1、 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
2、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
3、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
4、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
5、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 of the oil tank parameters Jia XiaoLi ( Class 1205,Major Electronics and Inform
6、ation Engineering, College of Physics and Telecom Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, Shaanxi) Tutor: Wang Wenyang Abstract:The microcontroller design based on oil parameter measurement system based on AT89C51 chip as the core, using AT89C51 microcontroller for control an
7、d 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 fun
8、ction. Key words: AT89C51; nRF24L01; DS18B20 陕西理工学院毕业设计 目录 1.绪论 . 1 1.1 研究背景与发展现状 . 1 1.2 研究的主要内容 . 2 2. 方案选择及论证 . 3 2.1 总体方案论述 . 3 2.2 方案一的论述 . 3 2.3 方案二的论述 . 4 2.4 方案的选择 . 5 3.系统软件设计 . 6 3.1 系统 程序流程分析 . 6 3.2 温度采集及处理程序流程图 . 9 3.3 LCD 显示程序流程图 . 10 3.4 温度超限报警程序流程图 . 13 3.5 无线发射模块 流程图 . 14 3.6 无线接收模块
9、程序 流程图 . 14 4.硬件电路设计 . 16 4.1 控制模块 . 16 4.2 温度采集模块 . 16 4.3 LCD 显示模块 . 17 4.4 超限报警模块 . 18 4.5 无线收发模块 . 18 4.6 实现结果 . 20 5. 总结 . 24 5.1 问题与处理 . 24 5.2 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
10、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,
11、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
12、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
13、、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
14、 、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、信号视频采集、信息化分
15、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,必将在油库陕西理工学院毕业设计 第 2 页 共 48 页 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
16、.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
17、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 AT8
18、9C51 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
19、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
20、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 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 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 设计 系统 以 单片机 AT89C51 作为信息处理
21、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 -55 125 , 最大分辨率可达 0.0625 。 DS18B20 可以直接读出被测温度值
22、 , 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
23、高达 1Mbit/s 的速度快速发送信号,传输速率快 , 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。 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 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
24、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
25、 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。
26、 首先 , 方案一采用无线 RF 射频模块代替了 GSM 模块 进行数据传输,设计制造成本低、安装方便,传输速率快, 易于做到实时控制 。其次,方案一 在测量精度方面能达到工业实用的要求 , 制造简单易于后期维修。最后, 石油温度自动测量是一个长期的测量过程, 方案二除了制造成本高之外,而且长期处于收费状态, 长期使用费用昂贵。 考虑到以上原因,设计采用方案一 。 温度传感器 单片机AT89C51 GSM 模块 控制中心 信号指示灯和蜂鸣器 复位与晶振电路 陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 48 页 3.系统软件设计 编程软件采用 keil uvision2 软件,设计程序采用 C 语言进
27、行编写。软件部分可成功编译,并在 proteus 中仿真实现预期功能。具体函数模块由一个主函数( main.c)文件以及 8 个 h文件构成。这 8 个 h 文件分别为: reg51.h( 8051 的相关参数初始化), absacc.h(使用其中定义的宏来访问绝对地址), intrins.h(伪本征函数), math.h(数学公式函数), DS18B20.h(温 度采集计算函数), lcd1602.h( LCD1602 显示函数), Nrf24L01.h( 无线传输函数 ),set_key.h(超限 报警函数) 。 3.1 系统 程序 流程分析 3.1.1 系统 发送 程序 流程分析 发送 主程序的作用是调用几个子程序完成总体功能。首先,单片机进行初始化,LCD1602、 DS18B20 以及 nRF24L01 分别进行初始化。之后, DS18B20 开始运行进行温度采集, LCD1602 显示实时温度, nRF24L01 发射采集到的温度。 系统 发送 程序流程如图 3.1(a)所示。 图 3.1(a) 系统 发送 程序流程图 结束 nRF24L01 发送数据 开始 单片机初始化 LCD1602 初始化 DS18B20 初始化 nRF24L01 初始化 DS18B20 运行 进行温度采集 LCD1602 显示实时温度