井下壓力、流速數據采集系統(tǒng)

0引言

目前，我國油井測試仍以手工測試為主，半自動為輔。在測試過程中，由于外界干擾及

人為因素造成的測試穩(wěn)定性和準確性較差等問題較為突出。因此，迫切需要研究

具有高效、高性能的測試方法和測試設備。計算機功能強大，可以幫助我們解決這一

難題，但由于計算機過于笨重，攜帶不方便，對現場工況條件要求較高，抗干擾能力較差,

通常無法勝任于條件較為惡劣的環(huán)境。因此，我們考慮用單片機去完成。

目前，單片機以其集成度高、運算速度快、體積小、運行可靠、價格低廉等優(yōu)點，在

過程控制、數據采集、機電一體化方面得到了廣泛應用。

在石油開采過程中，需要確切地了解油井內部的原油壓力和流速，這對于有效地提高

油井的產量有十分重要的意義。本系統(tǒng)可以隨油井鉆頭深入井下，實地采集并存儲第一手

的壓力和流速數據。返回地面后，把數據送入計算機內，為分析油井狀況提供準確的原始

資料

基于上述條件，我們設計出一種用于井下壓力、流量數據采集系統(tǒng)，可以方便地到油

田現場采集數據。

井下壓力、流速數據采集系統(tǒng)

1井下壓力、流速數據采集系統(tǒng)概述

1.1設計目標

本系統(tǒng)使用89c51作為控制芯片，對來自壓力及流速傳感器的信號進行采集，并把采集

到的數據存放在數據存儲器中。系統(tǒng)可以工作在標定和實際測量兩種工作狀態(tài)下。標定狀態(tài)

是為了修正系統(tǒng)誤差而在測量前進行一組標準壓力和流量數據的測量。具有可與通用計算機

連接的串行通信接口。在等待狀態(tài)時，系統(tǒng)工作在低功耗方式。系統(tǒng)具有工作狀態(tài)顯示系統(tǒng),

可以顯示標定、測量、通信、等待等不同的工作狀態(tài)。

1.2設計描述

為取得特定油井深度下的原油壓力及流速數據，本系統(tǒng)的工作時序必須與鉆頭進入油

井的時間和所到達的深度相符合。在轉頭進入油井后的確定時間內，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)；

當鉆頭到達預定的深度以后，系統(tǒng)自動開啟并開始采集第一次數據；隨后進入等待狀態(tài)，

等待下一次的數據采集。這樣的采集進行六次，隨后系統(tǒng)便停止工作，處于低功耗狀態(tài)；

系統(tǒng)框圖如下

圖M系統(tǒng)框圖

Fig.1-1Systemdiagram

待重新回到地面后，再與計算機連接，把采集到的數據輸入計算機進行進一步的處理。由

于系統(tǒng)在工作前可以進行標定，所以處理后的數據能比較準確地反映油井內原油的壓力和

2

流速的真實情況。

由于系統(tǒng)處于地卜高溫的工作環(huán)境中，對于所有芯片的溫度要求比較苛刻；再者受鉆

頭尺寸大小的限制，需要整個系統(tǒng)小型化；系統(tǒng)一次工作時間可能長達八小時，僅靠小型

電池供電；所以要求整個系統(tǒng)的功耗極低。選用89c51芯片，它的豐富的I/O功能滿足了

系統(tǒng)的要求。其特有的低功耗工作方式用于系統(tǒng)的等待狀態(tài)可以極大地降低功耗。

井下壓力、流速數據采集系統(tǒng)

2信號電路板設計

信號信號電路板由壓力傳感器和流量傳感器組成

2.1壓力傳感器

2.1.1壓力傳感器的定義

傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的轉換規(guī)律轉換成可用的輸出信號的器件

或裝置壓力傳感器是以壓力為被測量，進而轉換為電信號的裝置，它具有廣泛的用途。

2.1.2壓力傳感器原理

電阻應變式傳感器是基于這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下

產生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片

變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減小），再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換

為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。由此可見，電阻應

變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。下面就這

三方面簡要論述。

1）電阻應變片

電阻應變片一般由敏感柵、引線、基底、覆蓋層和粘結劑組成，有絲繞式電阻片和箔

式電阻片兩大類。絲繞式應變片是用直徑為0.003mm~0.01mm的合金絲繞成柵狀而成；箔

式應變片則是用厚度為0.003mm~0.01mm的箔材經光刻腐蝕工藝制成敏感柵。

電阻應變片是把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底上，即成為一片應

變片。他的一個重要參數是靈敏系數K。我們來介紹一下它的意義。

設有一個金屬電阻絲，其長度為L,橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作S,其電阻率

記作p,這種材料的泊松系數是小當這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為R：

R=pL/S（Q）（2-1）

當他的兩端受F力作用時一，將會伸長，也就是說產生變形。設其伸長AL,其橫截面積則

縮小，即它的截面圓半徑減少此外，還可用實驗證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻

率也會有所改變，記作Ap。對式（2-1）求全微分，即求出電阻絲伸長后，他的電阻值改

變了多少。我們有：

AR=ApL/S+ALp/S-ASpL/S2（2-2）

用式（2-1）去除式（2-2）得到

4

AR/R=Ap/p+AL/L-AS/S(2-3)

另外，我們知道導線的橫截面積S=?ir2,則As=27tr*Ar,所以

AS/S=2Ar/r(2-4)

從材料力學我們知道

Ar/r=-jiAL/L(2-5)

其中，負號表示伸長時，半徑方向是縮小的。R是表示材料橫向效應泊松系數。把式(2-4)

(2-5)代入(2-3),有

AR/R=Ap/p+AL/L+2gAL/L=(1+2j.i(Ap/p)/(AL/L))*AL/L

=K*AL/L(2-6)

其中

K=l+2g+(Ap/p)/(AL/L)(2-7)

式(2-6)說明了電阻應變片的電阻變化率(電阻相對變化)和電阻絲伸長率(長度相對

變化)之間的關系。

需要說明的是：靈敏度系數K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質決定的一個常數,

它和應變片的形狀、尺寸大小無關，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之間；其次K值是

一個無因次量，即它沒有量綱。

在材料力學中AL/L稱作為應變，記作￡,用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便，常

常把它的百萬分之一作為單位，記作“。這樣，式(2-6)常寫作：

AR/R=Ke(2-8)

2)彈性體

彈性體是一個有特殊形狀的結構件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的外

力，對外力產生反作用力，達到相對靜平衡；其次，它要產生一個高品質的應變場(區(qū))，

使粘貼在此區(qū)的電阻應變片比較理想的完成應變棗電信號的轉換任務。肓孔底部中心是

承受純剪應力，但其上、下部分將會出現拉伸和壓縮應力。主應力方向一為拉神，一為壓

縮，若把應變片貼在這里，則應變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應變片的下半部將受

壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點的應變表達式，而不再推導。

￡=(3Q(1+g)/2Eb)*(B(H2-h2)+bh2)/(B(H3-h3)+bh3)(2-9)

其中：Q-截面上的剪力；E-揚氏模量：匕泊松系數；B、b、H、h-為梁的幾何尺寸。需要

說明的是，上面分析的應力狀態(tài)均是“局部”情況，而應變片實際感受的是“平均”狀態(tài)。

3)檢測電路

井下壓力、流速數據采集系統(tǒng)

檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變?yōu)殡妷狠敵?。因為惠斯登電橋具有?/p>

多優(yōu)點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側向力干擾，可以比較方便的解決傳感器

的補償問題等。因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數一致，各種干擾的影響容

易相互抵銷，所以惠斯登電橋得到了廣泛的應用。

圖2-1壓力傳感器

Fig.2-1Pressuretransmitter

2.2磁電式轉速傳感器

磁電式轉速傳感器，又稱變磁阻式轉速傳感器（以下簡稱傳感器）它和測速發(fā)電機都

屬于感應式轉速變換器，都是利用法拉弟電磁感應原理將機械轉速量轉換成電量的能量轉

換型檢測器。不同的是，它是被當作數字式變換器件使用，工作時是取其感應電勢以下簡

稱電勢的頻率作為輸出信號的而測速發(fā)電機是被當作模擬式變換器件使用，工作時是采取

其電勢的幅度作為輸出信號的。這種傳感器因具有結構簡單，壽命長，輸出信號強，抗干攏

能力強，不受油、水霧、灰塵等介質影響的優(yōu)點，目前在數字式轉速測量中得到最為廣泛

的應用。

傳感器的基本結構如圖2-2所示。它主要由兩部分組成。由磁鐵1、感應線圈以（下

簡稱線圈）2和用軟鐵制成的極靴（又稱極掌）構成固定部分。這里的磁鐵可以是永久磁

鐵，也可以是套在軟鐵上并通以直流電流的線圈一一電磁鐵。傳感齒輪4是可動部分。它

是用鐵磁材料制成的，可隨被測軸轉動，又稱為感應齒輪或脈沖齒輪（以下簡稱齒輪）。

傳感器的可動部分還可以制成葉輪、槽輪或凸輪等形狀，常以制成齒輪形狀為多。故本文

僅以齒輪形狀為例進行介紹。將線圈套在磁鐵或極靴上，極靴對準齒輪輪齒并與其相隔一

定工作問隙就構成一個最基本的傳感器。

6

當使傳感器工作時一，齒輪由被測軸帶動旋轉。其齒頂和齒谷交替經過極靴。由于極靴

與輪齒間空氣間隙的交替變化引起磁場中磁路磁阻Rm的改變，使通過線圈的磁通也交替

變化，從而線圈兩端就產生電勢。齒輪每轉過一個齒，電勢正好經歷一個周期T。若齒輪齒

數為Z,轉動數度為ns/min,則

T=60/Zn(s)(2-10)

電勢頻率為

f=Zn/60(Hz)(2-11)

可見傳感器的電勢頻率與被測轉速成正比，故人們可以用電子計數器通過測量信號頻率來

確定被測轉速。這就是該種傳感器可用于數字式轉速測量的道理

前面只談了傳感器的基本結構。實際上，傳感器的具體結構形式是很多的。對于這些不同

的結構形式，目前尚無統(tǒng)一的名稱和分類方法。為了便于讀者從本質上了解這些不同結構

形式的傳感器之間的共性和異性，從而根據轉速測量工作中的具體情況合理設計或選購傳

感器，這種傳感器結構簡單，成本低，使用方便，目前在數字式轉速測量中得到廣泛的應用

Fig.2-2Electromagnetictypetachometergenerator

井下壓力、流速數據采集系統(tǒng)

3信號調理電路

信號電路板原理圖如圖3-1所示。它通過插座W與壓力傳感器相連，通過插座W，與

流速傳感器相連。其中包含壓力信號調理電路流速信號調理電路、流速信號調理電路和模

擬電源控制電路。

模擬電源控制電路：為了降低整個系統(tǒng)的功耗，模擬電路的電源僅在采集信號和流速

信號時才開通，而在其他時間是關閉的。電源開關由三極管PI(9012)擔當其基極由單片

機的P1.0口線控制

3.1.壓力信號調理電路

這里包含穩(wěn)電源、儀表放大器、負電壓發(fā)生電路及V—F變換電路。

穩(wěn)電源電路是為壓力傳感器橋路提供恒壓源。由穩(wěn)壓管Z(LM136),電阻R3及運放U6

組成。運放U6:B(LM224)的作用是增強驅動能力。

負電壓發(fā)生電路主要產生一個一5V的電壓，為儀表放大器U4(INA118)提供負電源。

電路由U7和電容C5、C6組成。

儀表放大器U4(INA118)可將壓力傳感器橋路輸出毫伏(mV)級電壓放大，以適

應v—F變換器U5(AD654)的需要。電阻R7是調節(jié)儀表放大器的放大倍數用的。

V—F變換電路：由V—F變換U5(AD654)/、輸入電阻RIO、R11及電容C3組成。輸

入信號的范圍為O~1V,頻率輸出范圍在O-lOOkHzo頻率輸出信號輸入單片機的T0端，

用定時器/計數器T0來記錄脈沖數，以與傳感器感受的壓力成比例關系。

3.2流速信號調理電路

由磁電式轉速傳感器輸出的慢變信號經電容C1隔直之后，先由運放U6:A放大，然

后經運放U6:D、U6:D和相關的電阻及電容整形輸出到單片機的T1端，用定時器/計數器

來記錄脈沖數，以與傳感器數成比例關系。

3.3儀表放大器

3.3.1儀表放大器的不既念

儀表放大器是一種具有差分輸入和相對參考端單端輸出的閉環(huán)增益組件，具1有差分

輸出和相對參考端的單端輸出，隨著電子技術的飛速發(fā)展，儀表放大器也得到廣泛的應用。

儀表放大器把關鍵｝元件集成在放大器內部，其獨特的結構使它具有高共模抑制比、高輸

8

入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調漂移、增益設置靈活和使用方便等特點，使其在數

據采集、傳感器信號放大、高速信號1調節(jié)、醫(yī)療儀器和高檔音響設備等方面?zhèn)涫芮嗖A。

3.3.2儀表放大器的特點

儀表放大器主要以下三方面的特點：

1）低輸入偏置電流和低失調電流誤差。儀表放大器具有偏置電流流人和流出的兩個輸

入端；對于雙極型輸入儀表放大器是基極電流；對于場效應管（FET）輸入儀表放大器是柵極

漏電流。這個偏置電流流過不平衡的信號源電阻將產生一個失調誤差，輸入失調電流誤差

被定義為流過兩個輸入端的偏置電流之間。的失配程度，雙極型輸入儀表放大器的偏置電

流典型值為1nA至50nA；而1FET輸入儀表放大器的偏置電流在室溫下的典型值為1pA至

50pAo

2）低噪聲。因為儀表放大器必須：

能夠處理非常低的輸入電壓，所以它絕對不能把自身的噪聲信號加到信號電壓上，

在1kHz（增益大于100）的條件下，折合到輸入端（RTI）的最小輸入噪聲為10nV/V/Hz是允

許的，微功耗儀表放大器適合于盡可能最低的輸入電流，通常比輸入電流較大的儀表放大

器具有較高的噪聲。不能把自身的噪聲信號加到信號電壓

3）低非線性。輸入失調和比例系

數誤差都能通過外部調整來修正，但是非線性是器件的固有的性能限制，所以它不能

由外部調整來消除，低非線性誤差必須由儀表放大器生產廠家的結構設計來保證。非線性

通常規(guī)定為在正滿度電壓與負滿度電壓及零電壓條件下，廠家測量儀表放大器的誤差占滿

度的百分數，對于…個高質量的儀表放大器典型的非線性誤差為0.01%,有的甚至低于

0.0001%o

3.3.3儀表放大器的技術原理

1）儀表放大器與運算放大器的區(qū)別

儀表放大器是一種具有差分輸入和相對參考端單端輸出的閉環(huán)增益單元，大多數情

況下，儀表放大器的兩個輸入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值N109Q。其輸入偏置電流

也應很低，典型值為InA至50nA,與運算放大器一樣，其輸出阻抗很低，在低頻段通常僅

有幾毫歐。運算放大器的閉環(huán)增益是由其反向輸入端和輸出端之間連接的外部電阻決定，

與放大器不同的是，儀表放大器使用一個內部反饋電阻網絡，它與其信號輸入端隔離，對

儀表放大器的兩個差分輸入端施加輸人信號，其增益既可由內部預置，也可由用戶通過引

井下壓力、流速數據采集系統(tǒng)

腳連接一個內部或者外部增益電阻器設置，該增益電阻器也與信號輸入端隔離。

2)信號放大與CMR

儀表放大器是一種放大兩輸入信號電壓之差而抑制對兩輸入端共模的任何信號的器

件。因此，儀表放大器在從傳感器和其它信號源提取微弱信號時提供非常重要的功能，共

模抑制(CMR)是指抵消任何共模信號(兩輸入端電位相同)同時放大差模信號(兩輸入端的電

位差)的特性，這是儀表放大器所提供的最重要的功能。DC和交流(AC)CMR兩者都是儀表

放大器的重要技術指標。使用現代任何質量合格的儀表放大器都能將由于DC共模電壓(即

出現在兩輸入端的DC電壓)產生的任何誤差減小到80dB至120dB。然而，如果(AC)CMR不

夠大，會產生一種很大的時變誤差，因為它通常隨著頻率產生很大變化，所以要在儀表放

大器的輸出端消除它是困難的，幸好大多數現代單片集成電路(IC)儀表放大器提供了優(yōu)良

的AC(CMR)和DC(CMR)。共模增益ACM是指輸出電壓變化與共模輸入電壓變化之比，它

與CMR有關。ACM是指兩個輸入端施加共模電壓時從輸入到輸出的凈增益(衰減)。例如，

一個儀表放大器的共模增益為1/1000,其輸入端的10V共模電壓在其輸出端會呈現出

10mV的變化，差模增益或常模增益(AD)是指兩個輸入端施加(或跨接)不同的電壓時輸入與

輸出之間的電壓增益。共模抑制比(CMRR)是指AD與ACM之比。另外，在理想的儀表放

大器中，CMRR將成比例隨增益增加，CMR通常是在給定頻率和規(guī)定不平衡源阻抗條件下

(例如，60Hz頻率，1k(不平衡源阻抗)對滿度范圍共模電壓(CMV)的變化規(guī)定的。

3.3.4儀表放大器在傳感器信號調理電路中的應用

儀表放大器是一種高增益、直流耦合放大器，他具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻

抗和高共模抑制比等特點。差分放大器和儀表放大器所采用的基礎部件(運算放大器)基本

相同，他們在性能上與標準運算放大器有很大的不同。標準運算放大器是單端器件，其傳

輸函數主要由反饋網絡決定；而差分放大器和儀表放大器在有共模信號條件下能夠放大很

微弱的差分信號，因而具有很高的共模抑制比(CMR)。他們通常不需要外部反饋網絡。儀

表放大器是一種具有差分輸入和其輸出相對于參考端為單端輸出的閉環(huán)增益單元。輸入阻

抗呈現為對稱阻抗且具有大的數值(通常為109或更大)。與由接在反向輸入端和輸出端之間

的外部電阻決定的閉環(huán)增益運算放大器不同，儀表放大器使用了一個與其信號輸入端隔離

的內部反饋電阻網絡。利用加到兩個差分輸入端的輸入信號，增益或是從內部預置，或是

通過也與信號輸入端隔離的內部或外部增益電阻器由用戶設置。典型儀表放大器的增益設

置范圍為1?1000o

1()

儀表放大器的特點：

1)高共模抑制比

共模抑制比(CMRR)則是差模增益(A)與共模增益(A)之比，即：CMR/R：201gIA/AI

dB；儀表放大器具有很高的共模抑制比，CMRR典型值為70?lOOdB以上。

2)高輸入阻抗

要求儀表放大器必須具有極高的輸人阻抗，儀表放大器的同相和反相輸入端的阻抗都

很高而且相互十分平衡，其典型值為109—1012Q低噪聲由于儀表放大器必須能夠處理非

常低的輸入電壓，因此儀表放大器不能把自身的噪聲加到信號上，在1kHz條件下，折合到

輸入端的輸入噪聲要求小于10nV/Hzo

3)低線性誤差

輸入失調和比例系數誤差能通過外部的調整來修正，但是線性誤差是器件固有缺陷，

他不能由外部調整來消除。一個高質量的儀表放大器典型的線性誤差為0.01,有的甚至低于

0.0001o

4)低失調電壓和失調電壓漂移

儀表放大器的失調漂移也由輸入和輸出兩部分組成，輸入和輸出失調電壓典型值分別

為100VfO2mVo

5)低輸入偏置電流和失調電流誤差

雙極型輸入運算放大器的基極電流，FET型輸入運算放大器的柵極電流，這個偏置電

流流過不平衡的信號源電阻將產生一個失調誤差。雙極型輸入儀表放大器的偏置電流典型

值為1nA~50pA,而FET輸入的儀表放大器在常溫下的偏置電流典型值為50pA。

6)充裕的帶寬

儀表放大器為特定的應用提供了足夠的帶寬，典型的單位增益小信號帶寬在500kHz~4

MHz之間。具有“檢測”端和“參考”端儀表放大器的獨特之處還在于帶有“檢

測”端和“參考”端，允許遠距離檢測輸出電壓而內部電阻壓降和地線壓降(IR)的影響可

減至最小。為了有效地工作，要求儀表放大器不僅能放大微伏級信號，而且還能抑制其輸

入端的共模信號。這就要求儀表放大器具有很大的共模抑制(CMR)：典型的CMR值為70?

100dB?當增益提高時，CMR通常還能獲得改善。

井下壓力、流速數據采集系統(tǒng)

圖3-1信號電路板原理圖

Fig.3-1Signalcircuitwaferschematicdiagram

12

4主機板電路設計

其中包含單片機89c51(U1)、擴展外部數據存儲器6264(U2)、工作狀態(tài)指示單元、

復位電路及晶振等。為了降低功耗，晶振的頻率選的很低，為了通信波的計算，晶振頻率

選為3.686411MHz。片外數據存儲器6264為8KB的隨機存儲器，用于存放采集的數據。

4.1地址鎖存器74LS373

由于MCS-51的P0口是分時復用的地址/數據線，因此必須利用地址鎖

存器將地址信號從地址/數據總線中分離出來，得到低8位A。?Ai地址。這種

鎖存器也可作為數據鎖存器，鎖存輸出的數據。

常用的地址鎖存器，有帶三態(tài)緩沖輸出的8D鎖存器74LS373,而是鎖存

器三態(tài)門輸出使能端。瓦=0時，鎖存器輸出；無=1時一，輸出呈高祖態(tài)。GSTB

和CLK是選通脈沖輸入端，選通脈沖有效時，數據輸入D。?D,被鎖存；CLR為

清零端，CLR=0時，鎖存器被清零。

單片機8051的P0口是分時復用的地址/數據總線，當從外部存儲器讀出

或寫入數據或指令時一，P0口先送地址，然后再從存儲器中讀入或寫出。為解

決這一矛盾，就需要一地址鎖存器將P0口送出的地址鎖存，以解放P0口來

完成數據的傳送。我們選用三態(tài)緩沖輸出的八位鎖存器74LS373o

382

4a5

7s6

s

8a9

13s12

14s15

17s16

1819

1

小s8

圖4-174LS373鎖存器的引腳圖

Fig.4-174LS373Pinchart

Do?D7為地址輸入端，與單片機的P0口的八位相連。輸入的是地址低

八位。Qo?Q7為數據輸出端，與27128的A。?A;相連，當三態(tài)門的使能信

號為低電平時一，地址鎖存器處于導通狀態(tài)，允許Qo?Q7輸出，當為高電平時，

輸出三態(tài)門斷開。輸出線懸空，G位數據打入線，與單片機ALE信號相連，

當74LS373用作地址鎖存時，首先應使三態(tài)門的使能信號為低電平，這時，

井下壓力、流速數據采集系統(tǒng)

當輸入為高電平時，鎖存器輸出（Qo?Q7）狀態(tài)和輸入端（Do?D7）狀態(tài)相同，當

Gi端從高電平返回低電平時，輸入端的數據鎖入Qo?Q8的八位鎖存器中。在

本設計中，單片機AT89C51通過74LS373地址鎖存器與外部程序存儲器6264

連接起來。

4.26264

6264是8K*8位靜態(tài)隨機存儲器芯片，采用CMOS工藝制造，單一+5V供電，額定功耗

200mW,典型存取時間200ns,28線雙列直插式封裝。其引腳功能說明如下：

1?)28

NC——-----Vcc

A12——227WE

A7——326——CS

A6——425—A8

A5——524——A9

A4——623——A11

A3——722OE

A2——821——A10

A1——920CE

A0——1019——07

00——1118——06

O1——1217——05

02——1316——04

GND——1415——03

6264

圖4-26264的引腳圖

Fig.4-26264pinchart

A0?A12：地址輸入線

D0-D7：雙向三態(tài)數據線，有時用D0?D7表示

0E：片選信號輸入端，低電平有效

0E：讀選通信號輸入線，低電平有效

W：寫選通信號輸入線，低電平有效

Vcc：工作電源輸入引腳，+5V

NC：為空引腳

CS：第二選片信號引腳，高電平有效

GND：線路地

14

4.3AT89C51

AT89C51是ACTMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含4kbytes

的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128bytes的隨機存取數據存儲器(RAM),器件

采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內

置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元，功能強大AT89c51單片機可為您提供

許多高性價比的應用場合，可靈活應用與各種控制領域。

1)主要性能參數

PDIP

P1,OC]vce

P1.1CJPPOtADO)

P12LJP0.1CAD13

P1.3.CZJPON80刃

P1.4CJP0.3(AD3)

P1.5.C3P0.4CAD4)

P1.6-C

P1.7C

RSTC□P0.7供￡37)

(RXD)P3,OCJEWPP

E6)W.iC

jNW)P32CJPSENI

而i)P3JL3P27(A15>

4叫P3.4C]P2?iA14>

(T1)P3.6.LJP25(A13>

(WR)P3.6-Q3P2.4(A12>

(RDJP37CJP23(A11>

XTAJL>C

mmJP2.1€A8)

GMt>C]P2.0{A8)

圖4-3AT89c51引腳圖

Figure4-3AT89C51pinchart

(1)與MCS-51產品指令系統(tǒng)完全兼容

(2)4k字節(jié)可重復擦寫Flash閃速存儲器

(3)1000次擦寫周期

(4)三級加密程序存儲器

(5)128*8字節(jié)內部RAM

(6)32個字節(jié)內部RAM

(7)2個16位定時/計數器

(8)6個中斷源

(9)可編程串行UART通道

(10)低功耗空閑和掉電模式

井下壓力、流速數據采集系統(tǒng)

04-4AT89C51方框圖

Fig.4-4AT89C51Blockdiagram

2）功能特性概述：

AT89C51提供以下標準功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內部RAM,32個

I/O線，兩個16位定時/計數器，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時

AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停

止CPU的工作，但允許RAM,定時/計數器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式

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保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個硬件復位。

3)引腳功能說明：

(l)Vcc：電源電壓

(2)GND：地

(3)P0P0口一組8位漏極開路型I/O,也即地址/數據總線復用口。作為輸出口用

時:每位能吸收電流的方式8個TTL邏輯門電路，對端口“1”可作為高阻抗輸入端用。

在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址(低8位)和數據總

線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。

在Flash編程時：P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時.，要

求外接上拉電阻。

(4)P1U：Pl是一個帶內部上拉電阻的雙向I/O口,P1的輸出緩沖級可驅動(吸收或輸

出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此

時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會

輸出一個電流。

Flash編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址。

(4)P2：P2I」是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動(吸收

或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平,

此時可作輸入口，作輸入使用時.，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會

輸出一個電流。

在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數據存儲器(例如執(zhí)行MOVX@R1指令)

時。P2亦接收高位地址和其它信號。

(5)P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向I/OOoP3輸出緩沖級可驅動(吸

收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并作

為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流

P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示

P3口還接受一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。

(6)RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個周期以上高電平使單片機復

位。

⑺ALEPROG：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE(地址鎖存允許)輸出

井下壓力、流速數據采集系統(tǒng)

表4-1P3口第二功能

Table4-1TheP3mouthsecondfunction

端口引腳第二功能

P3.0RXD（串行輸入口）

P3.1TXD（串行輸出口）

P3?2/NT0（外中斷0）

P3.3WT1（外中斷1）

P3.4T0（定時/計數器0）

P3.5T1（定時/計數器1）

P3.6T2（外部數據存儲器讀選通）

P3.7T3（外部數據存儲器讀選通）

脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6

輸出固定的正脈沖信號，因此它對外輸出時鐘或用于定時目的，要注意的是：每當訪問外

部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。

對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸出編程脈沖（而而），如有必要，可通過

對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，

只有一條MOVX和MOVC指令才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外

部程序時，應設置ALE無效。

（8）PSEN程序存儲允許（PSEN）：輸出是外部程序存儲器的讀選信號，當AT89C51

由外部存儲器取指令（或數據）時每個機器周期兩次直前有效，即輸出兩個脈沖。在此

期間，當訪問外部數據存儲器，這兩次有效的西前信號不出現。

⑼EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為

0000H—FFFFH）,EA端必須保持低電平（接地）。需要的是：如果加密LB1被編程，復位

時內部會鎖定EA端狀態(tài)。

如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內部會鎖定EA端狀態(tài)。

Flash存儲編程，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp,當然這必須是使用12V編程

允許電源Vpp,當然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。

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(lO)XTTALl：振蕩器反相放大器的及內部時鐘發(fā)生器的輸入端

(1DXTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端

時鐘振蕩器：

AT89C51中有一個用于構成內部振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2

分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋原件的片外石英晶體或陶瓷諧

振器一起構成自激振蕩器，振蕩電路參見圖

XIM3

xtvn

CMD

圖4-5振蕩電路

Fig.4-5Oscillatingcircuit

(12)空閑節(jié)電模式

AT89C51有兩種可用軟件編程的省電模式，它們是空閑模式和掉電模式。這兩種方式是控

制專用寄存器PCON(即電源控制寄存器)中的PD(PCON.1)和IDL(PCON.O)位來實現

的。PD=1時，激活掉電工作模式，單片機進入掉電工作模式。IDL是空閑等待方式，當

IDL=1,激活空閑工作模式，單片機進入睡眠狀態(tài)。如需同時進入兩種工作模式，即PD

和IDL同時為1.則先激活掉電模式。

在空閑工作模式狀態(tài)，CPU保持睡眠狀態(tài)而片內的外設仍保持激活狀態(tài)，這種方式由

井下壓力、流速數據采集系統(tǒng)

\'

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nIq

aS83Sass-

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&&&&&&&&

CON

W

W

?5EON

W

TON

W

TON

界

圖4-6主機板電路原理圖

Fig.4-6Motherboardelectriccircuitschematicdiagram

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軟件產生。此外，片內RAM和所有特殊功能寄存器的內容不變?？臻e模式可由任何

允許的中斷請求或硬件復位終止。

終止空閑工作模式的方法由兩種。其一是任何一條被允許中斷的事件被激活，IDL

（PCON.O）被硬件清除，即刻終止空閑工作模式。程序會首先響應中斷，進入中斷，執(zhí)行

完中斷服務程序并緊隨RET1（中斷返回）指令后，下一條要執(zhí)行指令就是是單片機進入空閑

模式那條指令后面的指令。

其二是通過硬件復位也可將空閑工作模式終止。需要注意的是。當由硬件復位來終止

空閑工作模式時，CPU通常是從激活空閑模式那條指令的下一條指令開始繼續(xù)執(zhí)行程序

的，要完成內部復位操作。硬件復位脈沖要保持兩個機器周期（24個時鐘周期）有效。在

這種情況下，內部禁止CPU訪問片內RAM,而允許訪問其他端口。為了避免可能對端口

產生以外寫入，激活空閑模式的那條指令不應是一條對端口或外部存儲器的寫入指令。

（13）掉電模式:

在掉電模式下，振蕩器停止工作，進入掉電模式的指令，片內RAM和特殊功能寄存

器的內容在終止掉電模式前被凍結。退出掉電模式的唯一方法是硬件復位，復位后重新定

義全部特殊寄存器但不改變RAM中的內容，在Vcc恢復到正常工作電平前，復位應無效,

且必須保持以一定時間以使振蕩器重新啟動并穩(wěn)定工作。

表4-2空閑和掉電模式外部引腳狀態(tài)

Table4-2Freetimeandpowerfailurepatternexteriorpincondition

模式程序存處器ALEP0P1P2P3

PSEN

空閑模式內部11數據數據數據數據

空閑模式外部11浮空數據地址數據

掉電模式內部00數據數據數據數據

掉電模式外部00浮空數據數據數據

井下壓力、流速數據采集系統(tǒng)

5通信電路板設計

通信接口板電路的原理圖如圖所示。當系統(tǒng)從井下采集完數據回到地面或進行標定實

驗時，該板用插座wr與主機板上的wi連接。

通信接口板電路的用途有二：其一是系統(tǒng)與主機通信時，利用U6(MAX232)進行接

口電平的轉換；其二是按鈕S2與單片機的外部中斷0(而力)相接，既用做工作/標定選

擇開關，也作為通信中斷申請開關。

當系統(tǒng)進行標定時一，按下按鈕S2,接通系統(tǒng)電源，系統(tǒng)將開始運行標定程序；若不壓

下按鈕S2接通電源，系統(tǒng)將開始運行工作程序。

在系統(tǒng)采集完標定數據或井下數據與PC機通信時，此時系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。按下按

鈕S2喚醒單片機，從而開始數據傳送工作。

5.1MAX232

由于AT89c51,輸出為0?5V的TTL電平，而OEM板，配置的是RS—232c標準串

行接口，二者的電氣規(guī)范不…致，不能直接進行通訊。為使TTL電平與RS-232標準協(xié)調，

過去常使用MC1488和MC1489轉換器來進行電平轉換，需要+5V與+12三組電源。這

無疑原來只使用+5電源的TTL系統(tǒng)復雜化，成本大大提高，同時也不利于系統(tǒng)集成。為

此我們借助一種新型的雙路發(fā)送，接收集成電路MAX232,在不另加正負12V電源的情況

下，實現了微機與OEM板的串行通訊，做到了元件的充分利用。其中TTL/CMOS電平

0V?5RS—232電平―10V?+10VMAX232為低功耗芯片，反要求單一電源供電，片內具

有兩套電壓提升器構成的4倍電壓變換器，能產生+10V?-10V電壓。利用MAX232實

現微機與OEM板通信的硬件連接非常方便。MAX232引腳如圖所示，內部框圖如圖所示

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