1、JINGCHU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）油管靜水壓試管裝置自動控制系統(tǒng)學(xué) 院 電子信息工程學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 年級班別 09級（3）班 學(xué) 號 2009401020318 學(xué)生姓名 劉 凡 指導(dǎo)教師 孫歆鈺(講師) 2013年 5月 23日目錄摘要.2Abstract.31. 選題背景.42. 方案論證.5 2.1.試壓原理.5 2.2控制系統(tǒng)硬件規(guī)劃方案.6 2.2.1選擇壓力傳感器.7 2.2.2選擇A/D轉(zhuǎn)換器.8 2.2.3選擇單片機(jī).9 2.2.4選擇外部擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器.12 2.2.5擴(kuò)展 I/O端口.13 2.2.6選擇鍵

2、盤/顯示器接口芯片.13 2.2.7選擇7段LED數(shù)碼顯示器.15 2.2.8 選擇打印機(jī).16 2.2.9 選擇光電耦合器.163. 過程論述.,17 3.1繪制電路原理圖.17 3.1.1調(diào)理電路.17 3.1.2 A/D轉(zhuǎn)換器引腳的連接.18 3.1.3 單片機(jī)AT89C52端口的分配.18 3.1.4 外部數(shù)據(jù)存儲器MK48S80X15.18 3.1.5 擴(kuò)展I/O端口.18 3.1.6 Intel8279可編程鍵顯接口芯片的連接.19 3.1.7 編寫控制程序.21 3.1.8 PCB版圖制作.234.畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié).25參考文獻(xiàn).26致謝.27附錄 .281摘要 隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)

3、展,鋼管被廣泛應(yīng)用于石油化工,鍋爐制造等行業(yè), , 它們的普遍特點(diǎn)是常用于高溫、高壓等惡劣工況下,因此對鋼管的質(zhì)量提出了更高的要求。尤其在油田采油、輸油過程中，油管埋于地下，承受高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕，一旦出現(xiàn)裂痕或爆裂，將會影響生產(chǎn)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，油管在使用前必須進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)。靜水壓試驗(yàn)過程中試壓壓力高達(dá)近100MPa,且油管兩端分別加壓，很容易產(chǎn)生壓力不平衡的狀況，過大的壓力差會損壞動密封頭和其他試驗(yàn)設(shè)備，因此需要一套自動控制系統(tǒng)。本文所介紹的靜水壓試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)正是為檢驗(yàn)鋼管的耐壓能力而設(shè) 計(jì)制造的.它是一個(gè)多方面為一體的復(fù)雜系統(tǒng),是集機(jī)械,電氣,液壓,傳感和自動控制為一體的復(fù)雜

4、的機(jī)電液一體化設(shè)備。 本文所研究的是靜水壓試管裝置的單片機(jī)控制關(guān)鍵詞:靜水壓試管裝置控制系統(tǒng);單片機(jī)控制Abstract With the rapid development of the national economy,steel pipes are widely used in petrochemical, boiler manufacturing industry, their general characteristics is commonly used in high temperature, high pressure and other adverse conditions,

5、 so the quality of steel has put forward higher requirements.Tubing is greatly needed in the processing of the oil recovery and the oil transportation .Because there is high pressure ,high temperature and strong corrosion under the ground ,if the tubing cracks ,it will be serious trouble to maintain

6、.And it maybe brings great damage .So the hydrostatic pressure testing for tubing is necessary.According to the problem ,a set of the hydrostatic pressure testing equipment for tubing is developed. In the hydrostatic pressure testing, the pressure is nearly 100MPa, and also the pressures are put sep

7、arately in the two end of the tubing ; it will bring the pressure error. Too big error will damage the Dynamic Seal and other equipment, so the hydraulic pressure balance system is greatly needed. Described in this article hydrostatic testing machine control system for the test tube is the ability t

8、o design and manufacture of pressure of. It is a multifaceted complex system as a whole, is a mechanical, electrical, hydraulic, sensor integration and automation for complex mechanical, electrical and hydraulic equipment integration. In this paper, The design, primarily responsible for part of SCM

9、control. Keywords: Control system for hydrostatic testing machine; SCM control331.選題背景 本課題主要來自于生產(chǎn)實(shí)踐。目前，靜水壓試驗(yàn)裝置(簡稱試壓裝置)是對石油鉆井用油管、套管等管線綜合性能檢測的重要裝備。管線生產(chǎn)進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，一方面檢查管線是否有滲漏現(xiàn)象，另一方面可以消除管線在成型過程中產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力。靜水壓試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的壓力比較大，為了保證現(xiàn)場操作人員的安全，必須確保每根管線都能在規(guī)定的壓力下試驗(yàn)。當(dāng)前管線生產(chǎn)過程中提出的API等規(guī)范也要求試壓裝置應(yīng)配備能記錄試驗(yàn)參數(shù)的相關(guān)設(shè)備，以滿足研發(fā)工作以及日后

10、購方所要生產(chǎn)記錄等要求。所以綜合考慮，要對試壓裝置進(jìn)行自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 本課題主要研究方向： 設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89C52為核心控制系統(tǒng)的硬件，熟悉單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理。編寫控制程序，實(shí)現(xiàn)試壓過程的自動化控制。2.方案論證2.1.試壓原理 如圖2-1，當(dāng)試管安裝定位后，啟動水壓系統(tǒng)，高壓卸荷閥關(guān)閉，壓力水經(jīng)管箍端密封裝置進(jìn)試管并推動 膠塞至試管之螺扣端定位。水壓達(dá)到1.5MPa時(shí)，低壓卸荷閥卸荷，高壓水繼續(xù)注人試管。當(dāng)水壓達(dá)到21.2MPa時(shí)，高壓卸荷閥卸荷包壓，高壓止回閥阻止試管內(nèi)的水回流，使試管內(nèi)的水壓保持在21.2MPa，時(shí)間繼電器開始計(jì)時(shí)（低壓安全閥和高壓安全閥的調(diào)定壓力分別為2.

11、0MPa和23MPa）。若油管沒有滲漏現(xiàn)象，此時(shí)由油管、堵頭、單向閥及相應(yīng)管道構(gòu)成的封閉系統(tǒng)維持管內(nèi)壓力基本不變；若油管存在滲漏現(xiàn)象，則管內(nèi)壓力在短時(shí)間內(nèi)很快下降。當(dāng)時(shí)間繼電器計(jì)達(dá)到20s時(shí)，其發(fā)出電信號使高壓卸荷閥卸荷，即使試管內(nèi)的水卸荷。并判斷試壓是否合格，試壓結(jié)束。 圖2-1 試壓機(jī)實(shí)物圖 2.2控制系統(tǒng)硬件規(guī)劃方案 分析上述試壓過程可知，要完成油管試壓的控制過程只需要控制兩個(gè)開關(guān)量，現(xiàn)被廣泛采用的單片機(jī)、PLC和工控機(jī)均可完成該控制任務(wù)，考慮控制系統(tǒng)的可靠性及試壓數(shù)據(jù)海量存儲的要求，選定抗干擾性能優(yōu)異的單片機(jī)為核心，通過光電耦合器實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制。為了便于單片機(jī)進(jìn)行控制，首先在原液

12、壓系統(tǒng)上增加壓力傳感器。當(dāng)油管內(nèi)充滿液體時(shí)，啟動試壓泵給油管加壓，同時(shí)壓力傳感器開始工作，將檢測到的壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過放大、調(diào)零等處理轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)內(nèi)部計(jì)算處理。當(dāng)檢測到的實(shí)時(shí)壓力值大于或等于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)輸出控制信號使液壓泵停止工作，進(jìn)行保壓，同時(shí)開始記時(shí)，保壓過程結(jié)束后，系統(tǒng)自動判斷試壓結(jié)果是否合格，自動存儲試壓結(jié)果，根據(jù)設(shè)定決定是否打印試壓結(jié)果，同時(shí)輸出信號使電控卸壓閥得電卸壓?？刂葡到y(tǒng)的硬件需求大致如下：壓力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、控制系統(tǒng)核心單片機(jī)、鍵盤/顯示器、打印機(jī)、光電耦合器。根據(jù)控制系統(tǒng)的硬件需求，選定相應(yīng)芯片初步擬訂兩種控制系統(tǒng)硬件原理

13、圖方案，如圖2-2、圖2-3。 圖2-2 控制系統(tǒng)硬件原理流程圖方案一圖2-3 控制系統(tǒng)硬件原理流程圖方案二2.2.1選擇壓力傳感器查閱傳感器應(yīng)用手冊可選用P722IS/7261IS系列工業(yè)壓力變送器，其具體型號為P722ISBGC20 01 F-IP67BDA.。特點(diǎn)：（1）、表壓量程為0.5200bar；（2）、電壓輸出和2線制420mA電流輸出；（3）、全部不銹鋼接液部件。應(yīng)用范圍：壓縮機(jī)，制冷-壓縮機(jī)和潤滑油壓力設(shè)備。壓力范圍：真空至400bar(6000psi)表壓。耐 壓：2xFS。電流輸出： 輸出 420mA； 供電（Vs）：DC24V(725.5)。其電氣連接方式及實(shí)物圖如下所

14、示： 圖2-4 壓力傳感器電氣連接方式 圖2-5 壓力傳感器實(shí)物圖 2.2.2選擇A/D轉(zhuǎn)換器ADC12451是一種高分辨率的12位10個(gè)符號位的A/D轉(zhuǎn)換器。該芯片內(nèi)部不僅有采樣保持電路，而且還具有能校準(zhǔn)多種誤差的校準(zhǔn)電路。它通過自校準(zhǔn)周期來校準(zhǔn)線性誤差、零點(diǎn)誤差和滿刻度誤差，使之達(dá)到較高的技術(shù)指標(biāo)。利用芯片內(nèi)部的采樣保持電路對輸入的模擬信號進(jìn)行跟蹤和保持，這種無需外加采樣保持電路的結(jié)構(gòu)，不僅節(jié)省空間，縮小體積，而且還能優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)性能。ADC12451轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)S/H控制輸入端，能有效地控制A/D轉(zhuǎn)換器的跟蹤和保持狀態(tài)，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)換器性能的目的。其引腳如圖2-6。 主要性能：

15、逐次比較型； CMOS工藝制造；具有溫度穩(wěn)定的自較功能；片內(nèi)含有采樣保持（S/H）電路； 具有8位uC/DSP接口； 圖2-6 ADC12451轉(zhuǎn)換器引腳圖 在整個(gè)溫度范圍內(nèi)無失碼；數(shù)字輸入/輸出與TTL/CMOS兼容；單極性模擬輸入或雙極性模擬輸入； 雙電源供電； 分辨率：12位加符號位； 轉(zhuǎn)換時(shí)間：7.7us(max)；采樣速率：83000次/秒(max)； 雙極性信躁比；73.5dB(max)； 總諧波失真：-78.0dB(max)； 孔徑時(shí)間：100ns；孔徑誤差：100ps(真有效值0.5)；零點(diǎn)誤差：±0.05%(max)； 正的滿刻度誤差：±0.0375%(m

16、ax)； 圖2-7 ADC574A引腳圖功耗（±5V）：113mW(max)；AD574A是一種常見的逐次比較逼近式12位ADC芯片。它的轉(zhuǎn)換時(shí)間為25us，轉(zhuǎn)換誤差為±1LSB，可采用+5V、±12V、或±15V電源供電。片內(nèi)有輸出三態(tài)緩沖器，可與8位或16位單片機(jī)直接相連。輸出數(shù)據(jù)可以12位一起讀出，也可以兩次讀出。輸出模擬信號可以是單極性010V，也可以是雙極性±5V或±10V。其引腳圖見圖2-7。 由以上兩種A/D轉(zhuǎn)換器性能比較可得出：ADC12451比AD574A多一個(gè)采樣保持電路，轉(zhuǎn)換時(shí)間遠(yuǎn)低于AD574A，但ADC124

17、51只有一個(gè)模擬信號輸入通道?？紤]到控制系統(tǒng)要求A/D轉(zhuǎn)換器必須具有12位分辨率和較快的轉(zhuǎn)換時(shí)間，所以選擇ADC12451更能符合要求。 2.2.3選擇單片機(jī)單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，主要對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（A/D轉(zhuǎn)換器、鍵盤）的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并按照預(yù)先編制的程序，將處理的結(jié)果送到顯示器和對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出動作指令。 8051單片機(jī)是在Intel公司于20世紀(jì)80年代推出的MCS-51系列高性能8位單片機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它在單一芯片內(nèi)集成了并行I/O口、異步串行口、16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、片內(nèi)RAM和片內(nèi)ROM以及其他一些功能部件。而AT89C52是在8051基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型具有片內(nèi)FL

18、ASH的單片機(jī)。AT89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。其片內(nèi)FLASH存儲器的擦寫周期在1000次以上，可反復(fù)編程，采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，可以極大地降低系統(tǒng)功耗。所以選用AT89C52可以使本控制系統(tǒng)更加完善。AT89C52的實(shí)物和封裝引腳圖如下。 圖2-8 AT89C52實(shí)物圖 圖2-9 AT89C52封裝引腳圖 AT89C

19、52主要功能特性：· 兼容MCS51指令系統(tǒng)； · 8k可反復(fù)擦寫(>1000次）Flash ROM； · 32個(gè)雙向I/O口； · 256x8bit內(nèi)部RAM； · 3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷； · 時(shí)鐘頻率0-24MHz； · 2個(gè)串行中斷； · 可編程UART串行通道； · 2個(gè)外部中斷源； · 共6個(gè)中斷源； · 2個(gè)讀寫中斷口線； · 3級加密位； · 低功耗空閑和掉電模式； · 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。 圖2-10 AT89C52各

20、引腳功能圖 AT89C52各引腳功能及管腳電壓如圖2-10。AT89C52為40 腳雙列直插封裝的8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時(shí)的功能控制。功能包括對會聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。 VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分

21、別接+5V電源的正負(fù)端。P0P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計(jì)中，P0 端口（3239 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測。 圖2-11 MK48S80X15引腳圖 2.2.4選擇外部擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器M27C512-10B1外部數(shù)據(jù)存儲器具有64KB存儲空間，這種外部數(shù)據(jù)存儲器將要占用單片機(jī)的12位地址線，即要全部占用

22、P0和P2端口?？紤]到系統(tǒng)還要作I/O端口擴(kuò)展，所以必須保留部分地址線以用來作為擴(kuò)展I/O端口芯片的片選。而具有8KB存儲空間的外部數(shù)據(jù)存儲器MK48S80X15只需占用13根地址線，剩余3根地址線可用來外接74LS138作為地址線的擴(kuò)展，可通過編碼控制8路片選，這對于系統(tǒng)片選控制要求是夠的。另外每根套管在試壓過程中會產(chǎn)生80字節(jié)需要存儲的數(shù)據(jù)，一片MK48S80X15就可記錄100 根套管的試壓數(shù)據(jù)。其引腳圖如圖2-11。2.2.5擴(kuò)展 I/O端口單片機(jī)外圍接有A/D轉(zhuǎn)換器、外部數(shù)據(jù)存儲器、打印機(jī)、鍵顯8279，另外需要7個(gè)I/O端口來控制電機(jī)閥組和試壓結(jié)果反饋裝置。單片機(jī)本身具有P0、P1

23、、P2、P3四組I/O端口，即32個(gè)控制引腳。 方案一中安排單片機(jī)I/O端口P1作為A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入端，P3.0作為A/D轉(zhuǎn)換器片選；P0、P2接64KB的外部數(shù)據(jù)存儲器；P3端口的部分引腳作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制端。這樣就沒有多余的I/O端口來控制鍵顯和打印機(jī)，只能復(fù)用已選用的端口。而方案二通過外接一片Intel8255擴(kuò)展了其I/O端口，用高地址線P2.7作為Intel8255的片選信號，即可對Intel8255入口地址編碼為7FFFH。Intel8255的PC口可接打印機(jī)，PB口可接電機(jī)閥組和試 壓結(jié)果反饋裝置，PA口接鍵顯。這樣單片機(jī)外圍芯片基本上都有獨(dú)立的控制端口，較方案二而言，方案

24、一選擇擴(kuò)展I/O端口更加合理。8255封裝引腳如圖2-12。 圖2-12 8255封裝引腳圖2.2.6選擇鍵盤/顯示器接口芯片根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求外圍電路必須要有鍵盤和顯示器部分，可選擇Intel公司生產(chǎn)的8279，8279是專供鍵盤及顯示器接口用的可編程接口芯片。8279分為兩個(gè)部分：鍵盤部分和顯示部分。其引腳圖如圖2-13。圖2-13 8279封裝引腳圖 鍵盤部分：能夠提供64按鍵陣列（可擴(kuò)展為128）的掃描接口，也可以接傳感器陣列。鍵的按下可以是雙鍵鎖定或N鍵互鎖。鍵盤輸入經(jīng)過反彈跳電路自動消除前后沿按鍵抖動影響之后，被選通送入一個(gè)8字符的FIFO（先進(jìn)先出棧）存儲器。如果送入的字符多

25、于8個(gè)，則溢出狀態(tài)位置。按鍵輸入后將中斷輸出線升到高電平向CPU中斷申請。顯示部分：對7段LED、白熾燈或其他器件提供顯示接口。8279有一個(gè)內(nèi)部的16×8顯示RAM，組成一對16×4存儲器。顯示RAM可由CPU寫入或讀出。顯示方式有從右進(jìn)入的計(jì)算器方式和從左進(jìn)入電傳打字方式。顯示RAM每次讀/寫之后，其地址自動加1。圖為內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖2-14，它的讀/寫信號RD、WR，片選信號CS，復(fù)位信號RESET，同步時(shí)鐘信號CLK，數(shù)據(jù)總線DB0DB7，均能與CPU相應(yīng)的的引腳直接相連。A0腳用于區(qū)別數(shù)據(jù)總線上傳遞的信息是數(shù)據(jù)還是命令字。IRQ為中斷請求線，通常在鍵盤有數(shù)據(jù)輸入或

26、傳感器狀態(tài)改變時(shí)產(chǎn)生中斷請求信號。SL0SL3是掃描信號輸出線，RL0RL7回饋信號線。OUTB0OUTB3、OUTA0OUTA3是顯示數(shù)據(jù)的輸出線。BD是消隱線，在更換數(shù)據(jù)時(shí)，其輸出信號可使顯示器熄滅。圖2-14 8279內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖2.2.7選擇7段LED數(shù)碼顯示器 為了操作者即時(shí)了解試壓狀態(tài)，需要將壓力傳感器檢測的壓力狀態(tài)顯示出來，本系統(tǒng)可選用7段LED數(shù)碼顯示器來實(shí)現(xiàn)此功能。根據(jù)需要可選用8個(gè)7段LED顯示器連接成共陰極的形式，如圖2-15。 圖2-15 7段LED共陰極數(shù)碼顯示器 發(fā)光二級管LED是智能化測量控制儀表中簡單而常用的輸出設(shè)備，通常用來指示機(jī)器的狀態(tài)或其它信息。它的優(yōu)點(diǎn)

27、是價(jià)格低，壽命長，對電壓電流的要求低及容易實(shí)現(xiàn)多路等。LED是近似于恒壓的元件，導(dǎo)電時(shí)（發(fā)光）的正向壓降一般約為1.6V或2.4V，反向擊穿電壓一般5V，工作電流通常在1020mA，故電路中需串聯(lián)適當(dāng)?shù)南蘖麟娮?，發(fā)光強(qiáng)度基本上與正向電流成正比。多個(gè)LED可接成共陽極或共陰極形式。通過驅(qū)動器接到系統(tǒng)的并行輸出口，由CPU輸出適當(dāng)?shù)拇a來點(diǎn)亮或熄滅相應(yīng)的LED。根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，采用8個(gè)7段LED接成供陽極的形式，通過驅(qū)動BIC8718接到8279PA口。2.2.8 選擇打印機(jī)根據(jù)生產(chǎn)記錄的需要，單片機(jī)必須接打印機(jī)設(shè)備。本系統(tǒng)可選用TPuP-40A微型打印機(jī)。這種打印機(jī)內(nèi)部一般有控制器，能與主機(jī)

28、之間實(shí)現(xiàn)命令、數(shù)據(jù)、狀態(tài)的傳遞。2.2.9 選擇光電耦合器 由于單片機(jī)I/O端口工作電壓低，不能直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的繼電器。故需要通過光電耦合器來提高提高輸入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號電壓，以實(shí)現(xiàn)弱電對強(qiáng)電的控制，如圖2-16。 通過以上兩個(gè)方案各部分比較可得出結(jié)論：方案二較方案一更為合理，所以確定方案二為最終選擇。圖2-16 光電耦合器4N253. 過程論述3.1繪制電路原理圖3.1.1調(diào)理電路圖3-1 信號調(diào)理原理圖壓力傳感器輸出信號為420mA的電流信號，需要將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。?-1，外接100歐姆的放大電阻R1，可將傳感器輸出電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)?.4V2V的電壓信號。運(yùn)放LF153N U1A接

29、入電路組成一個(gè)電壓跟隨器，可以提高增益的穩(wěn)定性、減少非線性失真、抑制噪聲。U2A運(yùn)放連接電路的功能是對輸入電壓信號作調(diào)零處理，由于傳感器輸出電流為4mA時(shí)，輸出電壓為0.4V，且表示檢測壓力為0，為了和習(xí)慣認(rèn)識對應(yīng)，通過U2A模塊處理輸入電流，使當(dāng)傳感器輸入電流為4mA時(shí)輸出電壓信號為0。運(yùn)放U3A模塊的功能是將輸入信號電壓放大兩倍。計(jì)算過程如下：令U1A管腳1處電壓為U1，U2A管腳2處電壓為U2，管腳3處電壓為U3，管腳1處電壓為U4，U3A管腳2處電壓為U5，管腳3處電壓為U6，管腳1處電壓為U7。當(dāng)傳感器輸出電流為4mA時(shí)，由運(yùn)放的的“虛短”和“虛斷”原理可得： U1=0.4V (1)

30、 （U1-U2）/R2-（U2-U4）/R5=0 (2) （5-U3）/125-U3/5=0 (3) （U4-U5）/R6-（U5-U6）/R7=0 (4) U5=0 (5) 解之可得U4=0U7=2U4由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)傳感器輸入電流為4mA時(shí)，輸出電壓U7為0，且U7始終是U4的兩倍，實(shí)現(xiàn)了調(diào)理信號的要求。3.1.2 A/D轉(zhuǎn)換器引腳的連接A/D轉(zhuǎn)換器12451D0D11引腳接單片機(jī)AT89C52的P1口，CLK時(shí)鐘信號由單片機(jī)ALE提供，讀/寫引腳分別與單片機(jī)P3.7、P3.6腳連接，提供+5V直流電源給VREF，并將A/D轉(zhuǎn)換器中斷接到P3.2。具體連接見原理圖3-2。3.1.3 單片

31、機(jī)AT89C52端口的分配單片機(jī)P1口分配給A/D轉(zhuǎn)換器。P3.2、P3.3分別連接A/D轉(zhuǎn)換器和鍵顯的中斷INT。通過Intel8255擴(kuò)展單片機(jī)的I/O端口，并將高地址線P2.7作為8255的片選信號，P0口和P2.0P2.4作為地址線和數(shù)據(jù)線接到外部數(shù)據(jù)存儲器MK48S80X15。具體連接見原理圖3-2。3.1.4 外部數(shù)據(jù)存儲器MK48S80X15根據(jù)需要單片機(jī)外部擴(kuò)展兩片8KB的數(shù)據(jù)存儲器，且共用一片地址鎖存器SN74LS373DW，P2.5、P2.6分別作為兩片數(shù)據(jù)存儲器的片選信號。具體連接見原理圖3-2。3.1.5 擴(kuò)展I/O端口 用Intel8255來擴(kuò)展AT89C52的I/O

32、端口，其片選CS由P2.7控制，即可得到8255入口地址為7FFFH，端口地址選擇信號A1、A0由地址鎖存器SN74LS373DW的Q1、Q2端控制，即可得到PA、PB、PC口地址分別為7FFCH、7FFDH、7FFEH。8255的端口選擇及功能如表1。 表1 8255端口選擇功能表有3種工作方式：方式0、方式1、和方式2。方式0為基本輸入輸出方式。PA、PB和PC口都可以設(shè)定為輸入或輸出。當(dāng)作為輸出口時(shí)，輸出的數(shù)據(jù)被鎖存；作為輸出口時(shí)，輸入數(shù)據(jù)不鎖存。方式1為選通輸入輸出方式。PA、PB、和PC3個(gè)口分為兩組；A組包括PA口和PC口的高四位，PA口可編程設(shè)定位輸入或輸出口，PC口高4位用作輸

33、入/輸出操作的控制和同步信號。B組包括PB口和PC口的低4位，PB口可編程設(shè)定為輸入或輸出口，PC口低4位用作輸入/輸出操作的控制和同步信號。PA口和PB口的輸入/輸出數(shù)據(jù)都被鎖存。方式2為雙向總線方式。僅用于PA口，將PA為8位雙向總線端口，PC的PC3PC7用作輸入/輸出的同步控制信號，此時(shí)PB口只能編程設(shè)定為方式0或方式1。3.1.6 Intel8279可編程鍵顯接口芯片的連接 將8255的PA口接到8279的D端口，則8279的端口地址即為7FFCH。8279的數(shù)據(jù)輸入有3種方式，即鍵掃描方式、傳感器掃描方式和選通方式。采用鍵掃描方式時(shí)，掃描線為SL0SL3，回饋線為RL0RL7。每按

34、下一個(gè)鍵，便由8279自動編碼，并送入先進(jìn)先出棧FIFO，同時(shí)產(chǎn)生中斷請求信號IRQ，鍵的編碼格式為D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D08279的掃描輸出有兩種方式：譯碼掃描和編碼掃描。譯碼掃描即4條掃描線在同一時(shí)刻只有一條是低電平，并且以一定的頻率輪流更換。如果用戶鍵盤的掃描線多于4，則可采用編碼輸出方式。此時(shí)SL0SL3輸出的是00001111的二進(jìn)制計(jì)數(shù)代碼。在編碼掃描時(shí)，掃描線不能直接用于鍵盤掃描，而必須經(jīng)過低電平有效輸出的譯碼器。暫存于FIFO中的按鍵代碼，在CPU執(zhí)行中斷處理子程序時(shí)取出，數(shù)據(jù)從FIFO取走后，中斷請求信號IRQ將自動撤消。若在中斷子程序讀取數(shù)據(jù)前，下一個(gè)

35、鍵被按下，則該鍵代碼自動進(jìn)入FIFO。FIFO堆棧由8個(gè)8位的存儲單元組成，它允許依次暫存8個(gè)鍵的代碼。這個(gè)棧的特點(diǎn)是先進(jìn)先出，因此由中斷子程序讀取的代碼順序與鍵被按下的次序相一致。在FIFO中的暫存數(shù)據(jù)多于一個(gè)時(shí)，只有在讀完所有的數(shù)據(jù)時(shí)，IRQ信號才會撤消。雖然鍵的代碼暫存于8279的內(nèi)部堆棧，但CPU從棧內(nèi)讀取數(shù)據(jù)時(shí)只能用“輸入”或“輸出”指令，而不能用“彈出”指令，因?yàn)?279芯片在微機(jī)系統(tǒng)中是作為I/O接口電路而設(shè)置的。在傳感器掃描方式工作時(shí)，將對開關(guān)陣列中每一個(gè)結(jié)點(diǎn)的通、斷狀態(tài)進(jìn)行掃描，并且當(dāng)列陣中任何一位發(fā)生狀態(tài)變化時(shí)，便自動產(chǎn)生中斷信號IRQ。此時(shí)，F(xiàn)IFO的8個(gè)存儲單元用于寄存

36、器的現(xiàn)時(shí)狀態(tài)，稱為狀態(tài)寄存器。其中存儲器的地址編號與掃描線的順序一致。中斷子程序?qū)顟B(tài)存儲器的內(nèi)容讀入CPU，并與原有狀態(tài)比較后，便可由軟件判斷哪一個(gè)傳感器的狀態(tài)發(fā)生了變化。8279內(nèi)部設(shè)置了16×8顯示數(shù)據(jù)存儲器（RAM），每個(gè)單元寄存一個(gè)字符的8位顯示代碼。8個(gè)輸出端與存儲單元各位的對應(yīng)關(guān)系為 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0A3A0，B3B0分時(shí)送出16個(gè)（或8個(gè)）單元內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)，并在16個(gè)或8個(gè)顯示器上顯示出來。顯示器的掃描信號與鍵盤輸入掃描信號是共用的。當(dāng)實(shí)際的數(shù)碼顯示器多于4個(gè)時(shí)，必須采用編碼掃描輸出，經(jīng)過譯碼器后，方能用于顯示器的掃描。顯示數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)總

37、線D7D0及寫信號WR，可以分別寫入顯示器存儲器的任何一個(gè)單元一旦數(shù)據(jù)寫入后，8279的硬件便自 管理顯示器存儲器的輸出及同步掃描信號。根據(jù)以上安排，運(yùn)用PROTEL軟件連接系統(tǒng)硬件電路原理圖，如圖3-2。 圖3-2 系統(tǒng)硬件連接原理圖3.1.7 編寫控制程序 測控程序是控制系統(tǒng)很關(guān)鍵的部分，數(shù)據(jù)的采集和試壓過程的控制直接受本程序制約，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲打印和試壓過程控制等功能模塊，其程序流程如下所示。 系統(tǒng)初始化內(nèi)容包括 ： (1)設(shè)置兩個(gè)外部中斷INT0、INT1觸發(fā)方式均為邊沿觸發(fā)，即置TCON控制寄存器中IT0、IT1為1。并允許兩中斷，即置SCON寄存器中

38、的EX1、EX0為1。最后打開總中斷允許位EA。中斷0用來控制A/D轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)據(jù)到單片機(jī)，中斷1用來控制鍵盤命令的輸入。 (2)分配內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的部分單元，用來暫時(shí)存儲A/D轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)據(jù)。 (3)寫入8255的工作模式命令字：PA、PB、PC口均按方式0輸出，向8255 中寫入80H命令字。 (4)寫入8279鍵盤、顯示器工作模式設(shè)置命令：數(shù)據(jù)輸入選擇鍵掃描方式，顯示輸出選擇8字符顯示，左端輸入方式。故要向8279中寫入00H命令。系統(tǒng)初始化程序如下：ORG 0000H ；主程序入口AJMP MAIN ORG 0003H ；外中斷0入口LJMP INT0 ；轉(zhuǎn)至ADC12451中斷服務(wù)

39、子程序ORG 0013H ；外中斷1入口LJMP INT1 ；轉(zhuǎn)至鍵盤輸入中斷服務(wù)子程序MAIN:MOV R0,#30H ；數(shù)據(jù)區(qū)首地址MOV R1,#40HMOV DPTR,#7FFFH ；8255控制口地址MOV A,#80H ；PA、PB、PC口均按方式0輸出MOVX DPTR,AMOV DPTR，#7FFCH ；8279初始化程序MOV A，#0D1H ；清除命令MOVX DPTR,AMOV A,#00H ；設(shè)置鍵盤、顯示器工作方式MOVX DPTR,AMOV A,#2AH ；時(shí)鐘偏程，10分頻MOVX DPTR , ASETB EX0 ；允許外中斷0SETB EX1SETB IT0

40、； 邊沿觸發(fā)SETB IT1 SETB EA ；開中斷CLR P3.0 ；啟動ADC12451由于A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為12位，所以每次輸入到單片機(jī)的壓力轉(zhuǎn)換值都為12位的二進(jìn)制數(shù)字，要送去LED顯示器，必須先經(jīng)過處理轉(zhuǎn)變?yōu)槭M(jìn)制。數(shù)據(jù)處理程序?yàn)锳LTER DATA: MOV R7,#02H ；循環(huán)次數(shù)設(shè)定MOV A,R0 ；取得低八位數(shù)值DEC R0 LOOP1: MOV B,#0AH ；B寄存器置10DIV AB MOV R1,B ；余數(shù)依次為百分位、十分位顯示數(shù)值INC R1 DJNZ R7,LOOP1MOV R2,A ；取得高四位數(shù)MOV A,R0ADD A,R2MOV B,0AH D

41、IV AB MOV R1,B ；余數(shù)為個(gè)位顯示數(shù)值INC R1MOV R1,A ；商為十位顯示值RET詳細(xì)的程序清單見附錄。3.1.8 PCB版圖制作 使用PROTEL軟件將電路原理圖網(wǎng)絡(luò)報(bào)表導(dǎo)入到PCB編輯環(huán)境中，生成PCB版圖如下圖3-3和圖3-4。 圖3-3控制系統(tǒng)PCB版圖 圖3-4控制系統(tǒng)PCB版圖3D效果圖3.2畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié) 經(jīng)歷了短暫的一個(gè)月終于完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于是第一次有目的整體性、系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)，所以難免遇到種種困難。有時(shí)真的感覺無從下手但是無論遇到什么困難，我都憑借著一股求知的熱情，沒有退縮，再加上指導(dǎo)老師的熱情幫助，反反復(fù)復(fù)回到書本中攻克一個(gè)又一個(gè)的難題，然后再拿來與

42、現(xiàn)實(shí)實(shí)際相比較，尋找最優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終圓滿地完成了本次設(shè)計(jì)。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我增長了不少單片機(jī)方面的知識，對自動化控制的設(shè)計(jì)過程有了一定了解。總的來說表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1.對所學(xué)習(xí)知識點(diǎn)進(jìn)行了查漏補(bǔ)缺，并了解學(xué)習(xí)了新的知識，開闊了視野，拓寬了自己的知識面。養(yǎng)成了勤學(xué)好問的習(xí)慣，同時(shí)具有了一定的創(chuàng)新思維。 2.對大學(xué)四年所學(xué)到的東西進(jìn)行了歸納總結(jié)，形成了一個(gè)整體的知識體系，進(jìn)一步完善了自己的知識結(jié)構(gòu)。 3.學(xué)會了充分利用網(wǎng)絡(luò)資源查閱資料，以及借助前人的研究成果尋求解決問題的思維方法，對新信息和新知識及時(shí)做筆記。 4.敢于面對困難，同時(shí)也懂得了互助合作的重要性。 5.利用計(jì)算機(jī)（PROTEL、W

43、ord2003等）的能力得到提高。但是由于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)缺乏，設(shè)計(jì)過程中仍然存在不足之處，設(shè)計(jì)中存在以下問題： 1.外部擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器的空間不是非常充足。 2.使用7段LED數(shù)碼顯示的效果不是很直觀，無法用壓力變化曲線圖來表達(dá)試壓的結(jié)果。 3.調(diào)理電路中沒有對壓力傳感器輸入信號做濾波處理。 4.系統(tǒng)的抗干擾性能需要進(jìn)一步提高。 在日新月異的未來社會，控制系統(tǒng)的發(fā)展必定伴隨著電子和自動化技術(shù)的發(fā)展而得到進(jìn)一步的完善。參考文獻(xiàn) 01美國石油學(xué)會，API Spec 5CT-2001(ISO 11960-2001)，套管油管規(guī)范，華齡出版社，2001 02吳文秀，鄒必昌，唐桃波油管試壓自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，石油機(jī)械，2007 03程國強(qiáng)，王 娟組態(tài)軟件在油管靜水壓試驗(yàn)自動監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，石油儀器，2006 04董磊，胡慧慧基于組態(tài)王6.5的油井管靜水壓試驗(yàn)控制系統(tǒng)，石油礦場機(jī)械，200505黃明新石油套管試壓機(jī)及管端密封裝置，機(jī)械工程師，19