基于單片機的井下存儲回放式溫度壓力測量儀系統設計

摘 要：利用單片機設計了一種可在對井下溫度、壓力實時檢測、存儲的系統，實驗證明該系統運行可靠、功耗低、精度高，有很強的實用價值。

關鍵詞：單片機；井下；實時檢測

1 引言

在石油測井中，井下的工作狀況是非常復雜的，而井下溫度、壓力的測量更是非常重要的。它是我們以后試井、錄井的重要參考數據資料。目前國內外大多采用機械壓力計進行測量，受其機械傳感器靈敏度低以及讀曲線裝置分辨率的限制，使測量精度很低。而且由于其裝置的直徑較大，每次測試時都要把抽油桿從井口取出，這樣即費時，又費力，而且又很煩瑣，這給測試工作帶來很大不便。基于上述情況，我們研制了一種新型井下存儲回放式溫度、壓力測量儀。這種儀器用于井下溫度、壓力的測量，該儀器采用模塊化結構，即分為溫度、壓力模塊，采用存儲回放技術，提高了測試精度，改善了勞動條件。同時該裝置還具有低功耗、耐高溫、性能穩定、使用方便的特點。

2 系統結構原理

該系統主要由四部分組成：傳感器部分、V/F轉換部分、單片機存儲部分、單片機回放部分。傳感器由溫度傳感器和壓力傳感器構成，由它來測量最初的溫度、壓力信號；V/F轉換器完成模擬量轉換成數字量的任務；單片機負責數據的采集和存儲以及回放。

3 系統硬件設計

3.1 主控器的選擇

系統控制器主要完成數據的采集、處理、存儲等功能，是整個系統的核心，由于控制器是實時都在工作，這就要求其功耗必須很低，因此控制器選擇以低功耗著稱的MSP430單片機。MSP430 系列單片機的電源電壓采用的是 1.8-3.6V 電壓。因而可使其在 1MHz 的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在 200～400uA 左右，時鐘關斷模式的最低功耗只有 0.1uA，其他性能包括速度、可靠性等方面也符合系統要求[1]。

3.2 溫度傳感器的選擇

溫度傳感器選用集成IC電流輸出溫度傳感器AD590[3]，AD590由美國A/D公司生產。它具有溫度響應快，線性度好，抗干擾能力強，適于遠距離傳輸的優點，目前廣泛應用于各種溫度濕度測量系統。AD590以電流輸出量作為溫度指示，其電流靈敏度為1uA/K，作為高阻抗電流源，它可以和數百歐姆的電阻串聯使用，因此特別適用于多點溫度測量，而不必考慮選擇開關或CMOS多路轉換器所引入的附加電阻造成的誤差 。由于采用了一些獨特的電路結構，并利用薄膜電阻激光微調技術作最后定標，從而使其具有寬的工作溫度范圍-55～125℃；定標精度達±0.5℃；極好的線性，在整個工作溫度范圍內非線性誤差小于±0.5℃；較寬的工作電壓范圍4～30V；極高的輸出阻抗。

3.3 壓力傳感器的選擇

壓力傳感器采用美國摩托羅拉公司生產的半導體硅壓力傳感器，它具有體積小、重量輕、成本低、性能好、易集成等特點，而得到越來越廣泛的應用。本設計中應用2000系列硅壓力傳感器，它具有片內溫度補償和校正網絡，而且這種網絡中的電阻是經過計算機控制下的激光修正的，因而精度高、補償效果好、穩定性好、漂移小，使用戶使用方便。

有溫度補償、校正的壓力傳感器的內部電路如下圖所示

3.4 V/F轉換器的選擇

V/F轉換器由LM331構成[2]，LM331電壓/頻率轉換電路（以下簡稱V/F電路）可用作精密電壓/頻率轉換器、模數轉換器、長時間積分器、線性頻率調制或解調，以及其他功能電路。V/F轉換器具有良好的精度、線性度和積分輸入特性，能提供其他類型轉換器無法達到的性能。如果采用V/F轉換器替代普通的A/D轉換器，也可大大簡化輸入通道。

在本系統中，采用如圖2所示的電路，LM331組成的電路中，管腳3接負載電阻RL0=10K，電源加+5V。這樣管腳3頻率輸出端可直接與單片機的T0或T1相連接，本電路的優點是提高了抗干擾能力，加入光電耦合電路4N35，大大節省元件，價格低，電路簡單，抗干擾效果好，是一種性能優越的電路。

3.5 存儲器的選擇

系統需要對溫度和壓力數據進行實時采集存儲，數據量很大，因此設計中選擇了2G的SD卡，他可以方便的與單片機進行連接，并能將數據傳輸到上位機進行其他方法的處理，比如曲線、或者做算法分析。

4 系統軟件設計

圖4為系統軟件流程圖，首先初始化，然后對溫度、壓力傳感器進行數據采集，再由V/F轉換為數字量傳輸到單片機進行數據處理和存儲。

5 結束語

本設計采用了單片機與傳感器相結合的方法，通過使用SD卡，使儀器使用更加方便，存儲容量大，采用LM331轉換技術和高性能的傳感器，使儀器的電路簡化，測量精度大大提高，從而使其靈活、可靠、節省資源，提高勞動生產率，實現了儀器儀表智能化。

參考文獻

[1]席桂清，田芳明，衣淑娟等.寒地水稻育秧大棚智能監測系統設計與試驗[J].北京：農機化研究，2011，11（30）：40～43.

[2]周振安等編著.數據采集系統的設計與實踐[M].清華大學出版社， 北京 2004

[3]何希才，薛永毅.傳感器及其應用實例[M].機械工業出版社，北京 2004.