3V5VDD_RTCNC（1.1V）6TOUTADC管脚7CHIP_EN本引脚为芯片使能端。输入高电平有效，芯片正常工作；输入低电平芯片关闭，电流小。8XPD_DCDCDeep-SleepWakeup;GPIO169MTMSGPIO14;HSPICLK10MTDIGPIO12;HSPIQ11VDDPST本引脚为数字和IO电源（电压工作范围为1.8V~3.3V）12MTCKGPIO13；HSPID13MTDOGPIO15；HSPICS14GPIO2本引脚可以用作于对Flash烧写时的URTTx端；GPIO215GPIO0GPIO0;SPICS216GPIO4GPIO417VDDPST本引脚为数字和IO电源（电压工作范围为1.8V~3.3V）18SDIO_DATA_2本引脚连接到SD_D2（与200Ω电阻串联）；SPIHD；HSPIHD19SDIO_DATA_3本引脚连接到SD_D3（与200Ω电阻串联）；SPIWP；HSPIWP20SDIO_CMD本引脚连接到SD_CMD（与200Ω电阻串联）；SPICS021SDIO_CLK本引脚连接到SD_CLK（与200Ω电阻串联）；SPICLK续表2-29PinNameFunction22SDIO_DATA_0本引脚连接到SD_D0（与200Ω电阻串联）；SPIQ23SDIO_DATA_1本引脚连接到SD_D1（与200Ω电阻串联）；SPID24GPIO5GPIO525U0RXD本引脚可以用作于对Flash烧写时的URTTx端；GPIO326U0TXDGPIO1;SPICS127XTAL_OUT本引脚连接晶振电路输出端，可用于对BT提供时钟输入28XTAL_IN本引脚连接晶振电路输入端29VDDD本引脚为模拟电源为3.0~3.3V30VDDA本引脚为模拟电源为3.0~3.3V31RES12K本引脚串联12kΩ电阻到地端32EXT_RSTB外部RESET信号（电平为低电平时有效）备注：当构成3bit可进行对SDIO模式选择的管脚有GPIO2/GPIO0/MDTO。1.8报警模块及按键本设计蜂鸣器选取有源蜂鸣器，蜂鸣器以电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声为原理，需要一定电流方可驱动，由于单片机I/O引脚输出的电流较小，而单片机上输出的TTL电平不足以驱动蜂鸣器，因此需要增加电流放大的电