基于PIC16F877单片机的井下压力测量技术研究

摘要：描述了以PIC16F877单片机为主控制器的压力检测系统，它主要以惰性气体作为压力传递介质，在地面完成井口气体压力的测量，然后通过井口压力的大小推算井下测压深度处压力大小。详细叙述了系统设计原理与软硬件的实现方法，整个系统包含数据采集、数据处理、数据存储和数据显示等。经过室内试验和现场试验验证，这种压力检测系统具有精度高、稳定性好、实时性强等优点，可满足测量现场环境的要求。
关键词：PIC16F877；测压；数据采集；实时显示

目前，我国油井主要采用的是电子式井下压力测量系统，由于电子压力传感器长期工作在高温环境中，所以存在漂移问题，而且可靠性不高。同时这种仪器大多数将采集的数据存储在存储器中，缺乏实时性测量的要求。而本文所介绍的井下压力采集系统是一种新型的压力测量系统，其主要是以惰性气体作为压力传递介质，在地面完成对井口气体压力的测量，然后通过井口压力的大小推算井下测压点处压力大小。其主要特点是所有的测量都在地面上进行，避免了井下复杂环境对测量结果造成的影响，同时也满足了系统的实时性要求。

1 井下压力测量系统工作原理
井下测压系统的基本原理是帕斯卡定理。整个套管设备在测压时被下放到井下测压点处，地面可以通过压力泵向传压筒内充放气体，为维持井液与高压气体接触的气液面平衡，传压筒里面的气体要定期进行补充。根据帕斯卡定理，传压筒内气体的压力等于井液的压力，将信号采集到PIC16F877中，在PIC16F877中根据相应的算法计算出井内的压力值，并进行存储、实时显示和数据回放。

2 硬件电路设计
压力检测系统主要由以下几部分组成，分别为数据采集电路、数据存储电路、数据显示以及数据回放。数据采集电路主要使用PIC16F 877单片机对压力数据进行实时采集数据，存储电路使用型号FLASH存储芯片；数据显示使用的是智能显示器；数据回放采用RS-232串行接口，将存储在flash芯片中的数据回放到计算机中。图1为压力检测硬件电路的设计框图。

2．1 压力传感器的选取
压力的测量一直以来受到压力传感器技术的制约，其测量的准确程度取决于压力传感器的技术指标，根据压力检测系统的设计要求，最后决定选用德国HeLM公司生产的HM10高精度压阻式压力传感器，此传感器采用了最坚固可靠的压力敏感元件，特别适合于野外的压力测量。 HM10主要的性能指标如下：
1)工作温度：-40～85℃
2)冲 击：100 g，11 ms
3)振 动：10 gRMS．20～2 000 Hz条件下无变化
4)压力量程：-0．1 MPa～0～10 kPa…70 MPa
2．2 压力采集电路设计
压力检测系统的数据采集主要是通过单片机PIC16F877来完成。压力检测系统设计中有一项要求就是精度要达到0．1％FS，且采集最小间隔为1 s，鉴于这两个要求，在数据采集电路设计时选用精度很高的多通道24位芯片ADS1226，具有100SPS的数据采集率，符合最小1 s的数据采集间隔。

图2为压力采集电路的连接图，其中，P3．0、P3．1、P3．2、P3．3为单片机的I／O接口，分别与ADS1226的START、SCLK、DOUT、MUX引脚相连。其中P3．0控制着ADS1226的启动信号，当P3．0输出高电平时，ADS1226开始进行数模转换，当P3．2输入低电平时A／D转换完成，转换完的数据信号随着SCLK传输到PIC16F877单片机内。由于压力传感器HM10输出的是4～20 mA的电流信号，而ADS1226是一个电压采集芯片，在此处选用了型号为ISO-A4-P3-04的电流转电压芯片。ISO-A4-P3-04把4～20 mA的电流信号转换成了0～5 V的电压信号。
2．3 数据存储电路设计
井下数据测量期间可能会有大量的原始数据，这些数据对油井状况的评估是一份宝贵的资料，因此测量系统在设计时要考虑数据的存储。本系统选用的是大容量Flash存储器。该器件采用三星公司的CMOS浮置门技术和与非存储结构，存储容量为64M×8位，除此之外还有2 048k×8位的空闲存储区。对528字节一页的写操作所需时间典型值是200 μs，而对16 k字节一块的擦除操作典型值也仅需2 ms。每一页中的数据读出速度也很快，平均每个字节只需50 ns，已经与一般的SRAM相当。8位I／O端口采用地址、数据和命令复用的方法。这样既可减少引脚数，还可使接口电路简洁。片内的写控制器能自动执行写操作和擦除功能，包括必要的脉冲产生，内部校验等，完全不用外部微控制器考虑，简化了器件的编程控制难度。如图3为单片机PIC16F877与Flash存储器的接口连接图。单片机的P5．0～P5．7管脚与Flash的8为I／O口相连。

2．4 数据显示电路设计
压力检测系统采用了彩色智能显示液晶屏，该系列显示器采用集成化CPU，内置一级汉字库(二级字库可选)，采用标准指令集，通过RS232C接口或打印机并行口接收控制命令和数据。同时为了提高通讯速度，显示器内设置了一个256字节的输入缓冲区。在发送数据前应先检查DTR(液晶显示器上串口名称)信号，若DTR为高电平(TTL)，表示缓冲区满，要等到DTR信号变为低电平(TTL)后再发送数据。即DTR为低电平(TTL)时发送数据，DTR为高电平(TTL)时停止数据发送。如果每组的数据量少于256字节，同时每组之间又有足够的间隔，则不需要判断DTR位信号也可连续发送。
压力检测系统在处理器与液晶屏通信时采用的是串口的形式，把PIC16F877的P4．6管脚当作通用I／O口直接与液晶屏的串行接口向连接，标准的RS-232在进行通信时只需要发送、接收和地线(GND)3个管脚即可，因此液晶显示器与处理器的连接十分简单。但是由于PIC16F877管脚能承受的电平最大5．5 V，而串行接口的电平是TTL电平，所以在连接这两个器件时必须添加一个电平转换芯片MAX3232，具体的连接方式如图4所示，图中YJ-RXD是液晶屏的串行接收接口，P4．6为PIC16F877的发送端口，MAX3232起到了一个电压转换的作用。数据回放主要指的是将存储在FLASH存储芯片中的数据回放到PC机上，PC机接收数据采用的是串口RS-232，通过MAX3232进行连接，如图4所示，这里不再叙述。