摘要：介绍了一种基于单片机PIC16F877的油井实时监测系统。该系统能够分时采样获取油井下电动潜油泵的两路压力、两路温度、漏电流和振动参数，并利用其内部的ADC转换器将模拟信号进行量化处理转换为数字信号。为了保证采集信号的精确度 ，系统采用去极值求平均值滤波算法对采集到的数字信号量进行滤波处理，最终将油井下实时信息显示到主界面上，同时具有报警功能。实验结果表明，本系统对井下各信息的采集具有高精确度和实时性，并取得了较满意的控制效果。
关键词：油井实时监测系统；PIC16F877单片机；A/D转换；滤波算法
中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：16727800（2013）009006103
作者简介：王梅（1986-），女，硕士，西安交通大学城市学院计算机科学与信息管理系助教，研究方向为嵌入式系统及计算机控制；赵彩（1982-），女，硕士，西安交通大学城市学院计算机科学与信息管理系讲师，研究方向为数据挖掘；丁凰（1978-），女，硕士，西安交通大学城市学院计算机科学与信息管理系讲师，研究领域为模式识别与软件开发。
0引言
由于我国油田油井数量多且分布范围广，目前大多采用人工巡井方式，由工人每日定时检查设备运行情况并记录采油数据[1]。这种方式影响了设备监控与采油数据的实时性和准确性，发生故障时也不能及时地监测和处理，会造成巨大的损失。这样不仅降低了劳动效率，而且增加了生产成本，并且存在安全隐患。针对以上情况，我国石油企业为了提高生存和竞争能力，已经开始进行油田自动化、信息化、数字化建设。本文设计的油井实时监测系统以单片机PIC16F877[3]作为微控制器对油井下潜油泵的入口压力、出口压力、入口油温、电机温度、振动、漏电流等信息进行实时监测和控制，发现故障并及时报警，具有精确度高、实时性和稳定性好等特点。
1系统总体设计
本系统可以分时采样由下位机实时传输的井下温度、压力、振动、漏电流等参数信息的模拟信号，并通过ADC转换器把采集到的信号进行模拟向数字量的转换，将转换的数据量进行存储，同时应用去极值求平均值滤波算法对采集到的数字信号量进行滤波处理，确保采集信息的精确度和准确性；为了给用户提供有效的数据，系统还使用LED实时显示采集的数据信息，用户也可以通过键盘设定每个参数信息报警值的上限和下限及故障值的上限和下限，监测过程中实时采样的数据超越设定的上下限值时报警器自动报警。
本系统设计以单片机PIC16F877[2]为开发中心扩展8个模块：电源模块、显示模块、键盘模块、信号的输入输出模块、信号采集模块、中断定时模块、数据处理模块、报警模块。系统模块如图1所示。
2系统硬件设计
本系统的硬件组成：主要由电源模块、CPU模块、显示按键模块等，以及外围硬件电路的辅助处理。电源模块将外部电压24V转化成系统处理所需要的电压12V和5V，CPU模块以PIC16F877为核心，显示按键模块利用周立功7289芯片实现，外围硬件电路主要用来实现对信号的放大处理及防干扰的处理。系统硬件组成如图2所示。
2.1信号输入模块
由于井下传感器采集传输的为电流信号，该系统在采样信号时首先通过外加的100欧姆电阻将电流信号转换为电压信号（电压范围为0～5V），然后将转换后的电压信号输入到CPU的RA1端口，CPU内部ADC接收此信号，进行A/D转换，将电压模拟量转换成数字量。图3为信号输入模块原理。
2.2电源模块
单片机 PIC16F877的接入电源应为5V，但是整个系统采用工业24V电源供电，所以单片机在接入电源时利用YND5-24S05将24V电源电压转化成5V系统需要的电压。图4为电源模块的硬件原理。
2.3按键显示模块
图5为ZLG7289芯片、按键和LED组成的按键显示原理图。此原理图利用ZLG7289芯片的4个引脚CS、CLK、DIO、KEY分别接入到PIC16F877中RB4、RB5、RB6、RB7引脚上，并将DIG0DIG7和SASG、DP接入8个按键以及LED对应的引脚上。
为了使电源更加稳定，一般要在Vcc到GND之间接入47～470uF的电解电容。晶振Y1取4～16MHz，调节电容C3和C4通常取值在10pF左右。复位信号是低电平有效，一般只需外接简单的 RC 复位电路，也可以通过直接拉低 RST引脚的方法进行复位。系统显示使用LED共阴极数码管。
3系统软件设计
油井实时监测系统所有软件设计均采用模块化设计思想[3]。根据所要完成的不同功能将整个系统的软件分为以下几个模块：初始化模块、存储模块、A/D采样模块、中断定时模块、数据处理模块、按键显示模块、报警模块。主程序的流程如图6所示。
为了确保采集数据的精确度和准确率，在数据处理模块中必须使用滤波算法消除A/D芯片上采集的信号中夹杂的噪声和各种干扰信号。从数据系列中提取逼近真值的软件算法，通常称为数字滤波算法。目前，常用的数字滤波算法有限幅滤波、中值滤波、算术平均滤波、去极值平均滤波、加权平均滤波、滑动平均滤波、低通滤波等。综合考虑以上算法的优缺点以及本系统的采样波形易出现尖脉冲的干扰情况，本系统采用去极值平均滤波，此数字滤波算法有效地防止了尖脉冲的干扰，采集数据能平滑过渡。
4实验结果
本系统实验器材主要有以单片机PIC16F877为核心的电路板1块、电源120V和24V各1个、下位机（温度、压力、振动等参数的感应和传输设备）。系统现场实物如图7所示。
图8为下位机传感器感应并传输给上位机的模拟信号波形，总共6个参数：入口压力、出口压力、入口油温、电机温度、振动、漏电流。
采用采样范围为30～70℃的温度传感器进行采样，采样标定数据如表1所示。
实验表明，经过对温度进行标定，检测到温度的误差率在预期范围以内。经过实验分析，本系统的误差来源主要包括如下几个方面：①传感器本身感应灵敏度引入的误差；②采集数据引入的误差。因为传感器感应信号通过放大电路以后才进入单片机进行AD转换，因此放大器对数据的放大和转换都会产生误差；③滤波算法引入的误差。
5结语
本文设计的油井多参数监测系统，能够实时采集井下潜油泵的入口压力、出口压力、入口油温、电机温度、振动、漏电流等信息，并且运用了滤波算法对干扰信号进行滤波处理以及通过实验对各参数进行标定。实验数据表明，测量精度和稳定性都有提高。
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责任编辑（责任编辑：余晓）