畢業(yè)設(shè)計(jì)正文---井架應(yīng)變無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　井架應(yīng)變無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1 前言</b></p><p>　　石油井架是油氣田開發(fā)中的重要機(jī)械，對(duì)油田安全生產(chǎn)起著重要的作用.目前，油田勘探開發(fā)鉆井所使用的主力鉆機(jī)大多已經(jīng)使用了十年以上。由于長(zhǎng)期整體拖運(yùn)，拆遷，造成井架部分桿件變形，整體變形，從而使井架的承載能力有所降低，嚴(yán)重影響鉆井全過(guò)程的安全.雖然對(duì)井架采取了

2、部分改造和加固，但使用了十幾年以后的井架實(shí)際技術(shù)狀況如何?承載能力是否具備正常生產(chǎn)和處理意外故障的能力？[1]</p><p>　　井架是一種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同批鉆機(jī)井架的使用情況和損壞情況都不相同，某些桿件或連接件的損傷對(duì)承載能力的影響也很難確定.因此，通過(guò)測(cè)試并架的整體結(jié)構(gòu)性能，兼顧局部來(lái)宏觀評(píng)價(jià)井架的承載能，從而確定其適用載荷與安全性是十分必要的，勢(shì)在必行。而現(xiàn)在使用的都是有線測(cè)量，安裝復(fù)雜，耗大量人力，物力，

3、因此研究無(wú)線應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)是很必要的。</p><p><b>　　2 選題背景</b></p><p>　　2.1 題目類型、來(lái)源</p><p>　　題目類型：畢業(yè)設(shè)計(jì) </p><p>　　題目來(lái)源：教師的科研項(xiàng)目</p><p><b>　　2.2 目的</b>

4、;</p><p>　　鉆井井架是起升設(shè)備重要組成部分之一。井架的組成主要有：井架主體、天車臺(tái)、天車架、二層臺(tái)、立管平臺(tái)、工作梯。井架的功用為安放天車，懸掛游車、大鉤及專用工具(如吊鉗等) ，其直接影響到整套鉆機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，對(duì)油田安全生產(chǎn)起著重要的作用。它要承受各個(gè)方向的載荷，尤其是要承受可高達(dá)1000tf的大垂直載荷。因此，鉆井井架必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和整體穩(wěn)定性。然而由于井架都是在野外比較惡劣的環(huán)境下

5、工作且頻繁的整拖或拆遷，超期服役等，井架的整體性能，承載能力下降，在井架承受一定載荷時(shí)，井架的彎矩和變形便逐漸增大，一旦超過(guò)結(jié)構(gòu)的承載能力就會(huì)發(fā)生破壞性事故。所以通過(guò)測(cè)量井架的應(yīng)變確定其承載能力，從而評(píng)估井架的性能，是很有必要的。[1-3]</p><p><b>　　2.3 意義</b></p><p>　　測(cè)量井架的應(yīng)變是必要的然而現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)是采用導(dǎo)線的有線

6、測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)于環(huán)境比較差的井架現(xiàn)場(chǎng)，不僅需要耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間來(lái)完成測(cè)量導(dǎo)線的運(yùn)輸、布置和連接工作，而且也可能影響井場(chǎng)的正常工作。</p><p>　　有線測(cè)試系統(tǒng)安裝繁瑣、工作量大、測(cè)量精度受導(dǎo)線長(zhǎng)度和布線影響大、測(cè)試周期長(zhǎng)、不能實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)與測(cè)試同步作業(yè)等。由于這許多不利缺點(diǎn)，無(wú)線測(cè)量被提出，然而現(xiàn)有的無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)都不能滿足井架應(yīng)變測(cè)量的需要，這些都是短距離的視距范圍才可以通信，不利于測(cè)量通信。</

7、p><p>　　所以要設(shè)計(jì)一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的石油井架應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。這種無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)不需要測(cè)量導(dǎo)線，免除了繁重的電纜運(yùn)輸與連接下作，不僅要縮短測(cè)試周期，降低開發(fā)成木，省大量的人力物力還要提高系統(tǒng)的測(cè)試精度和可靠性，增強(qiáng)系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性使系統(tǒng)的安裝、使用更加方便快捷，更主要的是信號(hào)的傳輸要符合井場(chǎng)狀況。</p><p>　　2.4 應(yīng)解決的主要問(wèn)題：</p><p>

8、　　2.4.1 傳播方式及匹配方案選擇問(wèn)題</p><p>　　井場(chǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層協(xié)議涉及采用的傳輸媒體、頻段選擇及調(diào)制方式。其中選擇合適的通信技術(shù)是關(guān)鍵，雖然目前無(wú)線通信技術(shù)有許多種，但是只有根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)才能選擇出滿足要求的技術(shù)。取代井場(chǎng)上電纜最直接的方法就是利用無(wú)線傳輸技術(shù)。無(wú)線通信技術(shù)，主要分為無(wú)線電波、光波、紅外線3種方式。目前可用于工業(yè)領(lǐng)域的短距離無(wú)線通信技術(shù)主要有HomeRF、無(wú)線局域802

9、.11b、 藍(lán)牙、ZigBee技術(shù)等。但是目前都是只能短距離無(wú)線通信，通信范圍在100 m以內(nèi)的，滿足不了實(shí)際情況。因?yàn)橐箓鬏斁嚯x達(dá)到要求，簡(jiǎn)單的使用短距離的傳輸是不行的，所以選擇合適的傳輸距離還要配合一定的方案才可以達(dá)到長(zhǎng)距離的無(wú)線測(cè)量。</p><p>　　2.4.2 網(wǎng)絡(luò)安全考慮</p><p>　　傳感器網(wǎng)絡(luò)受到的安全威脅和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)所受到的安全威脅不同，所以現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制不

10、適合此領(lǐng)域，需要開發(fā)針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的專門協(xié)議。由于采用無(wú)線電</p><p>　　路傳輸采集的數(shù)據(jù)，所以需要各種具體的技術(shù)手段增加網(wǎng)絡(luò)的安全性。日前存在2種思路：一種思想是從維護(hù)路由安全的角度出發(fā)，尋找盡可能安全的路由以保證網(wǎng)絡(luò)的安全。另一種思想是把重點(diǎn)放在安全協(xié)議方面，提出一個(gè)安全解決方案為之帶來(lái)一個(gè)普適的模型。</p><p>　　2.5 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)</p>

11、<p>　　現(xiàn)有的井架結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)是采用導(dǎo)線的有線測(cè)試系統(tǒng)。目前鉆井井場(chǎng)利用各種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集工作，通過(guò)有線電纜將各傳感器采集的信號(hào)傳輸?shù)娇刂浦行奶幚?。鉆井井場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配備的各個(gè)采集儀器都是在鉆井井現(xiàn)場(chǎng)利用有線電纜與井隊(duì)總控室進(jìn)行通信和供電的，一般采用集中式布線或現(xiàn)場(chǎng)總線方式。集中式布線要求每一個(gè)直接測(cè)量參數(shù)(采集儀器)都必須通過(guò)1根電纜連接到總控室，這需要多根電纜；場(chǎng)總線技術(shù)雖然大大減少了從鉆井現(xiàn)場(chǎng)到

12、總控室的電纜數(shù)日，但是每個(gè)采集儀器到總線的連接依然有大量的電纜存在。由于鉆井現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，并且鉆井過(guò)程中起下鉆桿等操作都是與重型、大型的設(shè)備打交道，所以這些沿井架管線或支架等鋪設(shè)或架空的多條電纜不僅造成本來(lái)就狹小的井場(chǎng)更顯雜亂，更重要的是這些線纜易受到施工過(guò)程中重物或人員的無(wú)意破壞。同時(shí)，這些參數(shù)儀表所要求的安裝時(shí)間較短，而鋪設(shè)或架空線纜又受到井場(chǎng)設(shè)備、設(shè)施的制約，故整個(gè)安裝布線過(guò)程非常緊張和復(fù)雜，直接影響鉆井生產(chǎn)。另外，這種有線系統(tǒng)的

13、可擴(kuò)展性同樣受到電纜鋪設(shè)等條件的制約。</p><p>　　在井場(chǎng)測(cè)試時(shí)需要耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間來(lái)完成測(cè)量導(dǎo)線的運(yùn)輸、布置和連接工作，存在安裝繁瑣、工作量大、測(cè)量精度受導(dǎo)線長(zhǎng)度和布線影響大、測(cè)試周期長(zhǎng)、不能實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)與測(cè)試同步作業(yè)等問(wèn)題。所以正向著無(wú)線傳感的微型化方向發(fā)展，研究。這樣檢測(cè)更便利，快速，成本更低。</p><p>　　隨著短距離無(wú)線通信技術(shù)和電子元器件技術(shù)的發(fā)展，迫切需求

14、在鉆井井場(chǎng)組建一種新型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以滿足自動(dòng)化鉆井乃至智能化鉆井的工程需要。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN , wireless sensor network)作為一種國(guó)內(nèi)外都在研究開發(fā)的新技術(shù)，目前雖然在工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、車輛監(jiān)控等領(lǐng)域有了一定的應(yīng)用成果，但是對(duì)于電磁干擾和遮擋干擾都相當(dāng)嚴(yán)重的鉆井井場(chǎng)還沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用。[1-4]</p><p><b>　　3 方案論證</b>&l

15、t;/p><p>　?。?）無(wú)線應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)主要由無(wú)線應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)接收中心和計(jì)算機(jī)組成，它是一個(gè)以數(shù)據(jù)接收中心和無(wú)線應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。其整體組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.[4-7]</p><p><b>　　圖1 整體結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)接收中心控制井架測(cè)點(diǎn)上的無(wú)線應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)將采集到的井架應(yīng)

16、變數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)接收中心，再經(jīng)數(shù)據(jù)接收中心送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示和分析處理。</p><p>　?。?）無(wú)線應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)主要由無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)，中繼站。數(shù)據(jù)接收中心和計(jì)算機(jī)組成，只比方案1多了一個(gè)中繼站。</p><p><b>　　采用方案1</b></p><p>　　因?yàn)闇y(cè)試井架應(yīng)變，接收端一般都設(shè)在離井架2000M以內(nèi)。而中繼站會(huì)增

17、加很大的成本，簡(jiǎn)單采用方案1也不可取，因?yàn)榇蠖鄶?shù)收發(fā)器的傳輸距離都是200m以內(nèi)，遠(yuǎn)小于需要的測(cè)量距離，因此設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是如何簡(jiǎn)單有效的增加方案1的傳輸距離。</p><p><b>　　4 設(shè)計(jì)過(guò)程</b></p><p>　　采集模塊主要是利用傳感器探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的井架應(yīng)變信息，通過(guò)微處理器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，然后無(wú)線傳出。根據(jù)鉆井現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，采集模塊放在井架的的特定位置

18、。利用傳感器采集該位置的信息。模塊的效率直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的生存周期。</p><p>　　本系統(tǒng)主要由系統(tǒng)供電電源模塊、電阻應(yīng)變橋式電路、前置放大電路、第二級(jí)放大濾波電路、電壓跟隨、AD轉(zhuǎn)換、微處理器和收發(fā)器等8部分組成。節(jié)點(diǎn)能量供應(yīng)模塊利用可充電的鋰電池供電，而傳感器模塊是根據(jù)信號(hào)特征來(lái)選擇。電路總體框圖如圖2所示。電源模塊主要為其他模塊提供穩(wěn)定可靠的電壓；應(yīng)變橋式電路作為信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，把應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；

19、前置放大電路主要由高精度儀用運(yùn)算放大器AD620為核心，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行前置放大并對(duì)噪聲進(jìn)行有效抑制；放大濾波電路作為后級(jí)放大器，同時(shí)也起到了低通濾波的作用。再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器MAX197轉(zhuǎn)換后通過(guò)</p><p>　　nRF401發(fā)射出去。</p><p><b>　　圖2 總體框圖</b></p><p>　　4.1 應(yīng)變電橋設(shè)計(jì)</p

20、><p>　　4.1.1 電阻應(yīng)變工作原理</p><p>　　根據(jù)“胡克定律”，也就是彈性定律，彈性物體在彈性范圍內(nèi)，它的形變和它所受力（壓縮、拉伸、彎曲、剪切等）成正比。只要測(cè)量到它的形狀變化，就可以知道它所受到的力的大小。反之，如果知道了它受到力的大小和方向，也能知道它的變形。這就是應(yīng)變測(cè)量的基本原理。</p><p>　　利用敏感元件把被測(cè)物體的應(yīng)變轉(zhuǎn)化成元件

21、的變化，在通過(guò)測(cè)量元件的變化，來(lái)計(jì)算被測(cè)的應(yīng)變量。敏感元件的種類很多，其中以電阻應(yīng)變片(簡(jiǎn)稱電阻片或應(yīng)變片)最簡(jiǎn)單、應(yīng)用最廣泛。電阻應(yīng)變片分為金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。</p><p>　　金屬應(yīng)變片又可以分為以下幾種：</p><p>　　1．絲繞式電阻應(yīng)變片：Ф0.025mm金屬絲（康銅、鎳鉻合金、貴金屬）做敏感柵</p><p>　　2．箔式電阻應(yīng)變片：用光刻

22、腐蝕工藝、照相制版制作成厚0.003—0.01 的金屬箔柵</p><p>　　3．薄膜式電阻應(yīng)變片：用真空濺射或真空沉積技術(shù)，在絕緣基片上蒸度幾～幾百納米金屬電阻薄膜</p><p>　　電阻片在感受構(gòu)件的應(yīng)變時(shí)(稱作工作片)，其電阻同時(shí)發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)表明，構(gòu)件被測(cè)量部位的應(yīng)變?chǔ)/L與電阻變化率ΔR/R成正比關(guān)系，即:ΔR / R=Ks ΔL/L，比例系數(shù)KS稱為電阻片的靈敏系數(shù)。&l

23、t;/p><p>　　由于電阻片的敏感柵不是一根直絲，所以Ks不能直接計(jì)算，需要在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變梁上通過(guò)抽樣標(biāo)定來(lái)確定。Ks的數(shù)值一般約在2.0左右。</p><p>　　應(yīng)變片是常用的測(cè)力傳感元件，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變片電阻值得變化確定力的變化。應(yīng)變儀測(cè)量電路的作用就是把電阻片得電阻變化率ΔR/ R轉(zhuǎn)化成電壓輸出，然后提供給放大電路，經(jīng)放大電路放大后進(jìn)行測(cè)量。</p><p>　　

24、4.1.2 電橋工作原理及設(shè)計(jì)</p><p>　　常將應(yīng)變片構(gòu)成經(jīng)典的電橋電路，組橋電路常用直流電橋，交流電橋，差動(dòng)電橋。本文采用直流電橋。設(shè)橋臂四個(gè)電阻靜態(tài)時(shí)R,=Rz=R3=R4=R，電橋平衡時(shí)(無(wú)應(yīng)變發(fā)生)電橋沒(méi)有信號(hào)輸出。發(fā)生應(yīng)變時(shí)，電橋失衡，電橋會(huì)有應(yīng)變信號(hào)輸出。設(shè)電阻的相對(duì)變化率分別為ΔR1 / R1 ΔR2 / R2 ΔR 3/ R3 ΔR4 / R 4，一個(gè)應(yīng)變片組成單臂電橋時(shí)∑R=Δ

25、R / R，兩個(gè)應(yīng)變片組成差對(duì)狀態(tài)工作即半橋電路(見(jiàn)圖3)，則有∑R=2ΔR / R，四個(gè)應(yīng)變片組成兩個(gè)差動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)∑R=4ΔR / R。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用半橋電路如圖R1=R2=R3=R4= 350Ω.應(yīng)變片R1和 R4成差動(dòng)工作片。其形變大小都為ΔR，但其極性相反。其輸出電壓U1和輸入電壓U0的關(guān)系（1）。</p><p>　　U0

26、 （1） </p><p><b>　　圖3 半橋電路</b></p><p>　　4.2前置放大電路設(shè)計(jì)</p><p>　　電阻橋式電路輸出的差模應(yīng)變信號(hào)很小，大概在mV級(jí)?；谛盘?hào)的該特點(diǎn)，放大器的設(shè)計(jì)主要是高增益，高共模抑制比，低噪聲。一方面，提高增益的最直接的措施是采用多個(gè)放大器級(jí)聯(lián)，但這種結(jié)構(gòu)在提高增益的同時(shí)也引人了噪聲

27、干擾，而且級(jí)數(shù)越多引入電路的傳輸函數(shù)極點(diǎn)越多，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，一般不選擇三級(jí)以上級(jí)聯(lián)方式，常用兩級(jí)級(jí)聯(lián)方式。多級(jí)放大電路總噪聲主要取決于第一級(jí)。</p><p>　　AD公司生產(chǎn)的儀用集成運(yùn)放AD620在抑制噪聲、增益、漂移方面都有優(yōu)異的特性，是解決微信號(hào)前置放大問(wèn)題的廉價(jià)方案。在一般訊號(hào)放大的應(yīng)用中通常通過(guò)差動(dòng)放大即可滿足需求，然而基本的差動(dòng)放大電路精密度較差且變更放大倍數(shù)時(shí)需要兩個(gè)電阻，影響整個(gè)訊號(hào)放大準(zhǔn)確度

28、，而AD620放大器則無(wú)以上缺點(diǎn)。</p><p>　　圖4.AD620儀表放大電路是由三個(gè)放大器組成，其中電阻R和RX 來(lái)調(diào)節(jié)放大的增益值，其關(guān)系如下（2）。</p><p>　　圖4 AD620內(nèi)部放大電路</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　一般而言，該放大器都有辦裝好的成品可以買到

29、，我們只需要接一個(gè)外接電阻RX，依照特定的關(guān)系式調(diào)整至所需倍率即可。下面介紹AD620的使用方法</p><p><b>　　外圍引腳圖（5）</b></p><p>　　圖5 AD620引腳圖</p><p><b>　　引腳功能如下表1</b></p><p>　　表1 AD620引腳功能&

30、lt;/p><p>　　AD620的放大增益關(guān)系：如下</p><p><b>　　（3）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　如下圖用高精確、噪聲低、高性能、低成本的儀表放大器AD620構(gòu)成差分放大電路，如圖6所示能有效去除共模干擾，接線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需通過(guò)外接一個(gè)

31、電阻可以精確放大所需倍數(shù)，本電路外接電阻R=1K，放大倍數(shù)A1=50。</p><p>　　圖6 一級(jí)放大電路圖</p><p>　　4.3 第二級(jí)放大濾波和電壓跟隨電路設(shè)計(jì)</p><p>　　4.3.1 op07的功能介紹：</p><p>　　Op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的

32、輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為25μV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。</p><p><b>　　特點(diǎn)：</b></p><p>

33、　　(1)超低偏移： 150μV最大 。</p><p>　　(2)低輸入偏置電流： 1.8nA 。</p><p>　　(3)低失調(diào)電壓漂移： 0.5μV/℃ 。</p><p>　　(4)超穩(wěn)定，時(shí)間： 2μV/month最大。</p><p>　　(5)高電源電壓范圍： ±3V至±22V 。</p>&

34、lt;p>　　4.3.2 OP07芯片引腳功能說(shuō)明：</p><p>　　1和8為偏置平衡(調(diào)零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳 6為輸出，7接電源+ </p><p><b>　　OP07 管腳圖</b></p><p>　　圖7 OP07芯片引腳</p><p>　　4.3.3 濾波放

35、大和電壓跟隨器的設(shè)計(jì)</p><p>　　OP07是高精度運(yùn)算放大器，具有極低的輸人失調(diào)電壓，低溫漂，低的輸人噪聲、電壓幅度及長(zhǎng)期穩(wěn)定等特點(diǎn)，與電阻電容構(gòu)成有源低通濾波電路，兼有放大功能。隨后接電壓跟隨器如圖所示。當(dāng)采集信號(hào)為低頻信號(hào)時(shí)，要根據(jù)欲采集的應(yīng)變信號(hào)來(lái)設(shè)定低通截止頻率。本電路采用阻容配置成截至頻率為</p><p>　　=72.4Hz

36、 (5) </p><p>　　完全滿足本次設(shè)計(jì)的濾波功能。放大倍數(shù)可以視實(shí)際需要進(jìn)行匹配，此處電路的放大倍數(shù)</p><p>　　A2==l0。 (6)</p><p><b>　　所以總體放大倍數(shù)</b></p><p>　　A=A1*A2=50*10

37、=500倍 (7) </p><p>　　在電路中，電壓跟隨器做緩沖級(jí)及隔離級(jí)。電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級(jí)的輸人阻抗比較小，那么信號(hào)就會(huì)有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級(jí)的輸出電阻中。在這個(gè)時(shí)候，就需要電壓跟隨器來(lái)從中進(jìn)行緩沖，盡量減少信號(hào)的衰減，起到承上啟下的作用。由R9、C6阻容配置的低通截至頻率與前級(jí)一致。由此輸出的信號(hào)

38、可直接用于AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化處理。</p><p>　　圖8 濾波二次放大及電壓跟隨電路圖</p><p>　　4 .4 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)</p><p>　　A/D 轉(zhuǎn)換器即模數(shù)轉(zhuǎn)換器，或簡(jiǎn)稱 ADC，通常是指一個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的電子元件。 通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)。由于數(shù)字信號(hào)本身不具有實(shí)際意義，僅僅表示一個(gè)相

39、對(duì)大小。故任何一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見(jiàn)的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號(hào)大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)的大小。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器最重要的參數(shù)是轉(zhuǎn)換的精度，通常用輸出的數(shù)字信號(hào)的位數(shù)的多少表示。轉(zhuǎn)換器能夠準(zhǔn)確輸出的數(shù)字信號(hào)的位數(shù)越多，表示轉(zhuǎn)換器能夠分辨輸入信號(hào)的能力越強(qiáng)，轉(zhuǎn)換器的性能也就越好。 </p><p>　　4.4.1 AD轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)</p><

40、p>　　AD轉(zhuǎn)換器的主要指標(biāo)如下</p><p>　?。?）分辨率（Resolution）。指數(shù)字量變化一個(gè)最小量時(shí)模擬信號(hào)的變化量，定義為滿刻度與2n的比值。分辨率又稱精度，通常以數(shù)字信號(hào)的位數(shù)來(lái)表示。</p><p>　　（2）轉(zhuǎn)換速率（Conversion Rate）。是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的AD轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間的倒數(shù)。積分型AD的轉(zhuǎn)換時(shí)間是毫秒級(jí)屬低速AD，逐次比較型AD

41、是微秒級(jí)屬中速AD，全并行／串并行型AD可達(dá)到納秒級(jí)。采樣時(shí)間則是另外一個(gè)概念，是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率（Sample Rate）必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。因此習(xí)慣上將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等同于采樣速率也是可以接受的。常用單位是Ksps和Msps，表示每秒采樣千／百萬(wàn)次（Kilo／ Million Samples Per Second）。</p><p>　　（3）量化誤差（Quantizi

42、ng Error）。由于AD的有限分辨率而引起的誤差，即有限分辨率AD的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無(wú)限分辨率AD（理想AD）的轉(zhuǎn)移特性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1個(gè)或半個(gè)最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為1LSB、1／2LSB。</p><p>　?。?）偏移誤差（Offset Error）。輸人信號(hào)為雷時(shí)輸出信號(hào)不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小。</p><p>　　（5）滿刻度誤差（Fu

43、ll Scale Error）。滿刻度輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的輸人信號(hào)與理想輸人信號(hào)值之差。[5-6]</p><p>　　4.4.2 AD轉(zhuǎn)換器的選擇</p><p>　　常見(jiàn)的八位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（如ADC0809等）設(shè)計(jì)的系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單而且成本較低，但是八位的精度是不夠的，這時(shí)我們就選用了高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。其中MAX197就是一種性價(jià)比很高的12位精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。MAX197芯片是美國(guó)Maxi

44、m公司的快速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，MAX197是一種逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間最小僅為6μS,相對(duì)于ADC0809的100μ s要短得多。它的輸入信號(hào)帶寬可達(dá)5 MHz，有12位并行的三態(tài)數(shù)據(jù)接口。另外MAX197片內(nèi)包含高精度的參考電壓源和時(shí)鐘電路，因此它只需要很簡(jiǎn)單的外部電路即可完成模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，應(yīng)用非常方便。</p><p>　　4.4.3 MAX197的介紹</p><p>　　M

45、AX197芯片是美國(guó)MAXIM公司近年的新產(chǎn)品，是多量程(±10V，±5V，0～10V，0～5V)、8通道、12位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器。它采用逐次逼近工作方式，有標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)接口。三態(tài)數(shù)據(jù)I／O口用做8位數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)總線的時(shí)序與絕大多數(shù)通用的微處理器兼容。全部邏輯輸入和輸出與TTL／CMOS電平兼容。新型A／D轉(zhuǎn)換器芯片MAX197與一般A/D轉(zhuǎn)換器芯片相比，具有極好的性能價(jià)格比，僅需單一＋5V供電，且外圍電路簡(jiǎn)單，

46、可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　1、特性</b></p><p>　?。?）12位分辨率，1/2LSB線形度；</p><p>　　（2）單+5V供電；</p><p>　?。?）軟件可編程選擇輸入量程： 10V， 5V，0~+5V，0~+10V；</p><p>　?。?）輸入多路

47、選擇器保護(hù)： 16.5V</p><p>　?。?）8路模擬輸入通道；</p><p>　?。?）6us轉(zhuǎn)換時(shí)間，100kSPS采樣速度；</p><p>　?。?）內(nèi)/外部采集控制；</p><p>　?。?）內(nèi)部4.096V或外部參考電壓；</p><p>　?。?）兩種掉電模式；</p><p

48、>　?。?0）內(nèi)部或外部時(shí)鐘。</p><p>　　2、MAX197引腳功能</p><p>　　圖9 MAX197引腳圖</p><p><b>　　引腳 名字 功能</b></p><p>　　(1) CLK 時(shí)鐘輸入。在內(nèi)部時(shí)鐘模式下,從該引腳接一100pF的電容可獲得1.56MHz內(nèi)部時(shí)鐘</p&g

49、t;<p>　　(2) CS 片選,低電平有效</p><p>　　(3) WR 當(dāng)CS為低電平時(shí),在內(nèi)部時(shí)鐘模式下,WR的上升沿將鎖存設(shè)置并開始一個(gè)自動(dòng)采集和轉(zhuǎn)換周期,在外部時(shí)鐘模式下,WR處的第一個(gè)上升沿開始采集,第二個(gè)上升沿結(jié)束采集并進(jìn)入轉(zhuǎn)換周期</p><p>　　(4) RD 當(dāng)CS低電平時(shí),RD 上的下降沿使數(shù)據(jù)處于數(shù)據(jù)總線上可被讀取</p>&

50、lt;p>　　(5) HBEN 用于12 位轉(zhuǎn)換結(jié)果的多路復(fù)用。當(dāng) HBEN為低電平時(shí)可讀取結(jié)果的高 4 位,當(dāng)為高電平時(shí),可讀取結(jié)果的低8位</p><p>　　(6) SHDN 設(shè)置電源關(guān)閉模式</p><p>　　(7) – (14) D0 - D11 三態(tài)數(shù)字 I/ O端口</p><p>　　(15) AGND 模擬信號(hào)地</p>

51、<p>　　(16) –( 23) CH0 - CH7 模擬信號(hào)輸入通道</p><p>　　(24) INT 當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束且數(shù)據(jù)可被訪問(wèn)時(shí)為低電平</p><p>　　(25) REFADJ 帶寬基準(zhǔn)電壓調(diào)整引腳。當(dāng) REF 引腳使用外部基準(zhǔn)電壓時(shí)直接接 VDD , 否則旁路一0. 01 μF的電容</p><p>　　(26) REF 基準(zhǔn)緩存輸

52、出和緩存輸入引腳。在用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓時(shí),基準(zhǔn)緩存輸出一4. 096V的名義電壓,并可通過(guò) REFADJ 引腳調(diào)整。在用外部基準(zhǔn)電壓時(shí),則通過(guò) REFADJ 直接接VDD使基準(zhǔn)緩存無(wú)效</p><p>　　(27) VDD + 5V電源</p><p>　　(28) DGND 數(shù)字信號(hào)地</p><p>　　4.5 微處理電路設(shè)計(jì)</p><p

53、>　　微處理器在設(shè)計(jì)中既要起控制收發(fā)器的作用，也要有多機(jī)通信的能力。從而使一臺(tái)計(jì)算機(jī)接收多個(gè)井架的應(yīng)變數(shù)據(jù)。由于89C51已經(jīng)停產(chǎn)，我這次設(shè)計(jì)選用它的升級(jí)產(chǎn)品89s51[8-11]。AT89S51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲(chǔ)器既可

54、在線編程（ISP)也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中。低價(jià)位AT89S51單片機(jī)有很多應(yīng)用場(chǎng)所，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。</p><p>　　4.5.1 AT89S51的主要性能</p><p>　　（1）與MCS-51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容</p><p>　?。?）4k字節(jié)在系統(tǒng)編程(ISP) Flash閃速存儲(chǔ)器</p>&

55、lt;p>　?。?）1000次擦寫周期</p><p>　　（4）0-5. 5V的工作電床范圍 </p><p>　?。?）全靜態(tài)工作模式:OHz-33MHz</p><p>　?。?）三級(jí)程序加密鎖</p><p>　?。?）128*8字節(jié)內(nèi)部RAM</p><p>　?。?）32個(gè)可

56、編程I/O口線</p><p>　?。?）2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器</p><p>　　(10) 6個(gè)中斷源</p><p>　　(11) 全雙工串行DART通道</p><p>　　(12) 低功耗空閑和掉電模式</p><p>　　(13) 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng)</p><p>　　(14)

57、 看門狗(WDT)及雙數(shù)據(jù)指針</p><p>　　(15) 掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性</p><p>　　(16) 靈活的在系統(tǒng)編程(ISP字節(jié)或頁(yè)寫模式)</p><p>　　4.5.2 89S51 相對(duì)于89C51 增加的新功能 </p><p>　?、?新增加很多功能，性能有了較大提升，價(jià)格基本不變，甚至比89C51 更低！ <

58、/p><p>　?、?ISP 在線編程功能，這個(gè)功能的優(yōu)勢(shì)在于改寫單片機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離。是一個(gè)強(qiáng)大易用的功能。 </p><p>　?、?最高工作頻率為33MHz，大家都知道89C51 的極限工作頻率是24M，就是說(shuō)S51 具有更高工作頻率，從而具有了更快的計(jì)算速度。 </p><p>　?、?具有雙工UART 串行通道。 </p>

59、;<p>　?、輧?nèi)部集成看門狗計(jì)時(shí)器，不再需要像89C51 那樣外接看門狗計(jì)時(shí)器單元電路。 </p><p><b>　?、揠p數(shù)據(jù)指示器。 </b></p><p><b>　?、唠娫搓P(guān)閉標(biāo)識(shí)。 </b></p><p>　　⑧ 全新的加密算法，這使得對(duì)于89S51 的解密變?yōu)椴豢赡?，程序的保密性大大加?qiáng)，這

60、樣就可以有效的保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)不被侵犯。 </p><p>　?、峒嫒菪苑矫妫合蛳峦耆嫒?1 全部字系列產(chǎn)品。比如8051、89C51 等等早期MCS-51 兼容產(chǎn)品。也就是說(shuō)所有教科書、網(wǎng)絡(luò)教程上的程序（不論教科書上采用的單片機(jī)是8051 還是89C51 還是MCS-51 等等），在89S51 上一樣可以照常運(yùn)行，這就是所謂的向下兼容。 </p><p>　　4.4.3 引腳功能說(shuō)明<

61、;/p><p>　　圖10 89S51芯片引腳</p><p><b>　　Vcc:電源電壓</b></p><p><b>　　GND:地</b></p><p>　　P0口:PO口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口寫“

62、1”，可作為高阻抗輸入端用。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址(低8位)和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在Flash編程時(shí)，Po口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。</p><p>　　P1口:P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口寫“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高

63、電平，此處可做輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流</p><p>　　Flash編程和程序校驗(yàn)期間 P1接收低8位地址。</p><p><b>　　表2</b></p><p>　　在串行編程和校驗(yàn)時(shí)，P1.5/MOSI,P1.6/OSI和P1.7/SCK分別是串行數(shù)據(jù)輸入、輸出和移位脈沖引腳

64、。</p><p>　　P2口：用作輸出口時(shí)，可驅(qū)動(dòng)四個(gè)TTL負(fù)載；用作輸入口時(shí)，先將引腳置1，由內(nèi)部上拉電阻將其提高到高電平。若負(fù)載為低電平，則通過(guò)內(nèi)部上拉電阻向外輸出電流。CPU訪問(wèn)外部16位地址的存儲(chǔ)器時(shí)，P2口提供高8位的地址。當(dāng)CPU用8位地址尋址外部存儲(chǔ)器時(shí)，P2口為P2特殊功能寄存器內(nèi)容。 在FLASH并行編程和校檢時(shí)，P2口可輸入高字節(jié)地址和某些控制信號(hào)。</p><p>

65、　　P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3 口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。 P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示: P3 口還接收一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。</p><p>　　表3 P

66、3口引腳及功能</p><p>　　ALE/PROG——地址鎖存允許/編程脈沖信號(hào)端。在CPU訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或者外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE提供一個(gè)地址鎖存信號(hào)，將低8位地址鎖存在騙外地址鎖存中。在與FLASH并行編程時(shí)，該引腳也是編程負(fù)脈沖的輸入端。在正常操作狀態(tài)下，該引腳端口輸出額定頻率的脈沖，其頻率為額定頻率的1/6，可做外部定時(shí)或者其它引發(fā)信號(hào)。應(yīng)注意，CPU每次訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，都要丟失一個(gè)ALE脈

67、沖。如果需要，則通過(guò)將SFR(8EH)的第0位置1，可禁止ALE操作，但在使用MOVC或者M(jìn)OVX指令時(shí)候，ALE仍有效。也就是說(shuō)，ALE的禁止位不影響對(duì)外部存儲(chǔ)器的訪問(wèn)。</p><p>　　PSEN——外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)，低電平有效。當(dāng)AT89S51/LS51執(zhí)行來(lái)自外部程序存儲(chǔ)器指令代碼時(shí)候，PSEN每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)候，則無(wú)效。</p><p>　　

68、EA/Vpp——外部程序存儲(chǔ)器允許。當(dāng)EA接地時(shí)，CPU只執(zhí)行外程序存儲(chǔ)器的程序；當(dāng)EA接Vcc時(shí)，CPU首先執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器中的程序（0000H ——0FFFH），然后自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器中的程序（1000H——FFFFH）.如果程序鎖定位LB1別編程（P），那么EA值將在復(fù)位時(shí)有片內(nèi)鎖存。在與FLASH并行編程時(shí)，該引腳可介入12V的編程電壓Vpp.</p><p>　　XTAL1和XTAL2——XT

69、AL1是片內(nèi)振蕩器反相放大器和時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。</p><p>　　RST——復(fù)位輸入段，高電平有效。在振蕩器穩(wěn)定有效運(yùn)行狀態(tài)下，RST端維持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，便可復(fù)位器件，當(dāng)看門狗定時(shí)器溢出輸出端時(shí)，該引腳將輸出長(zhǎng)達(dá)98個(gè)震蕩周期的高電平。</p><p>　　Vcc—電源電壓輸入端。</p><p><b&

70、gt;　　GND—電源地。 </b></p><p>　　4.6 收發(fā)器的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.6.1 天線的設(shè)計(jì)</p><p>　?、儆绊憻o(wú)線通信距離的主要因素</p><p><b>　　圖11 信道模型</b></p><p>　　上圖是一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)的信道模型

71、，RX（發(fā)射端）接收了傳感器的信號(hào)后通過(guò)天線傳送給TX（接收端），天線之間的距離為傳輸距離。在工作頻率過(guò)頂?shù)那疤嵯?，影響工作距離的主要因素包括發(fā)射功率、發(fā)射天線增益、傳播損耗、接收天線增益、接收機(jī)靈敏度等。通過(guò)加大發(fā)射功率，提高天線增益，提高接收靈敏度等，均起到提高通信距離的作用，在影響無(wú)線通信距離的以上幾個(gè)因素中，我們可以控制的因素有：接收靈敏度，RX-天線增益（loss），TX-天線增益(loss)，發(fā)射功率輸出。</p>

72、;<p>　　作為我們不能控制的因素，以下這些因素是由無(wú)線電波的特點(diǎn)所決定的，無(wú)法由我們改變及選擇：傳輸損耗，路徑損耗，多徑損耗，周圍環(huán)境的吸收。傳輸損耗包括自由空間損耗和其他傳輸損耗，所謂自由空間傳播系統(tǒng)指天線周圍為無(wú)線大真空時(shí)的電波傳輸，它是理想傳播條，自由空間傳播損耗與距離和工作頻率有關(guān)。下面的公式在自由空間下電波傳播的損耗：</p><p>　　【LOS】(dB)=32.44+20lgd(K

73、m)+20lgf (MHz)</p><p>　　Los------傳播損耗,單位為dB；</p><p>　　D--------是距離，單位是Km；</p><p>　　F---------是工作頻率。單位是MHz。</p><p>　　由上式可見(jiàn)，自由空間中電波傳輸損耗（亦稱衰減）只與工作頻率f和傳播距離d有關(guān)，當(dāng)f或 d增大一倍時(shí)，【L

74、OS】將分別增加6dB。</p><p>　　② 加大功率提高通信距離</p><p>　　在我們可以控制的因素中，接收靈敏度、天線增益、發(fā)射功率都是可以作為提高通信距離的方法，通常會(huì)考慮采用加大發(fā)射功率的方式來(lái)提高通信距離，但這不是一個(gè)很好的辦法。加大發(fā)射功率是可以加大傳輸距離，但是有很多不理想的因素：</p><p>　　1）加大功率后，帶來(lái)高電流消耗。由于功率

75、放大器的轉(zhuǎn)換效率較低，這對(duì)于便攜設(shè)備是很不利的。</p><p>　　2）增加了系統(tǒng)的成本。有下圖可以看見(jiàn)需要增加LNA（低噪音放大器）、PA（功率放大器）、T/R（收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)），這些部分大約需要增加40個(gè)元件，會(huì)增加較高成本，發(fā)射功率可能只增加一點(diǎn)，功耗增加很大，達(dá)到百毫安以上。</p><p><b>　　圖12</b></p><p>

76、　　3）無(wú)線電噪聲。由于加大功率會(huì)產(chǎn)生較大的諧波干擾和噪聲，并會(huì)對(duì)通信造成其他影響，反而會(huì)影響通信距離。</p><p>　?、鄄捎酶咴鲆嫣炀€提高通信距離</p><p>　　用高增益天線來(lái)提高距離具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1．集成天線，體積較?。?lt;/p><p>　　2．成本低于采用增加功放的方式；</p><

77、p>　　3．與其他方案比非常簡(jiǎn)單；</p><p>　　4．無(wú)需增加額外的功耗和增加外圍元件。</p><p>　　以下是舉例采用高增益天線與采用Loop低增益天線的通信距離對(duì)比：</p><p><b>　?、癫捎铆h(huán)形天線</b></p><p>　　F0：434MHz(=0.69m)</p>&l

78、t;p><b>　　Pt;10dBm</b></p><p>　　Gtx_ant: _ 17.7dB(3520loop天線)</p><p>　　Grx-ant: _22dB(2515loop天線)</p><p>　　S: _105dBm</p><p>　　LP=S _Pt _Gtx_ant _Grx_ant=

79、_75.3 dB dB （8）</p><p>　　R==320m （9）</p><p>　?、虿捎? dB增益天線</p><p>　　F0：434MHz(=0.69m)</p><p><b>　　Pt：10dBm</

80、b></p><p>　　Gtx_ant: 0 dB天線</p><p>　　Grx_ant: 0dB天線</p><p>　　S: _105dBm</p><p>　　LP+ S _Pt _Gtx_ant _Grx_ant=_115dB （10）</p><p>　　R=

81、=30893m （11）</p><p>　　這是理想情況下的傳輸距離，實(shí)際的應(yīng)用會(huì)低于該值，這是因?yàn)闊o(wú)線通信要受到各種外界因素的影響，如大氣、阻擋物等造成的損耗，將這些損耗的參考值計(jì)入上式中，即可計(jì)算出近似的通信距離。假定大氣，阻擋物等造成的損耗為23dB,可以計(jì)算出通信距離為R=2300m＞2000m滿足此次設(shè)計(jì)的距離要求。</p><

82、p>　　4.6.2 收發(fā)器的選擇</p><p>　　為了很好的實(shí)行多機(jī)通信和通信方便，選擇了nRF401芯片來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)線數(shù)字收發(fā)器[12-14]</p><p>　　4.6.3 nRF401收發(fā)器的介紹及外圍電路設(shè)計(jì)</p><p>　　它是一個(gè)工作在433MHz ISM頻段和315MHz ISM頻段的單片機(jī)RF無(wú)線收發(fā)芯片，采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù),抗干擾能力

83、強(qiáng)，適合工業(yè)控制應(yīng)用；采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好；靈敏度高達(dá)_105dBm，最大發(fā)射功率達(dá)+10dBm；具有2個(gè)信號(hào)通信，適合需要多信道工作的特殊場(chǎng)合；可直接與微控制器接口，低工作電壓（2.7V），數(shù)據(jù)速率可達(dá)20Kb/s；功耗低，接收待機(jī)狀態(tài)僅為8s；僅需外接一個(gè)晶體和幾個(gè)阻容、電感元件，即可構(gòu)成一個(gè)完整的射頻收發(fā)器，電路模塊尺寸為30mm22mm6mm,可方便的嵌入各種測(cè)量和控制系統(tǒng)中。采用高增益天線的情況下傳輸距離可達(dá)3

84、000m。</p><p>　　表4 nRF401的主要性能</p><p>　　芯片封裝與引腳功能，nRF401采用20腳SSOIC封裝，如下圖所示。引腳功能如表所示。</p><p>　　圖13 nRF401引腳</p><p><b>　　引腳功能</b></p><p><b&g

85、t;　　表5 引腳及功能</b></p><p>　　9腳及10腳：DIN輸入數(shù)字信號(hào)和DOUT輸出信號(hào)均為標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平信號(hào)，需要發(fā)射的數(shù)字信號(hào)通過(guò)DIN輸入，解調(diào)出來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)DOUT輸出。12腳通道選擇：FREQ=“0”為通道#1（433.92MHz）：FREQ=“1”通道#2（315.16 MHz）。18腳電源開關(guān)：PWR_UP=“1”為工作狀態(tài)，PWR_UP=“0”為待機(jī)狀態(tài)。19腳發(fā)射允

86、許：TXEN=“1”為發(fā)射模式；TXEN=“0為接收模式。</p><p>　　此次設(shè)計(jì)FREQ=“0”，即選擇通道#1（433.92MHz）。</p><p>　　連接在RF_PWR端和VSS之間的電阻R14可設(shè)置輸出功率。射頻輸出功率設(shè)置到+10 dBm。輸出功率與電阻R14的關(guān)系如圖14所示。芯片消耗電流與電阻R14的關(guān)系如圖15所示。</p><p>　　圖

87、14 輸出功率與電阻R14的關(guān)系</p><p>　　圖15 芯片消耗電流與電阻R3的關(guān)系</p><p>　　PLL回路濾波器是外接的單元2階濾波器，因?yàn)槠渫扑]值是：C17=820pf，C18=15nf.和R12=4.7K，所以此次設(shè)計(jì)我也選擇了推薦值。</p><p>　　對(duì)于VCO電路外接22nH(433MHz)，或者47 nH(315MHz)電感在VCO

88、1和VCO2之間是必須的。此次外接22nH(433MHz)。電感使用高質(zhì)量的片式電感，Q＞45（在(433MHz/315MHz)，最大誤差±2% 。</p><p>　　nRF401外圍電路圖</p><p>　　圖16 nRF401外圍電路圖</p><p>　　圖中加粗部分為高增益天線。</p><p>　　4.7 采集模塊總

89、體圖</p><p><b>　　采集模塊電路圖</b></p><p>　　圖17 采集模塊電路圖</p><p>　　上面設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)集成后安裝好，外觀圖如下：</p><p><b>　　圖18 外殼圖</b></p><p>　　下底板內(nèi)部應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)電池倉(cāng)

90、，和固定集成電路板的螺釘柱子。如下圖</p><p><b>　　圖19</b></p><p><b>　　4.8 測(cè)量點(diǎn)簡(jiǎn)圖</b></p><p>　　為了安裝方便，可選強(qiáng)磁吸盤安裝。應(yīng)變測(cè)量測(cè)點(diǎn)示意圖如下簡(jiǎn)單模型</p><p><b>　　圖20</b></p&

91、gt;<p><b>　　4.9 接收端設(shè)計(jì)</b></p><p>　　接收端也使用NRF401收發(fā)器。為了多機(jī)通信，后接89S51單片機(jī)控制收發(fā)器,協(xié)調(diào)從機(jī)與主控機(jī)之間的通信，控制電腦發(fā)送地址幀和命令幀。89S51的RED、TXD分別接到RS232轉(zhuǎn)換芯片TXIN、RXOUT，在通過(guò)串口和電腦連接。</p><p>　　RS232選擇了MAX232A

92、[15]</p><p>　　Max232產(chǎn)品是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片。該器件包含2驅(qū)動(dòng)器、2接收器和一個(gè)電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。</p><p>　　該器件符合TIA/EIA-232-F標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5-V TTL/CMOS電平。每一個(gè)發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-2

93、32-F電平.</p><p>　　MAX232A與MAX232的不同點(diǎn)：</p><p>　　表6 MAX232A與MAX232的不同點(diǎn)</p><p>　　MAX232A后接一個(gè)串口，實(shí)現(xiàn)和電腦連接。</p><p><b>　　接收端電路圖</b></p><p>　　圖21 接收端電路

94、圖</p><p>　　4.10通信協(xié)議設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)89S51串行口的多機(jī)通信能力，多級(jí)通信可以按照以下協(xié)議進(jìn)行：</p><p>　　1 首先從機(jī)向主機(jī)發(fā)送本機(jī)地址，主機(jī)接收地址；</p><p>　　2 有測(cè)量需要時(shí)，主機(jī)發(fā)送一地址幀，并置TB8=0</p><p>　　3 從機(jī)接收到地址幀后，與

95、本機(jī)地址相比較，相同則置RB=0，正式發(fā)送數(shù)據(jù)信息。由于主機(jī)TB8=0，選中的從機(jī)必有RB8=0，接收到數(shù)據(jù)幀后，發(fā)射應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)，主機(jī)接收應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)，再進(jìn)行分析。而未選中的從機(jī)RB=1，則不發(fā)送數(shù)據(jù)；</p><p>　　4 主機(jī)通過(guò)無(wú)線收發(fā)器發(fā)送給從機(jī)的數(shù)據(jù)分為兩種：地址幀和命令幀；從機(jī)上傳的只有數(shù)據(jù)幀。幀格式如下：</p><p><b>　　表7</b>&l

96、t;/p><p>　　地址幀D0~D7全為地址位，編號(hào)為00H~FFH，即網(wǎng)絡(luò)中最多可有256臺(tái)從機(jī)。一個(gè)井架設(shè)定8個(gè)測(cè)點(diǎn)，所以一臺(tái)電腦可以控制32個(gè)井架。</p><p>　　命令幀D4~D7為命令類別編號(hào)，最多可安排16條不同指令。D0~D3為執(zhí)行通道號(hào)，最多可有15個(gè)執(zhí)行通道，編號(hào)為01H~0FH。命令幀可根據(jù)需要設(shè)計(jì)</p><p>　　4.11 軟件流程圖&

97、lt;/p><p><b>　　5總結(jié)</b></p><p>　　此次設(shè)計(jì)采用了直流半橋電阻應(yīng)變電路測(cè)量井架的形變，把應(yīng)變轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，經(jīng)AD620（高增益、低漂移、噪聲低）放大器放大50倍后傳給OP07（高精度運(yùn)算放大器，具有極低的輸人失調(diào)電壓，低溫漂，低的輸人噪聲、電壓幅度及長(zhǎng)期穩(wěn)定等特點(diǎn)，與電阻電容構(gòu)成有源低通濾波電路，兼有放大功能）放大10倍，截至頻率為72.

98、4Hz,完成了二次放大和濾波。再由12位高精度的AD轉(zhuǎn)換器MAX197把電壓信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)安裝有高增益天線的nRF401收發(fā)器發(fā)射出去。接收端也用有高增益天線的nRF401收發(fā)器作為接收用接收器，后接MAX232轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)收發(fā)器與電腦信號(hào)的轉(zhuǎn)換，由串口連接MAX232和電腦即可通信。為了正常，安全，多機(jī)通信，微控制器選用了89C51的升級(jí)產(chǎn)品89S51。</p><p><b>　　特點(diǎn)：&l

99、t;/b></p><p>　　1多機(jī)通信，一臺(tái)電腦可控制256個(gè)采集模塊；</p><p>　　2 測(cè)量范圍遠(yuǎn)，通信距離可達(dá)2000多米；</p><p><b>　　3 測(cè)量精度高</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]強(qiáng)衛(wèi)

100、東,張蓄,王文,李小軍. 在用井架測(cè)試及安全評(píng)價(jià)研究.[J]. 新疆石油科技，1993,3（4）：72-76</p><p>　　[2]李天. 傳感器和檢測(cè)儀表的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析.[D].中國(guó)工控網(wǎng)，中國(guó)工控網(wǎng)，2010.</p><p>　　[3]Yi Jia，Ke Sun，F(xiàn)redrick，Just Agosto ，Manuel Toledo Quinones.Design and

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102、網(wǎng)絡(luò)的有關(guān)問(wèn)題分析[J].石油機(jī)械，2006,34（4）：59-62</p><p>　　[6]李傳偉，慕德俊，李安宗. 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鉆井井場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]測(cè)控技術(shù)，2008,27（12）：1-6</p><p>　　[7]胡煥民. 配有微型機(jī)的應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)處理裝置.[J].電子技術(shù)應(yīng)用，1981，001（01）：7-11</p><p>　　[8]余新平.

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105、lt;/p><p>　　[15]喻萍，郭文川.單片機(jī)原理與接口技術(shù).[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　大學(xué)四年就快結(jié)束了，畢業(yè)設(shè)計(jì)作為大學(xué)四年最后的一次考核，不僅要對(duì)大學(xué)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行回顧、綜合，而且需要我們能根據(jù)這些知識(shí)進(jìn)行拓展，運(yùn)用。從而為大學(xué)生涯做個(gè)總結(jié)。</p>