挑战杯大学生课外学术科技作品竞赛获奖作品范本

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1、新型油井远程监控装置简介1功能概述12、应用前景103、系统设计仓U意 114、项目实现介绍135、团队及设计过程 136、小结151、功能概述系统包括硬件电路设计和 GSM由井监控软件设计两部分。其中硬件电路设计包 括监测终端和监控中心两部分，监测终端包括GSM通信模块SIM900A及其驱动电路、 32 bit ARM微处理器STM32F103RBT6供电电路和传感器的数据采集与处理电路, 继电器控制电路；监控中心包括 SIM900A及其驱动电路、STM32F103RBT单片机、 供电电路、报警处理电路，并通过 RS232连接至监控计算机。监测终端和监控中心 的ARM微处理器软件设计包括 G

2、SMS信模块的发送与接受主程序、通过串口的短消 息接收和发送等程序，监测终端还包括 RS-485总线程序、CAN总线程序、继电器控 制程序、传感器的数据采集与处理程序。GSM由井监控软件采用LABVIEW编写，具有报警显示、图表监视器、统计图表、打印报表等多个功能。系统框图如图 1.#监测燹茹I缠护人员能护人负G5M网络图1系统应用框图2) 油GSM监控终端与PC串行通信继电器组（固态继电/SP1117-3.3提 供3.3V 电MP2143提供4V电源给GSM模 块MCU微控制单元(STM32F103RBT6JTAG程序下载 机调试接口CAN总线单元(SN65HVD230RS 485总单元(M

3、AX487)射频天线接口 ,-GSM模 块(SIM900a)图2装置硬件实物1) MCU微控制单元(STM32F103RBT6HUJip nB|l13bCHIr1Mztnw.1 ETiJ5Ti4f|irULJBlM3 JIDOnu314irarTBiW WCKEUL也齢“ITd巧Ke rrorvtkf砧亡左:KmKJMC.CU-TO! m盂izfctrKJ 池 KJ 也tkq 1K*L- 也 KL4 CL- KLJ 曲 l.TXLIFn.JTt：Kukjw-jzjSLhTSS 1,TD 2VJO叫PEU -二尹Lft-3Z7r, c-H bL J砂L11 L1图3 MCU微控制单元MCU微控制

4、单元采用STM32F103RBT6它使用高性能的 ARM-CortexM3 32bit的RISC内核，内置高速存储器，工作频率为36MHZ,CP能以零等待周期访问（读/写）， 丰富的增强型外设和10端口连接到两条APB外围总线外设。所有型号的器件都包含 一个12bit的ADC和3个通用的16bit定时器、还包含标准的通信接口 ,2个I2C接 口、2个SPI、3个USART 一个CAN设计时，采用STM32F103RBT可以方便实现接 入传感器信号，其工作电压为2.0V3.6V的工作电压能够满足MCU和GPRSg块直接 相连的需要，而无需电平转换，一系列的省电模式满足低功耗应用的需求。2）油井控

5、制单元与油井各设备之间串行通信单元（MAX487）图4 MAX487原理图单片机组成的多机通信系统，具有灵活的功 能和性价比，在工业测控领域应用 十分广泛，但是单片机收发的都是TTL电平，驱动能力和抗干扰 性有限，无法进行 “长线”通信。实用中常配合总 线互联。RS485总线就是其中一种，RS485既是 物 理层的协议标准，也是串行通信接口的电器标 准，用此标准可以很方便地把计算机、 单片机和各 种设备连接起来，构成测控系统。RS485总线是 平衡差分传输，抗干 扰性好，最远可传输1200米，最多可互联128个单片机，很适合多机通信。通信 芯片采用MAXIM公司生产的MAX487该芯片是RS4

6、85通讯的低功耗收发器件，它 含有一个驱动器和一个接收器，最大可连接128个子系统，最远 传输距离1200米, 传输速度可达250KB/s。可采用半双工方式，适合在比较恶劣的环境下工作，在油 井现场，有很大的实用价值。3）油井GSM监控终端与PC串行通信单元（MAX3232图5 MAX3232串行通信单元系统采用的是RS-232串行通信进行监控中心与监控计算机通讯。RS-232是目前PC机与通信工业中应用最为广泛的一种串行接口，RS-232被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准，其采取不平衡传输方式。典型的 RS-232信号在正负电平之间摆动，当发送数据时发送端驱动器输出正电平为

7、+5V+15V负电平为一 5V一 15V;当传输数据时，线上为TTL电平，从开始传输数据 到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电 平为+3V+12V与一 3V一 12V。监控中心使用与计算机进行串行通信，采用Maxim公司的MAX3232芯片实现RS. 232电平转换，MAX323是一款能实现RS-232接口的低功耗电平转 换芯片，它有两路收发器。4）GSM模块单元（SIM900A:f a i 5 a v 13rf?.:互J?V卄暗I#卅Ffff p图 6 GSM模块单元（SIM900AGSM模块采用了 SIMCOI公司的SIM900A该模块体积小巧

8、. 性能突出。内嵌 TCP/IP协议，扩展 的TCP/IP AT命令让用户能够容 易地使用TCP/IP协议.而 且在数据传输方面应用广泛。油井远程监控系统通常采用TC35i GSM通信模块，其 工作频段少，支持 900/1800Mhz,不能支持 GPRS且功耗较高。本装置设计采用 SIM900A无线通信模块，它有4个工作频段，支持GSM/GPRS且尺寸小、功耗低。5）CAN总线单元（SN65HVD230VCC335K VRIA1N1CANL T -1C32仆1MvocTjD1RSGND CANHvccCANT-DOVrefSN65HrD2.O5cani_r I-1R30 10K6 CAN1_H

9、 ； CANl L、图7 CAN总线单元（SN65HVD230油田的采油矿场通常由多口油井、计量间、管汇阀组、转油站、联合站、 原油外输系统、油罐及油田的其他分散设施组成，整个采油矿场各种 设施的工作状况及采出油品的数据 （主要有温度、压力、流量等）将直接关系到油田生产 的稳定及原油质量。面对单个油井的众多检测设备，在数据传输部分建立CAN总线和RS-485总线局域网，再将汇总的信息通过 GSM远传至监控中心。SN65HVD23是德州仪器公司生产的3. 3V CAN总线收发器，可与带有CAN控 制器的TMS320k240x系列DSP配套使用，该收发器具有 差分收发能力，最高速率 可达1MkZ

10、s。广泛用于汽 车、工业自动化、UPS控制等领域。6）继电器组（固态继电器）图8继电器组固态继电器（SOLIDSTAT哝ELAYS）简写成“ SSR，是一种全部由固态电子元 件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件（如开关三极管、双向可控硅等半导 体器件）的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的， 因此又被称为“无触点开关”。当发现停电、停机、缺相、油管堵塞、液面过低等情况，固态继 电器组可以用来隔离控制电力电子设备启停，从而减少设备损坏，缩短停机时间。7)电源(MP2143 SP1117-3.3)p匚i4 /OutPC2u i rwU4 SPU17-3i尸爭104口PC423U

11、Tror图9三端稳压模块SP1117三端稳压模块SP1117可将输入的5V电压转化为3.3电压，为MCUSN65HVD230 MAX3232 MAX487供电。SIM900A模块采用单电源供电，供电范围 3.24.8V之间，推荐电压为4.0V, 模块射频发射时会导致电压跌落，这时电流的峰值最高会达到 2A以上，因此电源 供电能力尽可能达到2A,输入电压与VBAT压差不大，所以选用LDO（low dropout regulator，低压差线性稳压器），本设计采用的是 MP2143电源芯片。our -FB-JlSCD 图10 MP2143电源芯片电路为了增强模块电源抗干扰能力（主要抗浪涌，脉冲群，

12、静电等），不至于在外界环境比较恶劣的情况下导致模块供电异常，建议根据实际应用在外部电源输入端 加一些共模电感、TVS管等器件，在VBAT供电芯片输出端加一些nf、pf级电容, 滤除干扰。PCB布局时候VBAT上的旁路电容尽量要放在对应 pin附近，为了减少PCB走线阻抗，VBAT走线尽量宽、走线尽量短，最好大面积铺地。2、应用前景通过现场测试本系统能够及时准确的将需要采集的数据显示在巡检软件界面上 来并且可以从控制现场的各项参数，已经基本选到了各项技术指标，最太数据量 传输的示功图能够准确、快速的远程传输到监控中心，从而证明我们采用的油井自 动化监控系统实现的数据远程传输方案是可行的。采油井应

13、用本新型油井远程监控系统后，可以极大地提高生产运行管理的安全 性能和可靠程度，减少不必要的人工浪费和提高数据采集的准确性，提高生产效率,通过生产过程的集中控制和管理还可极大地提高企业整体效率的竞争能力，提高预 测突发事件的能力和紧急情况下快速反应能力，带来潜在的社会和经济效益。特别 是国内近几年来的油井远程监控系统开发及应用得到了飞速的发展，形成了多处样 板油田和成功应用案例，极大地方便了现场油井管理，提高了生产效率。利用现代 自动化技术对采油井的生产管理进行远程监控，是提高石油开采业的全员生产率， 降低石油开采成本的有效方法之一。使用现本装置对抽油机进行远程监控对于及时、准确、全面地掌握石油

14、生产情 况，进行科学决策有着十分重要的意义。(1) 可降低工人劳动强度，提高生产率传统的数据采集方法，工作量大而繁重，费用高，特别在雨雪天气，有些井无 法采集，严重影响生产，采用远程监测，数据采集只需室内进行，大大降低工人的 劳动强度，同时可减少冗余人员，利于降本增效。(2) 便于及时掌握生产情况，利于科学管理传统的数据采集方法，通常以人工的方式用报表反映采油情况，难以及时、准 确、全面直观、高效、连续地反映生产动态。实现油井的远程监控，管理人员在办 公室或各个测点上就可以直观地看到所有抽油机的工作情况。随着无线通讯网的发 展，各级管理部门可随时掌握一线的生产情况，真正做到运筹帷幄之中，决胜千里 之外。