管道压力越限报警系统设计毕业设计论文

目录
1  绪论 1
1.1  课题来源 1
1.2  国内外研究状况 1
1.2.1  国外研究状况 1
1.2.2  国内研究状况 1
1.3  本论文研究的内容 2
1.4  论文结构 3
2  系统硬件研究 4
2.1  系统总体方案论证 4
2.2  传感器 4
2.2.1  传感器的定义 4
2.2.2  传感器的分类 4
2.2.3  压阻式传感器的数学模型 5
2.2.4  压阻式传感器的特点 5
2.2.5  压阻式传感器的接线 6
2.3  信号调理 6
2.4  MCS-51单片机处理器 8
2.5  A/D信号转化电路研究 9
2.6  报警电路 10
2.7  系统电源和系统复位电路 11
2.7.1  系统电源 11
2.7.2  系统复位电路 11
2.8  片外RAM 扩展电路 11
2.8.1  6264的性能概述 11
2.8.2  6264 的引脚功能 12
2.8.3  6264 的工作方式 12
2.8.4  6264与AT89C52单片机的硬件接口电路 13
3  系统软件研究 13
3.1  系统流程图 14
3.2  数据处理 15
4  仿真研究 17
4.1  数据理论的仿真研究 17
4.2  误差分析 17
5  结论 18
致谢 19
参考文献 20

1  绪论
1.1  课题来源
管道是每一个国度、企业和人类生活生涯中的要紧组成部分,是任何一个人类栖息地的血脉。管道运输技术在石油、天然气等输送中有着特等的优势。随着西部油田的开发和“西气东输”等工程的进行,管道运输将会在我国国民经济中占据越来越重要的地位。管道在运输的过程中能够承受的压力也是有一定的限度的，超过能够承受的压力值管道就会受损并且泄漏，管道输送石油产品的泄漏不仅会造成宝贵自然资源的浪费、环境污染和影响油气田的正常生产,危害工农业生产和人民的生活。更重要的是:由于石油产品是易燃、易爆物品,甚至可能具有较强的腐蚀性,泄漏的石油产品还将直接威胁输油管道、设施的安全运行和人民生命财产进而造成更大的间接损失和恶性事故。如果压力过小则会导致管道失稳。所以,及时、准确地发现管道输送石油产品的泄漏、泄漏位置和管道不能充分利用具有重大意义,并将会带来明显的经济效益和社会效益。管道压力越限报警系统的设计正是在此基础上提出来的，有一定的实际意义。
1.2  国内外研究状况
管道运输是一种新兴的,经济的运输方式。管道运输具有平稳连续,物料损失小以及占地少,质量易保证,安全性好,运输量大,运费低等特点,已经成为了油气运输的首选方式。
1.2.1  国外研究状况
世界上第一条运输管道建于18世纪50年代,到目前为止，1865年美国建成了世界上第一条输油管道,管道运输业的发展大约有140余年历史。随着现代工业的发展,管道运输具有成本低、效率高，便于优化管理、减少运输损耗和运输风险的特点。油气管道已开始被世界各国大量建造,目前,全世界的石油和天然气管道约3000000公里,并且以46000公里/年的速度递增,承担了95.7%以上的石油和天然气输送任务。美国石油和天然气管道约16×104km，石油和天然气管道在俄罗斯约2.5×104km，越南、印度、墨西哥等国家的石油和天然气管道也发展迅速。
1.2.2  国内研究状况
在我国，石油业的发展带动了管道业的迅速发展。二十世纪五十年代末,我国仅仅只有几条原油短距离管道。随着大庆油田的开发，胜利、辽河、华北、长庆等油田也逐渐被开发,我国管道运输自七十年代初进入了一个高速发展的时期,并逐步建立东北、华北、华东地区三个区域的石油和天然气网络。截止2001年,我国共建成原油输送管线9312.7mk,成品油管线151mk,再加上西气东输管线,我国共建成油气管线1.33万。与一些发达国家相比，尽管我国管道运输业有了较大的发展，长输管道建造也已初具规模，但是还有一定的距离。50年来，中国的长距离管道建设有了很大发展,但油气管道总长度仅是世界管道总长度的1/92，美国的1/40，原苏联的l/18，美国的管道运输量占全国货运周转量的24.1%,而我国仅占2.0%左右。和其他国家相比，我们的管道业还处于弱势。随着我国国民经济的发展和西气东输、北油南运、西油东进、海气登陆等项目的发展，我国的管道建设更加的需要飞速发展以及对我国的经济发展也起到了推动作用。然而，我国成品油管道建设与发达国家还是不可比拟的，有着很大的差距。成品油管道顺序输送技术仍处于初级水平，大部分管道自动化水平低，油品界面跟踪、检测方法单一，成品油管道顺序输送的特点和优势尚未得到充分发挥，不断汲取国外成品油管道顺序输送的先进技术和经验已成为我国目前的必要任务，提高成品油管道的技术水平和管理水平，进而增强我国成品油的市场竞争能力。以上的这些分析表明，我国的管道运输业在新时期充满活力和挑战性，会随着国民经济的持续快速发展有一个光明的未来。
1.3  本论文研究的内容
管道要安全运行，管道压力的大小处于极其关键和重要的作用。压力过高会导致管道破裂和泄漏，而压力过低会导致管道失稳、无效，使油气无法正常传输。因此，为了确保管道的安全运行，管道压力必须进行准确和有效的控制。本文主要讨论了基于报警系统的管道压力检测技术。目前全世界对管道运输时出现的问题研究有很多，本文提出了管道压力越限报警系统的设计，控制管道的压力，使之维持在一定范围内，使管道运行处于完整性和连续性。本文将要从以下方面展开研究：
（1）信号采集和信号调理是一个检测系统的基础，其效果直接决定整个检测系统的成功与否。本文将主要研究传感器的工作原理、信号的采集过程和滤波电路将是本论文的一项主要任务。
（2）对单片机硬件电路研究是本课题的一个核心问题，对整个研究具有重要意义，主要研究了A/D 转换电路和报警电路。
（3）在管道处于运行状态时，软件应该能够完成对管道压力及报警状态实时显示出来。硬件电路将是发送命令和接收数据，并对接收到的进行处理、分析，通过软件界面显示数据的变化情况，从而实现报警功能。本系统在程序编写方面，其难度较大，结合实际情况，从而得出本论文采用汇编语言编程，完成系统的程序设计。最后，利用protel进行仿真研究，并且进行实验验证，得出实验结论。根据本文提出的采用仿真研究及实验验证进行理论分析，从而得出问题的结论。完成系统的软件设计。
1.4  论文结构
论文主要包括以下内容：传感器采集信号，信号的处理，A/D转换、单片机对数据进行分析和处理，根据处理结果与给定值对比，判断是否报警， Protel对整个管道压力越限报警控制系统的仿真。

图1.1 系统总体结构

2  系统硬件研究
2.1  系统总体方案论证
本系统硬件部分一般由传感器、信号调理电路、单片机及外围电路组成。关于检测对象上的模拟量，起始由传感器收集到原始信号，并被送入采样保持器和放大器，信号通过采样保持电路之后，为模数转换作了准备，信号通过A/D转换器以后，模拟量变成了数字量，然后送给检测系统的主控芯片，A/D转换采用ADC0817。单片机输出数字信号通过串口将数据传输到计算机。单片机对数据进行数值计算、数值分析和处理，根据处理结果显示、记录各报警点的数据。经过软件编程，计算机可以完成各报警点在线监测，提供管道是否越限的早期诊断数据，并且及时报警，实现系统自动报警功能。越限报警系统硬件的总体方案如图2.1所示：

图2.1系统硬件的总体方案图

2.2  传感器
传感器与现代科学技术密切相关，是现代技术水平的代表。传感器处于衔接被测对象和测试系统的重要位置，构成了测量系统信息输入的“窗口”，提供原始信息，是所有现代技术的起点，因此，传感器的能力往往决定着信息的质量和数量。
2.2.1  传感器的定义
能够感受规定的被测量并按一定规律和精度转化成可用输出信号的器件或装置（国标GB 7665——87），称为传感器。
2.2.2  传感器的分类
    传感器的分类方法很多，按输入量分类，可分为位移传感器、力传感器、温度传感器等；按传感器工作原理分类，可分为机械式、电气式、辐射式、流体式等；按物理现象分类，可分为物性型传感器和结构型传感器；按照能量关系分类，能够分为能量转换型传感器和能量控制型传感器；按输出信号分类，能够分为模拟式传感器和数字式传感器。
    本论文要通过管道气体压力检测来进行管道压力越限报警系统的设计，物理学中将单位面积所受到的流体作用力定义为流体的压强，而工程上则习惯于称其为“压力”。
    目前应用最广泛的是电阻应变式传感器，它是一种由电阻应变片和弹性敏感元件组成起来的传感器。在航空、机械、电力、化工、建筑、医疗等领域中已被广泛运用于力、压力、力矩以及位移、加速度等参数的测量。它的主要优点是构造单一，使用方便，灵敏度高，性能稳定、可靠，测量速率快，不但适合静态测量，而且适合动态测量。将应变片粘贴在弹性敏感元件上，当弹性敏感元件受到各种参数如外作用力、力矩、压力、位移、加速度等作用时，弹性敏感元件将产生位移、应力、应变，则电阻应变片将它们再转换成电阻的变化。金属丝和铂式电阻应变片传感器有着广泛的运用，但是随着要求的检测精度和灵敏度越来越高时，其缺点也越来明显。半导体应变片和扩展型半导体应变片的出现很好地弥补了这一缺陷，采用半导体应变片制成的传感器称为固态压阻式传感器，它的突出优点是灵敏度高（比金属丝高50~80倍左右），尺寸小，横向效应小，滞后和蠕变都小，所以得到更加广泛的使用。压阻式压力传感器因其选用硅集成电路工艺技术和硅三维加工技术制造，利用硅优良的力学特性，用硅膜作为弹性敏感元件。两者一体化、尺寸小，因而固有频率很高，加之硅材料的杨氏模量很高，硅压阻检测元件是惠斯顿电桥模式。因此硅压阻式压力传感器频率响应带宽从零频开始，高可达 1MHz以上。
2.2.3  压阻式传感器的数学模型
设有一根金属丝，长度为l，截面积为A，电阻率为ρ，则它的电阻值 R值可用下式表示：

                                                                (2.1)
                                               
2.2.4  压阻式传感器的特点
①精度高，测量范围广；
②使用寿命长，性能稳定可靠；
③结构简单，体积小，重量轻；
④频率响应较好，可用于静态测量，也可用于动态测量；
⑤价格低廉，种类繁多，便于选择和大量使用。
2.2.5  压阻式传感器的接线
    因为机械应变一般都很小，所以要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，必须同时把电阻相对变化ΔR/R转化成电压或电流的变化测量出来，因此，需要有专用的用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路。电阻式应变片传感器大多采用惠斯登电桥电路，其基本思想是将温度变化引起的测量误差在电路中给予抵消，不至于使输出信号受到影响。压阻式传感器的接线图如图2.2所示，将具有相同热特性的应变片接入桥路各臂，组成等臂全桥电路，桥的输出与应变成正比，当然也与电源电流成正比，必须使恒流源的电流大小稳定不变。但是温度不影响电桥输出，这个差动结构采用恒流源的优点显而易见。

图2.2压阻式传感器的接线图
    根据以上性能的考虑，该系统采用1000系列扩散硅压力传感器。1000系列压力传感器采用先进的硅压阻技术及不锈钢隔离膜片技术，它具有全温范围补偿及相应的线性补偿，使产品的长期稳定性得到保障。在石油、化工、水利、电力、冷冻设备，空压设备，工业控制等领域广泛应用。
2.3  信号调理
由于该1000系列电阻式压力传感器的输出是0~100mV，信号相比较之下，很微弱，单片机不能直接采集，中间须经过放大处理。采集过程中由于不可避免有噪音信号，所以进行滤波等信号调理也是必不可少的。因为放大倍数较大，本课题采用AD620和OP07组成的两级放大器。AD620是精密仪器放大器，增益范围为1～1000，只需在外部接入一个电阻进行调节，其增益线性误差为100ppmFSR，共模抑制比为90dB，单位增益带宽为1.0MHz，工作电源电压为±3.2～±18.1V，广泛应用于传感放大器、数据采集系统以及自动控制系统等。OP07放大器是双电源供电低噪声、高精度单运算放大器，共模抑制比为126dB，单位增益带宽为1.2MHz，工作电源电压为±3～±18 V，广泛应用于传感放大器等场合。
2.4  MCS-51单片机处理器
    MCS-51 系列单片机以其技术成熟、可靠性高、成本低、易于实现等优势在自动控制系统领域有着广泛的应用。考虑到芯片的经济性、兼容性等要素，本系统选择 AT89C52 作为主控芯片，本课题的MCS-51单片机选用AT89C52，结合硬件做的报警系统。AT89C52是美国ATMEL 公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51 指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大， AT89C52 单片机适合于很多复杂控制应用场合。具体引脚功能在本论文中不做详述，AT89C52如图2.3所示。
AT89C52单片机的主要性能参数：
①可反复擦写的Flash闪速存储器是8K字节
②擦写周期是1000次
③全静态操作器在0Hz~24MHz之间
④加密程序存储器的等级是三级
⑤数据存储器是256bytes
⑥有可编程I/O口32个
⑦16位定时/计数器3个
⑧中断源8个
⑨模式是低功耗空闲模式和掉电模式

图2.3  AT89C52 单片机
2.5  A/D信号转化电路研究
基于本论文是针对较长段管道的压力检测，考虑到数据采集系统的实时性和经济性的要求，本单片机检测系统A/D信号采集电路采用八位A/D转换器ADC0817。ADC0817八位逐次逼近式A/D转换是一种单片CMOS器件，包含8位的模/数转化器、16通道多路转换器和与微处理器兼容的控制逻辑。ADC0817和AT89C52的单片机硬件接口电路如图2.4所示。

图2.4 ADC0817和AT89C52的单片机硬件接口电路
2.6  报警电路
本课题采用简单、实用的蜂鸣器报警，当压力值超过（或低于）上限（或下限）极限值时，产生报警信号，蜂鸣器报警。单片机收到命令时，如果系统所检测到的压力值在报警范围内，则使蜂鸣器发出25kH的噪声信号，反之，蜂鸣器没有报警信号。由于单片机的I/O口驱动能力有限，一般不能直接驱动压电式蜂鸣器，因此选用PNP型晶体管组成晶体管驱动电路，单片机I/O 口输出经驱动电路放大后即可驱动蜂鸣器。蜂鸣器报警电路如图2.5所示：

图2.5蜂鸣器报警电路
在计算机控制系统中，为了安全生产，关于一些非常重要的参数或系统部位，都设有上、下限检查及报警系统，以便提醒操作工人注意或采取相应的措施。其方法就是把计算机采集的数据进行数据处理、数字滤波、标度变换之后，与该参数上、下限给定值进行比较，如果高于（或低于）上限（或下限），则进行报警，否则就作为采样的正常值，以便进行显示和控制。
  报警程序的设计方法主要有两种。一种是软件报警，这种方法的基本做法是把被测参数如温度、压力、流量、速度、成分等参数，经传感器、变送器、A/D转换器送入计算机后，再与规定的上、下限值进行比较，根据比较的结果进行报警或处理，整个过程都由软件实现。另一种是直接报警，基本做法是被测参数与给定值的比较在传感器中进行如果被测参数超过给定值，就会通过硬件向CPU提出中断请求，CPU响应中断后，会产生报警信号。为了使系统简单化，本文采用直接报警方法。
2.7  系统电源和系统复位电路
2.7.1  系统电源
系统电源为直流+5V，给单片机系统提供稳定的直流电源。
2.7.2  系统复位电路
MCS-51 单片机通常采用上电复位和开关复位组电路，如果把这而且组合起来就形成了复杂的系统复位电路，能够很好地保证单片机系统的复位复位电路的核心就是保证RST 引脚上出现10ms 以上稳定的高电平，这样就可以实现稳定的复位了。本系统复位电路如图2.6所示。

图2.6系统复位电路
2.8  片外RAM 扩展电路
2.8.1  6264的性能概述
基于本课题采集数据量大的特点，而AT89C52只有256bytes的随机数据储器（RAM）。所以有必要扩展一个外部数据存储器，即外部静态。RAM6264一片。6264是8K×8位的静态随机存储器芯片,采用CMOS工艺制造，单一+5V供电，额定功耗200mW，典型存取时间200ns。为28线双列直插式封装，其管脚配置见图2.7。
2.8.2  6264 的引脚功能
地址线A12～A0(13条)，A12～A0为输入地址线，用于传送CPU送来的的地址编码信号。
数据线D7～D0(8条)，双向数据线D7～D0，D0是最低位，D7是最高位。
允许输出线OE，从6264中读出的数据是不是送到数据线D7～D0上，是由该输出线控制的。若OE是低电平，则可以直接将读出的数据送到数据总线D7～D0；不然读出的数据只能到达6264内部总线。
片选输入线CS为高电平，CE低电平，如果CS=1和CE=0，则本芯片当选于工作中；不然不被选中工作。
读写命令线WE，如果WE 为高电平，则6264 处于读出工作状况；如果WE为低电平，则6264 是在写入状况。
电源线VCC为+5V，接地线是GND。
6264存储器如图2.7所示：

图2.7 6264存储器
2.8.3  6264 的工作方式
6264共有五种工作方式，即禁止、读入、写入、选通、未选通，其中的读出和写入方式是有效方式。
表2.9  6264工作方式选择表
工作方式 —
CS1 
CS1 —
WE —
OE 功能
禁止 0 1 0 0 不允许WE和OE同时为低电平
读出 0 1 1 0 从6264读出数据到D7~D0
写入 0 1 0 1 把D7~D0数据写入6264
选通 0 1 1 1 输出高阻
未选通 1 1 无 无 输出高阻
2.8.4  6264与AT89C52单片机的硬件接口电路

图 2.8  6264与AT89C52的单片机硬件接口电路

3  系统软件研究
本系统根据实际情况的要求，结合本系统硬件的特征，系统软件主要是对信号进行采集。主要是发送命令和接收数据，并对接收到的数据进行存储、处理、分析，通过软件界面显示数据的变化情况，从而实现报警功能。硬件部分主要完成信号的采集、放大及滤波处理，并对其进行A/D 采样，将采样的结果传回，进一步对数据进行分析和处理，从而实现系统的报警功能。在管道压力越限报警系统中，使用AT89C52作为单片机系统。通过单片机汇编语言编程，部分程序如下：
ORG        6000H
              AJMP    MAIN           ； 上电自动转向主程序
              ORG     0003H           ；  外部中断方式0入口地址
              AJMP    ALARM
              ORG     0200H
  MAIN：     SETB    IT0             ； 选择边沿触发方式
              SETB    EX0            ； 允许外部中断0
              SETB    EA             ； CPU允许中断
  HERE：     SJMP    HERE           ； 模拟主程序
              ORG     0220H
  ALARM：   MOV     A，#0FFH      ； 设P1口为输入口
              MOV     P1，A 
              MOV     A， P1         ；取报警状态
              SWAP    A             ；ACC.7～ACC.4与ACC.3～ACC.0交换
              MOV     P1，A          ；输出报警信号
              RETI                     
单片机可实现的主要作用与功能分别为：
(1)通过 ADC0817芯片对滤波后的数据进行A/D转化、存储并对数据进行滤波；
(2)接收蜂鸣器发出的命令，控制蜂鸣器，实现系统的报警功能。
3.1  系统流程图
程序首先对单片机进行初始化，将传送给单片机地址或蜂鸣器命令字进行核对，若核对地址正确，启动ADC0817的A/D转换，存储转换结果于内存单元，再送同步数据，表明可以将转化后的数据进行传送到下一判断命令，判断命令接收数据并判断，期间判断需要100秒时间，所以系统需要延时命令延时100秒，如果蜂鸣器报警则说明相关数据在报警的上下限之外，否则继续进行信号采集，进行判断，依次循环。最后完成整个程序的报警功能，结束本次判断。程序流程图如图3.1所示。
应用程序设计流程一般经过以下过程：
（1）客户需求分析。这部分主要调查清楚用户对应用程序的使用要求，即程序要实现的功能。这部分工作相当重要，如果客户需求不清楚，会导致程序的反复修改，造成极大的时间浪费和不必要的开销。
（2）程序界面设计。这阶段主要完成程序界面的整体设计。
（3）程序代码的实现及程序调试。
（4）应用程序的发布，即完成安装程序的制作。

图3.1程序流程图
3.2  数据处理
本文所设计只是针对管道压力的检测并设立了报警设备，并设定的相应的报警上限与下限。当运行相关参数超出预警值或者低于预警值即进行报警,以确保整个管道系统的运行安全。为保证管道运输过程中安全、稳定，因此本系统中，压力值的范围是3.5～8.5MPa，如果压力传感器所测得的值在此范围内，则系统正常运行，如果在此范围外，系统则对外报警。由于管道长期工作于室外等恶劣环境中,产生应力问题的原因除管道内外压力外，还有很多,如重力、风、地震、压力脉动、冲击等其他外部载荷,所以后期必须得考虑相关因素综合影响,进一步完善报警系统。本文只讨论与研究管道在运输过程中所产生的压力是否在所规定的范围内。

4  仿真研究
前面几章着重阐述了系统的设计原理及设计过程，包括基本的理论以及硬件和软件的设计思路。本章将在上述研究的基础上，重点阐述本系统的仿真及实验过程，并就仿真和实验得到的数据进行误差分析。
4.1  数据理论的仿真研究
同时刻从传感器中检测到的压力抽样数据如下表所示，把表中的数据分别输入到Protel中进行仿真研究。仿真结果如图所示。

4.2  误差分析
现在对以仿真出的数据进行对比，并求出误差。从以上仿真结果得出的数据可以看出，误差都在5.0%左右，由于抽样的样本数据比较少，数据的随机性比较大，所以能够得到这样的检验结果已经是能够接受的了。本报警系统能满足最初设定的要求。

5  结论
本论文主要研究管道压力越限报警系统。本论文在查阅了大量的国内外的有关资料的基础上，设计和研制出报警系统的软硬件，论文主要做了以下工作：
（1）概述了我国管道业的发展状况、管道输送的优势，介绍了管道运输的重要性，以及在管道运输过程中提出了管道压力越限报警系统的设计。
（2）通过查阅相关文献及阅读大量资料，制定出合理的管道压力越限报警系统的总体设计方案，并且分析了该系统的报警原理，并对此原理进行了理论详细的推理和阐述。
（3）根据管道输送过程中管道压力越限报警系统硬件的设计方案，设计了信号调理电路及蜂鸣器报警系统，利用单片机的编程实现数据的 A/D转化、收发及控制等。并对每一个模块进行了分析，对输出信号进行了简单的信号调理，使其与采集到的数据相匹配。
（4）根据管道输送过程中管道压力越限报警系统软件的设计方案，本论文构建了流程图，对数据进行了分析与处理并且进行了软件编程，设计出报警系统。
（5）对于本系统进行仿真研究，并且做出误差分析。

致谢
通过这段时间的努力，我的毕业设计完成了。在大学四年里，我在学习和生活中的认知都得到了提高，在努力学习文化课程的同时，我也学会了应该怎么做人，时间流逝，转眼我的大学时光伴随着毕业设计的完成而告终。我要非常感谢指导我这次毕业设计的赵老师。在我做毕业设计的这段时间，从查阅资料到定论文的大体框架，从无处下笔到有现在的设计思路，从毕业设计开始到定稿，不论问题的大小，赵老师都会给我耐心讲解、或与我认真讨论。对我存在的问题及设计思想给予了细心分析与指导。点点滴滴、一切的一切都深深地烙在我的脑海中。其次，我要感谢我的父母，含辛茹苦把我养大，在求学的路上一直支持我、鼓励我，对我从没有放弃过，纵然曾经有段时间我是那么的低迷。我还要感谢四年以来所有给我代课的老师们和与我同窗四年的同学们。我所取得的每一点成绩都离不开身边的家人、老师、同学的支持和帮助。感谢所有审阅论文的老师,你们的意见将是极其宝贵的。由于我的水平有限,论文难免存在不足之处,恳请批评指正。最后，再次感谢所有帮助过我的人们，谢谢你们！