基于ATMEGA16单片机的管道测试桩参数自动采集传输系统

摘要：管道阴极保护电位参数长期采取人工方式现场测量，设计一种以单片机为核心，通过GPRS方式远传到监控中心的数据自动采集传输系统来代替传统人工方式。本文设计一种以高精度8位单片机为核心的数据采集及远传系统，具有采集精度高、传输及时，不受天气及人力因素制约等优点，对管道企业实现阴极保护参数自动采集及数据分析利用，掌握阴极保护系统运行情况具有重要实际意义。

关键词：管道 电位 自动采集

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）11-0000-00

1 研究背景

管道运输作为货物运输方式之一，具有运量大、不受气候和地面其他因素限制、可连续作业以及成本低等优点。强制电流阴极保护法作为当前各类管道普通使用的阴极保护方法，需要定期测量各测试桩电位保护参数，人工方式测量受人力、季节性、环境影响因素较大。基于此，本文设计一种以高精度8位单片机为核心的数据采集及远传系统，采集现场保护电位后，利用GPRS网络传送至管理中心的后台机，配合开发的后台数据管理系统，实现数据参数的实时存储及分析管理等，对监视管道阴极保护状态具有十分重要的实际意义。

2 埋地管道强制电流阴极保护原理及现状

管道强制电流阴极保护的原理是利用直流电源向被保护金属通以阴极电流，使之阴极极化，以减轻和防止腐蚀，达到阴极保护的目的。它由辅助阳极、参照电极、直流电源和相关的连接电缆所组成。通过实际运用检验，它对抑制管道腐蚀，减少管道腐蚀泄露造成的各种危害效果显著。

管道测试桩桩体一般采用镀锌钢管制作，测试桩基部用混凝土土墩加固。位于油流前进方向管道左侧，距管道中心线1.5米。目前人工巡检存在诸多弊端：大多处于野外，杂草丛生，环境恶劣，且人工巡线，工作费时费力，效率低下。以中石油兰州―郑州―长沙成品油管道为例，该管道全长2134.4公里，全线管道测试桩超过3500支，每月一次的各桩保护参数测量对人力、耗时等都是一个巨大挑战。

3 系统设计

3.1 总体结构

系统以8位单片机为核心组成数据采集及远传系统，配合电路及无线数据传输模块，采集现场保护电位参数后，通过GPRS模块以TCP/IP协议与配置了公网IP的后台监控中心服务器通信，将现场参数发送并存储到服务器端数据库，实现数据的显示、查询及分析。采集系统平时处于休眠状态，通过设定的时间，定时唤醒滤除干扰电压后采集管道上的电位传输到监控服务器；可以较好的解决现场测量数据精度低、受环境及人力因素影响较大等实际问题，实现管道保护电位参数采集的自动化及智能化。

3.2 数据采集电路

模拟电压信号经过隔离电路以后，经过档位选择切换到不同的衰减倍数电路，若测量直流电压直接送到单片机的A/D转换电路进行A/D转换，若测量交流电压有效值经真有效值转换器后送A/D转换电路进行A/D转换，然后单片机对数据进行其他处理。单片机通过系统总线与存储模块、时钟模块进行数据交换。

3.3主控单元

主控单元采用ATMEL公司具有16KB系统内可编程FLASH的ATmega16控制器，它是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。具有512 字节 EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，通用工作寄存器的个数达到32个，同时，具备丰富的片上资源，8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的 ADC可完全满足本系统A/D转换速度与精度要求。

3.4 无线传输设计

考虑管道测试桩普遍处于偏僻野外，存在信号覆盖不全等情况，且系统数据通信量不大，对实时性及带宽要求不高，选用GPRS方式传输现场采集到的电位参数。单片机将采集并处理后的数据通过串口UART1发送到GPRS模块，通过AT指令控制GPRS模块实现数据通信，将数据发送到远程监控中心服务器。

3.5 后台机及监控软件设计

监控中心服务器端软件采用 Visual Basic编制，Winsock 控件用于侦听各采集传输终端的连接请求，接收连接成功的采集传输终端发送过来的数据，根据数据包预设的格式，识别出终端编号以及电位数据，附加上接收时间存入后台数据库；sHflexgrid 控件用于以表格形式显示历史数据记录；Teechart 控件用于显示时间电位曲线。

3.6 其他辅助电路

为防止数据采集过程中系统受到干扰，出现死机或者紊乱现象，采用专门的看门狗电路芯片，定时溢出复位。采用9V干电池或12V蓄电池方式供电，在每天采集1条数据的情况下，设计使用时间可达数年。另外，也可扩展SD卡存储电路或LCD液晶显示器及专用实时时钟芯片等。

4 效益评价

本系统可安装于现有管道测试桩中空的桩体内，设备安装前全部密封灌胶，并进行模拟测试，整体防护等级不小于IP64。还应定期检查各SIM卡是否欠费，以免因欠费而影响数据传输。系统的单点数据采集及传输系统设计及安装成本约四百元，具有一次投资少，收益明显等优点，提高工作效率、改善数据质量效果显著。

5 结语

基于ATMEGA16单片机核心结合SIM900模块的管道阴极保护电位远程数据采集传输终端，具有成本低、体积小、布设方便、运行稳定等特点，克服了现场环境改造困难、布线成本高等问题，能够适应野外现场的实际环境，无需人员亲临现场观测，为现场数据的采集和传输提出了一种解决方案，完全满足阴极保护参数采集的需求。

参考文献

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