钻井工程参数测量系统的设计(编辑修改稿)

钻井工程参数测量系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

为了排除弯曲应力的干扰，在测量扭矩时，采用全桥四应变片法，应变片R1， R3 与轴线成 45176。 粘贴，应变片 R2， R4 与轴线成 135176。 粘贴。 以 Rl， R2 为例，当弹性元件两端有拉压力作用时，沿轴线方向的应变为  ；垂直于轴线方向cP A A E E AK      本科生毕业设计（论文） 7  1 2的应变为  ；在与轴线成 45176。 方向上 的应变 为 与轴线成 135176。 方向上 的应变也 为 此值 ，既在与轴线成 45176。 和 135176。 方向上 R1 和 R2 内产生的应变大小相等、符号相同。 当弹性元件承受弯曲时，轴的表面也受到拉压应变，在 R1内和 R2 内产生的应变大小相等、符号相同，这种布片方案也可以排除弯曲应力的干扰。 R3， R4 的受力情况和 R1， R2相似。 再根据扭矩的计算公式就可以计算出扭矩了。 扭矩测量原理 现有 钻压扭矩测量技术比较 目前有代表性的钻压扭矩测量技术仍是法国石油研究院与斯伦贝谢公司的两类专利技术，其他技术或多或少是基于这两个专利进行改进的，下面分析这些测量技术的优缺点。 法国石油研究院和贝克休斯公司的专利就是基本的拉压、扭矩测量原理加上不同结构的井下仪器保护套、不同的测量电路与传感器连接方式。 这两个专利共同的缺点是保护套与传感器部分的密封比较困难，特别是在井下钻铤的工作过程中，由于弯矩的作用常常会使泥浆侵入传感器部分而导致测量电路无法正常工作，为此贝克休斯公司在保护套与传感部分、转换电路的密封方面开展 了大量的工作，一定程度地解决了该问题。 斯伦贝谢和 APS 公司对该技术进行了进一步的改进，通过在钻铤径向钻一定直径、一定深度的孔，将应变片粘贴在钻孔内，然后用高压密封盖板将应变片密封在内部，应变片的电极引线通过钻孔之间的内部连接通道进行互连，最后与安装在钻铤中间的抗压筒内或者安装在钻铤壁槽内的测量电路相连。 二者的共同点是解决了保护套的密封问题，不同之处在于径向孔的布置方式 、 应变片引线的连接方式及其与二次转换电路的连接方式等方面 amp。 这种技术的缺点也很明显 ：首先是内部引线孔加工比较困难 ， 往往需要分别加工 ，然后 再 焊接到一起 ，或者采 用特制工具进行加工 ；其 次是由于径向孔的直径不能太大 ， 给应变片的粘贴造成了很大困难 ； 第三 ， 这种传感器的测量特性也表现出一定的非线性 ， 必须经过 本科生毕业设计（论文） 8 地面刻度与校验之后才能应用于实际的测量当中。 本文测量钻压扭矩的方法就是采用了应变片粘贴的方法来测量的。 整体框图 图 系统的整体框图 CPU 的选型 CPU 有很多型号，例如 AT89S5 AT89S52 等 ， AT89S52 单片机是一种低功耗、CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 FLASH 存储器，使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51产品指令和引脚完全兼容。 片上 FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8位 CPU 和在系统可编程 FLASH，使用 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活。 超有效的解决方案。 所以 两个 CPU 都选用 AT89S52，现在两种单片如何实现通信， 由于两个 CPU 都是地面且距离很近，所以就直接通过引脚 RXD（ ，串行数据接收端）和引脚 TXD（ ，串行数据发送 端）实现两个 CPU 之间的通信。 绞盘 打印机 LCD 显示器 键盘接口 串行通信接口 事务处理 CPU 实时时钟 信息交换接口 大钩悬重传感器 测量处理 CPU PWM 钻压扭矩传感器 本科生毕业设计（论文） 9 第 3 章 硬件系统设计 硬件电路设计包括主机及其最小系统的设计，传感器的选型，显示器存储器的选型等。 主机及其最小系统的设计 在本设计中事物处理 CPU 和测量 CPU 都采用的是 ATMEL 公司生产的AT89S52 单片机作为下位机节点的微处理器。 AT89S52 是一个 8k 字节可编程EEPROM 的高性能微控制器。 具有内存较大，功能强，抗干扰能力强、软硬件资源都比较丰富等特点，其外围接口电路简单，具有很高的性价比，成本低，其价格仅是 DSP 的五分之一，而且它经过多年的发展，技 术也相当的成熟。 它与工业标准 MCS51 的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。 AT89S52 的引脚如图31 所示： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 2 3 M a y 2 0 1 1 S h e e t o f F i l e : F : \ E X A M P L E S \事物模块 2 . D D B D ra w n B y :E A / V P P31X T A L 119X T A L 218R S T9P 3 .7 (R D )17P 3 .6 (W R )16P 3 .2 (I N T 0 )12P 3 .3 (I N T 1 )13P 3 .4 (T 0 )14P 3 .5 (T 1 )15P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .5 (M O S I )6P 1 .6 (M I S O )7P 1 .7 (S C K )8( A D 0 ) P 0 .039( A D 1 ) P 0 .138( A D 2 ) P 0 .237( A D 3 ) P 0 .336( A D 4 ) P 0 .435( A D 5 ) P 0 .534( A D 6 ) P 0 .633( A D 7 ) P 0 .732( A 8 )P 2 . 021( A 9 )P 2 . 122( A 1 0 ) P 2 . 223( A 1 1 ) P 2 . 324( A 1 2 ) P 2 . 425( A 1 3 ) P 2 . 526( A 1 4 ) P 2 . 627( A 1 5 ) P 2 . 728P S E N29A L E / P R O G30( T X D ) P 3 .111( R X D )P 3 . 010G N D20V C C40I C 1A T 8 9 S 5 2P2 .0P2 .1P2 .2P2 .3P2 .4P2 .5P2 .6P2 .7P 0 .0P 0 .1P 0 .2P 0 .3P 0 .4P 0 .5P 0 .6P 0 .7V C CV C CA L EI N T 0 图 AT89S52引脚图 AT89S52 具有以下标准功能： 8K 字节 FLASH， 256 字节 RAM， 32 位 I/O口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位定时器 /计数器，一个 6 向量 2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。 另外， AT89S52 可降至 0HZ静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节点模式。 空闲模式下， CPU 停 止工作， 本科生毕业设计（论文） 10 允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切停止工作，直到下一个中断或硬件复位为止。 AT89S52 性能简介： 1) 主电源引脚 VCC 接电源端。 GND 是接地端。 2) XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3） RST：复位输入。 当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时 间 4） ALE/ P ：当访问外部存储器时， ALE（地址锁 存允许）的输出电平用于锁存地址的低位字节。 在 FLASH 编程期间，引脚用于输入编程脉冲。 在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。 如想禁止 ALE 的输出可在（ SFR） 8EH 地址置 0。 此时， LE 只有在执行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。 另外，引脚被略微拉高。 如果微处理器在外部执行外部程序时，该设定禁止 ALE 位无效。 5） WRRD/ ：外部程序存储器的读选通信号。 由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 有效。 但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。 6） EA /VP：外部访问允许端。 当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000H～ FFFFH），不管是否有内部程序存储器。 注意加密方式 1 时， 将内部锁 RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。 在 FLASH 编程期间，此引脚用于施加 12V 编程电源（ VPP）。 7） P0 端口 (～ )： P0 口为一个 8 位漏级开路 双向 I/O 口，每个引脚吸收 8 个 TTL 门电流。 当 P0 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入端。 P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的低八位。 8） P1 端口 (～ )： P1 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1口的缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P1 口被写 “ 1” 时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P1 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 9） P2 端口 (～ )： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2口缓 冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写 “ 1” 时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部电阻上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位 本科生毕业设计（论文） 11 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 3 J u n 2 0 1 1 S h e e t o f F i l e : F : \ E X A M P L E S \处理模块 9 . D D B D r a w n B y :E A / V P P31X T A L 119X T A L 218R S T9P 3 .7 ( R D )17P 3 .6 ( W R )16P 3 .2 ( I N T 0 )12P 3 .3 ( I N T 1 )13P 3 .4 ( T 0 )14P 3 .5 ( T 1 )15P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .5 ( M O S I )6P 1 .6 ( M I S O )7P 1 .7 ( S C K )8( A D 0 ) P 0 .039( A D 1 ) P 0 .138( A D 2 ) P 0 .237( A D 3 ) P 0 .336( A D 4 ) P 0 .435( A D 5 ) P 0 .534( A D 6 ) P 0 .633( A D 7 ) P 0 .732( A 8 ) P 2 . 021( A 9 ) P 2 . 122( A 1 0 ) P 2 . 223( A 1 1 ) P 2 . 324( A 1 2 ) P 2 . 425( A 1 3 ) P 2 . 526( A 1 4 ) P 2 . 627( A 1 5 ) P 2 . 728P S E N29A L E / P R O G30( T X D ) P 3 .111( R X D ) P 3 . 010G N D20V C C40I C 1A T 8 9 S 5 2V C CS0C23 0 p FV C CR12K C33 0 p F12Y11 2 M H zC11 0 u FI N T 0I N T 1地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。 在给出地址 “ 1” 时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。