基于485总线的油井状态显示表的设计.docx
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基于485总线的油井状态显示表的设计
LiaoningNormalUniversity
(2011届)
本科生毕业论文(设计)
题目:
基于485总线的油井状态显示表的设计
学院:
辽宁信息职业技术学院
专业:
电子信息工程
学号:
20100211118
学生姓名:
李洋
指导教师:
2012年9月
摘要
实时监测系统在提高油井的石油产量、保证油井工作安全等方面有着广泛的应用。
利用此系统实现对油井的电机的运行状态、抽油杆的状态、压力、有无人员进入四种状态的实时监测与显示。
本文所介绍的是实时监测系统的传输及显示部分。
该系统以单片机为核心控制单元,将采集到的油井状态利用串口通信技术并通过485总线传送给控制中心,并利用LED灯进行显示。
其中控制中心的单片机采用STC12C5A08S2,485总线的接口采用基于SN65HVD3082的自动收发转换电路,显示部分利用STC11F04E芯片进行控制,并通过ULN2803的驱动将LED灯点亮,利用单片机控制LED灯的显示为4秒显。
关键词:
485总线;油井状态;实时监控;串口通信
Abstract
Real-timemonitoringsystemhasbeenwidelyusedinimprovingOilWellsproductionandensuringtheworksecutityofOilWellsandotheraspects.UsingthesystemtoachievethefourstatesofOilWellsaboutreal-timemonitoringanddisplay,andthefourstatesofOilWellsaremotoroperationstate,suckerrodstate,pressureandwhetherworkersgointo.
Thispaperhasintroducedthepartsoftransmissionanddisplayingofreal-timemonitoringsystem.Thissystemusemicrocontrollerasthecontrolunit,andusetheSerialinterfacecommunicationtechnologytosendtheOilWellsstatewhichcollectedby485-bus.TodisplaybytheLEDlights.AndtheMCUofcontrolcenteradoptedSTC12C5A08S2,theinterfaceof485-busadoptedSN65HVD3082-basedAutomatictransceiverconversioncircuit,andthepartofdisplayingwascontrolledbytheSTC11F04Echip,andlightedtheLEDthroughULN2803drive,thetimeofLEDcontrolledbyMCUwas4sec.
Keywords:
485Bus;OilWellsstate;Real-timemonitoring;Serialcommunication
前言
电机运行下状态、抽油杆的状态、压力、有无人员进入四种状态是油井工作的比较重要的四种状态,是提高油井采油量的重要因素,时刻关注这些状态对提高油井的安全性也有十分重要的意义。
目前,油田油井数量多且分布范围由几十至上百平方公里,分布比较零散,而且大多采用人工巡井方式,由人工每日定时检查设备运行情况并记录采油数据进而掌握油井的工作状态。
这种方式必然会增加人工的劳动强度,而且这种人工巡检一台抽油机的时间间隔往往需要几个小时,这不但影响设备监控与采油数据的实时性,而且也影响其准确性。
因此我们需要一种造价低廉、使用方便并且能够实时监测油井工作状态的一套检测系统。
同时我们还应注意到,在计算机高度发展的今天,将计算机用于各种参数的监测
是当前的发展趋势,通过计算机通讯网络,把由传感器测量得到的系统各种状态参数传输到控制中心,按预定程序执行控制,使系统运行平衡已成为日益重要的一种监控技术。
现在这种监控技术已广泛应用于仓库、油田、矿井以及饭店等场合,鉴于许多场合多需要远距离传输,所以传输问题显得尤为重要。
本文就是介绍一种实时监控系统中的传输系统及显示系统的设计,利用485总线的远程传输将油井的电机运行下状态、抽油杆的状态、压力、有无人员进入四种状态的巡检结果传输给控制中心,并作以显示。
全文共分为6章:
第1章介绍了基于485总线的油井状态显示板的设计的整体方案;第2章论述了系统的硬件设计;第3章介绍了系统的软件设计;第4章介绍了电路的整个调试过程;第5章介绍了所设计的本设计系统的经济与社会效益;第6章是对本设计所做的总结。
第1章课题分析
1.1题目的背景及分析
石油产业不论何时对人类而言都是十分珍贵的能源,而且伴随着现代工业的发展,人类社会对能源质量的需求亦是日益提高,石油在世界能源中的地位也越来越重要,这一被称为“工业的血液”的石油能源,越来越主宰着一个国家的经济命脉,日益影响着国家的文明发展,以致政治、经济、军事和人民的生活。
基于这种现状,在保证不损坏不可再生能源的前提下,提高石油的开采效率就显得非常的重要。
然而目前,油田油井数量多且分布范围由几十至上百平方公里,分布比较零散,而且大多采用人工巡井方式,由人工每日定时检查设备运行情况并记录采油数据进而掌握油井的工作状态。
这种方式必然会增加人工的劳动强度,而且这种人工巡检一台抽油机的时间间隔往往需要几个小时,这不但影响设备监控与采油数据的实时性,而且也影响其准确性。
并且当抽油机、电泵出现故障时不能及时发现,得不到有效监控,防患和控制。
为了有效解决这些问题,油田急需要开发油井状态实时监测系统,能够实时在线监测油井状态,对抽油机的电机运转状态,抽油杆的状态,压力,有无人员进入等情况进行显示,能远程控制抽油机的启停、随时查询油井运行参数并实现参数远传和数据资源共享,真正实现了无人执守,远程监测的目的,提高了油井的开采效率。
本课题便是基于这种背景而提出的。
1.2系统工作原理概述
本课题主要利用串口通信,将前端无线模块采集到的每一口油井的电机运行状态、抽油杆的状态、压力以及有无人员进入四种工作状态在显示端进行实时显示。
原理框图如图1.1所示:
图1.1原理框图
1.3方案论证
实现本设计主要部分在于串口通信,而所谓串口通信就是按位发送或是接收字节的通信,相较于并行通信的快速性,串行通信可以一根线发送另一根线接收,简单并且能够进行远距离传输,本设计就是利用串口通信的远距离传输特性,将采集数据传输至控制中心,所以方案的选择主要在传输总线类型的选择以及总线接口电路的选择上。
1.3.1串口总线类型的选择与分析
方案一
RS-232,是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。
在串口通信中应用很广泛,比如连接鼠标、打印机或者Modem,也可以接工业仪器仪表等。
用于驱动和连接的改进,现在使用的很多串口标准都是在RS-232标准上改进得来的,它适合数据传输速率在0~20000b/s范围内的通信,但只限于PC机和设备间的点对点的通信,通信距离不超过15米。
方案二
RS-422,是Apple的Macintosh计算机的串口连接标准。
RS-422使用差分信号,而RS-232使用非平衡参考地的信号。
差分传输使用两根线发送和接收信号,对比RS-232,它能更好的抗噪声和有更远的传输距离。
在工业环境中更好的抗噪性和更远的传输距离是一个很大的优点。
方案三
RS-485,是RS-422的改进。
因为它增加了设备的个数,从10个增加到32个,同时定义了在最大设备个数情况下的电气特性,以保证足够的信号电压。
有了多个设备的能力,可以使用一个单个RS-422口建立设备网络。
出色抗噪和多设备能力,在工业应用中建立连向PC机的分布式设备网络、其他数据收集控制器、HMI或者其他操作时,串行连接都会选择RS-485。
RS-485是RS-422的超集,因此所有的RS-422设备可以被RS-485控制。
RS-485可以用超过1200米的线进行串行通行。
方案比较及结论
根据本设计的实际应用,需要传输距离较长,并且抗干扰能力强的传输总线,根据上面的介绍,选择方案三。
1.3.2RS-485接口电路的选择与分析
方案一
直接控制收发的RS-485接口电路:
此方法使用控制器切换发送使能和接收使能端,控制接口电路数据的发送和接收。
由于采用直接收发,因此需要发送和接收时转换,只能加入额外的控制器来控制发送和接收的转换;同时,需要用控制器存储转发所有的传输数据,这样,每传输1帧数据,至少损失1个单位的接收时间﹙储存转发1帧数据的时间﹚。
方案二
自动收发转换的RS-485接口电路:
(这里采用的SN65HVD3082芯片将在后面做分析,下同),即当发送端DI=0时,DE/RE=1发送0电平,接收端RO=0;当发送端DI=1时,DE/RE=0,VA=VB=2.5V,接收端由于上拉电阻作用RO=1。
方案三
零延时的RS-485接口电路:
零延时RS-485接口电路主要采用74HC14和电路中的电阻、电容元件构成一个延时很短的电路(这里也采用了SN65HVD3082芯片),其主要作用是:
发送器在发送高电平的时候,在短延时内不再是处于高阻状态,仍有驱动电流存在,这样在一定程度上可以增加接口的抗干扰能力。
对于接收器,当VID=VA-VR>-0.01V时,R0=1;在发送端,当DE/RE=0时,发送驱动器的VA和VB都是高阻态,此时VA=VB=2.5V,因此,这时对于接收端R0=1;而在延时的时间里,由于DI=1且DE/RE=1,所以R0=1。
可见在短延时和DE/RE=0的时间内接收端R0=1,就这样完成了对高电平的发送和接收,而且在接收端的上升沿不会有延迟,即零延时。
方案比较及结论
针对RS-485的接口电路方式,直接控制收发的RS-485电路不利于数据大的实习通信,而且在发送和接收的切换过程中,在VA和VB有阶跃电压的产生,这会对接收器的接收有干扰产生;自动收发转换RS-485接口电路和零延时接口方式也都有不足之处,即在发送端发送连续的高电平时,逻辑上发送端是处于发送状态,接收端处于接收状态,但实际上,此时所有的SN65HVD3082接口的DE/RE=0,所以,所有的发送端和接收端都处于接收状态。
这在对等的网络结构中是不能忽视的,以为在这段时间内,总线是空闲的,是允许节点发送数据的,但本设计采用的是主从式的网络结构,因此这个问题不会影响系统工作。
而在方案二和方案三中,方案二的电路更简单些,考虑到性价比问题,最终选择方案二。
第2章硬件系统的总体设计
2.1总体设计
根据题目的要求,为了实现系统的功能,本次设计的系统主控部分以单片机STC12C5A08S2的最小系统为核心,并将由串口传输给STC12C5A08S2的数据,即某油井的四种状态利用485总线的传输进行多机通信,传输至各从机,并且利用单片机STC11F04E控制LED灯显示进行显示,其中LED灯的显示需要MC2803驱动。
系统总体框图如图2.1所示:
图2.1总体原理框图
2.2单片机的选择
本设计中,数据通过无线模块传送给本系统,系统经过单片机STC12C5A08S2的控制进行下一步的操作,实际上是以STC12C5A08S2单片机的最小系统为核心的设计,所以下面对此款单片机进行详细介绍。
STC12C5A08S2单片机是STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机的一款,而这一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单片机,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S,即25万次/秒),针对电机控制,强干扰场合。
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机的性能:
增强型8051CPU,1T,单时钟/机器周期,指令代码完全兼容传统8051;
工作电压:
5.5V-3.5V;
工作频率范围:
0-35MHz,相当于普通8051的0~420MHz;
用户应用程序空间8K;
片上集成1280字节SRAM;
通用I/O口(36/40/44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:
①准双向口/弱上拉;②推挽/强上拉;③仅为输入/高阻;④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;
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;
有EEPROM功能;
看门狗;
内部集成MAX810专用复位电路(外部晶体12M以下时,复位脚可直接1K电阻到地);
外部掉电检测电路:
在P4.6口有一个低压门槛比较器,电压为1.32V,误差为±5%;
时钟源:
外部高精度晶体/时钟,内部R/C振荡器(温漂为±5%~±10%以内);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:
11MHz~15.5MHz;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;
共4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T0和T1,没有定时器2,但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器;再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器;
2个时钟输出口:
可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟,可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟;
外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块,PowerDown模式可由外部中断唤醒:
INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0;CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2),CCP1/P1.4(也可通过寄存器设置到P4.3);
PWM(2路)/PCA(可编程计数器阵列,2路)
---也可用来当2路D/A使用
---也可用来再实现2个定时器
---也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)
A/D转换,10位精度ADC,共8路,转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)
通用全双工异步串行口(UART),由于STC12系列是高速的8051,可再用定时器或PCA软件实现多串口;
有双串口,RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2),TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3);
工作温度范围:
-40℃~+85℃(工业级)/0℃~75℃(商业级);
封装:
PDIP-40,LQFP-44,QFP-48:
I/O口不够时,可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595(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。
STC12C5A08S2单片机管脚图如图2.2所示:
图2.2STC12C5A08S2的管脚(LQFP44封装)
STC12C5A08S2管脚说明如表2.1所示:
表2.1STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机的各管脚介绍
管脚
管脚编号
说明
LQFP44
LQFP48
PDIP40
PLCC44
QFN40
P0.0~P0.7
37~30
40~33
39~32
43~36
34~27
P0:
P0口既可作为输入/输出口,也可以作为地址/数据总线使用。
当P0口作为输入/输出口时,P0是一个8位双向口,需要接上上拉电阻。
当P0口作为地址/数据复用总线使用时,内部总线上的地址或数据信号就传送到P0口的引脚上。
P1.0/ADC0/CLKOUT2
40
43
1
2
36
P1.0
标准I/O口PORT1[0]
ADC0
ADC输入通道-0
CLKOUT2
独立波特率发生器的时钟输出,
可通过设置WAKE_CLKO[2]BRT-
CLKO将该管脚配置为CLKOUT2
管脚
管脚编号
说明
LQFP44
LQFP48
PDIP40
PLCC44
QFN40
P1.1/ADC1
41
44
2
3
37
P1.1
标准I/O口PORT1[2]
ADC1
ADC输入通道-2
P1.2/ADC2/ECI/RxD2
42
45
3
4
38
P1.2
标准I/O口PORT1[2]
ADC2
ADC输入通道-2
ECI
PCA定时器的外部时钟输入脚
RxD2
第二串口数据接收端
P1.3/ADC3/CCP0/TxD2
43
46
4
5
39
P1.3
标准I/O口PORT1[3]
ADC3
ADC输入通道-3
CCP0
外部信号捕获、高速脉冲输出及脉宽调制输出
TxD2
第二串口数据发送端
P1.4/ADC4/CCP1/SS
44
47
5
6
40
P1.4
标准I/O口PORT1[4]
ADC4
ADC输入通道-4
CCP1
外部信号捕获、高速脉冲输出及脉宽调制输出
SS
从机选择信号
P1.5/ADC5/MOSI
1
2
6
7
1
P1.5
标准I/O口PORT1[5]
ADC5
ADC输入通道-5
MOSI
主出从入
P1.6/ADC6/MISO
2
3
7
8
2
P1.6
标准I/O口PORT1[6]
ADC6
ADC输入通道-6
MISO
主入从出
P1.7/ADC7/SCLK
3
4
8
9
3
P1.7
标准I/O口PORT1[7]
ADC7
ADC输入通道-7
SCLK
SPI时钟信号
管脚
管脚编号
说明
LQFP44
LQFP48
PDIP40
PLCC44
QFN40
P2.0~P2.7
18~25
19~23
21~28
24~31
16~23
Port2:
P2口内部有上拉电阻,既可作为输入/输出口,也可以作为高8位地址总线使用。
当P2口作为输入/输出口时,P0是一个8位准双向口。
当系统接有外部存储器时,P2作为高8位地址复用总线使用,内部地址总线上的地址信号就传送到P2口得引脚上。
26~28
P3.0/RxD
5
6
10
11
5
P3.0
标准I/O口PORT3[0]
RxD
串口数据接收端
P3.1/TxD
7
8
11
13
6
P3.1
标准I/O口PORT3[1]
TxD
串口数据发送端
P3.2/INT0
8
9
12
14
7
P3.2
标准I/O口PORT3[2]
INT0
外部中断0,下降沿或低电平中断
P3.3/INT1
9
10
13
15
8
P3.3
标准I/O口PORT3[3]
INT1
外部中断1,下降沿或低电平中断
P3.4/T0/INT/CLKOUT0
10
11
14
16
9
P3.4
标准I/O口PORT3[4]
T0
定时器/计数器0的外部输入
INT
外部中断
CLKOUT0
定时器/计数器0的时钟输出
可通过设置WAKE_CLKO[0]位/T0CLKO将该管脚配置为CLKOUT0
P3.5/T1/INT/CLKOUT1
11
12
15
17
10
P3.5
标准I/O口PORT3[5]
T1
定时器/计数器1的外部输入
INT
外部中断
CLKOUT1
定时器/计数器1的时钟输出
P3.6/WR
12
13
16
18
11
P3.6
标准I/O口PORT3[6]
WR
外部数据存储器写脉冲
P3.7/RD
13
14
17
19
12
P3.7
标准I/O口PORT3[7]
RD
外部数据存储器读脉冲
管脚
管脚编号
说明
LQFP44
LQFP48
PDIP40
PLCC44
QFN40
P4.0/SS
17
18
23
P4.0
标准I/O口PORT4[0]
SS
从机选择信号
P4.1/ECI/MOSI
28
31
34
P4.1
标准I/O口PORT4[1]
ECI
PCA定时器的外部时钟输入脚
MOSI
主出从入
P4.2/CCP0/MISO
39
42
1
P4.2
标准I/O口PORT4[2]
CCP0
外部信号捕获、高速脉冲输出及脉宽调制输出
MISO
主入从出
P4.3/CCP1/SCLK
6
7
12
P4.3
标准I/O口PORT4[3]
CCP1
同CCP0
SCLK
SPI时钟信号
P4.4/NA
26
29
29
32
24
标准I/O口PORT4[4]
P4.5/ALE
27
30
30
33
25
P4.5
标准I/O口PORT4[5]
ALE
地址锁存有效信号输出端
P4.6/EX_LVD/RST2
29
32
31
35
26
P4.6
标准I/O口PORT4[6]
EX_LVD
外部低压检测中断/比较器
RST2
第二复位功能脚
P4.7/RST
4
5
9
10
4
P4.7
标准I/O口PORT4[7]
RST
复位脚
P5.0
24
标准I/O口PORT5[0]
P5.1
25
标准I/O口PORT5[1]
P5.2
48
标准I/O口PORT5[2]
P5.3
1
标准I/O口PORT5[3]
VCC
38
41
40
44
35
电源
GND
16
17
20
22
15
接地
2.3单片机的最小系统
所谓单片机最小系统就是指核心芯片、时钟电路、复位电路等构成的核心控制系统。
如图2.3所示:
图2.3单片机最小工作系统
2.3.1时钟电路
每款单片机内部都有其时钟电路,但是在使用时都必须外加定时元件,才能是单片机内部产生振荡。
如本设计在XTAL1和XTAL2引脚上接上定时元件,构成该单片机最小应用系统的外部时钟电路。
如图2.4所示:
图2.4外部时钟电路
外部时钟电路中的定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
外接的晶振一般在稳定性要求不高且考虑经济实惠时选用陶瓷谐振器就可以,电容的大小也没有太严格的要求,但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。
一般晶振都在1.2MHz~12MHz之间选择,本设计采用12MHz晶振,而与之对应的
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- 基于 485 总线 油井 状态 显示 设计