毕业设计论文：大庆石油学院本科生

摘 要本设计介绍了地面驱动螺杆泵的常规控制系统装置的设计和螺杆泵的日常采样测试装置的设计。螺杆泵因为它的工作稳定，效率高，维护费用低以及适合稠油开采和含砂开采，从而越来越广泛的应用到油田上。但是，还缺少一套数据采集设备，缺少一个提供工作参数的设备。本设计就是为了适应这个情况，研制的一种简便实用的螺杆泵油井控制及检测装置。设计分为三个部分：控制部分、检测部分和控制箱部分。控制部分能实现过载、欠压保护，能实现瞬起瞬停以及电网断电后能在规定的时间内延时启动。控制部分设计两个档位：人工手动测档和自动档。检测部分能够利用单片机对工作电机参数采样，并且能处理数据，存储数据。存储的时间为7天。有一个与计算机通讯的串口输出数据和一个显示器接口连接显示器。控制柜设计是根据所选的各种芯片和电器元件的尺寸进行设计的，力求紧凑、布置合理。此外，也设计了一套于此相对应的电气接线电路，可以很明了的显示所有的实际接线，便于维修和检测。关键词： 地面驱动螺杆泵； 控制； 检测； 数据检测 Abstract The design shows us the normal control system facility of Progressing Cavity Pump and its sampling inspection system for usual management of well. Because of the advantages, working more consistently, higher efficiency, lower expense of maintenance and more property to pump in the high-density well and sand-well, Progressing Cavity Pump is now applied in the oil field more and more extensively. But there is no sampling-device and facility to offer parameters of normal working. In order to solve this problem, this design will show you a simple and useful facility to control and sample for the Progressing Cavity Pump applied well. There are three parts in this design: control, inspection and control box design. For the control part, it can protect the device when overload and lack load. At the same time, it has the function to stop and start electrical machinery immediately. What is more, it can start automatically without worker in predetermined and scheduled time when the electricity takes in after a period of failure of the oil field electric system. It contains two selections manual-choice and auto-choice. For the second part, it can employ the computer to sample and inspect, then store the data from the facility. Time of storing should be 7 days and integrated. Honestly, it should have a parallel port to output data to computer and have the port to display the data in scheduled display.Control box is designed according to the sizes of the chose components and cards with perfect disposal, proper pace, safe environment .At the same time, we designed a series of circuit to comply with the whole design that can show obviously joints of circuit disposal, with which the worker can maintain and repair conveniently.Key words: Progressing Cavity Pump；Control；Inspection；Data sampling目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪 论1第2章 地面驱动螺杆泵简介22.1 螺杆泵的组成以及工作原理22.2 地面驱动螺杆泵采油系统32.3 螺杆泵常见故障及其检测4第3章 螺杆泵的控制设计53.1 控制功能53.2 电器元件的选型63.3 控制原理7第4章 地面驱动螺杆泵测量装置设计104.1 测量装置功能104.2 设计思路104.3 芯片选择及各芯片性能124.4 测量装置的电源供给电路设计194.5 存储器芯片选择214.6 主要程序设计22第5章 电控柜的设计295.1 元件的位置设计295.2 元件的接线电路设计305.3 控制柜的外观设计32第6章 总 结33参考文献34致 谢35附 录37III大庆石油学院本科生毕业设计（论文）第1章 绪 论实践表明，每一项新技术都和传统技术有很大的差异，革命性的创新技术更是如此，要充分的发挥新技术的优势，同时要对新技术本身进行改进和完善，使之适应实际情况； 螺杆泵采油是人工举升工艺中的一项革命性的新技术，和常规游梁抽油机相比，没有四连杆机构和庞大的基座，所以耗电量大幅度下降；工作载荷平稳；效率高；日常维护工作量和费用很低；而且还适合稠油开采和含沙开采。 近几年来，随着地面驱动螺杆泵油井在油田上的使用量越来越多，螺杆泵油井的生产管理也趋于规范化，制度化，智能化。为了适应这一情况，研制一种简便实用的螺杆泵油井控制及其测量装置十分必要。所设计的装置能够测试、存储测量数据等。 本论文主要设计了有关螺杆泵的智能化控制系统、单片机采样有功功率测量系统以及这两个系统之间的关系；以及各个元件，芯片的布局和接线电路；还有部分接口电路的设计；控制系统主要包括两个档位：手动档 和自动档。控制电机的启动，停止；断电后自动启动；延时期间的瞬时启动；点动控制；同时还有相应的电机，电路保护装置。修正了现今螺杆泵控制的一些不合理的设计。对于单片机控制对工作电机的采样是一项应用到地面驱动螺杆泵采油油井上的新技术。此系统能自动、连续地对工作的电机功率、电压等参数进行采样并把采集的数据通过A/D转换置入采集通道，通过AT89C54控制采样并处理数据，结果存放存储器7天，由工作人员定期通过USB或者计算机外接端口把数据提取到实验室进行更详细的诊断，确定某个时期内井下螺杆泵的工作状况。同时，还要介绍各种芯片的选型、引角功能等。最后还要设计控制柜用来和这些系统相配套, 控制柜设计是根据所选的各种芯片和电器元件的尺寸进行设计的，紧凑安全布置合理。同时也设计了一套于此相对应的电气接线电路，可以很明了的表现所有的布置原理，便于维修和检测。 第2章 地面驱动螺杆泵简介螺杆泵（Progressing Cavity Pump）又叫渐进容积式泵，由定子和转子组成，两者的螺旋状过盈配合形成连续的密封的腔体，通过转子的旋转运动实现对介质的传输。由于它使用方便，效率高，噪音小，维护费用低占地面积小，适合稠油、含沙、含气油井开采，因此，近几年来，越来越多被油田上使用。2.1 螺杆泵的组成以及工作原理螺杆泵采油系统分为地面和井下两部分。地面部分包括：驱动头和控制柜。井下部分包括：井下泵、抽油杆、油管、配套工具等。井下单动螺杆由定子和转子组成，定子由钢制外套和橡胶衬套组成，转子由合金钢的棒料经过精车、镀烙并抛光加工而成。 螺杆泵在工作的时候，沿着泵体在定子衬套双螺旋面与转子单螺旋面间形成许多个密封的腔室，随着转子的转动，密封腔由吸入端沿轴向端朝排出端推移，直至消失。随着密封腔的不断形成、推移和消失，介质在吸入端与排出端之间的压差作用下被吸入，并被推挤到排出端，压力不断升高，流量均匀，在推移的过程中，实现机械能与液体动能的相互转化。由于它使用方便，效率高，噪音小，维护费用低占地面积小，适合稠油、含沙、含气油井开采，因此，近几年来，越来越多被油田上使用。 螺杆泵与其他采油方式相比，具有以下优点： 1）一次性投资较少。与电动潜油泵、水力活塞泵和油粱式（链条式）抽油机相比，螺杆泵的结构简单，一次性投资最低。 2) 泵效率高，节能效果好，维护费用低。由于螺杆泵工作时候负载稳定，机械损失小，泵效可达90%，实现有机械采油设备中能耗最小、效率最高的几种之一。 3）占地面积小。螺杆泵的地面装置简单，安装方便。 4）适合稠油开采。一般来说，螺杆泵适合于粘度系数为8000mPa.s以下的原油开采。 5）适应高含气井。螺杆泵不会发生气锁，但游离气体对螺杆泵的容积效率有影响。 6）适合高含沙井。7）适合于海上油田丛式井组合水平井。螺杆泵可下在斜直井段，设备占用面积小。2.2 地面驱动螺杆泵采油系统2.2.1分类按不同驱动形式螺杆泵采油系统可分为地面驱动和井下驱动。根据传动形式的不同，地面驱动螺杆泵还可分为皮带传动和直接传动两种类型。皮带传动螺杆泵采油系统电动机（柴油机或液压马达），皮带传动轮，减速器均置于地面采油井口装置上面。直接传动是将电动机轴立起来，通过行星减速器与抽油杆光杆直接相连。2.2.2组成地面驱动螺杆泵采油系统由以下几部分组成：1 地面驱动部分2 井下泵部分3 电控部分4 配套工具5 其它井下管柱2.2.3电控柜功能及组成地面驱动螺杆泵电控柜能够确保螺杆泵的正常运行。主要功能有：1. 控制电动机的启动，停止；2. 过载自动停机保护；3. 电流显示；实际运行工时显示等功能。4. 实际运行工时累计显示电控柜内主要电器元件：自动空气开关、电流互感器、交流接触器、时间继电器、中间继电器、电流继电器、电流表、计时表和熔断器等。2.3 螺杆泵常见故障及其检测螺杆泵常见故障有地面故障和井下故障。 地面故障包括：井口漏油、减速箱故障、电机故障和电控柜故障等。 井下故障包括：油管故障、油杆故障和井下泵故障等。相比之下井下故障则需要通过多项特征参数综合测试分析确定。因此，我们设计这一套数据采集系统，就是为了记录井下工作特征参数，并提供给工作人员带回实验室进行详细的诊断。 本毕业设计是通过对电机的工作情况检测，从而获得电机工作参数电压、电流等。不同的受力、负载会引起电机的参数产生变化。利用对电压的分析，可以判断出电机的负载工作状况。螺杆泵井有八种故障诊断方法:1 查、看、摸、听的方法。2 电流法：电流法就是根据电机工作电流的大小来诊断泵况，如电流增大，可能是蜡堵引起的，如电流接近空载电流，则可能是抽油杆断脱。3 憋压法：憋压法就是通过关闭采油树生产闸门进行憋压观测井口油压和套压变化进行诊断的方法。憋压法可判断出泵的举升能力、泵漏失、管漏失和杆断脱等。4 扭矩法：通过测光杆的扭矩来诊断泵况的方法，如杆断脱旧没有光杆扭矩或扭矩很小。5 反转发：停机后观察光杆是否有反弹力，如一点反弹力都没有或光杆还有一点正转的惯性，则杆断脱的可能性极大。6 光杆轴向力法7 反洗井法8 提高光杆转速法本毕业设计是通过对电机的工作情况检测，从而获得电机工作参数电压、电流等。不同的受力、负载会引起电机的参数产生变化。利用对电压的分析，可以判断出电机的负载工作状况。本系统采用的检测方法就是类似于电流法的一种功率诊断法，即对螺杆泵运行时的电压信号进行检测，根据一系列的处理工作将其转化为功率信号，通过对功率值变化的分析来判断螺杆泵的实际工作状况以及出现故障的原因。第3章 螺杆泵的控制设计目前油田上一般使用三相大功率电机，功率范围大约7.5kw-22kw之间。考虑到油田的采油作业大部分都在野外，所设计的控制装置应该于此相适应。3.1 控制功能现场的控制功能要求： 1) 所设计的控制装置能控制螺杆泵的启动，停止，点动操作。 2）采油电网断电后，再次供电能在无人的情况下自动延时启动。所需延长的时间可以根据工作需要自由修改。 3）自动档位的时候，能够在延时的时间段内人为瞬间启动。 4）对电机的控制电路能实现过载、欠载等保护功能。 5) 控制单片机对电机参数的采样。设置备用6V电源，用以正常的时候给电池充电,电网断电的时候能保持采样芯片的通电。 该电路有两个档位，一个为自动档，用于日常的运行。当发生故障，或者需要检修的时候选择手动档位进行控制。 由于油田上基本都是使用得专用的380V工业电网，不受外部其他电网的干扰，对于主电路来说，稳定的电压源是正常工作的前提，在电网的入户端，接上空气开关，进行短路保护.经过一系列的触点后，放置一个热继电器用来过载保护。最后，接入电动机。但是对于控制电路、照明电路以及采样电路来说，380V的电压是很不合理的。一般来说，控制电路采用的都是线圈，电阻以及开关等。所以用单相的火线和零线结合构成220V的供电电压源，对控制电路和照明电路进行供电，但同时由于考虑到对人的安全电压远低于220V，所以，控制电路也要采用灭弧装置，保证工作人员的人身安全 。而9V的采样充电电路必须采用一个交流-直流转换器HR-6把380V的工业电压转变成6V-12V的直流电源，对电池充电。该电池的作用是用来向单片机的采样电路供电的。当油田电网断电的时候，电池能持续的对采样电路进行供电，以保证数据的完整。具体的控制流程图如下： 螺杆泵电机继 电 器三相电源空气开关功率变送器控制电 路照明电路A/D转换器U S B等外 设存储器单 片 机显 示 器3.2 电器元件的选型 为了满足现场的具体要求，尽量使设计达到真实课题的标准，必须考虑各方面的原因与各种因素，依据国家行业标准和作业经验选型如下： 电 机： 采用Y225M-8型电机，额定功率为22kw,工业用电380伏三相电压,额定转速为740转/分，额定电流为47.6A，功率因数为0.78 效率可达90%。 交流接触器： 根据额定电机的额定电流，采用CJMI-45/63型交流接触器。控制系统采用一个交流接触器，三个主触点，三个常开触点，一个常闭触点。主触点连接到380V的主电路上，其余的辅助触点连接到220V的电路上。 时间继电器： JST 系列时间继电器 ，根据需要进行时间的设置。有自己的常开常闭触。空 气 开 关： 采用带有熔断器的空气开关，根据正常工作的额定电流，HR3-100型空气开关，熔断电流为100A。连接到主电路的开始端。 热 继 电器： 长期稳定工作的电动机按照 IN额定电流来选定，相配的整定电流大约为0.93-1.05倍或者中间值。使用时把整定电流调节至额定电流即可。 选用JRSM1-63型额定电流为63A。 交流、直流转换器： 为了给单片机的辅助电源-电池进行充电，特采用了交流、直流转换器，把220v的电压转换成6-12v的电压源对电池充电。所选型号为HR62交流电压变直流电压转换器。 3.3 控制原理原理的主电路应该由空气开关，交流接触器，热继电器还有电机。空气开关实现欠压，短路保护。热继电器实现过载保护。 图3.3.1 -主 控 制 电 路在启动电机时候，瞬间的电流会非常的大，采用Y225M-8型电机，额定功率为22kw,工业用电380伏三相电压,额定转速为740转/分，额定电流为47.6A，那末，启动电流会达到正常工作的6-7倍。不过实际现场表明，绝大部分的螺杆泵地面驱动都是直接启动。因为我们采用CJMI-45/63交流接触器、HR3-100型空气开关，熔断电流为100A以及选用JRSM1-63热继电器，足以保证瞬时启动的安全。 图3.3.2-控 制 电 路 图控制主要分两档进行。所设计原理图如图3.3.2所示。在操作人员在时，由操作人员手动控制，在操作人员不在时，将拨档开关拨到自动档，可以在无人控制下实现断电后再来电自动启动的功能。手动档：利用一个选择开关K实现点动和长动的联合控制。长动：当选择开关K闭合时，按下按钮SB1，此时交流接触器线圈KM通电，其长开触电闭合，电动机启动，螺杆泵正常运行，按下按钮SB2，电机停止运行。点动：当选择开关K断开时，按下按钮SB1即可实现点动控制。自动档：通过一个延时继电器实现断电之后来电延时自动启动。当断电之后来电,延时继电器线圈KT得电,其长开触电延时闭合,交流接触器线圈KM得电,相应的其长开触电闭合,实现自锁控制,延时时间可通过延时继电器调节,当不需要延时或延时出现故障时,可按下按钮SB3实现瞬间启动。 图3.3.3-指示灯电路通过将一个指示灯直接接到控制电路中，如图3.3.3，可以显示电源是否有电； 通过将一个指示灯与一个交流接触器的长开触电串联，可以显示电机是否通电。当电网有电，指示灯L1 就会亮。电网缺相或者没有电流的时候，L1灯自动熄灭。同时，当电机工作的时候，CJMI-45/63型交流接触器的线圈必然就接通。此时，该接触器得常开触点KM闭合，指示灯电路L2分支接通构成回路，L2就会发亮、，工作人员可以不开柜的情况下，判断电机是否正在运转。 图3.3.4 时序图第4章 地面驱动螺杆泵测量装置设计4.1 测量装置功能 该测量装置能够采样一次电压信号，送入单片机进行处理，同时存储到存储器中，并能够将结果显示出来，还可通过串形口与计算机之间进行通信，另外还设置了USB接口，可通过U盘进行数据的读取。其中采样可分两个档位进行，第一档为每秒采样一次，存储器能够连续存储七天的数据总量；第二档为每5ms-500ms采样一次，用于具体检测时针对某一特定时间段进行数据分析与处理。4.2 设计思路根据测量装置要完成的功能，应该将整体的设计划分为几个部分，即数据采集，存储，显示以及传输，下面将针对不同部分分别将我的设计思路进行一下阐述。4.2.1 数据采集众所周知，所采集的电压信号为模拟量，是不能够直接送入单片机的，所以要通过一个A/D转换器，将测得的模拟量转换为数据量。一般情况下，螺杆泵电机的工作电压为380V，电流也在几十安培左右，因此不能直接将测量值送入A/D转换器，这就需要一种装置将所测电压、电流值转化为一定范围内的值。功率变送器就有这种功能，它的输入为电压和电流值，输出可以为功率值，也可以为电压值，而且输出值能够按比例缩小在一定范围内。功率变送器的电压输入可以直接从电源线中引出两根线接到电压输入的正负两端，而电流输入就需通过一个电流互感器将电机的工作电流值感应出来，并且转换成较小范围内的电流值输入到功率变送器的电流输入端的正负两极上。因此，数据采集部分要用到的设备主要有电流互感器、功率变送器、A/D转换器等。4.2.2 数据存储 数据存储要考虑到存储器的容量问题，我所选用的单片机是目前较为通用的51系列单片机，由于其内部数据存储器容量较小，仅为128字节，因此一定需要在单片机外部扩展一个数据存储器，来存储采集来的大量数据。存储器所要存储的数据总量最大值计算如下：由于数据总量最大值接近1M，因此只需在片外扩展一个容量为1M的数据存储器即可，一般的51系列单片机通常有32个I/O口线，分为P0，P1，P2，P3，四个8位口，其中只有P0及P1口可作为地址线，P0经过地址锁存器提供低8位地址，由P2口提供高8位地址，总共16位地址线，外部存储器的寻址空间最大可扩展64K字节，因此单靠直接利用这16位地址线进行扩展是达不到所需容量的，因此，我将存储器分页管理，用15根地址线构成的寻址范围作为每页的容量，即，用5根地址线够成的寻址范围作为页码，共计页，这样即可构成即1M的存储器容量了。因此，数据存储部分主要就是扩展一个容量为1M的数据存储器。4.2.3 数据显示 要将采集的数据能够实时显示，而且显示的是功率值的变化波形，因此采用液晶点阵显示器。液晶点阵显示器是近年来迅速发展起来的新型显示器件，它是以微型液晶位像素，按照行与列的形式排列组合而成的。它具有分辨率高、显示清晰、功耗低、体积小、重量轻等优点。数据显示部分需要用到一个液晶显示器。4.2.4 数据传输 采集数据的目的是为了能够给工作人员提供分析的数据，因此必须能够够将存储的数据提取出来，送入计算机进行进一步的分析。该测量装置可以通过两种方式进行数据传输，一是通过串行通信接口与外部计算机相连；二是通过USB接口进行传输。串行通信是比较常用的传输方式，但近几年来，USB通信也有了迅速的发展,由于其具有高速传输、热插拔、即插即用的特点，已经越来越广泛的应用。数据传输部分需用一个串行的收发器来实现串行通信，一个USB收发器进行USB通信。4.3 芯片选择及各芯片性能4.3.1 单片机选型选择型号为AT89C54的单片机,该单片机是80C51微控制器的派生器件， 是采用先进CMOS工艺制造的8位微控制器，系统与80C51完全相同。芯片特性：80C51核心处理单元片内FLASH程序存储器速度可达33MHz全静态操作RAM可扩展到64K字节内部有16K可编程ROM4个中断优先级6个中断源4个8位I/O口全双工增强型UART帧数据错误检测自动地址识别电源控制模式时钟可停止和恢复空闲模式掉电模式可编程时钟输出异步端口复位双DPTR寄存器低EMI(禁止ALE)3个16位定时器掉电模式可通过外部中断唤醒AT89C54在10000次擦除和编程之后仍能可靠保存FLASH存储器的内容，存储单元的设计使擦除和编程结构最优化，此外先进的沟道氧化工艺和低内部电场的结合使擦除和编程操作更加可靠。内部的程序存储器容量已经能够满足该测量装置的编程需要。但内部数据存储器容量为256字节，不能满足需要，因需要在外扩展一定容量的存储器。以下是AT89C54芯片的DIP封装引脚布置图 如图为双列直插式引脚，这40个引脚功能如下：1. I/O口线：P0，P1，P2，P3四个8位口，共32根线。2. ：电源线。3. ：接地线。4. XTAL1、XTAL2：接外部晶体的两个端子。5. /PSEN：外部程序存储器读选通。6. EA/：编程电源，21V（EPROM芯片）； EA区别CPU访问内、外部程序存储器，EA=0时，访问外部程序存储器。7. ALE/PROG：PROG编程脉冲；ALE地址锁存允许低8位地址。8. RST/：RAM备用电源，在掉电时用；RST复位。4.3.2 A/D转换器选型所选择的A/D转换器的型号为ADS1100，该转换器是精密、连续、单电源、串行16位A/D转换器，可差分输入，采用微小SOT23-6封装，其转换速率为8、16、32或128。可编程增益放大器提供高达8的增益，使较小的信号测量仍具有高的分辨率。在单次转换模式中，ADS1100在一次转换之后自动掉电，大大减少空闲期间的电流消耗，主要用于高分辨率测量中，节省空间和功耗。以下是ADS1100引脚布置图：其中各引脚功能如下：1.：测量电压的正极输入端2.GND：接地端3.SCL：时钟线输入端4.SDA：数据线输入端5.：工作电源6.：测量电压的负极输入端4.3.3 时钟芯片选型 测量装置要求两档工作,第一档是每隔一秒采样一次,第二档是每隔50ms采样一次。采用DS12887A实时时钟芯片。产生秒中断以及每隔50ms产生一次中断。关于DS12887A实时时钟芯片的性能如下：可作为IBM AT计算机的时钟和日历与MC146818B和DS1287的管脚兼容在没有外部电源的情况下可工作10年自带晶体振荡器及电池可计算到2100年前的秒、分、小时、星期、日期、月、年七种日历信息并带闰年补偿用二进制码或BCD码代表日历和闹钟信息有12和24小时两种制式，12小时制时有AM和PM提示可选用夏令时模式 可以应用于MOTOROLA和INTEL两种总线数据/地址总线复用内建128字节RAM14字节时钟控制寄存器114字节通用RAM可编程方波输出总线兼容中断(/IRQ)三种可编程中断时间性中断可产生每秒一次直到每天一次中断周期性中断122ms到500ms时钟更新结束中断右图是DS12887A引脚布置图：其中各引脚功能如下：AD0AD7：地址/数据复用总线NC：空脚MOT：总线类型选择(MOTOROLA/INTEL)CS：片选AS：ALER/W：在INTEL总线下作为 /WRDS：在INTEL总线下作为 /RDRESET：复位信号IRQ：中断请求输出SQW：方波输出VCC：+5电源GND：电源地4.3.4 地址锁存器选型P89C54的低8位地址总线A7-A0由P0口提供、高8位地址总线A15-A8由P2口提供。由于P0口分时作为低八位地址和数据总线使用，在P0口输出有效的低八位地址时，必须用外部锁存器来锁存这些地址，以保证在访问存储器期间，低八位地址保持不变。此处的地址锁存器我选用的是74HC373。74HC373是三状态八重数据型触发器，其引脚排列及功能如下：若LE为高电平，则数据通过；若LE为低电平，则数据保持；若/OE为高电平，则输出成为高阻D0-D7为数据输入端；Q0-Q7为数据输出端。74HC377是八重数据型触发器，其引脚排列及功能如下：若允许控制端/E为低电平时，在时钟端CLK脉冲充上升沿作用下，输出端Q与数据端D相一致；当CLK为高电平或低电平时，D对Q无影响。4.3.5 地址译码器的选择测量装置需要与外设连接，就要给外设分配一定的存储单元，这就需要地址译码器，选用的是74LS138地址译码器。74LS138的引脚排列及功能如下：74LS138是3-8译码器，它具有三个选择输入端A、B、C，三个允许输出端G1，G2A，G2B，以及八个译码器输出端Y0-Y7。三个允许输入端只有当时，输出端才能按选择输入端的相应信号进行译码，否则输出为高电平，即输入被封锁。六.串行通信RS-232收发器选型选用的是单通道RS-232收发器MAX3221。MAX3221主要性能如下：MAX3221有一个线性驱动，一个接收器，带15-kVESD保护的双速电荷泵电路组成。器件可以满足TIA/EIA-232-F要求，提供异步通信控制器和串口连接器之间的接口。电荷泵和四个小型外部电容可以在3V到5.5-V电压下工作。数据信号速率可达250kbit/s，最大转换速率达30-V/s。串行端口为INACTIVE时，可以灵活选择电源管理。FORCEON为低位，FORCEOFF为高位时，可以自动掉电。如果MAX3221没有在接收输入探测到有效的RS-232信号，驱动输出失如果FORCEOFF为低位，EN为高位，驱动和接收都将关掉，电流降到1A。串口断开连接或关掉外部驱动都将导致自动掉电。 如果FORCEON和FORCEOFF都处在高位，自动掉电失效。由于有自动掉电功能，接受输入一旦有有效信号，器件将自动启动。 如果接收输入出现RS-232信号，INVALID输入将通知用户。 如果接收输入电压超过2.7V或低于2.7V，或在0.3V和0.3V之间的时间小于30s，INVALID为高位（有效数据）。 如果接收输入电压在0.3V和 0.3V之间的时间超过30s，INVALID为低位（无效数据）。MAX3221引脚排列及功能如下：/EN：接收器控制C2+：转化电容器正极输入C2-：转化电容器负极输入V-：电荷泵产生的-5.5V电压R-IN：RS-232接收器输入T-OUT：RS-232传输器输出T-IN：RS-232传输器输入R-OUT：RS-232接收器输出R2OUTB：接收器输出关闭/INVALID：有效信号检测器输出，表明接收器输入/FORCELFF：低电平关闭传输器及电源输入FORCEON：高电平自动保持电路传输被拒绝C1-：电压加倍电荷泵变换器负极端GND：接地VCC：供给电压V+：电荷泵产生+5.5V电压C1+：电压加倍电荷泵变换器正极端4.3.6 USB接口芯片选择在工业控制等场合往往需要将采集的数据传输到计算机中进行处理，传统的计算机ISA总线速度低、不能热插拔，在计算机中已经逐渐减少；PIC总线具有高速的特点，但开发比较困难，成本也较高；目前USB数据总线已经在计算机上得到普及，成为计算机的标准设备，由于USB接口具有通用、高速、热插拔、即插即用等优点，非常适合在现场数据采集中应用。因此，本测量装置也设置了用USB总线进行数据传输。选用的是SL811HST系列芯片。SL811HST是一种内嵌式的USB主/从控制器，它能够与高速及低速USB外围设备进行通信，SL811HST可以与微处理器，微控制器连接，或者直接与ISA、PCMCIA总线相连。SL811HST支持USB12Mbps全速模式或1.5Mbps低速模式，其数据端口和微处理器借口接口提供一个8位的数据输入/输出通道或DMA双向通道，带有Motorola或INTEL等中央处理器中断支持，内部含有一个256字节的RAM数据缓冲器，用来控制寄存器及数据缓冲。可采用48引脚TQFP封装。SL811HST的各个引脚布置及功能入下：NC：空置nWR：写脉冲输入。片选后低电平向寄存器或数据存储器写入nCS:片选，与nWR与nRD配合使用CM：时钟模式，选择12/48MHZ时钟源+3.3VDD：USB传输器的能源DATA+：不同数据信号高端DATA-：不同数据信号地端GND：接地CLK/X1：时钟或外部晶振X1连接X2：外部晶振X2连接NRST：交流设备低电平复位INTRQ：高电平中断外部控制器的响应GND：交流设备接地D0-D7：数据线M/S：主/从模式选择。高电平选择从模式，低电平选择主模式A0：选择地址指针，高电平选择数据缓冲器或寄存器nDACK：支持DMA，DMA仅在从模式下有用，主模式下，此位置高电平NDRQ：DMA请求NRD：读脉冲选通，片选后低电平从寄存器或数据存储器读出数据4.4 测量装置的电源供给电路设计该测量装置的芯片都有一定的工作电压,其中P89C54,DS12887A,MAX3221,74LS138,ADS1100工作电压为+5V；SL811HST工作电压为+3.3V。因此，就需要有一定的工作电路用来产生+5V以及+3.3V的电压，需要用到的芯片有：低功耗线形稳压器MAX603，电荷泵稳压器MAX1595。4.4.1 低功耗线形稳压器MAX603低功耗线形稳压器MAX603提供可调的1.25V-11V输出或预先选择的5V输出(500 mA)，通常使用0.1uF-10uF输入端电容器，输出端电容器推荐使用10Uf其主要特征如下：500mA电流输出，带有反馈电流限制高能源8引脚封装固定的电压输出值或1.25V-11V输入范围较大2.7V-11.5V反向电流保护热过载保护2uA关闭模式15uA典型静止电流内部500mA,P通道传感器低功耗线形稳压器MAX603的各个引脚排列及性能如下：IN：稳压器输入，供给电压2.7V-11.5VGND：接地/OFF：关闭SET：设置输出电压反馈，连接到GND，预选输出电压3.3V或5VOUT：稳压器输出，固定的或1.25V-11V4.4.2 电荷泵稳压器MAX1595MAX1595电荷泵稳压器能够从1.8V至5.5V的输入电压产生3.3V或5V电压。它独特的控制结构允许稳压器对输入电压进行升压或降压转换、维持稳定的输出电压。1MHz的开关频率和独特的控制结构相结合，允许使用1F的小尺寸陶瓷电容，提供125mA的输出电流。完整的稳压器仅需3个外部电容、无需电感。MAX1595非常适合在那些结构紧凑的应用中作为大功率、高效率的辅助电源。它采用节省空间的8引脚MAX封装和大功率、12引脚薄型QFN封装。 电荷泵稳压器MAX1595的特征如下：超小仅需要3个陶瓷电容不需要电感高达125mA的输出电流稳定的+3%输出电压1MHZ开关频率1.8V到5.5V的输入电压范围220uA静态电流0.1uA关断电流关断状态下负载断开连接电荷泵稳压器MAX1595各个引脚排列及性能如下：AOUT：错误的放大器/比较器的模拟能源输入，在输出滤波电容器处与OUT连接/SHDN：关闭输入。/SHDN=0设备关闭；/SHDN=1设备激活；关闭时OUT与IN不连接；IN：输入1.8V-5.5V通过1uF电容器与GND连GND:接地PGND:电源接地CXN:电荷泵稳压器负极接线端CXP:电荷泵稳压器正极接线端4.5 存储器芯片选择AT29C040存储器芯片特性：快速读取时间可达 120纳秒仅限5伏电压重复编程 扇区程序操作单循环重复编程（擦除和编程）2048扇区（256字节/扇区）内部256字节地址和数据锁存内部程序控制器和计时器硬件和软件保护2个16KB的带锁存引导程序芯片快速程序磁区循环时间 10微秒程序检测最后的数据统计 低电源能耗40mA的正常电流100微安的CMOS应急备用电流典型持久程度10,000循环单供电源5V土10% CMOS和TTL兼容性输入输出存储器芯片AT29C040是一个仅用于5V电源的系统内部的程序闪存且可擦除只读存储器（PEROM）。该芯片具有4M的容量大约524，288个8位的字。由于应用Atmel的稳定的CMOS闪存可擦除高科技，芯片提供读取时间可达120纳秒，并且具有220豪瓦低能耗功率的特性。具体引角和形状如下：A0 - A18 ：地址线引角/CE ：芯片启动/OE ：输出有效/WE ：写有效I/O0I/O7：数据输入/输出引角NC ： 吴定义GND ： 接地VCC ： 接5V电源 4.6 主要程序设计根据所设计测量装置的主要性能,对其进行了编程,来实现一定的功能,通过硬件与软件的相应的结合,更好的完成了所需功能。由于个人编程知识有限，同时时间又很短暂，故仅对数据采集，存储以及用RS-232串口来传输数据部分进行了编程，而在显示部分及用USB进行通信部分没有进行编程。主要设计思路如下：数据采集方面：进入单片机的数据，是先通过A/D转换的，所选的A/D转换器ADS1100采用I方总线传输数据，一条I方总线由两条线路组成：SDA线和SCL线。SDA线传送数据；SCL线提供时钟。所有数据以8位为一组通过I方总线传送。为了在I方总线上传送一位数据，须在SCL为低电平时驱动SDA线至该位的电平。一旦SDA线稳定下来，SCL线被拉高，然后变低。SCL线上的脉冲以时钟将SDA位一位一位地移入接收器的移位寄存器中。多数情况下，总线是空闲的，不发生通信。为了开始通信，主机在总线上形成一个开始条件。通常，只有在时钟线为低电平时，数据线才允许改变状态。如果在时钟线为高电平时，数据线改变了状态，则形成了一个开始条件，或相反的形成了一个终止条件。开始条件是当时钟线为高电平时，数据线由高到低地跳变。停止条件是当时钟线为高电平时，数据线从低到高的跳变。在主机发送开始条件以后，它还会发送一个字节表明它想与哪一个从机通信。对于I方总线上发送的每个字节，无论是地址还是数据，均以一个应答位作为响应。在主机完成与从机的通信后，它会发出一个停止条件。在发出停止条件后，总线再次空闲。主机也可发出另一个开始条件。在总线处于激活状态时，若发出一个开始条件，则要求一个重复的开始条件。因此，通过控制两根总线的高低电平就可以对数据进行采集。首先，单片机向ADS1100发送一个请求，之后等待其应答，ADS1100接收到请求之后，向总线发送应答信号，单片机接收到应答信号后，向ADS1100发送命令，ADS1100接到命令后向总线发送数据，单片机接收完数据向总线发送应答信号，表明数据已经接收完毕，通信结束，如此循环，进行多位数据的传输。数据采集分两个档位，一种为每秒一次，另一种为50ms采样一次。利用一个开关K2来控制P1.1口的高低电平，从而进行两档之间的转化。至于怎样产生中断是利用DS12887A的方波中断来产生，与单片机的/INT1相连。数据存储方面：所存储数据每隔一定的时间存储一次时间，每次与外界通信也记录一次时间，用来使用户确定数据的采集时间。每次通信之初存储器的位置送给DS12887A的RAM来保存，通信结束之后，将地址读出，再送给ROM。数据通信方面：与外部计算机通过RS-232总线进行通信，通过一个开关K1与单片机的P1.0相连进行通信的开启。在程序设计方面，还对这一方面进行了特殊的设计，即通过与外部计算机相连，可实现通过外部计算机对采样方式进行改变，例如：可以通过外部计算机上的不同按键，来实现ADS1100采样是单周期转换还是连续转换