毕业设计论文
基于ATmega16单片机的油田注水智能控制系统设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的
材料
关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料
。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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日期： 年 月 日
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日期： 年 月 日
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注 意 事 项
1.设计（论文）的内容包括：
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封面格式制作）
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2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
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5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
的合理性
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计
说明书
房屋状态说明书下载罗氏说明书下载焊机说明书下载罗氏说明书下载GGD说明书下载
）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师： （签名） 单位： （盖章）
年 月 日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师： （签名） 单位： （盖章）
年 月 日
教研室（或答辩小组）及教学系
意见
文理分科指导河道管理范围浙江建筑工程概算定额教材专家评审意见党员教师互相批评意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
评定成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）
年 月 日
教学系意见：
系主任： （签名）
年 月 日
摘 要
油田注水是采油生产过程中最重要的工作之一，油田的注水开发在油田的开发过程中具有极其重要的意义，通过控制注水和控制产出水量保持地底压力，达到油田长期高产、稳产是一项十分重要的技术。在实际的注水过程中，人工调节注水会存在很多的问题，工作人员不能长期驻守在现场，而且人工调节易出现超注或欠注的现象，影响正常的生产。针对目前的这些状况，本文设计了一种基于ATmega16单片机的油田注水智能监控系统，实现了注水流量的自动监测，并将PID 控制引入到控制系统中，实现实时增加注水量保持地层压力的目的。
本文在介绍了注水油田系统的研究背景和国内外发展现状基础上，根据油田注水系统的的结构组成和注水流程，确立了油田智能注水监控系统的总体方案，并介绍了测控系统的工作原理。
测控系统选用 ATmega16作为系统的核心，利用流量计监测流量，由流量误差值通过PID 控制器计算出控制量，单片机通过 PWM 控制电机的转向和转速控制阀门的开关度，达到调节注水的目的。
关键词 油田注水 PID控制 单片机 流量测控系统
Abstract
Oilfield water injection is one of the most important works in the oil production process，oilfield waterflooding has the extremely vital significance in the process of oil field development，it can remain underground through the control of water injection and control of output water，it's a very important technology to achieve long-term oil.In the actual water injection process，there are many problems in the artificial regulation of water，the workers could not stay at the same all the time，when it need to regulate the flow can not be performed immediately，and it will affect the normal production because of ultra injection or short phenomenon.This paper discusses the design of a single chip microcomputer based on ATmega16 of oilfield water injection intelligent monitoring system for aiming at these conditions， realizing the water injection flow automatic monitoring，and the PID control is introduced into the control system.
This paper introduces the background of researching on the water flooding and development status at home and abroad firstly，and established oilfield intelligent infusion monitoring system according to the oilfield water injection system structure and the injection process，at the same time，it introduces the principle of measurement and control system.
In this paper，we choose the ATmega16 as the core of the system，and flow error values by PID controller calculates a control olume，through the single-chip PWM control of motor steering and speed control valveswitch，to regulate the purpose of water injection.
Keyword Oilfield water injection PID control Singlechip Flow measurement an control system
目 录
I摘 要
Abstract
II
第1章 绪论
1
1.1 课题的研究背景和意义
1
1.2 油田注水系统研究现状
2
1.2.1 国外研究现状
2
1.2.2 国内研究现状
3
1.3 本课题主要研究目的及内容安排
4
1.3.1 研究目的
4
1.3.2 主要内容安排
4
第2章 油田注水系统基本工作原理
5
2.1 油田注水系统的结构和基本原理
5
2.2 注水系统控制方式比较
6
2.3 关键参数
6
第3章 系统方案的确定
7
3.1 系统的设计要求
7
3.2 系统总体方案确定
7
3.3 执行机构的选择
9
3.3.1 流量计
9
3.3.2 调节阀
10
3.4 测控系统的工作原理
10
第4章 基于ATmega16的测控系统设计
12
4.1 单片机的选型和特点
12
4.2 测控系统硬件电路设计
15
4.2.1 电源电路
16
4.2.2 时钟电路
17
4.2.3 复位电路
18
4.2.4 键盘设计
19
4.2.5 液晶显示部分
19
4.2.6 压力传感器电路
21
4.2.7 流量计传感器电路
23
4.2.8 PWM控制电路和负载驱动电路
25
4.2.9 温度保护电路
27
4.3 软件设计
29
4.3.1 开发环境
29
4.3.2 控制系统工作流程分析
30
4.3.3 初始化程序模块
31
4.3.4 电机控制模块
31
4.3.5 PID控制模块
32
4.4 系统的MATLAB仿真
35
4.4.1 MATLAB简介
35
4.4.2 电机MATLAB仿真
35
结论
38
致谢
39
参考文献
40
附录1
42
附录2
43
CONTENTS
Abstract
I
Part I Introduction
1
1.1 The background and significance of the subject
1
1.2 Research status of oilfield water injection system
2
1.2.1 The status of foreign research
2
1.2.2 The status of domestic research
3
1.3 The main purpose of this subject and content arrangement
4
1.3.1 Research purpose
4
1.3.2 Main contents
4
Part II The basic operating principle of water injection system
5
2.1 The structure and basic principles of Oilfield water injection
5
2.2 Compare of injection system control
6
2.3 Key parameters
6
Part III Determine the system plan
7
3.1 The requirements of System design
7
3.2 Program to determine the overall system
7
3.3 Choice of implementing agencies
9
3.3.1 Flowmeter
9
3.3.2 Regulating valve
10
3.4 Principles of measurement and control system
10
Part IV Measurement and control system based on ATmega16
12
4.1 MCU selection and features
12
4.2 Control system hardware circuit design
15
4.2.1 The power supply circuit
16
4.2.2 Clock circuit
17
4.2.3 Reset circuit
18
4.2.4 Keyboard design
19
4.2.5 LCD portion
19
4.2.6 Pressure sensor circuit
21
4.2.7 Flowmeter circuit
23
4.2.8 PWM control circuit and load driving circuit
25
4.2.9 Temperature protection circuit
27
4.3 Software design
29
4.3.1 Develop environment
29
4.3.2 Control system workflow analysis
30
4.3.3 Initialization program module
31
4.3.4 Motor control module
31
4.3.5 PID control module
32
4.4 MATLAB simulation of system
35
4.4.1 MATLAB introduction
35
4.4.2 Motor MATLAB simulation
35
Conclusion
38
Acknowledgements
39
Reference
40
Appendix 1
42
Appendix 2
43
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景和意义
石油，被称作“工业的血液”，我国的石油缺口很大，所以石油的开采量及石油资源利用率最大化，成为了重中之重[1]。
在油田开采过程中，为了保持地底油层中的压力，利用注水井将水注入到油层中，地底油层压力大小是和油田的开采时间长短成正比的，开采时间越长，压力越小，油田注水的目的是为了保持油层压力，提高供液能力，降低原油递减率，以达到进一步开采石油的目的，是实现原油高产、稳产的重要手段[2]。特别是油田进入中后期开发阶段，措施增油效果越来越差，稳产难度日益增大，强化有效的注水是目前改善油田开发效果的关键[3]。
当油井压力发生变化时，注水量就会随之改变。目前很多油井注水量主要是人工控制[4]。每口注水井都安装有高压阀门、压力表、高压注水表。所用的注水阀门多为高压闸阀或截止阀，开关时需要人工旋转手轮，用来打开或关闭阀门[5]。操作人员根据注水工艺配注量进行人工调节，由于闸阀或截止阀不适于经常性调节，丝杆和螺母磨损易漏，加之由于人工控制的时间滞后效应，不能对注水出现的异常情况及时处理，特别是夜间，由于压力波动，操作人员不能及时发现并做出处理，使得注水量失控或反吐“倒灌”，严重时造成地底出砂，严重影响油田的稳定开发和安全生产。对于周期短的间注水井和层间矛盾突出或测试难度大的油井，人工测试的控制精度差，注水量调节难度大，工作量大，注水倒流和因此引起的地层出砂现象时有发生[6][7]。另一方面，大部分油田注水压力都在10MPa~30MPa之间，属高压力危险环境，普通闸阀或截止阀易损易漏，在实际中存在着许多的不安全因素，现场人工调节极不安全[8]。另外，注水流量人工调节，程序繁琐，油田为了减员增效，对网络信息化、自动化管理要求极为迫切。此时，需要能自动调节流量的智能注水系统。
1.2 油田注水系统研究现状
1.2.1 国外研究现状
国外油田注水自动化监控工作已有几十年的历史了，上世纪50年代，美国海湾石油公司就建成了世界上第一套自动化监控输送系统（LACT）并解决了原油的自动收集、计量、处理、输送等问题。上世纪六十年代，Arco公司的Iatan East Howard油田将PLC用于注水控制，并快速的发展到其他的领域，例如报警、泵控、撬装等[9]。在上世纪八十年代，作为数字化油田检测的重要组成部分的注水井检测就已经相当发达了，可以实现分布式监测[10]。目前国外油田将现代管理制度引入到油田自动化系统中，可以实现原油开采、存储、加工、销售的全面监控。并且在实际应用中取得了良好的经济效益和社会效益，例如在巴西 Bahia 州，某个油田的 700 口井安装了PLC 自动控制系统，操作人员可以实时遥测遥控现场采油设备[11]，科威特石油公司基于提供高质量且可靠的石油开采和生产信息给技术监管和决策人员的目的设计的 E&P 数据管理系统也是油田生产自动化的典型范例，此系统将计算机技术很好地应用到石油开采中，将位于沙漠地区的 1480 多口油井利用油井管道整合成 19 个采集中心，大大方便了油井管理。
随着科技的发展，近几年的自动化监控技术又有了极大的进步，如:为了达到原油的最大采收率，保持地层压力，英国石油公司建立了自动化监控系统，它通过监测到的地质情况自动控制注水井注水井注入情况；功能强大的 PRC 油田自动控制系统是美国 LUFKIN 公司最近推出的产品，它可以对油井、注水井进行全方位的测量，从而达到自动控制的目的，大大提高了工作效率。并且，代表当前世界最高水平的美国部分油田自动化管理系统中，精确到将原油销售过程中由于温度等因素引起的体积变化导致的销售差额都作为考虑因素[12]；Jeroen 等人在石油开采国际会议上提出了油田脉冲技术，避免了不断调节注水压力来保持流量不变，并在加拿大的油田中得到了很好的应用。虽然国外的油田自动化监测系统功能已经十分齐全，监测水平也远远超过了国内的水平，但是国外的油田自动化监测系统并不完全适用于国内油田，且其价格十分昂贵，制约了在我国的发展推广[13]。
1.2.2 国内研究现状
我国油气田较晚步入到自动化监测控制领域，随着资源的日益匮乏和可持续发展战略的提出，国内油田越来越感受到自动化监控的重要性，所以近些年来将国外的一些比较先进的自动化设备和技术引入到海洋采油平台、西部油田和长输管道方面，经过近十年的发展应用、吸收消化，达到了集中分布式监控阶段，并且正向着智能化、网络化和现代企业自动化方向发展[14]。
我国早在上世纪 60 年代就开始了对油井远程监控系统的研究和开发，国内涉足过此类系统的企业有数百家，但由于技术、科技含量低等问题在实际应用中效果不佳[15]。
20 世纪 90 年代，我国西部的塔里木、海上、吐哈等油田为了提高工作效率，提高采收率，引入了国外的自动化系统，并且取得了良好的效果。这些百万吨油田的操作人员基本控制在 100 人以内[16]。
由于计算机、网络技术的迅猛发展，特别是油井的现代化管理的要求有力促进了油井监控系统的研究和发展，到 20 世纪 90 年代后期，我国的华盛信息技术有限公司、集纳公司、安控公司等在油井监控研究方面取得了可喜的成绩[17]。
当对油田注水系统进行数据采集后，如何应用反馈对执行元件进行控制是关键。传统的控制方法是 PID 控制，但其对大惯性、纯滞后和非线性的系统控制往往整定不良、性能欠佳，而且注水系统需要实时调节，并且实际中有些系统难以用建立数学模型，人们需要非传统的控制方法进行控制[18]。李湘闽、张君等将改进了数字流量阀的 PID控制器，将模糊控制、自适应控制引入到了 PID 控制算法中，流量阀控制性能得到了显著提高[19]。这些实例都为以后的研究提供了可借鉴的思路。
1.3 本课题主要研究目的及内容安排
1.3.1 研究目的
对油田集输、注水泵站生产过程实现自动化管理后，能够提高泵站生产管理及运行水平，主要表现在：
（1）现场生产管理人员通过实时监控站各个生产过程的生产参数，能够及时分析各个生产过程的工作状态，可以预测并发现生产过程中出现的问题，能够大大提高油田站的生产运行质量。
（2）对油田集输、注水泵站生产参数实现自动采集后，可以减少大量的现场值班人员，同时较大幅度降低了现场工人的劳动强度，有利于油田减员增效。
（3）实现油田集输、注水泵站生产过程的全自动化监控，对建成环保、节能、运行效率高、自动化管理水平高的智能化、数字化的油田泵站有着重要意义，它同时也是数字化油田建设的重要组成部分。
1.3.2 主要内容安排
（1）查阅油田注水方面的有关著作，了解油田注水过程存在的问题，研究国内外油田注水流量监控系统的现状及发展趋势。
（2）在了解系统工作原理的基础上，介绍几种注水方式和注水流程，针对系统实现的功能，分析系统耗能的主要原因，并分析了节能的几种主要方式。
（3）提出了系统的总体设计方案，根据设计方案确定了需要的几种相关技术，并根据系统的要求选取了 PID 控制作为控制方法。
（4）搭建系统的硬件平台，选取合适的单片机，控制系统的硬件模块设计由电源管理模块、控制器基本电路、伺服电机控制等模块组成。
（5）编写控制系统软件，软件系统由控制器模块、系统初始化模块、和电机控制模块等几个软件模块组成。
（6）搭建MATLAB软件仿真平台，对PWM控制直流电机进行MATLAB仿真，并对波形进行分析整理。
第2章 油田注水系统基本工作原理
2.1 油田注水系统的结构和基本原理
注水系统是由节点单元（包括注水间、配水间、注水井及管线交汇点）、管道单元（包括注水干线、注水支线）和附属单元（包括阀门、三通、弯头等）组成的，是一个复杂而庞大的水力学系统，同时也是一个大型流体网络系统[20]。
在注水系统中，随着油田注水工作不断进展，新、老联合注水站的污水已成为注入水主要来源，污水经过沉降过滤处理后，用泵打入污水储罐，依据生产指标要求，经过高压注水泵增压后，注入到注水管网中，然后到达各个配水间，再经控制、计量后分配至各注水井，通过各条注水管柱，最后通过配水嘴喷出，注入到地底油层中[21]，注水系统结构图如图 2-1 所示。
SHAPE \* MERGEFORMAT
注水系统整个流程是从水源——净化系统——注水站——配水间——注水井，净化系统实际上是水质处理系统。注水站的主要任务是将处理后符合质量标准的水升压，使其满足注水井注入压力的要求。
由于油田区域分布广，注水管网复杂庞大，注水井的数目也比较多，因此油田注水系统往往不是一个注水站或单个注水间，而是包含有很多注水站、多个配水间。
2.2 注水系统控制方式比较
控制注水的目的是在保证达到地底油层压力的条件下，通过提高注水泵的效率、降低单耗等手段，来达到降低系统功耗、节约电能的目的。对注水系统的控制有三种方式:泵的台数控制、调速控制和阀门节流控制。三种控制方式的比较：
泵的台数控制：优点是控制方式简单，经济性好；缺点是压力变化大，不能连续控制；适用条件为泵的实际扬程大于管道损失或台数多、小容量水泵多的情况。
阀门节流控制：优点是控制方法较简单，可连续控制流量、压力，经济性好；缺点是效率低，有噪音；适用条件为泵的扬程大于管道损失，台数多、中等容量水泵的情况。
泵的调速控制：优点是可连续控制流量和压力，效率高；缺点是初期投资大，并联运转是对控制要求高；适用条件为流量范围大，台数少、大容量水泵和泵实际扬程小于管道损失的情况。
2.3 关键参数
流量、压力、温度是工业自动化领域的三大检测参数。在工业生产中流量测量的意义重大，它可以直接为生产提供消耗的能源数量，进行经济核算，也可以将流量信号作为控制生产的主要参数。地层压力和地层温度是开发油气田的能量，也是油气田开发中重要的基础参数。油气藏地层压力和温度的高低，不仅决定着油气等流体的性质；还决定着油气田开发的方式、油气开采的技术特点与经济成本，以及油气的最终采收率。因此，对一个油气田来说，在勘探阶段以至整个开发过程中，都要十分重视地层压力和温度这两个基础参数的获取、由于油气层深埋地下，多种因素影响着油气层压力和温度，要想准确地获取地层压力和温度特别是不同开发阶段地层压力的确切数值是十分困难的，所以要精心的做好地层压力的测试、计量和计算工作。
第3章 系统方案的确定
3.1 系统的设计要求
对于油田注水智能监控系统，从油田生产和实际需要出发，要求系统有如下功能:
（1）可靠性:第一，传感器超过量程时不会损坏；第二，现场所有仪表要具有较强的防水、防磁、防爆、耐高低温、抗振特性。
（2）准确性:压力、温度、流量等参数的计量误差小于 5%。
（3）安全性:一是软件访问网络的权限要实施保密和防护，以保证数据的安全；二是为了保证系统不因系统问题而造成事故发生，系统要采用防爆结构；三是为了保证系统数据的正常传输，所有电缆要埋于地下并且要有管保护；四是系统对每一个动作操作提供检查和校核，操作有误时，被禁止并报警。
（4）良好的开放性和扩充性:现场总线通讯网络结构的采用使系统设备可方便灵活的进行扩充，可根据泵站的要求及需要进行设备的增加。硬件的设计具有开放性，所有的硬件均为模块化，构成一个通用、开放的结构体系；这就允许系统随时增加新的标准设备，构成有机整体结构。
3.2 系统总体方案确定
方案一：传统PID控制，这种控制方式在很多情况下，PID控制器只需要一到两个单元就可以达到目的，并不需要三个单元一起来调节，但是这些单元中必须要有比例控制单元。PID控制原理简单、使用方便、适应性强、鲁棒性强等优点。PID控制器在实际应用中同样存在着缺点，当其在控制时变、耦合、非线性及参数和结构不确定的复杂系统时，在系统静态和动态性能之间，跟踪设定值与抑制扰动能力之间存在着矛盾，通常使用折中的办法，使系统不能获得最佳的控制效果。PID控制器在实际的工程应用中参数整定相当繁杂，需要通过试凑法等方法来实现，影响了PID控制器的性能，对于实际的工程运行状况适应性差，所以常规PID控制在实际应用中受到了限制。
方案二：采用AVR单片机与PID控制相结合的方式，弥补PID控制中的不足，结合两者优点，利用单片机与计算机的结合，编成计算机可以接受的控制方式，让计算机代替人力来进行有效地，实时控制。本次实验采用第二种方案。
本设计的油田注水智能监控系统，结合油田注水环境及流量控制的特点，确定注水监控系统的总体设计方案，以期达到稳定高效安全的实现注水系统的监测及控制的目的，保证注水质量，提高原油生产率。
油田注水智能流量监控系统整体框图如图3-1示，系统的检测元件为压力计、温度计、流量计，选用流量为主要的被控对象，并由控制电路调节阀门，完成对流量的调节，达到所需要的流量标准。
在工业控制领域控制主机有多种选择，本系统选用有高性价比的低功耗ATmega16系列单片机为主机。ATmega16单片机具有耗电量小，适用温度范围宽，小巧灵活，成本低，易于产品化，抗干扰能力强等特点，非常适合油田注水环境。
本系统充分利用 ATmega16单片机的高性能，结合LCD、键盘、压力计、流量计、阀门等，组建一个具有良好的人机交互界面的油田注水监测控制系统。系统利用流量计对油田注水流量进行计量，并把实时的流量值传送给 ATmega16单片机，ATmega16根据事先设置的预定值和检测值的差值控制阀门的开启，并根据流量值的反馈值，实时调整阀门状态，调节注水量；同时将相关的数值进行记录存储，并在 LCD 上进行查询显示。
图3-1 油田注水智能控制系统整体框图
鉴于油田环境恶劣，电磁干扰较强，温度和湿度变化范围较大，空气中含腐蚀性气体浓度高，野外供电不方便和成本问题，系统选用了8位的、具有先进指令集的高性能、低功耗的AVR微处理器，ATmega16单片机。
3.3 执行机构的选择
3.3.1 流量计
流量仪表即使在实验中获得很高的精度，但在油田现场不一定会出现相同的精度，因为流量仪表对于使用条件的依赖十分强烈，性能会随着条件的变化而变化。油井的温度大概是80~180℃，注水压力范围一般在15~50MPa之间，流量范围最大约为40~0.1m3/h（400:1），且液体中含有气体，仪表容易被腐蚀，一般的流量仪表很难适应这种恶劣的环境。本系统根据现场工作条件，选用容积式流量计FLOMEC OM004。
FLOMEC OM004容积式流量传感器两大优势：
（1）活动的机械部件仅有两个椭圆齿轮，有利于系统运行的可靠性和稳定性。
（2）脉冲电压输出信号，这种信号适合AVR 单片机处理。
综上，FLOMEC OM004容积式流量传感器具有抗干扰能力强、可靠性高、输出脉冲稳定性好、体积小等优点，适合本次设计的应用场所。
3.3.2 调节阀
在自动调节系统的设计中，调节阀的选择是一个十分重要的环节。正确选择调节阀，合理地确定水泵的扬程，还有明显的节能效果。
调节阀是按照控制信号的方向和大小，通过改变阀芯行程来改变阀的阻力系数，达到调节流量的目的。
随着科技的发展，出现了智能调节阀，它具有控制、保护、诊断等功能，集常规调节阀检测、控制、调节于一身的现场智能控制器，可以根据系统工作过程中的流量、阀门开度、压力变化等情况及时调整，使系统系统可以更好的工作。
调节阀在现场使用中，会出现各种各样的问题，其中很多问题是由调节阀的安装使用不当造成的，所以在调节阀在安装过程中需要注意一下以下几方面:
（1）调节阀属于现场仪表，环境温度应该在-25~60℃范围，相对湿度≤95%。在高温或露天场所要增加降温、防水措施。
（2）调节阀只有在特殊情况下可以倾倒，一般应垂直安装，在阀本身过重或倾斜角度太大时，应该对调节阀增加支承件。
（3）执行机构的减速器在维护时要注意加润滑油，一般不要拆洗低速电机。当调节阀安装后，要注意检查阀门开度显示与实际的开度是否相符。
3.4 测控系统的工作原理
仪器测控系统是泵站实现自动化最基础、最重要的组成部分，其可靠性和精度直接影响泵站的正常运行，因此熟悉测控系统的工作原理具有重要的意义。
整个测控系统对提高注水生产的效率具有非常重要的作用。它所完成的主要功能是对实现参数进行采集，并转换成电流标准信号，送到显示仪表、控制仪表或单片机的输入端，通过对采集到的数据进行记录分析、比较，达到实现对注水泵的压力、流量的调节，实现系统的自动保护、报警功能。系统装置内的逻辑控制保护电路部分，能够自动进行超限报警保护、自动停泵保护、安全状况下重新启动等功能。
本设计采用流量值作为控制系统的调节参数，检测控制系统主要由流量计（测量机构）、电机控制阀门（控制器）、电动机（执行机构）和被控对象（流量值）构成。如下图所示。
图3-2 检测控制系统结构图
由采集模块中流量计、压力计测得的流量值和压力值输入到单片机中，与单片机中设置的流量值上、下限值进行比较，可以得到实际值与预设值的偏差，通过单片机内的控制算法，可以由偏差计算出电动机的转动量，电机阀门调节的流量值输出量，完成整体控制。
注水监测系统的主要组成部分是以ATmega16单片机为核心的控制器，控制器通过流量计所检测的流量值来控制阀门调节，即对电动机转动量的调节，以达到保持地底压力的目的。通过程序设定注水井压力A1和注水流量值B1，通过压力计和流量计采集实时压力值A2和流量值B2，压力传感器将实时压力信号转化为电信号，通过放大滤波，数模转换传入单片机中与预设值A1进行比较，当A1>A2，单片机发出开阀门信号，经保护电路、隔离放大电路和驱动放大电路后驱动电动机，即驱动电机阀门的开关和转动量。随后，流量计检测流量值大小传入单片机，进行数据分析比较，判断实际流量值B2与预设值B1的大小，当B2=B1时，阀门不动；当B1>B2或B2>B1时，根据流量差值计算电动机转量，利用单片机来驱动电机，进而达到控制电机阀门的开关度的目的，实现电机阀门的正转和反转，实现自动控制，直到B1=B2，装置自动停止调节。
第4章 基于ATmega16的测控系统设计
测控系统硬件部分主要由单片机的流量采集、压力采集、温度采集和电机控制等组成。本设计选用ATmega16系列单片机，所设计的产品较适合用于工业环境下，并且具有低功耗、开发方便等特点。
4.1 单片机的选型和特点
ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
ATmega16实物图如下：
图4-1 44引脚TQPF封装实物图 图4-2 40引脚PDIP封装实物图
ATmega16管脚图如下：
图4-3 44引脚TQPF封装管脚图 图4-4 40引脚PDIP封装管脚图
ATmega16是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区（Application Flash Memory）。在更新应用Flash存储区时引导Flash区（Boot Flash Memory）的程序继续运行，实现了RWW操作。通过将8位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。
产品特性：
– 高性能、低功耗的8位AVR微处理器
– 先进的RISC结构（简单指令结构）
– 131条指令–大多数指令执行时间为单个时钟周期
– 32个8位通用工作寄存器
– 计数/定时器：2个8位，1个16位
– 全静态工作
– 工作于16MHz时性能（最大吞吐量）高达16MIPS
– 只需两个时钟周期的硬件乘法器
– 非易失性程序和数据存储器
– 片内数据存储器：16K字节的系统内可编程Flash，512字节的EEPROM（电可擦除可编程ROM）
擦写寿命: 10，000次
– 具有独立锁定位的可选Boot代码区通过片上Boot程序实现系统内编程真正的同时读写操作
擦写寿命：100.000次
– 1K 字节的片内SRAM
– 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密
· JTAG接口（与IEEE1149.1标准兼容）
– 符合JTAG标准的边界扫描功能
– 支持扩展的片内调试功能
– 通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程
· 外设特点
– 两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器
– 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器
– 具有独立振荡器的实时计数器RTC
– 四通道PWM
– 8路10位ADC
8个单端通道
TQFP封装的7个差分通道
2个具有可编程增益 （1x，10x，或200x）的差分通道
– 面向字节的两线接口
– 两个可编程的串行USART
– 可工作于主机/从机模式的SPI串行接口
– 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器（WatchDog）
– 片内模拟比较器
· 特殊的处理器特点
– 上电复位以及可编程的掉电检测
– 片内经过标定的RC 振荡器
– 片内/片外中断源（共有21个中断源）
– 6种睡眠模式:空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及
扩展的Standby模式
· I/O和封装
– 32个可编程的I/O口
– 40引脚PDIP封装，44引脚TQFP封装，与44引脚MLF封装
· 工作电压:
– ATmega16L：2.7-5.5V
– ATmega16：4.5-5.5V
· 速度等级
– 0-8MHz ATmega16L
– 0-16MHz ATmega16
· ATmega16L在1MHz，3V，25°C时的功耗
– 正常模式:1.1mA
– 空闲模式:0.35 mA
4.2 测控系统硬件电路设计
油田注水流量监控系统主要由键盘输入模块、信息采集模块、显示模块、报警模块和CPU处理模块等组成，系统的原理框图如图4-5所示。
信息输入模块通过采集传感器采集压力、温度和流量等信号。显示模块则采取了显示效果较好的液晶显示模块。
图4-5 系统原理框图
整个系统的结构一目了然，信息采集模块直接与ATmega16 连接，简化采集设计，增加系统的可靠性。通过单片机的P0口来实现键盘输入，由于P0口具有中断功能，实现起来非常容易，同时也适合软件编程。电源和复位模块主要是为系统提供可靠的电源，另外系统工作需要复位功能，需要提供复位信号。报警模块是为了当注水流量出现异常时，给予提示。显示模块用以显示实时的测量值，以便进行读取。
4.2.1 电源电路
本设计中主电路及控制电路用电电压为5V，传感器供电电压为15V，本次设计电源电路采用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源，其所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如设计中用到的7805表示输出电压为+5V，7915输出电压为-15V，在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。在78**、79**系列三端稳压器中最常应用的是TO-220和TO-202两种封装。这两种封装的图形以及引脚序号、引脚功能如下图所示。从正面看①②③引脚从左向右按顺序标注，接入电路时①脚电压高于②脚，③脚为输出位。如对于78**正压系列，①脚高电位，②脚接地，③脚为输出位；而对于79**负压系列，①脚接地，②脚接负电压，③脚为输出位。
图4-6 78系列封装图
7805三端稳压IC内部电路具有过压保护、过流保护、过热保护功能，这使它的性能很稳定。能够实现1A以上的输出电流。器件具有良好的温度系数，因此产品的应用范围很广泛。可以运用本地调节来消除噪声影响，解决了与单点调节相关的分散问题，输出电压误差精度分为±3%和±5%。7815为三端正稳压器电路，TO-220F封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达1A。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。
一般的双电源（正负对称电源）都没有连续可调的功能，给使用带来一定程度上的不便。用一块7815和一块7915三端稳压器对称连接，可获得一组正负对称的正负15V稳压电源。电源电路原理图如下图所示。
图4-7 电源电路
4.2.2 时钟电路
本次设计中的时钟电路采用单片机内部时钟加上外部晶振的方式。这种时钟的方式简单，成本低廉，虽然精度稍差，但是不影响整体运行情况。外部电路图如下图所示。
图4-8 时钟电路
4.2.3 复位电路
无论用户使用哪种类型的单片机，总是要涉及到复位电路的设计，它的性能好坏直接影响到整个系统工作的可靠性，如果设计的复位电路不可靠，会引起“死机”、“程序走飞”等现象。复位电路是在系统上电或者复位过程中，控制 CPU 的复位状态，防止 CPU 发出错误的指令、执行错误操作，提高电磁兼容性能。复位电路可以采用矩阵搭载单片机内部RESET管脚来复位，或者是使用复位芯片来实现。本系统选用搭载电路，利用单片机内置RESET管脚来实现电路的复位，采取一键复位。复位电如图 4-9所示。
图4-9 复位电路
4.2.4 键盘设计
该扫描键盘由4个按键组成，为了实现中断功能，选用PA2、PA3、PA4和PA5作为键盘的输入端，按键接上拉电阻，若无按键按下，为高电平，若有健按下，则为低电平，这时通过设置低电平触发中断方式，低电平就触发中断而进入中断服务程序，从而获得输入的数据，S1为设置按键，第一次按下为压力预设值设置，第二次按下为流量预设值设置，第三次按下为温度预设值设置，第四次按下为设置完成，循环设定；S2为换档键，换档键是更换输入加减键位的数量档初始档位为1，按下后变为10，再按下重新变为1，循环；S3为预设值加，每次按下预设值增加1或10，档位通过换档键设置；S4为预设值减，用法与S3相同。
键盘模块电路图如图4-10所示。
图4-10 键盘电路
4.2.5 液晶显示部分
测试现场的数据需要存储，并且在液晶显示屏上显示出来，例如流量计所测得的瞬时流量，同时单片机求得一段时间内的压力值，压力值是否在要求范围内，都要根据ATmega16的时钟电路按照日期显示，以便可以随时查阅历史记录，为油田注水提供依据。
液晶显示模块是一种将液晶显示器件、背光源、PCB（Printed circuit board）线路板、集成电路、连接件、结构件装配在一起的组件。几乎所有的通用型点阵液晶显示器件都是加工成模块后才供给用户的，所以通常所说的“模块”主要是指点阵液晶显示器装配的点阵液晶显示模块，这和广义上所说的模块，即模块是由液晶显示器件和集成电路装配在一起的部件有所不同。
液晶显示器件本身不发光，它主要是通过背光源滤光并且通过电路板给显示器件供电通过不同的占空比驱动来显示。
液晶显示器具有功耗低、体积小、质量轻、超薄等优点，LCD（Liquid Crystal Display）液晶显示器弥补了LED（Light Emitting Diode）显示效果不够美观、不能显示图形和汉字等特点，不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、汉字和曲线。
本设计中选用型号为1602液晶显示屏，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。
ATmega16单片机内部并具有LCD 控制寄存器和显示寄存器，可以将采集到的数据进行显示，外部搭载时钟模块可以实现实时信息比较，将采集到的压力值、流量值、温度值与预设值进行比较，通过LCD进行显示。
图4-11 LCD1602显示电路
4.2.6 压力传感器电路
随着集成电路和半导体的发展，人们利用半导体材料的压阻效应原理，研究出半导体力敏传感器，半导体力敏传感器之中的硅压阻式压力传感器具有性价比高、体积小等优点。本设计根据应用场合，实现测量液体压力的要求，确定选型采用扩散硅压力传感器，此种传感器满足检测环境，方便安装，稳定性好，价格便宜的特点。
（1）扩散硅型压力传感器工作原理和构成
工作原理：
被检测的液体的压力作用在传感器的膜片上时，传感器膜片就会产生位移量，此位移量与液体压力成正比，从而引起传感器的电阻值随之相应的改变。传感器的内部电路检测到阻值变化时，就将这种阻值变化转换成与压力相对应的标准检测信号。使用硅材料的压力传感器一般都是压阻式传感器，这种传感器属于微型化的传感器。
压阻效应机理：
被测介质有力作用于硅晶体后，晶体的晶格发生变形，这个过程载流子自一个能谷向另一个能谷漂移，致使载流子的迁移率发生改变，引起载流子纵向量和横向量的波动，硅的电阻率也随之产生改变。硅晶体的压阻效应与晶体的取向有着紧密关系，硅晶体的压阻效应与金属应变产生的压阻是不同的，硅晶体电阻是外界压力引起的电阻率变化决定的，金属电阻则是由金属变形的形变量决定。前者的灵敏度极高，所以在系统检测压力时能够达到高精准度。
压阻式压力传感器的结构：
压阻式压力传感器也被称作固态压力传感器，它是通过硅膜片感应压力。压阻式压力传感器是采用高集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上，同时将芯片固定在封装外壳内，拉出信号引线。引线的一端是硅膜片与被测介质相通的高压腔，引线的另一端则是硅膜片到与大气相连接的低压腔。其制成工艺为圆形硅膜片中N型域内扩散出4条掺杂P杂质的电阻条，连接为全桥型。掺杂P杂质的电阻条有两个在压应力区，另外的两个则在拉应力区，他们对称分布在膜片两侧。
（2）设计选择PRC-801压力传感器
PRC-801压力传感器实物图如图4-12所示，该产品压力敏感元件采用扩散硅充油芯体，稳定性好。外壳采用不锈钢壳体，具有耐腐蚀性，方便安装。高性能、高可靠性、全固态、耐腐蚀，不锈钢全焊接结构及“0”型圈密封结构，恒压源供电。
图4-12 PRC-801压力传感器实物图
PRC-80 压力传感器技术指标如下表所示：
表4-1 压力传感器技术指标
量程范围 0~100Mpa 测量精度 0.5%/0.2%FS
输出形式 功率输出管的集电极 压力接口 电压比较器的输出端
瞬时过载 功率输出 压力形式 电源输出端
长期稳定性 定时电容 供电 9~36VDC
响应时间 ≤10ms 介质温度 -30℃~85℃
压力检测由压力传感器PRC-801 和CPU的A/D功能实现。PRC-801的工作范围广，线性度好，灵敏度较高。PRC-801输出的是电压信号，经过放大电路放大后，输入单片机。
运放A4采用LM324通用运放，以恒流驱动传感器，输出电流为1.5mA。从压力传感器输出端取出的电流要变换为差动电压输出。因此，要采用阻抗高、仅放大差动电压的电路。在这里A1和A3亦选用LM324，构成差动输入与差动输出的放大电路。由于输出电压很小，约为60mV~70mV，因此，如果要求测量精度高，必须选用失调电压很小的运放。
若要求放大电路输出电压为0~1V，则要求放大电路增益为5.5倍到17倍，以为压力传感器输出为60mV~180mV。因此电路增益G科表示为：
硬件电路如图4-13所示。
图4-13 压力传感器放大电路
4.2.7 流量计传感器电路
流量传感器信号用于实现将油路中的流量输出转换为脉冲电压信号，反馈给单片机进行处理并将测量数据与内部预设值比较，调节电机转速，为了实现对流量进行采样，本系统采用FLOMEC OM004椭圆齿轮流量计作为智能传感器，它将测到的流量转换为脉冲形式的电压信号输出。
FLOMEC OM004流量计为不同行业所要测量的流体、或液体提供精确的体积测量。应用行业之广，使用领域之多。FLOMEC OM004流量计之所以被广泛应用，是因为其采用先进的生成工艺，能够精确地实现测量流量，是一种精密度极高的流量检测设备。
FLOMEC OM004容积式流量计技术参数要求精度：±1%重复精度、±0.03%流量范围、2~100L/h压力、2~8公斤黏度：3~400立波材质、不锈钢4~20毫安，定标脉冲。外形结构如图4-14所示。
图4-14 FLOMEC OM004实物外形
FLOMEC OM004小型容积式流量传感器是一对椭圆齿轮端面上镶有四块磁体，当椭圆齿轮因存在压差产生旋转时，磁铁将伴随着齿轮进行同步转动。传感器的感应探头被放置在磁体运转的轨道中，当椭圆齿轮运行到感应探头时，此刻其作用相当于提供磁感应强度为B的磁场，当磁场方向与流过探头的电流方向垂直时；由于存在洛伦兹力，导致导体片的电阻率因运动方向的偏转而增大，这个过程被称为半导体磁阻效应。磁感应探头电阻增大时，由磁性金属薄膜电阻组成桥路放大器会产生不平衡，此时桥路就会输出高电位。齿轮旋转离开探头时，由于不存在磁场作用，其电阻值没有变化，此时桥路处于平衡状态，输出低电位。由以上理论得出，齿轮旋转一圈时，桥路放大器一共输出四个脉冲，这些脉冲的宽度与齿轮转速成正比关系。脉冲电压信号经放大整形后，输出信号为5V，送进单片机，内部结构如图4-15所示。
1 传动轴总集成 2 转子总集成 3 机身安装O 型圈4 仪表盖 5 机身安装螺丝 6 脉冲输出板
7 输出板安装螺丝 8 端盖O 型圈 9 外端盖 10 端盖安装螺丝
图4-15 流量传感器内部结构图
FLOMEC OM004容积式流量传感器两大优势：
（1）活动的机械部件仅有两个椭圆齿轮，有利于系统运行的可靠性和稳定性。
（2）脉冲电压输出信号，这种信号适合AVR 单片机处理。
综上，FLOMEC OM004容积式流量传感器具有抗干扰能力强、可靠性高、输出脉冲稳定性好、体积小等优点，适合本次设计的应用场所。
采用FLOMEC OM004流量计，最小流量数据采样小于10秒（最大脉冲周期2.4922sec）。大流量时，保证时间计数器最小读数1000，采用16位计时计数器，计数下限为210=1024，上限为214=16384。采用固定的时钟频率1KHz（1msec）最大流量保护，设定流量最大值，一旦超过此值，反馈给单片机，控制电机从而控制阀门开度，降低流量，保护系统安全性。最小流量检测，设定最大时间脉冲数，若实测脉冲数超过此值，则认为该通道没有喷油或流量过低，控制阀门开度增大，增加流量。
放大电路设计如图4-16所示。
图4-16 流量传感器放大电路
4.2.8 PWM控制电路和负载驱动电路
本文中的电动机选用直流伺服电动机，它是控制电动机的一个种类，又称为执行电动机，可以把输入的电压信号变换为轴上的角位移和角速度的输出。
直流伺服电动机的结构和直流电动机相同。它由定子和转子两大部分组成。磁极安装在定子上，电磁式伺服电动机的定子磁极上绕有励磁绕组。伺服电动机和普通电动机的最大区别是在于其电枢铁心长度和直径之比，比普通电动机的要大，气隙也较小。
直流伺服电动机的工作原理是当定子中的励磁磁通和转子中的电流相互作用时，电磁转矩就会产生，从而驱动电枢转动，改变控制转子中电枢的电流方向和大小，就可以控制伺服电动机的转动速度和转动方向。电枢电流为零时，伺服电动机则停止转动。
脉宽调制PWM（Pulse Width Modulated）是对输出方波的一个周期中高电平和低电平所占的时间比例进行调整。
PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换，让信号保持在数字形式减小了噪声的影响。因为PWM控制具有控制简单、灵活和动态响应好的特点成为电力电子技术最广泛应用的控制形式。
在PWM调速时，占空比是一个重要的参数。在一个周期T内开关导通时间与周期的比值就是占空比。当电源电压不变，占空比大小决定着电枢电压平均值的大小，改变占空比就可以达到调速的目的。在ATmega16中，定时器A、B均带有多个捕获/比较寄存器，同时可实现多路PWM输出。
直流电动机PWM控制系统有可逆和不可逆系统之分。可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转；不可逆系统是指电动机只能单向旋转。对于可逆系统，可又分为单极性驱动和双驱动方式两种。单极性驱动是指在一个PWM周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的，双极性驱动的脉冲电压则是正负交替的。
本系统因为要控制阀门的开关，同时双极性系统具有电流波动大，功率损耗较高的特点，所以选用单极性可逆系统。单极性驱动也有T型和H型之分，我们选用H型驱动。
采用专用集成电路芯片可以很方便的组成单片机控制的直流伺服系统，LM629是一种功率集成芯片，它的主要功能是电机驱动，是由美国国家半导体公司生产的。
图 4-17 应用LM629组成的位置伺服系统。LM629的I/O口D0~D7与单片机的PC口相连，用来从单片机传送数据和控制指令。ATmega16的PD3引脚与LM629的片选相连，作为选中LM629的地址线。引脚PD7与LM629的PS相连，作为另一条地址线。当PD7=0时，ATmega16可以向LM629写指令，或从其中读状态；当PD7=1时，ATmega16可以向LM629写数据，或从中读信息。
ATmega16的主要工作就是向LM629传送运动数据和PID数据，并通过LM629对电动机进行监控，LM629则根据ATmega16发来的数据生产速度图，进行位置跟踪，进行PID 控制和生成PWM信号输出。
LM629的2个输出PWMS和PWMM经光电隔离与驱动芯片LMD18200相连，来驱动直流电机运行，并通过增量式光电编码器来进行转速反馈。
光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。增量式光电编码器是码盘随位置的变化输出一系列的脉冲信号，然后根据位置变化的方向用计数器对脉冲进行加/减计数，以此达到位置检测的目的。它是由光源、透镜、主光栅码盘、鉴向盘、光敏元件和电子线路组成。增量式光电编码器输出两路相位相差90o的脉冲信号A和B，当电机正转时，脉冲信号A的相位超前脉冲信号B的相位90o，此时逻辑电路处理后可形成高电平的方向信号Dir。当电机反转时，脉冲信号A的相位滞后脉冲信号B的相位90o，此时逻辑电路处理后的方向信号Dir为低电平。因此根据超前与滞后的关系可以确定电机的转向。
驱动电路如图4-17所示。
图4-17 伺服电机驱动系统
4.2.9 温度保护电路
本设计中温度保护电路中的温度传感器采用DALLAS公司的DS18B20数字温度传感器，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
DS18B20在出厂时以配置为12位，读取温度时共读取16位，前5个位为符号位，当前5位为1时，读取的温度为负数；当前5位为0时，读取的温度为正数。温度为正时读取方法为：将16进制数转换成10进制即可。温度为负时读取方法为：将16进制取反后加1，再转换成10进制即可。
DS18B20的主要特性：
（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；
（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；
（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；
（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；
（5）温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；
（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；
（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；
（8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；
（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
DS18B20引脚定义：
（1）DQ为数字信号输入/输出端；
（2）GND为电源地；
（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
DS18B20实物图及封装图如下图所示。
图4-18 DS18B20实物图及封装图
本文使用DS18B20与主控单片机ATmega16相结合，控制温度检测显示在LCD显示屏上，并且设置报警温度，当温度高于预设高温报警温度时，将会致使蜂鸣器报警，并中断整个注水控制系统，使电机停止转动控制阀门停止开度，保证电机的正常运转，不被烧毁，从而保护整个注水控制系统的安全性。
温度保护电路部分原理图如图4-19。
图4-19 温度保护电路图
4.3 软件设计
4.3.1 开发环境
许多第三方的厂商为AVR系列单片机开发了对应的AVR单片机C编译器，每个C编译器各有特点。其中比较主要的有：CVAVR（CodeVisionAVR）、EWAVR（IAR Embedded Workbench）、ICCAVR、WinAVR（GCCAVR）。EWAVR由IAR公司推出，ICCAVR由ImageCraft公司推出。
本次设计中采用ICCAVR来编译程序，ICCAVR是一种符合ANSI标准的C语言来开发MCU（单片机）程序的一个工具，功能合适、使用方便、技术支持好，它主要有以下几个特点：
1、ICCAVR是一个综合了编辑器和工程管理器的集成工作环境（IDE）；
2、源文件全部被组织到工程之中，文件的编辑和工程的构筑也在这个环境中完成，错误显示在状态窗口中，并且当你点击编译错误时，光标自动跳转到错误的那一行；
3、该工程管理器还能直接产生 INTEL HEX格式文件的烧写文件（该格式的文件可被大多数编程器所支持，可以直接下载到芯片中使用）和符合 AVRStudio的调试文件（COFF格式）。
4、ICCAVR是一个32位的程序，支持长文件名。
5、ICCAVR是一个综合了编辑器和工程管理器的集成开发环境（IDE），是一个纯32位的程序，可在 Win 95、Win 98、Win ME、Win NT、Win 2000、Win XP和Win 7环境下运行。
4.3.2 控制系统工作流程分析
智能流量监控系统的软件主要由主程序、中断服务程序、子程序等组成。子程序主要包括PID控制子程序、电机控制子程序等。测控系统平时处于低功耗状态，当有外部中断信号时，才开始执行程序，达到低功耗设计的目的。其流程图如图 4-20 所示。
图4-20 智能流量控制系统流程图
4.3.3 初始化程序模块
在ATmega16测控系统设计中，用中断方式实现全部功能，主程序初始化后，开中断进入到低功耗模式死循环，当有中断时，CPU从低功耗模式唤醒，进行中断处理，当执行完后再返回低功耗死循环。其流程图如下。
图4-21 ATmega16程序流程图
4.3.4 电机控制模块
电机控制是利用超声波流量计测得的流量值通过计算与设定值的偏差来控制，采样周期设为20分钟，由定时器A实现该功能，当要采集数据时，将ATmega16单片机从低功耗模式唤醒，采集数据并存储，并计算测量值与流量值的偏差，若为零，不用调节，否则根据单片机内部的控制规则表来决定是正转还是反转，达到控制流量的目的。其流程图如图 4-22 所示。
图4-22 电机控制模块流程图
4.3.5 PID控制模块
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器结构简单、工作可靠、稳定性好、调整方便，成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能得到精确的数学模型，控制理论的其他技术难以实现时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和调试来确定，这时采用PID控制最为方便。PID控制器是根据系统产生的误差，利用比例、积分、微分来计算出控制量进行控制。
比例（P）控制
比例控制是最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。仅有比例控制时系统存在稳态误差。
积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自控系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，就称这个控制系统是有差系统。为消除稳态误差，所以在控制器中引入积分项。随着时间的增加，积分项会增大。这样，即使误差很小，积分项也会随着时间而增大，它使控制器的输出增大，使稳态误差进一步减小，直到为零。因此，比例积分（PI）控制器，可以在静茹稳态后使系统稳态误差为零。
微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系。自控系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。原因是存在有较大惯性的组件或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差变化。解决办法是使抑制误差的变化“超前”，即在误差接近于零时，抑制误差的作用就应该为零。所以对具有较大惯性或滞后的被控对象，采用比例微分（PD）控制器能够改善系统在调节过程中的动态特性。
在连续控制过程中，采用增量式数字PID程序对脉冲输出进行控制，此算法结构简单，参数易于调整。
增量式数字PID的数学表达式为
式中
——比例系数；
——采样周期；
——微分周期；
——积分周期；
——积分系数，
；
——微分系数，
。
下图为软件实现PID算法流程图。
图4-23 PID算法流程图
4.4 系统的MATLAB仿真
4.4.1 MATLAB简介
MATLAB是Math Works公司于1984年推出的数学软件，是一种用于科学工程计算的高效率的高级语言。MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵实验室，主要向用户提供一套完善的矩阵运算命令。随着数值运算的演变，它逐渐发展成为各种系统仿真、数字信号处理、科学可视化的通用标准语言，由于MATLAB软件完整的专业体系和先进的设计开发思路，使得MATLAB在多种领域都有广阔的应用空间，特别是在科学计算、建模仿真以及工程系统的设计开发上，已经成为业内的首选工具。
MATLAB具有其他高级语言无法比拟的一些优点，例如编写简单、编程效率高、简单易懂等，因此MATLAB语言也被通俗地称为“演算纸式的科学算法语言”。MATLAB由主包和功能各异的工具箱组成，其基本的数据结构是矩阵。
4.4.2 电机MATLAB仿真
本次设计选用直流电动机的额定参数PN=2.2kW、UN=220V、IN=10A、nN=1480r/min，Ks=30，电动势系数Ce=0.136V/min/r。选取电动机参数为Ra=1.5Ω，La=0.5H，Ka=0.015，Kb=0.015，f=0.3Nms，Ja=0.02kg·m2.。分别以电动机的电枢电压和负载力矩为输入变量，以电动机的转动速度为输出变量，在MATLAB中建立电动机的数学模型。
>> Ra=1.5;La=0.5;Ka=0.1;
>> Kb=0.1;f=0.3;Ja=0.02;
>> G1=tf(Ka,[La Ra]);
>> G2=tf(1,[Ja f]);
>> dcm=ss(G2)*[G1,1];
>> dcm=feedback(dcm,Kb,1,1);
>> dcm1=tf(dcm)
Transfer function from input 1 to output:
10
---------------
s^2 + 18 s + 46
Transfer function from input 2 to output:
50 s + 150
---------------
s^2 + 18 s + 46
下图为电机数学模型函数图。
/
图4-24 电机数学模型函数图
系统基于MATLAB的仿真部分为PID控制的直流电机调速部分，基于Simulink的结构图如图4-25所示。
图4-25 基于MATLAB中Simulink的结构图
图4-26 PID仿真波形图
结论
本文在分析了国内外油田注水监控现状的基础上，从我国油田生产的实际出发，设计了一套基于ATmega16的油田注水智能监控系统，以流量计和压力计作为测量工具，以ATmga16作为控制中心，以直流电动机作为执行机构，实现油田注水的智能控制，同时利用LCD显示技术将采集到的数据显示出来，更直观的观测数据。
在课题研究的过程中，主要完成了以下工作:
（1）开发了以ATmega16低功耗单片机为主控芯片的系统硬件平台，设计了控制系统的硬件模块和电路，实现了数据采集、存储、显示以及直流伺服电动机的控制等。
（2）将增量式PID控制器与单片机结合引入到系统当中，相较于传统的 PID 控制具有调节时间短、鲁棒性强等优点，并利用增量式PID控制达到间歇性控制的目的，减少执行结构的动作次数。
（3）利用MATLAB对电机进行数学模型的构建，并用Simulink对PID控制电机部分进行仿真，输出PID控制波形。
致谢
感谢我的指导教师任思璟，本文是在他热切的指导、鼓励与关爱下顺利完成的。在毕业设计过程中我看到的是一个博学多才、认真负责的任老师，任老师以他的谦逊、豁达的胸怀让我领受到的教师的智慧和本色。让我深深地体会到人类心灵工程师的风采。
论文题目虽然是我自己选定的，可里面也蕴涵着任老师曾经挥洒过的汗水和功劳，没有任老师，不会有本问的出现，任老师让我学到很多东西，他是我一生的榜样，永远的恩师。
在这短短的毕业设计期间，得到了同学的帮助和支持，与他们相处的时刻、点点滴滴都是我永远难忘的美好回忆，忠心的表达我对他们的友爱和感谢！
学校也给我提供了一个安静舒适的设计环境，让我在无受外界干扰的情况下完成论文。
在论文中的写作过程中也参阅了大量的文献资料，在此对各位作者表示感谢！再次向我的导师任思璟表示衷心的感谢！
参考文献
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附录1
附录2
程序清单：
#include
#include
#include "delay_Accurate.h"
#define SEI() asm("sei")
#define CLI() asm("cli")
#define RD_KEY() (5>>((PINA|0x0F))>>2)//四按键接于PA2-PA5
volatile unsigned char i=0; //转动计数
volatile unsigned char m=1; //驱动方式参数
volatile unsigned char n=0; //转动方向参数
volatile unsigned int RunSpeed=61500; //转速数据
/****************************
* 端口配置函数 *
****************************/
void Port_Init(void)
{
PORTA = 0xF0;
DDRA = 0x0F;
}
/****************************
* 正转操作函数 *
* 入 口：a 三种工作方式 *
****************************/
void bj_fs(unsigned char a)
{
PORTA|=(1<>8;
TCNT1L = RunSpeed&0xFF;
TCCR1A = 0x00;
TCCR1B |= (0<>8;
TCNT1L = RunSpeed&0xFF;
//PORTD &= 0xF0;
PORTD ^= (1<2)
m=1;
break;
case 0x08: //S2键处理：换挡
if(n)
n=0;
else
n=1;
break;
case 0x01: //S3键处理：转速增加
RunSpeed += 100;
if(RunSpeed>62000)
RunSpeed=62000;
break;
case 0x02: //S4键处理：转速降低
RunSpeed -= 100;
if(RunSpeed<5000)
RunSpeed=5000;
break;
default:
break;
}
}
while(key) //等待按键释放
{
Delay_ms(10);
key=RD_KEY();
}
}
}
}
/**********delay_Accurate.h*************************************************
毫秒级精确延时(ICC AVR)
*************************************************************************/
#define xtal 7.3728
//以MHz 为单位，不同的系统时钟要修改。
void Delay_1ms(void)
{
unsigned int i;
for(i=0;i<(unsigned int)(xtal*143-2);i++);
}
void Delay_ms(unsigned int num)
{
unsigned int i;
for(i=0;i0;us--);
}
/***********************DS18B20驱动程序******************************/
uchar init_18B20 (void)
{
uchar online;
DDRB|=~BIT(4); //设置DQ为输出
PORTB&=~BIT(4);
delay(480);
PORTB|=BIT(4);
delay(30);
DDRB&=~BIT(4)： //设置DQ为输入
online=PORTB&0x10;//响应信号
delay(100);
return(online);
}
void write_byte(char temp)
{
char i,mid;
For(i=8;i>0;i--)
{
DDRB|=BIT(4);
PORTB&=~BIT(4);
delay(15);
mid=temp&0x01;
if(mid)
{
PORTB|=BIT(4);
}
else
PORTB&=~BIT(4);
delay(90);
PORTB|=BIT(4);
temp>>=1;
}
delay(90);
}
uchar read_byte(vo i d)
{
uchar i，mid;
uchar value=0;
for(i=8;i>0;i--)
{
value>>=l;
DDRB|=BIT(4);
PORTB&=～BIT(4);
delay(15);
DDRB&=～BIT(4);
mid=PINB&0x10;
if(mid)
{
Value|=0x80;
delay(90);
}
return(value);
}
int read_temperature(void)
{
char teml,temh;
int x;
init_18B20(); //DS18B20初始化
write_byte(0xCC);//跳过ROM
write byte(0x44);//启动温度转换
delay(500);
init_18B20();
write_byte(0xCC)://跳过ROM
wri te_byte(0xBE);//读暂存存储器
teml=read_byte 0;
temlh=read_byte ();
x=(temh<<8)&teml;//计算具体温度
return(x);
}
#include
#include
void LCD_init(void) //液晶初始化
{
LCD_DATA_DDR|=LCD_DATA; //数据口方向为输出
LCD_EN_DDR|=LCD_EN; //设置EN方向为输出
LCD_RS_DDR|=LCD_RS; //设置RS方向为输出
LCD_write_command(0x28);
LCD_en_write();
delay_nus(40);
LCD_write_command(0x28); //4位显示
LCD_write_command(0x0c); //显示开
LCD_write_command(0x01); //清屏 delay_nms(2);
}
void LCD_en_write(void) //液晶使能
{
LCD_EN_PORT|=LCD_EN; delay_nus(1);
LCD_EN_PORT&=~LCD_EN;
}
void LCD_write_command(unsigned char command) //写指令
{
delay_nus(16);
LCD_RS_PORT&=~LCD_RS; //RS=0
LCD_DATA_PORT&=0X0f; //清高四位
LCD_DATA_PORT|=command&0xf0; //写高四位
LCD_en_write();
command=command<<4; //低四位移到高四位
LCD_DATA_PORT&=0x0f; //清高四位
LCD_DATA_PORT|=command&0xf0; //写低四位
LCD_en_write();
}
void init_devices(void)
{
CLI(); //disable all interrupts
LCD_init();
MCUCR = 0x00;
GICR = 0x00;
TIMSK = 0x00; //timer interrupt sources
SEI(); //re-enable interrupts
}
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作 者 签 名： 日 期：
指导教师签名： 日 期：
使用授权说明
本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名： 日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期： 年 月 日
导师签名： 日期： 年 月 日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师： （签名） 单位： （盖章）
年 月 日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师： （签名） 单位： （盖章）
年 月 日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
评定成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）
年 月 日
教学系意见：
系主任： （签名）
年 月 日
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者（本人签名）： 年 月 日
学位论文出版授权书
本人及导师完全同意《中国博士学位论文全文数据库出版章程》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程》(以下简称“章程”)，愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊（光盘版）电子杂志社”在《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》中全文发表和以电子、网络形式公开出版，并同意编入CNKI《中国知识资源总库》，在《中国博硕士学位论文评价数据库》中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益。
论文密级：
□公开
□保密（___年__月至__年__月）(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)
作者签名：_______ 导师签名：_______
_______年_____月_____日 _______年_____月_____日
独 创 声 明
本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。
（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
致 谢
时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。
首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。
首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。
其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。
另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。
最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。
四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。
回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。
学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。
在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。
最后，我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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使用授权说明
本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
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学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
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独 创 声 明
本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
年 月 日
毕业设计（论文）使用授权声明
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本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。
（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
年 月 日
基本要求：写毕业论文主要目的是培养学生综合运用所学知识和技能，理论联系实际，独立分析，解决实际问题的能力，使学生得到从事本专业工作和进行相关的基本训练。毕业论文应反映出作者能够准确地掌握所学的专业基础知识，基本学会综合运用所学知识进行科学研究的方法，对所研究的题目有一定的心得体会，论文题目的范围不宜过宽，一般选择本学科某一重要问题的一个侧面。
毕业论文的基本教学要求是：
1、培养学生综合运用、巩固与扩展所学的基础理论和专业知识，培养学生独立分析、解决实际问题能力、培养学生处理数据和信息的能力。2、培养学生正确的理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度。3、培养学生进行社会调查研究；文献资料收集、阅读和整理、使用；提出论点、综合论证、总结写作等基本技能。
毕业论文是毕业生总结性的独立作业，是学生运用在校学习的基本知识和基础理论，去分析、解决一两个实际问题的实践锻炼过程，也是学生在校学习期间学习成果的综合性总结，是整个教学活动中不可缺少的重要环节。撰写毕业论文对于培养学生初步的科学研究能力，提高其综合运用所学知识分析问题、解决问题能力有着重要意义。
毕业论文在进行编写的过程中，需要经过开题报告、论文编写、论文上交评定、论文答辩以及论文评分五个过程，其中开题报告是论文进行的最重要的一个过程，也是论文能否进行的一个重要指标。
撰写意义：1.撰写毕业论文是检验学生在校学习成果的重要措施，也是提高教学质量的重要环节。大学生在毕业前都必须完成毕业论文的撰写任务。申请学位必须提交相应的学位论文，经答辩通过后，方可取得学位。可以这么说，毕业论文是结束大学学习生活走向社会的一个中介和桥梁。毕业论文是大学生才华的第一次显露，是向祖国和人民所交的一份有份量的答卷，是投身社会主义现代化建设事业的报到书。一篇毕业论文虽然不能全面地反映出一个人的才华，也不一定能对社会直接带来巨大的效益，对专业产生开拓性的影响。但是，实践证明，撰写毕业论文是提高教学质量的重要环节，是保证出好人才的重要措施。
2.通过撰写毕业论文，提高写作水平是干部队伍“四化”建设的需要。党中央要求，为了适应现代化建设的需要，领导班子成员应当逐步实现“革命化、年轻化、知识化、专业化”。这个“四化”的要求，也包含了对干部写作能力和写作水平的要求。
3.提高大学生的写作水平是社会主义物质文明和精神文明建设的需要。在新的历史时期，无论是提高全族的科学文化水平，掌握现代科技知识和科学管理方法，还是培养社会主义新人，都要求我们的干部具有较高的写作能力。在经济建设中，作为领导人员和机关的办事人员，要写指示、通知、总结、调查报告等应用文；要写说明书、广告、解说词等说明文；还要写科学论文、经济评论等议论文。在当今信息社会中，信息对于加快经济发展速度，取得良好的经济效益发挥着愈来愈大的作用。写作是以语言文字为信号，是传达信息的方式。信息的来源、信息的收集、信息的储存、整理、传播等等都离不开写作。
论文种类：毕业论文是学术论文的一种形式，为了进一步探讨和掌握毕业论文的写作规律和特点，需要对毕业论文进行分类。由于毕业论文本身的内容和性质不同，研究领域、对象、方法、表现方式不同，因此，毕业论文就有不同的分类方法。
按内容性质和研究方法的不同可以把毕业论文分为理论性论文、实验性论文、描述性论文和设计性论文。后三种论文主要是理工科大学生可以选择的论文形式，这里不作介绍。文科大学生一般写的是理论性论文。理论性论文具体又可分成两种：一种是以纯粹的抽象理论为研究对象，研究方法是严密的理论推导和数学运算，有的也涉及实验与观测，用以验证论点的正确性。另一种是以对客观事物和现象的调查、考察所得观测资料以及有关文献资料数据为研究对象，研究方法是对有关资料进行分析、综合、概括、抽象，通过归纳、演绎、类比，提出某种新的理论和新的见解。
按议论的性质不同可以把毕业论文分为立论文和驳论文。立论性的毕业论文是指从正面阐述论证自己的观点和主张。一篇论文侧重于以立论为主，就属于立论性论文。立论文要求论点鲜明，论据充分，论证严密，以理和事实服人。驳论性毕业论文是指通过反驳别人的论点来树立自己的论点和主张。如果毕业论文侧重于以驳论为主，批驳某些错误的观点、见解、理论，就属于驳论性毕业论文。驳论文除按立论文对论点、论据、论证的要求以外，还要求针锋相对，据理力争。
按研究问题的大小不同可以把毕业论文分为宏观论文和微观论文。凡届国家全局性、带有普遍性并对局部工作有一定指导意义的论文，称为宏观论文。它研究的面比较宽广，具有较大范围的影响。反之，研究局部性、具体问题的论文，是微观论文。它对具体工作有指导意义，影响的面窄一些。
另外还有一种综合型的分类方法，即把毕业论文分为专题型、论辩型、综述型和综合型四大类：
1．专题型论文。这是分析前人研究成果的基础上，以直接论述的形式发表见解，从正面提出某学科中某一学术问题的一种论文。如本书第十二章例文中的《浅析领导者突出工作重点的方法与艺术》一文，从正面论述了突出重点的工作方法的意义、方法和原则，它表明了作者对突出工作重点方法的肯定和理解。2．论辩型论文。这是针对他人在某学科中某一学术问题的见解，凭借充分的论据，着重揭露其不足或错误之处，通过论辩形式来发表见解的一种论文。3．综述型论文。这是在归纳、总结前人或今人对某学科中某一学术问题已有研究成果的基础上，加以介绍或评论，从而发表自己见解的一种论文。4．综合型论文。这是一种将综述型和论辩型两种形式有机结合起来写成的一种论文。如《关于中国民族关系史上的几个问题》一文既介绍了研究民族关系史的现状，又提出了几个值得研究的问题。因此，它是一篇综合型的论文。
写作步骤：毕业论文是高等教育自学考试本科专业应考者完成本科阶段学业的最后一个环节，它是应考者的 总结 性独立作业，目的在于总结学习专业的成果，培养综合运用所学知识解决实际 问题 的能力。从文体而言，它也是对某一专业领域的现实问题或 理论 问题进行 科学 研究 探索的具有一定意义的论说文。完成毕业论文的撰写可以分两个步骤，即选择课题和研究课题。
首先是选择课题。选题是论文撰写成败的关键。因为，选题是毕业论文撰写的第一步，它实际上就是确定“写什么”的问题，亦即确定科学研究的方向。如果“写什么”不明确，“怎么写”就无从谈起。
教育部自学考试办公室有关对毕业论文选题的途径和要求是“为鼓励理论与工作实践结合，应考者可结合本单位或本人从事的工作提出论文题目，报主考学校审查同意后确立。也可由主考学校公布论文题目，由应考者选择。毕业论文的总体要求应与普通全日制高等学校相一致，做到通过论文写作和答辩考核，检验应考者综合运用专业知识的能力”。但不管考生是自己任意选择课题，还是在主考院校公布的指定课题中选择课题，都要坚持选择有科学价值和现实意义的、切实可行的课题。选好课题是毕业论文成功的一半。
第一、要坚持选择有科学价值和现实意义的课题。科学研究的目的是为了更好地认识世界、改造世界，以推动社会的不断进步和发展 。因此，毕业论文的选题，必须紧密结合社会主义物质文明和精神文明建设的需要，以促进科学事业发展和解决现实存在问题作为出发点和落脚点。选题要符合科学研究的正确方向，要具有新颖性，有创新、有理论价值和现实的指导意义或推动作用，一项毫无意义的研究，即使花很大的精力，表达再完善，也将没有丝毫价值。具体地说，考生可从以下三个方面来选题。首先，要从现实的弊端中选题，学习了专业知识，不能仅停留在书本上和理论上，还要下一番功夫，理论联系实际，用已掌握的专业知识，去寻找和解决工作实践中急待解决的问题。其次，要从寻找科学研究的空白处和边缘领域中选题，科学研究。还有许多没有被开垦的处女地，还有许多缺陷和空白，这些都需要填补。应考者应有独特的眼光和超前的意识去思索，去发现，去研究。最后，要从寻找前人研究的不足处和错误处选题，在前人已提出来的研究课题中，许多虽已有初步的研究成果，但随着社会的不断发展，还有待于丰富、完整和发展，这种补充性或纠正性的研究课题，也是有科学价值和现实指导意义的。
第二、要根据自己的能力选择切实可行的课题。毕业论文的写作是一种创造性劳动，不但要有考生个人的见解和主张，同时还需要具备一定的客观条件。由于考生个人的主观、客观条件都是各不相同的，因此在选题时，还应结合自己的特长、兴趣及所具备的客观条件来选题。具体地说，考生可从以下三个方面来综合考虑。首先，要有充足的资料来源。“巧妇难为无米之炊”，在缺少资料的情况下，是很难写出高质量的论文的。选择一个具有丰富资料来源的课题，对课题深入研究与开展很有帮助。其次，要有浓厚的研究兴趣，选择自己感兴趣的课题，可以激发自己研究的热情，调动自己的主动性和积极性，能够以专心、细心、恒心和耐心的积极心态去完成。最后，要能结合发挥自己的业务专长，每个考生无论能力水平高低，工作岗位如何，都有自己的业务专长，选择那些能结合自己工作、发挥自己业务专长的课题，对顺利完成课题的研究大有益处。
致 谢
这次论文的完成，不止是我自己的努力，同时也有老师的指导，同学的帮助，以及那些无私奉献的前辈，正所谓你知道的越多的时候你才发现你知道的越少，通过这次论文，我想我成长了很多，不只是磨练了我的知识厚度，也使我更加确定了我今后的目标：为今后的计算机事业奋斗。在此我要感谢我的指导老师——***老师，感谢您的指导，才让我有了今天这篇论文，您不仅是我的论文导师，也是我人生的导师，谢谢您！我还要感谢我的同学，四年的相处，虽然我未必记得住每分每秒，但是我记得每一个有你们的精彩瞬间，我相信通过大学的历练，我们都已经长大，变成一个有担当，有能力的新时代青年，感谢你们的陪伴，感谢有你们，这篇论文也有你们的功劳，我想毕业不是我们的相处的结束，它是我们更好相处的开头，祝福你们！我也要感谢父母，这是他们给我的，所有的一切；感谢母校，尽管您不以我为荣，但我一直会以我是一名农大人为荣。
通过这次毕业设计，我学习了很多新知识，也对很多以前的东西有了更深的记忆与理解。漫漫求学路，过程很快乐。我要感谢信息与管理科学学院的老师，我从他们那里学到了许多珍贵的知识和做人处事的道理，以及科学严谨的学术态度，令我受益良多。同时还要感谢学院给了我一个可以认真学习，天天向上的学习环境和机会。
即将结束*大学习生活，我感谢****大学提供了一次在**大接受教育的机会，感谢院校老师的无私教导。感谢各位老师审阅我的论文。
注水干线
注水井
注水支线
多井配水间
注水井
i（i=1，2，…，n）
单井配水间
注水井
水处理站
注水站
注水管网系统
表示水的流向
图2-1 注水系统结构图
PID算法
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_1234567901.unknown
_1234567905.unknown
_1234567907.unknown
_1234567908.unknown
_1234567909.vsd
�
�
�
开始
计算控制参数A,B,C
设初始值e(k-1)=e(k-2)=0
采样输入c(k)
计算误差值e(k)=r(k)-c(k)
计算控制量
Δu(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)
_1234567906.unknown
_1234567903.unknown
_1234567904.unknown
_1234567902.unknown
_1234567899.unknown
_1234567900.unknown
_1234567898.unknown
_1234567893.unknown
_1234567895.vsd
�
�
开始
关闭看门狗
初始化时钟
初始化LCD
初始化键盘
初始化串口
初始化DA和AD
开全局中断
进入低功耗循环，等待中断
_1234567896.vsd
�
�
�
关中断
读外部数据并储存
启动软件定时器0
计算指令位置偏差并存入对应寄存器
偏差=0？
返回
正转？
存入正转寄存器
Y
N
Y
存入反转寄存器
调正转子程序
调反转子程序
开中断
返回
_1234567894.vsd
�
�
�
开始
系统初始化
系统检测
正常？
设定流量值
采样注水流量值
累积时间段内流量值
报警
N
Y
设定累积流量值
大于设定值？
保持不变
控制算法
阀门开度控制
发送命令
返回
_1234567891.vsd
�
�
_1234567892.vsd
�
ATmega16
压力计
流量计
温度计
键盘输入模块
电源及复位模块
LCD显示模块
LM629N
光电编码器
LMD18200
直流电机
光电耦合器
_1234567890.vsd
�
单片机
温度计
流量计
电源模块
转速反馈
压力计
电机阀门
驱动电路
控制电路
LCD
键盘
时钟电路
浙公网安备 33021202002483