基于单片机的钻井多参数仪表的研究

摘要

为了准确的了解钻井过程中的情况，需要测量仪表不断地对钻井过程中的各个参数进行检测和判断分析，以便做出决策，安全高效的完成钻井任务。 以ATMEL公司的AT89C52单片机为核心，采用模块化设计思路，通过扩展外围信号调理、采集模块，数据存储模块，键盘、显示模块，串口通讯模块以及软件模块等，研制了一套钻井仪表测试系统，主要实现钻井参数模拟量、数字量的采集测量和数据转换，测量结果的自动处理，以及参数的输出显示和存储传输等功能。 各种传感器将钻井参数转换成电流、电压或数字脉冲信号，经信号调理后都由模拟开关控制选择通道，逐路地输入模数转换器或者计数器。电压、电流等模拟信号通过信号调理电路，统一转换成模数转换器要求的标准-5～+5V范围内的电压信号。软件部分设计了零漂校准和数字滤波处理程序，有效地去除了随机干扰和传感器不稳定引起的失真。 脉冲信号通过信号调理，输入计数器进行计数。其中，转盘转速、泵冲次等传感器输出的强度较弱的脉冲信号，经过放大电路转换成符合单片机采样的频率信号，再经滤波进入计数器。针对大钩高度和速度测量中旋转编码器随钻机抖动造成的测量误差，设计了硬件去抖动电路，有效防止了脉冲的误计数；软件上采用等精度测量法(同步计时计数法)，测量过程中计数和计时同步开始，达到较高的测量精度。 对测量所得的参数结果进行自动处理，剔除异常点，消除趋势项，减小了现场干扰产生的误差。此外，还采用了看门狗芯片X5045，使仪表具有掉电保护功能，设计了异常情况报警电路。采用RS-232C串行标准接口，能够与上位机进行通讯，完成数据的传送。推导出主要参数的检测公式和传感器标度变换公式。设计了软件程序，实验证明基本达到钻井仪表的功能，具有较高的精度。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章前言

1.1课题研究的意义

1.2钻井仪表的发展及研究现状

1.2.1钻井仪表的概念

1.2.2钻井仪表的发展历史

1.2.3钻井仪表的研究现状

1.3主要研究内容及技术路线

1.3.1主要研究内容

1.3.2研究方法

第2章钻井工况原理分析及系统总体设计

2.1钻井参数分析

2.2钻井工况对仪表功能的要求与设计目标

2.3系统总体设计

第3章系统硬件电路设计

3.1处理器选择

3.2单片机外围电路的设计

3.2.1电源设计

3.2.2复位电路设计

3.2.3时钟振荡电路设计

3.2.4 X5045芯片

3.3存储电路模块设计

3.4信号调理模块设计

3.4.1模拟电压信号处理电路

3.4.2模拟电流信号处理电路

3.4.3脉冲信号处理电路

3.5数据采集电路模块设计

3.5.1模数转换芯片AD1674

3.5.2模拟开关

3.6键盘、显示电路模块设计

3.6.1 8279芯片简介

3.6.2 PORT口设计

3.6.3键盘/显示器的接口设计

3.7数据通讯传输模块设计

3.7.1 AT89C52串行接口

3.7.2串口通讯电路设计

3.8报警电路设计

3.9硬件抗干扰设计

第4章系统软件设计

4.1概述

4.2主控程序设计

4.3键盘、显示子程序设计

4.4模拟电压信号采集、数据处理子程序设计

4.4.1仪表ADC校准程序

4.4.2模拟电压采集子程序

4.4.3模拟电压处理子程序

4.4.4模拟电压数据显示、存储子程序

4.5脉冲信号采集、数据处理子程序设计

4.5.1脉冲测量的方法

4.5.2脉冲信号采集、处理子程序

4.5.3脉冲信号数据存储、显示子程序

4.6串口通讯子程序设计

4.7测量信号的自动处理软件设计

4.8其他程序

4.8.1 报警程序

4.8.2其他子程序

第5章系统总成调试和实验

5.1钻井参数检测计算公式和传感器标度变换

5.2系统总成调试

5.3实验

第6章结论

参考文献

附录

致谢

个人简历、在学期间研究成果