【摘要】石油行业的开发与利用带来巨大经济效益的同时，也对现代油田勘探技术提出了更高的要求。本文针对现阶段国内的井深测量仪深度测量误差大，高精度成本高等一系列问题，设计了一种新型的油田深度探测仪。该探测仪通过码盘的脉冲信号计量下管、升管的长度值，对井深结果校正，得出精确的深度坐标，并且实现LCD显示设定及微码打印机打印输出结果。
【关键词】井深测量;AVR单片机;Atmega32;光电传感器ST256C
一、引言
科学技术的迅猛发展加速了人类社会的繁荣和文明，也加强了人类对自然界的操控能力。在石油的开采过程中，测量油井液面深度是一个非常重要的工作，是了解油井产油能力的重要前提，只有准确的测量油井深度，才能够采取最有效的开采方式，更大程度地提高产油率[1]。但是如何高效精确低成本的完成油井深度测量则是石油测井中不得不面对的挑战，油井深度测量的准确性对后期测井安全、油田开发都有着举足轻重的作用。在处理井深测量仪器的测量数据时，绝对深度的精度尤为重要，一旦出现误差，对后期相关的绘图工作、流体界面深度估算工作及构造解释工作均有较严重的干扰，特别针对油田区块的划分相对零碎时，干扰更为严重。因此针对现阶段国内的井深测量仪深度测量误差大，高精度成本高等一系列问题提出切实可行的解决方案，显得尤为重要。
新型井深测量仪的开发与研究的目的是开发出一种新型仪器，可以通过码盘的脉冲信号计量下管、升管的长度值，对井深结果校正，得出精确的深度坐标，并且可以实现LCD显示设定及微码打印机打印输出结果。
二、系统综述
按照设计指标的要求本课题要完成的工作主要有三大部分（如图1所示）：井深测量仪硬件电路设计与调试、井深测量仪软件开发与调试以及机械滑轮部分的实现，本文将对硬件电路设计与调试做重点介绍。
图1 井深测量仪运行结构图
图2 电源供电电路
三、系统硬件设计
操作终端以ATxmega32为控制核心，完成前端传感器采集数据返回处理、微码打印、液晶显示等操作。该硬件电路系统由以下几部分组成：1）电源电路;2）主控电路;3）信号采集处理电路;4）存储电路;5）打印电路;6）显示电路。
1.电源电路
电源电路主要功能是为整个系统提供稳定可靠地电源支持，因此电源电路的稳定性和可靠性显得尤为重要。考虑到油田测量环境较为恶劣，本文中的电源电路拟设计两种供电方式以备用户根据使用环境灵活选择，即交流电源供电和镍氢充电电池供电两种方式。
（1）交流电源供电电路设计
交流电源供电电路如图2所示，市电220V正弦交流电压接入到供电输入端，经直流稳压电源进行变压、整流、滤波及稳压，输出5V的直流电压。其中整流模块为桥式整流电路，由四只5408二极管组成;稳压模块则选用三端稳压器78L05。
（2）镍氢电池充电控制电路设计
由于井深测量时环境较为恶劣，本系统特别提供充电电池供电方式，以备无市电接入环境下进行井深测量。如图3所示，BAT+、BAT-为电池正负两极，U1为电池充电控制芯片，选用LS2364T多节镍氢电池充电IC。
图3 镍氢电池充电电路
2.主控电路
主控电路主要是通过单片机控制外围电路实现对数据的处理和传递。在本设计中需要实现单片机控制的外围电路包含四部分（如图4所示）：1）控制前端传感器进行数据采集工作、并对返回的数据进行滤波、放大及模数（A/D）转换等处理;2）控制处理后的数字信号送入存储芯片并存储;3）控制测量结果经打印接口电路送入RD微码打印机打印输出;4）控制测量结果经显示接口电路送入LCD液晶显示屏显示输出。主控电路如图4所示。
图4 主控电路电路图
图5 信号采集处理电路
电路中第10、11引脚作为VCC、CNG接入端，直接连接外部供电接地;第9引脚作为复位信号接入端;12、13引脚则连接外部晶体振荡器，振荡频率为6MHz;第30引脚通过一个低通滤波器与VCC连接，作为PA端口的A/D转换模式选通信号，PA0-PA7此时作为模拟信号输入端口使用，与VCC相连的AVCC端口则提供PA0-PA7进行A/D转换时的电源;第32引脚与VCC直接相连，作为A/D转换时的模拟基准信号输入引脚，代表此时模拟基准信号为VCC。
3.信号采集处理电路
信号采集处理电路是实现单片机控制下，前端信号的采集处理工作，其核心器件选用芯片ST256C。信号采集处理电路如图5所示。
前端信号由单片机控制下的ST256进行数据采集，数据采集结果经施密特触发器CD40106进入到单片机PD端口进行计数处理。当间机轴转动遮光部分挡住光电二极管时，ST256無信号输出，反之有输出，据此计算计数脉冲信号。该系统控制器模块为AVR嵌入式单片机为主控电路，功率控制模块为小功率输入控制大功率输出。当电动装置运行时，探测数据与单片机内存程序数据进行比对，发生异常情况，即通过B1电铃发出报警信号，同时单片机控制切断电机电源，停止工作并由LCD液晶显示屏显示相应故障代号。
4.存储电路
根据设计功能要求，存储电路如图6所示。
图6 存储电路
图7 打印机驱动电路
电路中，单片机控制数据信号由PB1、PB2、PB3三个引脚送入AT24C64的A0、A1、A2端进行数据存储，AT24C46的WP、SCL、SDA三个引脚通过端口J106与外部开关按钮相连，可以方便的经由外部操作进行数据的存储和删除。
5.打印电路
打印驱动电路是实现单片机控制下，驱动后端外围输出设备RD-T微码打印机的电路，其接口选用串行接口RS232。打印机驱动电路如图7所示。
DB0-DB7为数据传输引脚，BAT+，BAT-为电池电源接入引脚。除此之外，在串行接口RS-232中设置了多个打印控制引脚。单片机接收到接口J108相连的开关按钮的打印、后翻、前翻及清零信号后，通过串行接口RS-232驱动打印机进行相应操作。
图8 液晶显示接口电路
6.显示电路
显示电路是实现单片机控制下，驱动后端外围输出设备TBM12864-16A的电路，其通过接口J105和单片机相连。具体电路如图8所示，单片机处理的数据直接经由J105进入LCD液晶显示屏并显示。
四、系统软件设计
系统软件的核心处理器件为Atmega32单片机，程序控制功能方面主要为实现数据的接收、处理及输出。通过主程序控制各外围电路系统模块，外围电路模块主要包括数据采集处理模块、通讯处理模块、打印模块及LCD显示模块等。
本设计系统控制软件拟采用C语言编写，根据硬件电路功能设计要求，拟将整套软件控制程序分解为若干个子程序模块，以增强程序的可读性、可调试性及通用性。且此方法将大大提高程序的执行效率，跟有利于于今后软件更新和井深测量仪功能扩展。软件设计过程中将对所有子程序逐一进行编制、调试、编译并最终下载到Atmega32单片机的EPROM中，并经固化以便于使用。
五、结束语
本设计主要针对现阶段国内的井深测量仪深度测量误差大，高精度成本高等一系列问题，确定解决方案，从理论﹑实践﹑软硬件实现等方面开展了大量的工作。所研制的仪器具有实用性、可靠性及技术先进性。
参考文献
[1]刘玉馨.油井液位测量系统的设计与研究[J].燕山大学，2013.
[2]ATMEGA32数据手册.ATMEL Corporation.
[3]AT24C64数据手册.ATMEL Corporation.
作者简介：宋兆霞（1983—），山东青岛人，中国海洋大学在读硕士研究生，助理讲师，现供职于青岛市职业教育公共实训基地，主要研究方向：现代检测与控制技术，长期从事机电、电工电子课程教学与研究。
