石油储罐参数自动测量系统设计

题 目 石油储罐参数自动测量系统的设计 学生姓名 贾晓莉 学号 1213014136 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 电子 1205 班 指导教师 王文洋 完成地点 物理与电信工程学院实验室 年 月 日陕西理工学院毕业设计毕 业 论 文 设 计 任 务 书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 电子 1205 班 学生姓名 贾晓莉 一、毕业论文设计题目 石油储罐参数自动测量系统的设计 二、毕业论文设计工作自 2015 年 1 月 10 日 起至 2015 年 6 月 15 日止三、毕业论文设计进行地点: 陕西理工学院 四、毕业论文设计的内容要求：全国已建成正在使用的大、中型油罐数量是很多的,预计在三、四万以上。这些油罐大多没有监测仪表,全靠人工检测。随着能源管理、质量管理、计量管理科学化程度的提高,需要解决自动监测和自动计量问题，采用自动监测计量系统,将大大提高油罐管理的现代化水平,避免发生冒罐、跑油等事故的发生,同时还可减轻劳动强度,提高社会效益。 要求：利用传感器技术，设计一种基于单片机的石油储罐参数自动测量系统，对油罐中油的温度数据的采集，通过无线传感器网络传输并实时显示，具备采集数据超限报警功能。在仿真电路基础上制作硬件，完成样机的调试。撰写毕业设计论文。（应包括方案设计、比较与论证、分析与计算、电路图与相关设计文件以及心得体会等）。 五、毕业论文设计收集资料及参考文献：收集传感与检测、单片机编程与控制等方面的专业资料，阅读和学习下列参考文献： 1 童诗白,华成英.模拟电子技术基础（第四版）M.北京:高等教育出版社,2006.2 李建忠.单片机原理及应用技术 M.西安电子科技大学出版社,2013. 3 谭浩强.C 程序设计 M.北京:清华大学出版社,1999. 4 丁艳萍、张 阳. 多参数油罐自动计量系统.J.仪表技术与传感器 . 1999 5 唐胜武，李冰冰，王旭.多通道压力传感器多参数自动测试系统设计.J. 传感器与微系统.2014 六、毕业论文设计进度安排： 1 月 10 日3 月 20 日：查阅资料，完成外文翻译和开题报告。 3 月 21 日4 月 20 日：完成系统硬件电路的设计并提交中期检查报告。 4 月 21 日5 月 20 日：完成整体设计并调试，准备作品验收。 5 月 21 日6 月 15 日：撰写、修改毕业设计论文，准备并完成答辩。 指 导 教 师 签名 系(教研室) 主任签名 专 业 负 责 人 签 名 批 准 日 期 陕西理工学院毕业设计石油储罐参数自动测量系统的设计贾晓莉（陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息工程专业1205班，陕西 汉中 723000）指导老师：王文洋摘要 设计基于单片机的石油储罐参数自动测量系统以 AT89C51 芯片为核心的，采用 AT89C51 单片机进行控制及数据处理，进行温度的采集、发射和接收，采用 nRF24L01 无线模块对温度进行短距离传输。采用温度传感器 DS18B20 测量液体温度，使用 LCD 实时显示温度，并实现超限报警功能。 关键词AT89C51；nRF24L01；DS18B20 Design of automatic measurement system ofthe oil tank parametersJia XiaoLi（Class 1205,Major Electronics and Information Engineering，College of Physics and Telecom Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，Shaanxi）Tutor: Wang WenyangAbstract:The microcontroller design based on oil parameter measurement system based on AT89C51 chip as the core, using AT89C51 microcontroller for control and data handing, the temperature of the collection, transmission and reception ,using nRF24L01 wireless module for temperature short-distance transmission. Using a temperature sensor DS18B20 measure the temperature of liquid, using the LCD display real-time temperature, and to achieve limit alarm function.Key words: AT89C51；nRF24L01；DS18B20陕西理工学院毕业设计目录1.绪论 .11.1 研究背景与发展现状 .11.2 研究的主要内容 .22. 方案选择及论证 .32.1 总体方案论述 .32.2 方案一的论述 .32.3 方案二的论述 .42.4 方案的选择 .53.系统软件设计 .63.1 系统程序流程分析 .63.2 温度采集及处理程序流程图 .93.3 LCD 显示程序流程图 .103.4 温度超限报警程序流程图 .133.5 无线发射模块流程图 .143.6 无线接收模块程序流程图 .144.硬件电路设计 .164.1 控制模块 .164.2 温度采集模块 .164.3 LCD 显示模块 .174.4 超限报警模块 .184.5 无线收发模块 .184.6 实现结果 .205. 总结 .245.1 问题与处理 .245.2 展望 .25致谢 .26参考文献 .27附录 .28陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 48 页1.绪论1.1 研究背景及发展现状近年来随着网络技术、计算机技术、传感器技术的不断发展，大量自动化仪表及系统应用到油库中。随着石油化工行业的不断发展和进步，油库对安全监控方面的要求也越来越高。但是管理相对复杂、监控方式落后、自动水平低等问题依旧存在于油库的监测与管理当中 1。石油作为一种重要的不可再生能源，在我国能源开发、交通运输国防事业等各行业和普通百姓的生活中都显现出非常重要的地位和作用。并且全国范围内已建成并正在使用的大、中型油罐数量是非常多的，而且还有大部分大、中型油罐正在建造中，所以事故发生的可能性也大大提高了，因此我们必须非常重视石油储存的安全性，随着民用油和工业用油量的不断增加，油库储罐过程中管理方面的工作量是非常巨大的，石油储罐过程是非常危险的，当测量或者操作出现误差的时候，就会发生火灾或者爆炸事故，储存过程中不安全事故的发生不仅会使生产受到阻碍带来巨大的经济损失，而且会威胁到工作人员以及周边居民的人身安全和财产安全，给环境带来的污染也是不可估量的。石油生产过程连续性强，不仅高温高压，而且伴随着有毒有害物质，并且易燃易爆，而且正在使用的大中型油罐数量是非常多的，因此安全防护和安全生产是非常重要的，如果要做到安全防护和安全生产，那么设备的优化（包括测量仪表、信号系统、自动控制装置、远程设备等）和科学的管理方法是不容忽视的，并且在生产过程中不仅要提高油罐的质量，也要提高职工的安全素质和安全管理意识 2。自从上个世纪年代开始，随着计算机技术、微电子技术和传感器技术的持续快速发展，各种新型的石油储罐自动测量技术不断出现。美国石油学会储罐计量分会曾经对石油储罐自动测量系统的生产厂家作的调查，各种石油储罐自动测量技术的应用，已经覆盖了立式拱顶罐、内（外）浮顶罐、密封球形罐和卧式圆柱形罐，各种新技术、新方法、新仪表已经渗入到储耀计量领域，可以说，储鍵自动计量已进入了“多功能、高精度”的新阶段 3。油罐的自动测量系统的主要目的是让管理者可以实时准确的观察到油罐内各参数的变化，油罐自动测量系统中各参数的实时监测是油库管理中的重要组成部分，只有实时的测量出油罐内各参数的变化并及时的对其进行控制，才能确保油罐储存过程的安全，油罐内各参数的自动测量系统是信号处理技术、计算机技术和现代电子技术的结合。但是因为油罐储存过程中的易燃易爆性，所以要尽量避免元器件的直接接触，因此监测比较困难。我国油罐参数自动测量系统起步较晚，在油库的安全测量中，大部分依然使用传统的人工测量方法，但是传统的人工测量不仅效率低而且经常因为人为的失误导致不安全事故的发生，并且人工测量浪费大量的人力和物力，自动化水平低，管理手段落后，并且在油罐自动测量系统的设计中的大部分设计方案来自于发达国家的油罐参数测量技术的设计，但是实际使用中的总体自动化水平还是比较落后，依然和发达国家有一定的距离。实现高精度的油罐参数自动测量系统不仅需要适用于油罐环境的仪表仪器电子设备，还需要正确、高效、准确的测量方法。检测中不仅要及时做到多种测量参数的综合计算，还要做到误差的准确分析，及时度各参数实时监测和控制，如果要摆脱这种工业自动化水平落后局面，那么我们不仅要提高油罐储存生产中设备的自动化水平还要进行日常管理工作的规范化，利用先进的计算机技术、工业控制技术、数据库技术及通信技术，对我国油库生产、管理的现状进行了有效的改善 4。油罐参数自动测量系统是一个综合化监测系统，是各个小系统的集合，包括业务生产管理系统、中央数据处理系统、信息管理系统、安全检测系统。科技的进步和发展使信息技术趋于多功能集成化，这种集成化可以使自动控制、信号陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 48 页视频采集、信息化分析处理、阀值开关及相应的报警、智能化系统有机的结合起来。因此一种可以加强油库安全管理、减少事故发生的高效率的安全监控方法将成为发展趋势，油库自动测量系统的研制开发，标志着我国在油库的生产和管理方面已全面与世界接轨，必将在油库的现代化建设和改造方面提供科学理论依据和实践经验。简而言之，我国当前虽然已发明出一定种类的石油储罐自动测量控制系统，但多数规模小，应用局限大，仅仅适用于实验和理论的探索研究，开发出的产品成本高昂，价格昂贵，根本无法推广普及，因此高精度、高稳定性、高效率、低成本的油库自动检测系统的研制和应用是符合当前时代发展趋势的。 1.2 研究主要内容全国已建成正在使用的大、中型油罐数量是很多的,预计在三、四万以上。这些油罐大多没有监测仪表,全靠人工检测。随着能源管理、质量管理、计量管理科学化程度的提高,需要解决自动监测和自动测量的问题。随着科学技术的不断进步，采用自动监测计量系统,将大大提高油罐管理的现代化水平,避免发生冒罐、跑油、火灾、爆炸等不安全等事故的发生,同时还可减轻劳动强度,提高社会效益，创造更大的效益。石油资源虽然是我国经济发展的重要不可再生资源、但是石油温度的变化不易控制不易测量，储存过程中不安全事故的发生不仅会使生产受到阻碍带来巨大的经济损失，而且会威胁到工作人员以及周边居民的人身安全和财产安全，给环境带来的污染也是不可估量的。采用传统的人工测量不仅效率低而且经常因为人为的失误导致不安全事故的发生，并且人工测量浪费大量的人力物力。因此设计一种无线可靠的传输方式是非常必要的。利用单片机 AT89C51 作为核心控制器件，利用传感器技术，设计一种基于单片机的石油储罐参数自动测量系统，对油罐中油的温度数据进行采集，并通过无线传感器网络传输并实时显示，具备采集数据超限报警功能，实现石油储罐参数的自动化测量。陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 48 页2.方案选择及论证2.1 总体方案论述石油储罐参数自动测量系统利用单片机 AT89C51 作为信息处理器和核心控制器，AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C51 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，AT89C51 是它的一种精简版本。AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 5。系统由信息采集模块、数据处理与控制模块、无线传输模块、显示模块、报警模块组成。系统设计采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。石油储罐参数自动测量系统硬件电路的设计主要包括信息采集模块，信号处理与控制及显示模块、无线数据传输模块、报警模块五部分。系统采用温度传感器对所需的数据进行采集并将采集到的数据经过处理传递给单片机，单片机将得到的信息进行处理，然后将处理后的数据经过无线传输模块进行无线传输，接收模块的接收端接收到数据后经过单片机再次处理，并判断无线接收到的数据是否在预设极限值数据范围内，如果数据在预设极限值范围内，则不启动报警装置并将结果实时显示出来，如果数据超出所要求范围，则启动报警装置并将结果实时显示出来。总体的系统设计框图如图 2.1 所示。图 2.1 系统总体设计框图报警模块信息采集模块数据处理与控制模块无线数据传输模块无线数据传输模块数据处理与控制模块显示模块陕西理工学院毕业设计第 4 页 共 48 页2.2 方案一的论述2.2.1 方案一硬件电路设计框图系统由控制模块、数据采集模块、显示模块、无线数据传输模块、报警模块五部分组成。方案一的硬件设计框图如图 2.2 所示。2.2.2 方案一的设计方法设计系统以单片机 AT89C51 作为信息处理器和核心控制器，采用 AT89C51 单片机进行数据处理及分析，系统使用数字温度传感器（DS18B20）进行数据采集，之后将采集到的信号送入单片机中进行数据处理分析，并将分析处理后的信号进行无线传输，无线接收后再由单片机进行处理分析，根据处理结果发送不同的指令进行输出驱动以及报警信号。使用温度传感器（DS18B20 ）进行数据采集，数字温度传感器 DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，测温范围为 -55125，最大分辨率可达 0.0625。DS18B20 可以直接读出被测温度值，而且采用了的是单线与单片机连接，简化了外部电路，成本低并且方便使用 6。将采集到的信号送入单片机中进行处理，然后通过 nRF24L01 进行无线数据传输，之后再次经过 AT89C51 对数字信号进行处理，其中极限温度由程序设定为固定值。将所得信号与设定的极限值相比较，当温度高于设定的极限值时，单片机发出指令，信号指示灯与蜂鸣器发出警报，否则蜂鸣器则不报警。图 2.2 方案一硬件电路设计框图2.2.3 方案一的优缺点方案一的设计制造成本低、安装方便，而数据的无线传送应用 Nordic 公司的高速无线单片无线射频芯片 nRF24L01 通 GFSK 调制可以最高达 1Mbit/s 的速度快速发送信号，传输温度传感器单片机AT89C51无线数据发射nRF24L01无线数据接收nRF24L01单片机AT89C51蜂鸣器显示模块复位与晶振电路陕西理工学院毕业设计第 5 页 共 48 页速率快，抗干扰能力强，并且满足设计的基本要求。缺点是无线传输的距离短。2.3 方案二论述2.3.1 方案二硬件设计框图系统由控制模块、数据采集模块、GSM 模块、报警模块组成。方案二的硬件设计框图如图 2.3 所示。2.3.2 方案二的设计方法设计系统核心部件为 AT89C51，采用 AT89C51 单片机进行控制及数据处理，使用温度传感器（DS18B20 ）进行温度数据的采集，之后将采集到的信号送入单片机中进行处理，并将处理后的数据通过 GSM 模块无线传输到控制中心，控制中心根据温度的不同发送不同的指令控制报警模块。 使用温度传感器（DS18B20 ）进行数据采集，再由 AT89C51 对数字信号进行处理，采用 GSM 模块进行数据无线传输到控制中心，在 GSM 通信中，端消息业务 SMS 是唯一不需建立端到端通道，就是在移动设备处于点与点通信的同时依然可以实现短消息的传输。短消息通信是异步进行的，只能传送一句话。作为 GSM 系统，每条短消息都是作为单独的个体来进行处理的，短消息的传送只有经过短消息服务中心才可以进行周转的。利用已建成的 GSM 网络传输数据，并且控制中心接收无线传输到的信号，当数据超过单片机预设的极限值的时候，控制中心发出指令，信号指示灯与蜂鸣器发出警报。图 2.3 方案二硬件设计框图2.3.3 方案二的优缺点方案二具功能丰富、抗干扰能力高的优点。缺点是 GSM 系统复杂，对于要实现精确液温度控制的实现比较困难以及集成度高不易维修，并且设备价格昂贵。2.4 方案的选择通过对方案一和方案二优缺点的比较，基于对系统稳定性以及系统成本的考虑，方案一比方案二更加适合。温度传感