挑战杯大学生课外学术科技作品竞赛获奖作品范本

新型油井远程监控装置简介

1、功能概述 (1)

2、应用前景 (10)

3、系统设计创意 (11)

4、项目实现介绍 (13)

5、团队及设计过程 (13)

6、小结 (15)

1、功能概述

系统包括硬件电路设计和GSM油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、STM32F103RBT6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GSM通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油井监控软件采用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.

图1 系统应用框图

图2 装置硬件实物

2）油井GSM 监控

终端与PC

串行通信

单元

MP2143

提供4V 电

源给GSM 模

块

CAN 总线单元

（SN65HVD230）

GSM 模块

（SIM900a ） MCU 微控制单元

（STM32F103RBT6） JTAG 程序下载机调试接口

SP1117-

3.3

提供

3.3V 电

源

射频天线接口

RS_485总单元(MAX487) 继电器组

（固态继电

1）MCU微控制单元（STM32F103RBT6）

图3 MCU微控制单元

MCU微控制单元采用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,CPU能以零等待周期访问（读/写），丰富的增强型外设和IO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STM32F103RBT6可以方便实现接入传感器信号，其工作电压为2.0V~3.6V的工作电压能够满足MCU和GPRS模块直接相连的需要，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RS485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+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，MAX3232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）

图6 GSM模块单元（SIM900A）

GSM模块采用了SIMCOM公司的SIM900A，该模块体积小巧．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（SN65HVD230）

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。

SN65HVD230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1Mb／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(SOLIDSTATE RELAYS)，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。