基于arduino的ERMT儀器張力溫度檢測裝置開發(fā)及應用

孟繁宇

（中海油服油田技術事業(yè)部塘沽作業(yè)公司，中國 天津 300459）

0 引言

本設計基于公司自主研發(fā)的ELIS測井系統(tǒng)系列產(chǎn)品中的ERMT（張力/溫度/泥漿電阻率測井儀），ERMT儀器是電纜測井作業(yè)中必不可少的輔助測量儀器之一，可通過安裝在儀器上的張力、溫度和電阻率傳感器，監(jiān)控電纜上的拉伸力與壓縮力，井眼溫度和泥漿電阻率等參數(shù)。ERMT儀器在返還車間維保時，需要根據(jù)儀器維保流程對張力傳感器，溫度探頭等進行性能檢測，以保證其張力和溫度信號輸出的準確性。而由于ERMT儀器本身不具有數(shù)據(jù)處理功能，必須連接ERTT（遙測傳輸測井儀）才能完成張力溫度檢測，整個操作過程復雜，工作效率低。本課題設計的張力溫度檢測裝置具有如下特點：（1）操作簡單，即插即用；（2）成本低廉，無須外設；（3）擴展性強，便于后期升級和更新。

1 整體結(jié)構(gòu)設計

本設計的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該裝置主要由arduino uno3（一種電子原型平臺）[1-3]開發(fā)板，高精度模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器芯片，電阻網(wǎng)絡及LCD1602液晶顯示器等組成。其中arduino uno3開發(fā)板是該設計核心部件，可以實時處理ERMT儀器傳送的張力和溫度信號。張力部分首先將ERMT內(nèi)張力探頭與高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片HX711芯片管腳對接，將張力模擬信號傳送到HX711芯片內(nèi)，進行AD轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的張力信號送入arduino uno3上再進行處理，最后在LCD1602液晶屏幕上進行顯示。溫度部分是將溫度探頭串聯(lián)接至500Ω電阻一端，再將串聯(lián)后的兩個電阻接到+5V電源上，通過溫度探頭兩側(cè)的電阻變化從而轉(zhuǎn)換成電壓變化，最后將隨溫度而變化的電壓信號送入arduino uno3開發(fā)板進行片內(nèi)的AD轉(zhuǎn)化，顯示到LCD1602液晶屏幕上。

圖1 整體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 Arduino uno3開發(fā)板

本次硬件設計的核心處理器選用Arduino uno3開發(fā)板，它是一款基于ATmega328P的微控制器板，是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。它有14個數(shù)字輸入/輸出引腳，6個模擬輸入，16 MHz晶振時鐘，USB連接，電源插孔，ICSP接頭和復位按鈕，只需要通過USB數(shù)據(jù)線連接電腦就能供電、程序下載和數(shù)據(jù)通信。

本次設計將ERMT產(chǎn)生的原始張力信號和溫度信號，通過簡單處理傳送到Arduino uno3的I/O管腳上，并最終將張力及溫度值顯示在LCD1602屏幕上。

2.2 張力處理部分

ERMT儀器中的應變壓力計單元由4個有源應變壓力計組成，這4個壓力計粘貼在一個惠斯通電橋上。每一個探測臂均為2個350 Ω的金屬箔片串聯(lián)組成，形成一個700 Ω的電橋。該電橋的靈敏度大約為：在1 V電源激勵的情況下，每1 000 N力產(chǎn)生0.1 mV電壓信號，ERMT儀器中張力計傳感器能測量從-10 000 N的壓力到+14 000 N的拉伸力。

張力處理部分選用HX711芯片模塊，HX711是一款專為高精度稱重傳感器而設計的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其他芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等其他同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。

板子上的 E+、E-、A+和 A-分別接橋式傳感器的激勵電壓正、負，輸出電壓正、負（E+接紅線；E-接黑線；A+接綠線；A-接白線）即ERMT儀器底部的14、15、18、19芯。SCK 接 Arduino uno3的 Pin 5接口，DT接 Pin6接口，這兩個管腳可以在程序中更改，通過這兩個管腳將張力信息傳送至Arduino uno3中進行最終處理，如圖2所示。

2.3 溫度處理部分

ERMT儀器溫度傳感器為電阻式溫度探頭，測量范圍為-55～245℃，該儀器選用鉑金的電阻溫度檢測裝置（RTD）作為傳感器元件，該電阻溫度檢測裝置（RTD）是把鉑金絲導線封裝到一個定制的1 in長的金屬探頭里面。探頭的輸出電阻隨著溫度的變化而發(fā)生變化，正是基于此將溫度探頭串聯(lián)接入電路中，通過兩側(cè)的電壓變化，從而最終檢測到溫度的變化。通過表1可以看出，溫度探頭的阻值隨著溫度的增加而增加，并且是一個線性變化。

表1 溫度探測器隨溫度阻值變化

該傳感器探頭測量的溫度作為一個在探頭電阻變化的函數(shù)，而且是一個線性的變化函數(shù)，由表中數(shù)據(jù)得出：

圖2 張力處理部分示意圖

從而利用Arduino uno3本身片內(nèi)AD系統(tǒng)對溫度模擬信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并轉(zhuǎn)換成相應的溫度值顯示出來。

2.4 顯示部分

LCD1602液晶顯示器是廣泛使用的一種字符型液晶顯示模塊。它是由字符型液晶顯示屏（LCD）、控制驅(qū)動主電路HD44780及其擴展驅(qū)動電路HD44100，以及少量電阻、電容元件和結(jié)構(gòu)件等裝配在PCB板上而組成。將LCD1602模塊的SDA和SCL引腳與arduino板上的SDA和SCL一一對應連接，從而可以使arduino板上的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件方面選用了一款基于Blockly的免費開源的圖形化Arduino編程軟件-Mixly（開發(fā)軟件）。它是一款基于Google的Blockly圖形化編程軟件，它用圖表代替了文本指令，整個過程變得直觀、簡便。

打開電源開關，整個系統(tǒng)開始工作，首先調(diào)用內(nèi)部參考電壓3.3 V，通過軟串口打印出張力及溫度顯示的原始值，初始化1602顯示屏，通過I2C接口打印第一行張力值（CHT=），第二行打印溫度值（TEMP=），直至電源下電，結(jié)束整個過程，如圖所示。

4 結(jié)語

本裝置的開發(fā)滿足了車間內(nèi)對ERMT儀器張力和溫度檢測的要求，在車間應用的半年時間內(nèi)，得到了使用者的一致好評，在減少了一些配套儀器和工具的使用的同時，使工作效率得到迅速提升，而且此裝置采用模塊式硬件和開源式積木軟件相互配合，使得整個開發(fā)過程門檻低，可復制性強，拓展性強。

圖3軟件程序結(jié)構(gòu)