基于AVR單片機的新型井深測量儀的設計

【摘要】石油行業的開發與利用帶來巨大經濟效益的同時，也對現代油田勘探技術提出了更高的要求。本文針對現階段國內的井深測量儀深度測量誤差大，高精度成本高等一系列問題，設計了一種新型的油田深度探測儀。該探測儀通過碼盤的脈沖信號計量下管、升管的長度值，對井深結果校正，得出精確的深度坐標，并且實現LCD顯示設定及微碼打印機打印輸出結果。

【關鍵詞】井深測量;AVR單片機;Atmega32;光電傳感器ST256C

一、引言

科學技術的迅猛發展加速了人類社會的繁榮和文明，也加強了人類對自然界的操控能力。在石油的開采過程中，測量油井液面深度是一個非常重要的工作，是了解油井產油能力的重要前提，只有準確的測量油井深度，才能夠采取最有效的開采方式，更大程度地提高產油率[1]。但是如何高效精確低成本的完成油井深度測量則是石油測井中不得不面對的挑戰，油井深度測量的準確性對后期測井安全、油田開發都有著舉足輕重的作用。在處理井深測量儀器的測量數據時，絕對深度的精度尤為重要，一旦出現誤差，對后期相關的繪圖工作、流體界面深度估算工作及構造解釋工作均有較嚴重的干擾，特別針對油田區塊的劃分相對零碎時，干擾更為嚴重。因此針對現階段國內的井深測量儀深度測量誤差大，高精度成本高等一系列問題提出切實可行的解決方案，顯得尤為重要。

新型井深測量儀的開發與研究的目的是開發出一種新型儀器，可以通過碼盤的脈沖信號計量下管、升管的長度值，對井深結果校正，得出精確的深度坐標，并且可以實現LCD顯示設定及微碼打印機打印輸出結果。

二、系統綜述

按照設計指標的要求本課題要完成的工作主要有三大部分（如圖1所示）：井深測量儀硬件電路設計與調試、井深測量儀軟件開發與調試以及機械滑輪部分的實現，本文將對硬件電路設計與調試做重點介紹。

圖1 井深測量儀運行結構圖

圖2 電源供電電路

三、系統硬件設計

操作終端以ATxmega32為控制核心，完成前端傳感器采集數據返回處理、微碼打印、液晶顯示等操作。該硬件電路系統由以下幾部分組成：1）電源電路;2）主控電路;3）信號采集處理電路;4）存儲電路;5）打印電路;6）顯示電路。

1.電源電路

電源電路主要功能是為整個系統提供穩定可靠地電源支持，因此電源電路的穩定性和可靠性顯得尤為重要。考慮到油田測量環境較為惡劣，本文中的電源電路擬設計兩種供電方式以備用戶根據使用環境靈活選擇，即交流電源供電和鎳氫充電電池供電兩種方式。

（1）交流電源供電電路設計

交流電源供電電路如圖2所示，市電220V正弦交流電壓接入到供電輸入端，經直流穩壓電源進行變壓、整流、濾波及穩壓，輸出5V的直流電壓。其中整流模塊為橋式整流電路，由四只5408二極管組成;穩壓模塊則選用三端穩壓器78L05。

（2）鎳氫電池充電控制電路設計

由于井深測量時環境較為惡劣，本系統特別提供充電電池供電方式，以備無市電接入環境下進行井深測量。如圖3所示，BAT+、BAT-為電池正負兩極，U1為電池充電控制芯片，選用LS2364T多節鎳氫電池充電IC。

圖3 鎳氫電池充電電路

2.主控電路

主控電路主要是通過單片機控制外圍電路實現對數據的處理和傳遞。在本設計中需要實現單片機控制的外圍電路包含四部分（如圖4所示）：1）控制前端傳感器進行數據采集工作、并對返回的數據進行濾波、放大及模數（A/D）轉換等處理;2）控制處理后的數字信號送入存儲芯片并存儲;3）控制測量結果經打印接口電路送入RD微碼打印機打印輸出;4）控制測量結果經顯示接口電路送入LCD液晶顯示屏顯示輸出。主控電路如圖4所示。

圖4 主控電路電路圖

圖5 信號采集處理電路

電路中第10、11引腳作為VCC、CNG接入端，直接連接外部供電接地;第9引腳作為復位信號接入端;12、13引腳則連接外部晶體振蕩器，振蕩頻率為6MHz;第30引腳通過一個低通濾波器與VCC連接，作為PA端口的A/D轉換模式選通信號，PA0-PA7此時作為模擬信號輸入端口使用，與VCC相連的AVCC端口則提供PA0-PA7進行A/D轉換時的電源;第32引腳與VCC直接相連，作為A/D轉換時的模擬基準信號輸入引腳，代表此時模擬基準信號為VCC。

3.信號采集處理電路

信號采集處理電路是實現單片機控制下，前端信號的采集處理工作，其核心器件選用芯片ST256C。信號采集處理電路如圖5所示。

前端信號由單片機控制下的ST256進行數據采集，數據采集結果經施密特觸發器CD40106進入到單片機PD端口進行計數處理。當間機軸轉動遮光部分擋住光電二極管時，ST256無信號輸出，反之有輸出，據此計算計數脈沖信號。該系統控制器模塊為AVR嵌入式單片機為主控電路，功率控制模塊為小功率輸入控制大功率輸出。當電動裝置運行時，探測數據與單片機內存程序數據進行比對，發生異常情況，即通過B1電鈴發出報警信號，同時單片機控制切斷電機電源，停止工作并由LCD液晶顯示屏顯示相應故障代號。

4.存儲電路

根據設計功能要求，存儲電路如圖6所示。

圖6 存儲電路

圖7 打印機驅動電路

電路中，單片機控制數據信號由PB1、PB2、PB3三個引腳送入AT24C64的A0、A1、A2端進行數據存儲，AT24C46的WP、SCL、SDA三個引腳通過端口J106與外部開關按鈕相連，可以方便的經由外部操作進行數據的存儲和刪除。

5.打印電路

打印驅動電路是實現單片機控制下，驅動后端外圍輸出設備RD-T微碼打印機的電路，其接口選用串行接口RS232。打印機驅動電路如圖7所示。

DB0-DB7為數據傳輸引腳，BAT+，BAT-為電池電源接入引腳。除此之外，在串行接口RS-232中設置了多個打印控制引腳。單片機接收到接口J108相連的開關按鈕的打印、后翻、前翻及清零信號后，通過串行接口RS-232驅動打印機進行相應操作。

圖8 液晶顯示接口電路

6.顯示電路

顯示電路是實現單片機控制下，驅動后端外圍輸出設備TBM12864-16A的電路，其通過接口J105和單片機相連。具體電路如圖8所示，單片機處理的數據直接經由J105進入LCD液晶顯示屏并顯示。

四、系統軟件設計

系統軟件的核心處理器件為Atmega32單片機，程序控制功能方面主要為實現數據的接收、處理及輸出。通過主程序控制各外圍電路系統模塊，外圍電路模塊主要包括數據采集處理模塊、通訊處理模塊、打印模塊及LCD顯示模塊等。

本設計系統控制軟件擬采用C語言編寫，根據硬件電路功能設計要求，擬將整套軟件控制程序分解為若干個子程序模塊，以增強程序的可讀性、可調試性及通用性。且此方法將大大提高程序的執行效率，跟有利于于今后軟件更新和井深測量儀功能擴展。軟件設計過程中將對所有子程序逐一進行編制、調試、編譯并最終下載到Atmega32單片機的EPROM中，并經固化以便于使用。

五、結束語

本設計主要針對現階段國內的井深測量儀深度測量誤差大，高精度成本高等一系列問題，確定解決方案，從理論﹑實踐﹑軟硬件實現等方面開展了大量的工作。所研制的儀器具有實用性、可靠性及技術先進性。

參考文獻

[1]劉玉馨.油井液位測量系統的設計與研究[J].燕山大學，2013.

[2]ATMEGA32數據手冊.ATMEL Corporation.

[3]AT24C64數據手冊.ATMEL Corporation.

作者簡介：宋兆霞（1983—），山東青島人，中國海洋大學在讀碩士研究生，助理講師，現供職于青島市職業教育公共實訓基地，主要研究方向：現代檢測與控制技術，長期從事機電、電工電子課程教學與研究。