大電流檢測(cè)儀材料

1、抽油機(jī)電流檢測(cè)儀在總體設(shè)計(jì)上可分為兩大部分：硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。1、 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 抽油機(jī)電流檢測(cè)儀器檢測(cè)儀硬件系統(tǒng)主要包括仿真器、傳感器、信號(hào)處理電路、單片機(jī)機(jī)輸入、輸出設(shè)備、鍵盤、顯示器等部分。它是采用目前流行的單片機(jī)Mcs-51、外培存儲(chǔ)器、輸入輸出（I/O）接口、模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器、微型熱敏打印機(jī)、數(shù)碼顯示器、掉電自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)等。整個(gè)儀器在單片機(jī)的控制下完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、采集數(shù)據(jù)向上微機(jī)傳輸?shù)裙ぷ?。同時(shí)配備了鍵盤供用戶置入時(shí)間和井號(hào)等數(shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)采集8031 CPU CPU數(shù)據(jù)顯示曲線打印 圖1-1 工作原理為,通過鍵盤向檢測(cè)儀輸入日期、井號(hào)編碼、選擇工作狀態(tài)等信息，鍵盤操

2、作的同時(shí)，顯示器顯示所選擇內(nèi)容的提示，當(dāng)按下“開始”鍵后，電流才積極處理子系統(tǒng)開始動(dòng)作。從互感器測(cè)得的抽油機(jī)電流信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為05伏直流電壓量，在進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，然后經(jīng)緩存、儲(chǔ)存后進(jìn)入CPU。采集時(shí)間的長(zhǎng)短，據(jù)實(shí)際需要通過按鍵調(diào)整，以保證一個(gè)沖程的完整和曲線的美觀。2、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的軟件主要包括兩部分。一部分用于完成數(shù)據(jù)采集、處理、鍵盤和顯示器控制、波特率自動(dòng)跟蹤設(shè)置和通訊等任務(wù)，另一部分是對(duì)熱敏打印機(jī)的控制程序。 在程序設(shè)計(jì)中，考慮到時(shí)序問題，將采集速度調(diào)整部分和采集處理程序用中斷服務(wù)功能實(shí)現(xiàn)。速度調(diào)整分多級(jí)速度可調(diào)，由于用戶通過按鍵選擇。采集處理程序中軟件濾波采用算術(shù)平

3、均的方法實(shí)現(xiàn)。在與PC機(jī)通訊程序設(shè)計(jì)時(shí)，主要實(shí)現(xiàn)了波特率自動(dòng)跟蹤技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)與不同檔次的微機(jī)通信。程序總體組成如下圖： 系統(tǒng)初始化模塊控制鍵盤掃描模塊數(shù)據(jù)采集級(jí)處理數(shù)據(jù)及曲線打印與PC機(jī)通訊模塊采集速度調(diào)整主控程序 圖 1-2電流檢測(cè)儀數(shù)據(jù)采集及處理電流檢測(cè)儀數(shù)據(jù)及處理硬件是本儀器硬件系統(tǒng)的核心部分，其主要用來完成抽油機(jī)井電流的采集、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、顯示等功能。它包括仿真器、傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、并行接口芯片、存儲(chǔ)器、鎖存器、觸發(fā)器、各種門電路、鍵盤、顯示器等部分，下面將分別介紹其主要部分。2.1傳感器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器1、傳感器 傳感器是由感應(yīng)線圈和引線組成的，它是采用電流互感器的工作原理將被測(cè)的抽

4、油機(jī)電流耦合到感應(yīng)線圈中，然后通過引線輸送給信號(hào)處理電路再加以整流濾波來實(shí)現(xiàn)的。使用時(shí)將其鉗在被測(cè)電纜上，把被測(cè)導(dǎo)線卡在開線槽中，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)線上流過抽油機(jī)的電流，電流將在被測(cè)導(dǎo)線的周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)作用于傳感器的感應(yīng)線圈上，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過引線與信號(hào)處理電路相連，這樣，在引線中就有電流通過。電流進(jìn)入信號(hào)處理電路，信號(hào)處理電路首先將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸入電壓信號(hào)Vi。信號(hào)處理電路如下圖： 圖 2-1 輸入信號(hào)Vi<0時(shí)，運(yùn)放IC1輸出電壓VA>0,二極管D1截止，D2導(dǎo)通，運(yùn)放IC！工作在深度負(fù)反饋的狀態(tài)，此時(shí)電路相當(dāng)于反比例電路相當(dāng)于反比例電路，因此V1=-R3/R1。V

5、i<0，故V1>0,V1通過運(yùn)放IC2得到輸入電壓V0,所以V0位正值。當(dāng)Vi>0時(shí)，運(yùn)放IC1也處于深度負(fù)反饋狀態(tài)，并且VA=0.7V。運(yùn)放IC2的輸入端為虛地點(diǎn)，所以V0=0。 輸入信號(hào)Vi 經(jīng)過上面的處理后，即經(jīng)過運(yùn)放IC1的處理，在經(jīng)過形濾波，酒；可以得到由IC2輸出的05V的直流電壓信號(hào)。也就是完成了信號(hào)處理的過程。信號(hào)處理后的直流電壓信號(hào)輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換的第一路，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。2、模數(shù)轉(zhuǎn)換器抽油機(jī)井的電流瞬時(shí)變化大，而且是模擬量的形式，因而不能直接進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理，必須將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，抽油機(jī)電流檢測(cè)儀首先將電流通過傳感器的輸入信號(hào)處理電路，經(jīng)過信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字

6、信號(hào)。抽油機(jī)電流檢測(cè)儀的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809是集成的A/D轉(zhuǎn)換器。它是一個(gè)八通道多路開關(guān)，每個(gè)通道均能轉(zhuǎn)換出8位數(shù)字量，它是逐次逼近型轉(zhuǎn)換器，包括一個(gè)高阻斬波比較器；一個(gè)帶有256個(gè)電阻分壓器的樹型開關(guān)網(wǎng)絡(luò)；一個(gè)控制邏輯環(huán)節(jié)和八位逐次逼近數(shù)碼寄存器，最后輸出極有一個(gè)八位三態(tài)輸出鎖存器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。八個(gè)輸入模擬量多路開關(guān)地址寄存器控制，當(dāng)選中某路時(shí)，該路模擬信號(hào)進(jìn)入比較器與A/D輸入的參考信號(hào)比較，直至兩個(gè)信號(hào)相等或達(dá)到允許誤差為至，然后將對(duì)應(yīng)輸入的數(shù)碼寄存器值送三態(tài)鎖存器。當(dāng)OE有效時(shí)，便可輸出對(duì)應(yīng)輸入的八位數(shù)碼。ADC0809的外部引腳如圖2-2所示。其管腳介紹如下： DO

7、D7 八路數(shù)據(jù)輸出端，可直接接入微機(jī)的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線。A,B,C 多路模擬開關(guān)地址選擇輸入端。ALE 地址鎖存輸入線，該信號(hào)上升沿可降地址選擇信號(hào)A.B.C鎖存到地址鎖存器內(nèi)。START 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換輸入線，該信號(hào)上升沿用以清除ADC內(nèi)部寄存器，下降沿用以啟動(dòng)內(nèi)部控制邏輯；使A/D轉(zhuǎn)換器工作。EOC 轉(zhuǎn)換完畢輸出線，其上跳沿表示A/D轉(zhuǎn)換完畢。OE 允許輸出控制端，高電平有效。有效時(shí)能打開三態(tài)門，將八位轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送到微機(jī)的數(shù)據(jù)總線上。CLOCK 轉(zhuǎn)換定時(shí)時(shí)鐘脈沖輸入端，它的頻率決定轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度，其頻率不能高于640KHZ，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換速度為100s。Vref(+) , Vref(-) 是A/D轉(zhuǎn)

8、換器的參考電壓輸入線。 Vcc 接+5伏電源GND 接地ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：圖2-2 圖 2-3抽油機(jī)電流檢測(cè)儀中ADC0809的結(jié)構(gòu)如下: 八路模擬量輸入端只用一路信號(hào)處理接受模擬量，此路位IN0。八位數(shù)據(jù)輸出端D0D7與8031的P0口相接，并且還與存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)線相連。A.B.C多路模擬開關(guān)選擇輸入端與P0的P0.0、P0.1、P0.3相連。ALE，OE，START接線如圖2-4。 D觸發(fā)器的Q段取非后與CLOCK相接。Vref(+)和Vref(-)的結(jié)法如圖2-5所示。抽油機(jī)井的電流警信號(hào)處理電路后，由ADC0809轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字信號(hào)書送給8031的CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 圖2-4

9、圖 2-52.2并行接口芯片（8255） 8255是一種可編程的并行接口芯片，8255有24條I/O引腳，分成A,B兩組，每條12條，允許分別編程，工作方式可分為0，1，2三種。在抽油機(jī)電流檢測(cè)儀中，數(shù)據(jù)顯示及鍵盤都接在8255的I/O引腳上。PA口中用PA6PA0來驅(qū)動(dòng)LED顯示器，PB口中用PB5PB0來選擇每一位LED顯示器，PA口和PB口中剩下的引腳多用作指示功能。PC口作用于鍵盤接口，PC7用于讀取鍵盤狀態(tài)，PC6PC0用于兌12間的鍵盤接口，PC3PC0用于行，PC6PC4用于列，共讀取12個(gè)間的狀態(tài)。3.2存儲(chǔ)器抽油機(jī)電流檢測(cè)儀在8051外部擴(kuò)展了程序存儲(chǔ)器27256和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

10、62256式程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址空間都達(dá)到了32K。3.3 I/O端口 在抽油機(jī)電流檢測(cè)儀中，四個(gè)I/O端口分別為：P0口與P2口一起組成16位地址總線選通62256和27256的地址，以及ADC0809的地址。P0口還用為數(shù)據(jù)總線口。P1口用于連接打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)接口，P3口用作第二功能。3.5 串行接口 抽油機(jī)電流檢測(cè)儀用MC1488和MC1489來完成抽油機(jī)井與單片機(jī)之間的電瓶轉(zhuǎn)換工作，從而能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。3.6 中斷系統(tǒng)抽油機(jī)電流檢測(cè)儀中T0,T1中斷都接在外部打印機(jī)的接口電路中，來完成打印機(jī)控制，INT1接模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志EOC上，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換完成服務(wù)功能。INT0接“啟

11、動(dòng)”鍵，用來啟動(dòng)檢測(cè)儀開始數(shù)據(jù)采集。串行口中斷用于控制與上位機(jī)通信。軟件介紹及調(diào)試過程簡(jiǎn)介有了硬件系統(tǒng)仍不能完成預(yù)期的目的，還需要軟件的支配，才能達(dá)到所要求的結(jié)果，抽油機(jī)電流檢測(cè)儀要完成抽油機(jī)井電流的監(jiān)測(cè)和顯示，因此程序首先要完成數(shù)據(jù)的采集任務(wù)，也即采樣。然后對(duì)采集進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、顯示。測(cè)量過程中模擬量通過傳感器和信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換成05V的支流電壓信號(hào)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后輸入彈片級(jí)處理。為此程序設(shè)計(jì)中分為主程序，中斷服務(wù)程序，子程序三大塊來完成抽油機(jī)井的監(jiān)測(cè)和顯示。4.3 主程序框圖 抽油機(jī)電流檢測(cè)儀的主程序用以完成整個(gè)系統(tǒng)的初始化，數(shù)據(jù)采集和處理，可通過鍵盤輸入編碼、測(cè)量時(shí)間等操作

12、。俄中功能模塊操作框圖下：功能1 為選擇存儲(chǔ)區(qū)功能，按鍵1進(jìn)入功能狀態(tài)，在功能命令狀態(tài)下，等待輸入及進(jìn)入功能區(qū)，高三位滅，低三位顯示“A-”,輸入#字鍵顯示默認(rèn)存儲(chǔ)區(qū)。按“*”字鍵返回到系統(tǒng)待命狀態(tài)。其程序流程圖如下：功能2 為用于輸入井號(hào)的功能。按鍵2 進(jìn)入功能區(qū)，在此功能狀態(tài)下，顯示“-A”,輸入井號(hào)，最多不超過6個(gè)數(shù)，判有沒有#字鍵按下，有就返回，沒有則繼續(xù)。其程序框圖如下:功能3 為用于輸入時(shí)間的功能。按鍵3進(jìn)入功能區(qū)，在此功能狀態(tài)下，顯示“-B”,輸入時(shí)間，最多不超過6個(gè)數(shù)，判有沒有#字鍵按下，有就返回，沒有則繼續(xù)。其程序框圖如上圖。功能4 為 用于模數(shù)轉(zhuǎn)換。按鍵4進(jìn)入功能區(qū)，在此功

13、能狀態(tài)下，顯示“-C”, 對(duì)定時(shí)器中斷和外中斷1初始化，開定時(shí)中斷，等待中斷的到來，沒來之前一直顯示“-C”，此功能主要是為0809的啟動(dòng)開辟一個(gè)平臺(tái)，為中斷子程序的初始化。中斷部分及子程序 中斷部分抽油機(jī)電流檢測(cè)儀共用了定時(shí)器0，INTO,INT1三個(gè)中斷子程序分別來完成數(shù)據(jù)采集處理定時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成魔術(shù)轉(zhuǎn)換服務(wù)。數(shù)據(jù)采集以中斷方式進(jìn)行。抽油機(jī)電流檢測(cè)儀中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809的轉(zhuǎn)換信號(hào)EOC經(jīng)反相器接到8051的外中斷INT1上。當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC變?yōu)楦唠娖剑?jīng)反相器后為低電平，向8051申請(qǐng)中斷，8051響應(yīng)后，既可讀出模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)果數(shù)據(jù)。硬件ADC0809的地址

14、為C000H，在數(shù)據(jù)采樣過程中只用了ADC0809的第一路模擬通道IN0來轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，進(jìn)行標(biāo)度轉(zhuǎn)換，標(biāo)度轉(zhuǎn)換也即工程量轉(zhuǎn)換。由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種參數(shù)都有不同的量綱和數(shù)值，這些經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，統(tǒng)一變?yōu)槎M(jìn)制量，這些數(shù)碼雖然代表參數(shù)值的大小，但是并不表示有量綱的數(shù)值才能進(jìn)行現(xiàn)實(shí)和打印。這種變換成為標(biāo)度轉(zhuǎn)換或工程量轉(zhuǎn)換。1、標(biāo)度轉(zhuǎn)換現(xiàn)行標(biāo)度轉(zhuǎn)換是最常用的轉(zhuǎn)換方式。其公式為：Ax=A0+(Am-A0)*(NX-N0)/(Nm-N0)式中： A0 儀表下限 Am 儀表上限 Ax 實(shí)際測(cè)量值 N0 儀表下限對(duì)應(yīng)數(shù)字量 Nm 儀表上限對(duì)應(yīng)數(shù)字量 Nx 經(jīng)數(shù)字濾波后確定的采樣值通常，在參數(shù)兩成的起點(diǎn)

15、，模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出值為0，因此上述的標(biāo)度轉(zhuǎn)換變換公式可簡(jiǎn)化為： Ax=A0+(Am-A0)*NX/Nm對(duì)于抽油機(jī)電流檢測(cè)儀來說，測(cè)量電流量程為0170A,采用8位ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因而：A0=0, Am=170, N0=0, Nm=255 采樣值為Nx,其標(biāo)度轉(zhuǎn)換公式為： Ax=Nx*170/255 將這一算式編成程序就是抽油機(jī)電流檢測(cè)儀標(biāo)度變換部分，將模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后經(jīng)數(shù)字濾波處理后的Nx值帶入，既可算出抽油機(jī)井電流的真實(shí)值。2、外部中斷子程序 為了能使中斷處理完后正確返回到被中斷的源程序的斷點(diǎn)處繼續(xù)往下執(zhí)行，必須將斷點(diǎn)處的現(xiàn)場(chǎng)壓進(jìn)堆棧保護(hù)。待執(zhí)行完中斷處理程序，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，返回?cái)帱c(diǎn)繼續(xù)

16、執(zhí)行原程序。這一過程，保證了原程序執(zhí)行的連續(xù)性。稱為中斷的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和恢復(fù)。此程序是0809數(shù)模轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換完成的中斷子程序，它有定時(shí)中斷控制開啟轉(zhuǎn)換，外中斷到來時(shí)說明轉(zhuǎn)換完成，抽油機(jī)電流儀在模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換1個(gè)數(shù)據(jù)后，向8051申請(qǐng)中斷。執(zhí)行10次中斷為一周期，即得到10個(gè)數(shù)據(jù)。接下來進(jìn)行的是將數(shù)據(jù)輸入到指定的存儲(chǔ)區(qū)，其原理圖如后面圖5-2。5.2子程序抽油機(jī)電流檢測(cè)儀的子程序部分，其包括鍵盤掃描，數(shù)據(jù)顯示，數(shù)值運(yùn)算和延時(shí)，鍵盤掃描可完成鍵盤上12個(gè)鍵的掃描控制，數(shù)據(jù)顯示用于被測(cè)數(shù)據(jù)顯示與操作功能提示并且還能顯示數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)。數(shù)值運(yùn)算可以完成內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)運(yùn)算。延時(shí)用來延長(zhǎng)一段時(shí)間。1、鍵盤

17、掃描子程序鍵盤掃描時(shí)有8255的PC口控制的，鍵盤采用行列矩陣式，對(duì)間的識(shí)別是逐次進(jìn)行掃描查詢的。鍵盤處理子程序就用來完成此功能，鍵盤掃描的工作原理是：1 首先判斷鍵盤上有無鍵按下，方法為判別PC口狀態(tài)，PC口全為高電平，則無鍵按下，否則有鍵按下。2 取除鍵的機(jī)械抖動(dòng)影響，通過調(diào)用延時(shí)子程序延時(shí)一段時(shí)間后在判斷鍵盤的狀態(tài)，若PC口高四位仍有低電平，則說明有鍵按下，否則按鍵的抖動(dòng)處理。3 判斷閉合鍵號(hào)，在對(duì)鍵盤的列顯掃描時(shí)，PC3,PC2,PC1,PC0以次輸出為： PC3 PC2 PC1 PC 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1相應(yīng)地順序讀入PC口高四位，也就是在PC口的低四位輸出一個(gè)掃描字，緊接著讀PC口高四位狀態(tài)。若PC7PC