基于pic24单片机井下温度探测电路系统设计
基于PIC24单片机井下温度探测电路
系统设计
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工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
与自动化学院 专业:通信工程
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日期:年 月 日
设计题目:
基于PIC24单片机井下温度探测电路系统设计
设计意义:
井温是生产测井中必不可少的一个测量参数，几乎所有的组合测井仪都包括此项测量
内容
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。准确的井温测量对于地质资料解释和井下监测等都具有十分重要的意义，尤其在稠油热采工艺中，井温的探测显得非常重要。本文设计温度测量电路能够快速获取温度信号并经软件处理传送到地面系统。
设计任务:
设计一种基于单片机PIC24FJ128GA010的井下温度实时探测系统，使其能够在实践中完成对井下温度的实时的准确的探测和监控。
设计内容:
详述井下温度探测系统硬件的总体结构，包括井下温度采集系统的软件和硬件设计及实现方法。
基于PIC24单片机井下温度探测电路
系统设计
摘要:在油气开发与探测中，井下温度是评价井下地层信息的重要参数。本文设计了基于单片机PIC24FJ128GA010的井下温度实时探测系统，详述了井下温度探测系统硬件的总体结构，着重阐述了井下温度采集系统的软件和硬件设计及实现方法。在系统中，温度探测探头选用高精度铂电阻，这种铂电阻具有高精度、高灵敏性、高稳定性等特点。本系统应用于井下温度测量，由于电阻率与温度关系密切，这样获取的温度数据就为评价地层电阻率提供另一重要依据。 关键词:井下温度测量;PIC单片机;仪表放大器;
引言
在油气探测开发中，地层温度是描述油气藏特征的重要参数之一 , 是勘探、钻井、测井、完井和采油工程的一个重要参数, 是评 价地层信息的重要依据。因此，在油气探测开发过程中对温度的测量也成为油气生产中的重要活动。近年来地质工作人员一直都在研究地层的温度与地层介质规律。尽管井下情况复杂，研究十分困难。但是, 通过研究, 还是加深了对地层温度与地层介质的认识, 增加了地层温度对石油勘探的应用价值。工作人员在研究地层温度与地层介质关系
的同时，也对温度的测量提出要求，这就要求硬件能够准确和快速获取温度数据。本文设计温度测量电路能够快速获取温度信号并经软件处理传送到地面系统。
一 系统总体构成
温度探测电路系统主要由5部分构成，温度传感器、井下测温电路、井下PIC 单片机控制器、电缆驱动电路、地面系统。其总体框图如图1 所示。
图 1 系统总体框图
二 系统硬件设计
2.1 温度传感器选择
测量电路首先要把温度转换成电信号，这就要考虑传感器的选取。综合考虑本电路设计特点、被测量 环境的温度范围、使用的探测
材料
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的稳定性，以及物理特性与温度变化的关系等，选用铂电阻作为系统的 测温元件。铂电阻的特点是性能可靠、精度高、稳定性好、测量温度范围大、其线性度较高且不需进行冷端补偿。该铂电阻测温范围一般为-70?, +600?。其热响应时间特别小，适合于测量表面温度
和动态温度检测。在0?, 630?范围内，铂电阻的电阻值与温 度间的关系可以精确地表示为:
= 0 (1+ + +) ( 1) Rx RAt Bt Ct
式中，Rx 表示的是温度为t?时铂电阻的电阻值，R0 表 示温度为0?时铂电阻的电阻值(Ω)，A、B、C为常数。对于Pt100，R0=100 Ω，A=3.908 02×10-3?，
B=-5 .802×10-7?，C=0。
由公式可以得出在100?时，电阻值的变化量是38.5 Ω，而由Bt2 带来的变化量为0.58 Ω，在系统中影响为1.5,。因此可将其近似作为线性器件来使用。
2.2 温度转换电路和调理电路设计
温度转换电路和调理电路的作用是把温度信号转化为电信号经过放大后经过开关芯片，最后信号进入采集电路。温度调理转换电路由R1、 R2、Rx、VR1、C1、A1 构成，其中将温度传感器Pt100 也就是Rx 接在A1 的负反馈回路中，C1 并联在A1 的两端;R3、R4、VR2、A2 构成放大回路，其中的放大倍数是可调的。R5 主要是限流，C2是将输出信号中的交流滤去。HI-201 是开关芯片，因为后续的采集电路在不同的时间段要采集来自地层的其它信号。所以，最后通过单片机对SW1脚控制此开关芯片完成对不同信号的切换，把信号输入采集电路完成采集。温度转换电路和调理电路原理，如图2 所示，其中Rx 表示的是铂电阻Pt100 传感器的阻值。
图2温度转换电路和调理电路原理
在图2 中，可以通过调整VR1 的阻值来使在0?时，输出信号的电压值为0 V，调整VR2 的阻值来改变该电路的放大倍数，确保温度探测信号的幅度在AD 的采集范围内以及足够的分辨率。选取合适的R1、R2、VR1 的数值，可以使输出的电压信号U0 与温度的变化呈线性关系。
2.3 采集电路与控制电路接口设计
2.3.1 采集电路设计
温度采集电路的核心是采集芯片ADS8519。ADS8519 采集芯片具有以下特点:最大积分非线性(INL) 为?1.5LSB ;最大差动非线性(DNL) 为?1 LSB ;采样率为250kHz ;灵活的模拟输入范围，芯片可配置的工作电压范围为?10V、?5V、0-8.192V ;采用串行接口;单一+5V 模拟电源供电;采样和转换时间最大为4us ;功耗低，工作在250kHz 采样率时功率为110 mW。温度采集电路如图3 所示。
图3 采集电路
采集电路芯片ADS8519 的时钟设置为外部时钟模式;模数转换输出
标准
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二进制码;使用外部基准电压电路;允许输入采集电路的模拟信号的范围是?5V。
2.3.2 控制电路接口设计
控制电路的主要功能是通过控制器控制相应管脚控制采集芯片在相应的时间段对温度信号进行采集，然后把接收到的数据作相应的编码处理传给地面处理系统。
ADS8514 模数转换是由R / C , CS 两个管脚的输入信号控制，在本电路中CS 脚接地，因此，所有的转换和数据读取都是通过R / C控制。 由于单片机PIC24FJ128GA010 与ADS8514都支持SPI
协议
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，因此本电路使用SPI 接口传输采集数据。接口电路如图4 所示。
图4 单片机PIC24FJ128GA010 与ADS8514 接口电路
ADS8514 是16 位模数转换芯片， 单片机PIC24FJ128GA010 在SPI 模式时接收数据可选择8 位或16 位模式通信，这里ADS8514 设置非连 续外部时钟模式;单片机采用主控模式，16 位字宽进行数据接收。 在图4 接口电路中，ADS8519 的SB / BTC、EXT / INT 接+5V，CS、PWRD、TAG接地， R / C与单片机RC4 脚连接，DATACLK 与单片机SCK2 连接， 因为ADS8514 是+5V 供电， 单片机是+3.3V 供电，防止烧坏单片机，采集芯片的BUSY和DATA 脚经过光耦TLP521 转换分别接到单片机的INT0 和SDI2 脚。
三 系统软件设计
软件流程如图5 所示
图5 软件数据采集流程图
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