基于單片機(jī)技術(shù)的鉆井液流量異常報(bào)警器

呂萬(wàn)宏，尹 丹，王 娟，辛志相，張成志

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司地質(zhì)勘探院，河南 洛陽(yáng)471002)

0 引言

鉆井液具有清洗孔底，攜帶和懸浮巖屑，冷卻鉆頭，潤(rùn)滑鉆頭和鉆具，保護(hù)孔壁等作用。然而由于各種原因，鉆井液有可能沒(méi)有按照需要的流量進(jìn)入孔內(nèi)，如果進(jìn)入鉆孔的鉆井液量很小，甚至斷流，就會(huì)引起燒鉆、卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故;如果進(jìn)入鉆孔的沖洗液量過(guò)大，就會(huì)強(qiáng)烈沖蝕巖心和孔壁，造成取心率降低，鉆孔塌孔等問(wèn)題。

因此，研制一種能夠測(cè)量鉆井液流量并進(jìn)行報(bào)警的裝置就顯得十分必要了。鉆井液流量異常報(bào)警器(以下簡(jiǎn)稱“報(bào)警器”)以單片機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)為依托，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)了沖洗液量突變時(shí)報(bào)警的功能。

報(bào)警器的研發(fā)過(guò)程主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括流量傳感器的選擇和單片機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 傳感器的選擇

流量傳感器的作用就是測(cè)量報(bào)警器中的流量大小，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。常用的流量傳感器有電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、遠(yuǎn)傳發(fā)訊水表等。

報(bào)警器對(duì)流量傳感器的精度要求不高，能達(dá)到1 L/min就可以了。測(cè)量范圍能夠滿足水利水電鉆探需要即可，即不超過(guò)100 L。但鑒于鉆探工程的物化勞動(dòng)程度高，利潤(rùn)低，因此所選用的設(shè)備應(yīng)盡可能實(shí)用且價(jià)格合理。遠(yuǎn)傳發(fā)訊水表的測(cè)量范圍和精度能夠滿足報(bào)警器的要求，而且價(jià)格便宜，結(jié)合報(bào)警器的工作環(huán)境等因素，最終選擇遠(yuǎn)傳發(fā)訊水表作為報(bào)警器的流量測(cè)量設(shè)備。其基本參數(shù)為:

(1)適用溫度:0～40℃。

(2)公稱壓力:1 MPa。

(3)測(cè)量范圍:見(jiàn)表1。

表1 遠(yuǎn)傳發(fā)訊水表測(cè)量范圍表

(4)輸出信號(hào):開(kāi)關(guān)信號(hào)，最大允許電流＜30 mA。

(5)遠(yuǎn)傳距離:＜1 km。

(6)示值誤差限:從包括最小流量至不包括分界流量的低區(qū)為5%;從包括分界流量至包括過(guò)載流量的高區(qū)為2%。

(7)輸出信號(hào)精度:與水表指示盤(pán)數(shù)字對(duì)應(yīng)，輸出信號(hào)分辨率為0.001 m3/1個(gè)信號(hào)。

根據(jù)輸出信號(hào)參數(shù)，每一個(gè)開(kāi)關(guān)量對(duì)應(yīng)1 L的流量，因此采集部分的精度可達(dá)到1 L。則在1 min內(nèi)的流量為:

式中:q——每分鐘的流量;n——每分鐘的開(kāi)關(guān)數(shù)。

1.2 單片機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、報(bào)警上下限設(shè)置、流量顯示和報(bào)警等功能，因此使用普通單片機(jī)即能滿足要求。最終選擇的是51系列單片機(jī)。電路結(jié)構(gòu)有鍵盤(pán)接口電路、顯示器接口電路、報(bào)警電路等，供電采用蓄電池供電。

1.2.1 鍵盤(pán)接口電路

鍵盤(pán)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。常用的鍵盤(pán)接口有獨(dú)立式鍵盤(pán)接口和行列式鍵盤(pán)接口。獨(dú)立式鍵盤(pán)接口適用于按鍵數(shù)目比較少的場(chǎng)合，行列式鍵盤(pán)接口適用于按鍵數(shù)目較多的場(chǎng)合。由于本項(xiàng)目中所需的按鍵數(shù)目為6個(gè)(啟停按鍵、設(shè)置上限按鍵、設(shè)置下限按鍵、向左移位按鍵、增加數(shù)值按鍵、禁止/使用蜂鳴器報(bào)警按鍵)，數(shù)目較少，所以選擇獨(dú)立式鍵盤(pán)接口電路。鍵盤(pán)接口電路如圖1所示。

圖1 鍵盤(pán)接口電路

1.2.2 顯示器接口電路

顯示器接口通常有液晶屏(簡(jiǎn)稱LCD)和數(shù)碼管(簡(jiǎn)稱LED)兩種。LED顯示器與LCD顯示器相比，在亮度、功耗、可視角度和刷新速率等方面都更具優(yōu)勢(shì)，且能提供寬達(dá)160°的視角，在強(qiáng)光下也可以觀看，并且在－40℃的低溫條件下也可以使用。由于鉆探現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境比較惡劣，尤其是在夜間作業(yè)時(shí)屏幕顯示需要較高的亮度，所以綜合考慮使用LED顯示器。

常用的LED顯示器為8段，每段對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)光二極管。當(dāng)發(fā)光二極管被點(diǎn)亮之后，相應(yīng)的段位就顯示，不同的段位組合在一起就能顯示不同的字符。如圖2即為8段LED顯示器結(jié)構(gòu)，表2為8段LED各段與各位對(duì)應(yīng)表。

在水利水電鉆探工程中，鉆進(jìn)時(shí)所采用的泵量一般都不大，在每分鐘幾百升范圍以內(nèi)，結(jié)合本課題對(duì)流量數(shù)據(jù)的精度要求不高的特點(diǎn)，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位即可，所以流量顯示需要4位數(shù)據(jù)，采用4位的

表2 8段LED各段與各位對(duì)應(yīng)表

LED顯示器即可。在多位LED顯示時(shí)，為簡(jiǎn)化硬件電路，通常使用LED動(dòng)態(tài)顯示方式。如圖3即為4位8段LED動(dòng)態(tài)顯示電路。

圖2 8段LED 顯示器結(jié)構(gòu)

圖3 4位8段LED動(dòng)態(tài)顯示電路圖

1.2.3 報(bào)警電路

報(bào)警形式采取聲光報(bào)警，由相應(yīng)的聲音報(bào)警電路和光報(bào)警電路組成。其中聲音報(bào)警電路采用的是蜂鳴器報(bào)警，光報(bào)警電路是采用發(fā)光二極管報(bào)警。當(dāng)流量高于流量上限或者低于流量下限時(shí)，使單片機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，也就是使Alarm=0，L4=0(Alarm為蜂鳴器報(bào)警控制位，L4為發(fā)光二極管報(bào)警控制位)。報(bào)警電路如圖4所示。

圖4 報(bào)警電路圖

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)的編程語(yǔ)言有2種:匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。

匯編語(yǔ)言是一種用文字助記符來(lái)表示機(jī)器指令的符號(hào)語(yǔ)言，是最接近機(jī)器碼的一種語(yǔ)言。其主要優(yōu)點(diǎn)是占用資源少、程序執(zhí)行效率高。但是不同的CPU，其匯編語(yǔ)言可能有所差異，所以不易移植。

C語(yǔ)言是一種編譯型程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它兼顧了多種高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，并具備匯編語(yǔ)言的功能。用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會(huì)大大縮短開(kāi)發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。因此，使用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)已成為軟件開(kāi)發(fā)的一個(gè)主流。

綜合考慮著2種語(yǔ)言的特點(diǎn)和功能，本項(xiàng)目選擇C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言。

軟件部分包括主程序和多個(gè)子程序，主程序設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖5。

3 現(xiàn)場(chǎng)管路連接及應(yīng)用

3.1 管理連接

在報(bào)警器的現(xiàn)場(chǎng)連接中，遠(yuǎn)傳發(fā)訊水表接在進(jìn)水管路中，其輸出端接數(shù)據(jù)采集報(bào)警裝置。連接圖如圖6所示。

圖5 主程序設(shè)計(jì)框圖

圖6 現(xiàn)場(chǎng)連接圖

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

報(bào)警器在古賢水利樞紐工程的勘探工作中應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況良好。

試驗(yàn)孔的地層以砂巖為主，鉆探設(shè)備采用XY－2型鉆機(jī)，BW250型泥漿泵，鉆進(jìn)工藝采用金剛石雙管鉆進(jìn)。報(bào)警器的報(bào)警閾值設(shè)置為28～50 L/min，即當(dāng)流量小于28 L/min或大于50 L/min時(shí)，報(bào)警器報(bào)警。

從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用來(lái)看，當(dāng)流量出現(xiàn)異常狀況時(shí)，報(bào)警器能夠提前報(bào)警，提醒現(xiàn)場(chǎng)操作人員及時(shí)采取措施，防止鉆探事故的發(fā)生。

報(bào)警器的應(yīng)用取得了良好的效果，既降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，又有效避免了鉆進(jìn)事故的發(fā)生。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，報(bào)警器的應(yīng)用可以有效地提高鉆進(jìn)質(zhì)量和勞動(dòng)效率，節(jié)約成本。

4 結(jié)論

報(bào)警器的研制與應(yīng)用取得了多方面的技術(shù)成果，它將電子技術(shù)成功應(yīng)用到傳統(tǒng)的水利水電鉆探工作中，促進(jìn)了鉆探技術(shù)的信息化和自動(dòng)化發(fā)展，改善了鉆機(jī)操作過(guò)程中依靠人為經(jīng)驗(yàn)判斷流量的落后狀況，為鉆機(jī)操作人員提供了真實(shí)的流量數(shù)據(jù)，降低了工人們的勞動(dòng)強(qiáng)度。也能更好地避免因孔內(nèi)流量突變引起的事故，進(jìn)而提高工作質(zhì)量和效率、降低成本。

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