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1、摘 要油田注水是采油生产过程中最重要的工作之一，油田的注水开发在油田的开发过程中具有极其重要的意义，通过控制注水和控制产出水量保持地底压力，达到油田长期高产、稳产是一项十分重要的技术。在实际的注水过程中，人工调节注水会存在很多的问题，工作人员不能长期驻守在现场，而且人工调节易出现超注或欠注的现象，影响正常的生产。针对目前的这些状况，本文设计了一种基于ATmega16单片机的油田注水智能监控系统，实现了注水流量的自动监测，并将PID 控制引入到控制系统中，实现实时增加注水量保持地层压力的目的。本文在介绍了注水油田系统的研究背景和国内外发展现状基础上，根据油田注水系统的的结构组成和注水流程，确立了
2、油田智能注水监控系统的总体方案，并介绍了测控系统的工作原理。测控系统选用 ATmega16作为系统的核心，利用流量计监测流量，由流量误差值通过PID 控制器计算出控制量，单片机通过 PWM 控制电机的转向和转速控制阀门的开关度，达到调节注水的目的。关键词 油田注水 PID控制 单片机 流量测控系统AbstractOilfield water injection is one of the most important works in the oil production process，oilfield waterflooding has the extremely vital signif
3、icance in the process of oil field development，it can remain underground through the control of water injection and control of output water，its a very important technology to achieve long-term oil.In the actual water injection process，there are many problems in the artificial regulation of water，the
4、 workers could not stay at the same all the time，when it need to regulate the flow can not be performed immediately，and it will affect the normal production because of ultra injection or short phenomenon.This paper discusses the design of a single chip microcomputer based on ATmega16 of oilfield wat
5、er injection intelligent monitoring system for aiming at these conditions， realizing the water injection flow automatic monitoring，and the PID control is introduced into the control system. This paper introduces the background of researching on the water flooding and development status at home and a
6、broad firstly，and established oilfield intelligent infusion monitoring system according to the oilfield water injection system structure and the injection process，at the same time，it introduces the principle of measurement and control system.In this paper，we choose the ATmega16 as the core of the sy
7、stem，and flow error values by PID controller calculates a control olume，through the single-chip PWM control of motor steering and speed control valveswitch，to regulate the purpose of water injection.Keyword Oilfield water injection PID control Singlechip Flow measurement an control system目 录摘 要IAbst
8、ractII第1章 绪论11.1 课题的研究背景和意义11.2 油田注水系统研究现状21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状31.3 本课题主要研究目的及内容安排41.3.1 研究目的41.3.2 主要内容安排4第2章 油田注水系统基本工作原理52.1 油田注水系统的结构和基本原理52.2 注水系统控制方式比较62.3 关键参数6第3章 系统方案的确定73.1 系统的设计要求73.2 系统总体方案确定73.3 执行机构的选择93.3.1 流量计93.3.2 调节阀103.4 测控系统的工作原理10第4章 基于ATmega16的测控系统设计124.1 单片机的选型和特点124.2 测
9、控系统硬件电路设计154.2.1 电源电路164.2.2 时钟电路174.2.3 复位电路184.2.4 键盘设计194.2.5 液晶显示部分194.2.6 压力传感器电路214.2.7 流量计传感器电路234.2.8 PWM控制电路和负载驱动电路254.2.9 温度保护电路274.3 软件设计294.3.1 开发环境294.3.2 控制系统工作流程分析304.3.3 初始化程序模块314.3.4 电机控制模块314.3.5 PID控制模块324.4 系统的MATLAB仿真354.4.1 MATLAB简介354.4.2 电机MATLAB仿真35结论38致谢39参考文献40附录142附录243C
10、ONTENTSAbstractIPart I Introduction11.1 The background and significance of the subject11.2 Research status of oilfield water injection system21.2.1 The status of foreign research21.2.2 The status of domestic research31.3 The main purpose of this subject and content arrangement41.3.1 Research purpose
11、41.3.2 Main contents4Part II The basic operating principle of water injection system5 2.1 The structure and basic principles of Oilfield water injection5 2.2 Compare of injection system control6 2.3 Key parameters6Part III Determine the system plan7 3.1 The requirements of System design73.2 Program
12、to determine the overall system73.3 Choice of implementing agencies9 3.3.1 Flowmeter9 3.3.2 Regulating valve103.4 Principles of measurement and control system10Part IV Measurement and control system based on ATmega16124.1 MCU selection and features124.2 Control system hardware circuit design154.2.1
13、The power supply circuit164.2.2 Clock circuit174.2.3 Reset circuit184.2.4 Keyboard design194.2.5 LCD portion194.2.6 Pressure sensor circuit214.2.7 Flowmeter circuit234.2.8 PWM control circuit and load driving circuit254.2.9 Temperature protection circuit274.3 Software design294.3.1 Develop environme
14、nt294.3.2 Control system workflow analysis304.3.3 Initialization program module314.3.4 Motor control module314.3.5 PID control module324.4 MATLAB simulation of system354.4.1 MATLAB introduction354.4.2 Motor MATLAB simulation35Conclusion38Acknowledgements39Reference40Appendix 142Appendix 24351第1章 绪论1
15、.1 课题的研究背景和意义石油，被称作“工业的血液”，我国的石油缺口很大，所以石油的开采量及石油资源利用率最大化，成为了重中之重1。在油田开采过程中，为了保持地底油层中的压力，利用注水井将水注入到油层中，地底油层压力大小是和油田的开采时间长短成正比的，开采时间越长，压力越小，油田注水的目的是为了保持油层压力，提高供液能力，降低原油递减率，以达到进一步开采石油的目的，是实现原油高产、稳产的重要手段2。特别是油田进入中后期开发阶段，措施增油效果越来越差，稳产难度日益增大，强化有效的注水是目前改善油田开发效果的关键3。当油井压力发生变化时，注水量就会随之改变。目前很多油井注水量主要是人工控制4。每口
16、注水井都安装有高压阀门、压力表、高压注水表。所用的注水阀门多为高压闸阀或截止阀，开关时需要人工旋转手轮，用来打开或关闭阀门5。操作人员根据注水工艺配注量进行人工调节，由于闸阀或截止阀不适于经常性调节，丝杆和螺母磨损易漏，加之由于人工控制的时间滞后效应，不能对注水出现的异常情况及时处理，特别是夜间，由于压力波动，操作人员不能及时发现并做出处理，使得注水量失控或反吐“倒灌”，严重时造成地底出砂，严重影响油田的稳定开发和安全生产。对于周期短的间注水井和层间矛盾突出或测试难度大的油井，人工测试的控制精度差，注水量调节难度大，工作量大，注水倒流和因此引起的地层出砂现象时有发生67。另一方面，大部分油田注
17、水压力都在10MPa30MPa之间，属高压力危险环境，普通闸阀或截止阀易损易漏，在实际中存在着许多的不安全因素，现场人工调节极不安全8。另外，注水流量人工调节，程序繁琐，油田为了减员增效，对网络信息化、自动化管理要求极为迫切。此时，需要能自动调节流量的智能注水系统。1.2 油田注水系统研究现状1.2.1 国外研究现状国外油田注水自动化监控工作已有几十年的历史了，上世纪50年代，美国海湾石油公司就建成了世界上第一套自动化监控输送系统（LACT）并解决了原油的自动收集、计量、处理、输送等问题。上世纪六十年代，Arco公司的Iatan East Howard油田将PLC用于注水控制，并快速的发展到其
18、他的领域，例如报警、泵控、撬装等9。在上世纪八十年代，作为数字化油田检测的重要组成部分的注水井检测就已经相当发达了，可以实现分布式监测10。目前国外油田将现代管理制度引入到油田自动化系统中，可以实现原油开采、存储、加工、销售的全面监控。并且在实际应用中取得了良好的经济效益和社会效益，例如在巴西 Bahia 州，某个油田的 700 口井安装了PLC 自动控制系统，操作人员可以实时遥测遥控现场采油设备11，科威特石油公司基于提供高质量且可靠的石油开采和生产信息给技术监管和决策人员的目的设计的 E&P 数据管理系统也是油田生产自动化的典型范例，此系统将计算机技术很好地应用到石油开采中，将位于沙漠地区
19、的 1480 多口油井利用油井管道整合成 19 个采集中心，大大方便了油井管理。随着科技的发展，近几年的自动化监控技术又有了极大的进步，如:为了达到原油的最大采收率，保持地层压力，英国石油公司建立了自动化监控系统，它通过监测到的地质情况自动控制注水井注水井注入情况；功能强大的 PRC 油田自动控制系统是美国 LUFKIN 公司最近推出的产品，它可以对油井、注水井进行全方位的测量，从而达到自动控制的目的，大大提高了工作效率。并且，代表当前世界最高水平的美国部分油田自动化管理系统中，精确到将原油销售过程中由于温度等因素引起的体积变化导致的销售差额都作为考虑因素12；Jeroen 等人在石油开采国际
20、会议上提出了油田脉冲技术，避免了不断调节注水压力来保持流量不变，并在加拿大的油田中得到了很好的应用。虽然国外的油田自动化监测系统功能已经十分齐全，监测水平也远远超过了国内的水平，但是国外的油田自动化监测系统并不完全适用于国内油田，且其价格十分昂贵，制约了在我国的发展推广13。1.2.2 国内研究现状我国油气田较晚步入到自动化监测控制领域，随着资源的日益匮乏和可持续发展战略的提出，国内油田越来越感受到自动化监控的重要性，所以近些年来将国外的一些比较先进的自动化设备和技术引入到海洋采油平台、西部油田和长输管道方面，经过近十年的发展应用、吸收消化，达到了集中分布式监控阶段，并且正向着智能化、网络化和
21、现代企业自动化方向发展14。我国早在上世纪 60 年代就开始了对油井远程监控系统的研究和开发，国内涉足过此类系统的企业有数百家，但由于技术、科技含量低等问题在实际应用中效果不佳15。20 世纪 90 年代，我国西部的塔里木、海上、吐哈等油田为了提高工作效率，提高采收率，引入了国外的自动化系统，并且取得了良好的效果。这些百万吨油田的操作人员基本控制在 100 人以内16。由于计算机、网络技术的迅猛发展，特别是油井的现代化管理的要求有力促进了油井监控系统的研究和发展，到 20 世纪 90 年代后期，我国的华盛信息技术有限公司、集纳公司、安控公司等在油井监控研究方面取得了可喜的成绩17。当对油田注水
22、系统进行数据采集后，如何应用反馈对执行元件进行控制是关键。传统的控制方法是 PID 控制，但其对大惯性、纯滞后和非线性的系统控制往往整定不良、性能欠佳，而且注水系统需要实时调节，并且实际中有些系统难以用建立数学模型，人们需要非传统的控制方法进行控制18。李湘闽、张君等将改进了数字流量阀的 PID控制器，将模糊控制、自适应控制引入到了 PID 控制算法中，流量阀控制性能得到了显著提高19。这些实例都为以后的研究提供了可借鉴的思路。1.3 本课题主要研究目的及内容安排1.3.1 研究目的对油田集输、注水泵站生产过程实现自动化管理后，能够提高泵站生产管理及运行水平，主要表现在：（1）现场生产管理人员
23、通过实时监控站各个生产过程的生产参数，能够及时分析各个生产过程的工作状态，可以预测并发现生产过程中出现的问题，能够大大提高油田站的生产运行质量。（2）对油田集输、注水泵站生产参数实现自动采集后，可以减少大量的现场值班人员，同时较大幅度降低了现场工人的劳动强度，有利于油田减员增效。（3）实现油田集输、注水泵站生产过程的全自动化监控，对建成环保、节能、运行效率高、自动化管理水平高的智能化、数字化的油田泵站有着重要意义，它同时也是数字化油田建设的重要组成部分。1.3.2 主要内容安排（1）查阅油田注水方面的有关著作，了解油田注水过程存在的问题，研究国内外油田注水流量监控系统的现状及发展趋势。（2）在
24、了解系统工作原理的基础上，介绍几种注水方式和注水流程，针对系统实现的功能，分析系统耗能的主要原因，并分析了节能的几种主要方式。（3）提出了系统的总体设计方案，根据设计方案确定了需要的几种相关技术，并根据系统的要求选取了 PID 控制作为控制方法。（4）搭建系统的硬件平台，选取合适的单片机，控制系统的硬件模块设计由电源管理模块、控制器基本电路、伺服电机控制等模块组成。（5）编写控制系统软件，软件系统由控制器模块、系统初始化模块、和电机控制模块等几个软件模块组成。（6）搭建MATLAB软件仿真平台，对PWM控制直流电机进行MATLAB仿真，并对波形进行分析整理。第2章 油田注水系统基本工作原理2.
25、1 油田注水系统的结构和基本原理注水系统是由节点单元（包括注水间、配水间、注水井及管线交汇点）、管道单元（包括注水干线、注水支线）和附属单元（包括阀门、三通、弯头等）组成的，是一个复杂而庞大的水力学系统，同时也是一个大型流体网络系统20。在注水系统中，随着油田注水工作不断进展，新、老联合注水站的污水已成为注入水主要来源，污水经过沉降过滤处理后，用泵打入污水储罐，依据生产指标要求，经过高压注水泵增压后，注入到注水管网中，然后到达各个配水间，再经控制、计量后分配至各注水井，通过各条注水管柱，最后通过配水嘴喷出，注入到地底油层中21，注水系统结构图如图 2-1 所示。注水干线注水井注水支线多井配水间
26、注水井i（i=1，2，n）单井配水间注水井水处理站注水站注水管网系统表示水的流向图2-1 注水系统结构图注水系统整个流程是从水源净化系统注水站配水间注水井，净化系统实际上是水质处理系统。注水站的主要任务是将处理后符合质量标准的水升压，使其满足注水井注入压力的要求。由于油田区域分布广，注水管网复杂庞大，注水井的数目也比较多，因此油田注水系统往往不是一个注水站或单个注水间，而是包含有很多注水站、多个配水间。2.2 注水系统控制方式比较控制注水的目的是在保证达到地底油层压力的条件下，通过提高注水泵的效率、降低单耗等手段，来达到降低系统功耗、节约电能的目的。对注水系统的控制有三种方式:泵的台数控制、调
27、速控制和阀门节流控制。三种控制方式的比较：泵的台数控制：优点是控制方式简单，经济性好；缺点是压力变化大，不能连续控制；适用条件为泵的实际扬程大于管道损失或台数多、小容量水泵多的情况。阀门节流控制：优点是控制方法较简单，可连续控制流量、压力，经济性好；缺点是效率低，有噪音；适用条件为泵的扬程大于管道损失，台数多、中等容量水泵的情况。泵的调速控制：优点是可连续控制流量和压力，效率高；缺点是初期投资大，并联运转是对控制要求高；适用条件为流量范围大，台数少、大容量水泵和泵实际扬程小于管道损失的情况。2.3 关键参数流量、压力、温度是工业自动化领域的三大检测参数。在工业生产中流量测量的意义重大，它可以直
28、接为生产提供消耗的能源数量，进行经济核算，也可以将流量信号作为控制生产的主要参数。地层压力和地层温度是开发油气田的能量，也是油气田开发中重要的基础参数。油气藏地层压力和温度的高低，不仅决定着油气等流体的性质；还决定着油气田开发的方式、油气开采的技术特点与经济成本，以及油气的最终采收率。因此，对一个油气田来说，在勘探阶段以至整个开发过程中，都要十分重视地层压力和温度这两个基础参数的获取、由于油气层深埋地下，多种因素影响着油气层压力和温度，要想准确地获取地层压力和温度特别是不同开发阶段地层压力的确切数值是十分困难的，所以要精心的做好地层压力的测试、计量和计算工作。第3章 系统方案的确定3.1 系统
29、的设计要求对于油田注水智能监控系统，从油田生产和实际需要出发，要求系统有如下功能:（1）可靠性:第一，传感器超过量程时不会损坏；第二，现场所有仪表要具有较强的防水、防磁、防爆、耐高低温、抗振特性。（2）准确性:压力、温度、流量等参数的计量误差小于 5%。（3）安全性:一是软件访问网络的权限要实施保密和防护，以保证数据的安全；二是为了保证系统不因系统问题而造成事故发生，系统要采用防爆结构；三是为了保证系统数据的正常传输，所有电缆要埋于地下并且要有管保护；四是系统对每一个动作操作提供检查和校核，操作有误时，被禁止并报警。（4）良好的开放性和扩充性:现场总线通讯网络结构的采用使系统设备可方便灵活的进
30、行扩充，可根据泵站的要求及需要进行设备的增加。硬件的设计具有开放性，所有的硬件均为模块化，构成一个通用、开放的结构体系；这就允许系统随时增加新的标准设备，构成有机整体结构。3.2 系统总体方案确定方案一：传统PID控制，这种控制方式在很多情况下，PID控制器只需要一到两个单元就可以达到目的，并不需要三个单元一起来调节，但是这些单元中必须要有比例控制单元。PID控制原理简单、使用方便、适应性强、鲁棒性强等优点。PID控制器在实际应用中同样存在着缺点，当其在控制时变、耦合、非线性及参数和结构不确定的复杂系统时，在系统静态和动态性能之间，跟踪设定值与抑制扰动能力之间存在着矛盾，通常使用折中的办法，使
31、系统不能获得最佳的控制效果。PID控制器在实际的工程应用中参数整定相当繁杂，需要通过试凑法等方法来实现，影响了PID控制器的性能，对于实际的工程运行状况适应性差，所以常规PID控制在实际应用中受到了限制。方案二：采用AVR单片机与PID控制相结合的方式，弥补PID控制中的不足，结合两者优点，利用单片机与计算机的结合，编成计算机可以接受的控制方式，让计算机代替人力来进行有效地，实时控制。本次实验采用第二种方案。本设计的油田注水智能监控系统，结合油田注水环境及流量控制的特点，确定注水监控系统的总体设计方案，以期达到稳定高效安全的实现注水系统的监测及控制的目的，保证注水质量，提高原油生产率。油田注水
32、智能流量监控系统整体框图如图3-1示，系统的检测元件为压力计、温度计、流量计，选用流量为主要的被控对象，并由控制电路调节阀门，完成对流量的调节，达到所需要的流量标准。在工业控制领域控制主机有多种选择，本系统选用有高性价比的低功耗ATmega16系列单片机为主机。ATmega16单片机具有耗电量小，适用温度范围宽，小巧灵活，成本低，易于产品化，抗干扰能力强等特点，非常适合油田注水环境。本系统充分利用 ATmega16单片机的高性能，结合LCD、键盘、压力计、流量计、阀门等，组建一个具有良好的人机交互界面的油田注水监测控制系统。系统利用流量计对油田注水流量进行计量，并把实时的流量值传送给 ATme
33、ga16单片机，ATmega16根据事先设置的预定值和检测值的差值控制阀门的开启，并根据流量值的反馈值，实时调整阀门状态，调节注水量；同时将相关的数值进行记录存储，并在 LCD 上进行查询显示。图3-1 油田注水智能控制系统整体框图鉴于油田环境恶劣，电磁干扰较强，温度和湿度变化范围较大，空气中含腐蚀性气体浓度高，野外供电不方便和成本问题，系统选用了8位的、具有先进指令集的高性能、低功耗的AVR微处理器，ATmega16单片机。3.3 执行机构的选择3.3.1 流量计流量仪表即使在实验中获得很高的精度，但在油田现场不一定会出现相同的精度，因为流量仪表对于使用条件的依赖十分强烈，性能会随着条件的变
34、化而变化。油井的温度大概是80180，注水压力范围一般在1550MPa之间，流量范围最大约为400.1m3/h（400:1），且液体中含有气体，仪表容易被腐蚀，一般的流量仪表很难适应这种恶劣的环境。本系统根据现场工作条件，选用容积式流量计FLOMEC OM004。FLOMEC OM004容积式流量传感器两大优势：（1）活动的机械部件仅有两个椭圆齿轮，有利于系统运行的可靠性和稳定性。（2）脉冲电压输出信号，这种信号适合AVR 单片机处理。综上，FLOMEC OM004容积式流量传感器具有抗干扰能力强、可靠性高、输出脉冲稳定性好、体积小等优点，适合本次设计的应用场所。3.3.2 调节阀在自动调节系
35、统的设计中，调节阀的选择是一个十分重要的环节。正确选择调节阀，合理地确定水泵的扬程，还有明显的节能效果。调节阀是按照控制信号的方向和大小，通过改变阀芯行程来改变阀的阻力系数，达到调节流量的目的。随着科技的发展，出现了智能调节阀，它具有控制、保护、诊断等功能，集常规调节阀检测、控制、调节于一身的现场智能控制器，可以根据系统工作过程中的流量、阀门开度、压力变化等情况及时调整，使系统系统可以更好的工作。调节阀在现场使用中，会出现各种各样的问题，其中很多问题是由调节阀的安装使用不当造成的，所以在调节阀在安装过程中需要注意一下以下几方面:（1）调节阀属于现场仪表，环境温度应该在-2560范围，相对湿度9
36、5%。在高温或露天场所要增加降温、防水措施。（2）调节阀只有在特殊情况下可以倾倒，一般应垂直安装，在阀本身过重或倾斜角度太大时，应该对调节阀增加支承件。（3）执行机构的减速器在维护时要注意加润滑油，一般不要拆洗低速电机。当调节阀安装后，要注意检查阀门开度显示与实际的开度是否相符。3.4 测控系统的工作原理仪器测控系统是泵站实现自动化最基础、最重要的组成部分，其可靠性和精度直接影响泵站的正常运行，因此熟悉测控系统的工作原理具有重要的意义。整个测控系统对提高注水生产的效率具有非常重要的作用。它所完成的主要功能是对实现参数进行采集，并转换成电流标准信号，送到显示仪表、控制仪表或单片机的输入端，通过对
37、采集到的数据进行记录分析、比较，达到实现对注水泵的压力、流量的调节，实现系统的自动保护、报警功能。系统装置内的逻辑控制保护电路部分，能够自动进行超限报警保护、自动停泵保护、安全状况下重新启动等功能。本设计采用流量值作为控制系统的调节参数，检测控制系统主要由流量计（测量机构）、电机控制阀门（控制器）、电动机（执行机构）和被控对象（流量值）构成。如下图所示。PID算法图3-2 检测控制系统结构图由采集模块中流量计、压力计测得的流量值和压力值输入到单片机中，与单片机中设置的流量值上、下限值进行比较，可以得到实际值与预设值的偏差，通过单片机内的控制算法，可以由偏差计算出电动机的转动量，电机阀门调节的流
38、量值输出量，完成整体控制。注水监测系统的主要组成部分是以ATmega16单片机为核心的控制器，控制器通过流量计所检测的流量值来控制阀门调节，即对电动机转动量的调节，以达到保持地底压力的目的。通过程序设定注水井压力A1和注水流量值B1，通过压力计和流量计采集实时压力值A2和流量值B2，压力传感器将实时压力信号转化为电信号，通过放大滤波，数模转换传入单片机中与预设值A1进行比较，当A1A2，单片机发出开阀门信号，经保护电路、隔离放大电路和驱动放大电路后驱动电动机，即驱动电机阀门的开关和转动量。随后，流量计检测流量值大小传入单片机，进行数据分析比较，判断实际流量值B2与预设值B1的大小，当B2=B1
39、时，阀门不动；当B1B2或B2B1时，根据流量差值计算电动机转量，利用单片机来驱动电机，进而达到控制电机阀门的开关度的目的，实现电机阀门的正转和反转，实现自动控制，直到B1=B2，装置自动停止调节。第4章 基于ATmega16的测控系统设计测控系统硬件部分主要由单片机的流量采集、压力采集、温度采集和电机控制等组成。本设计选用ATmega16系列单片机，所设计的产品较适合用于工业环境下，并且具有低功耗、开发方便等特点。4.1 单片机的选型和特点ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率
40、高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10倍的数据吞吐率。ATmega16实物图如下： 图4-1 44引脚TQPF封装实物图 图4-2 40引脚PDIP封装实物图ATmega16管脚图如下：图4-3 44引脚TQPF封装管脚图 图4-4 40引脚PDIP封装管脚图ATmega16是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。片内
41、ISP Flash允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区（Application Flash Memory）。在更新应用Flash存储区时引导Flash区（Boot Flash Memory）的程序继续运行，实现了RWW操作。通过将8位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C语言编译器、宏汇编、程
42、序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。产品特性： 高性能、低功耗的8位AVR微处理器 先进的RISC结构（简单指令结构） 131条指令大多数指令执行时间为单个时钟周期 32个8位通用工作寄存器 计数/定时器：2个8位，1个16位 全静态工作 工作于16MHz时性能（最大吞吐量）高达16MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器 非易失性程序和数据存储器 片内数据存储器：16K字节的系统内可编程Flash，512字节的EEPROM（电可擦除可编程ROM）擦写寿命: 10，000次 具有独立锁定位的可选Boot代码区通过片上Boot程序实现系统内编程真正的同时读写操作擦写寿命：100.000次 1K
43、字节的片内SRAM 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 JTAG接口（与IEEE1149.1标准兼容） 符合JTAG标准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试功能 通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程 外设特点 两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器 具有独立振荡器的实时计数器RTC 四通道PWM 8路10位ADC8个单端通道TQFP封装的7个差分通道2个具有可编程增益 （1x，10x，或200x）的差分通道 面向字节的两线接口 两个可编程的串行USART 可工作于主机/从机模式的SPI
44、串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器（WatchDog） 片内模拟比较器 特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的RC 振荡器 片内/片外中断源（共有21个中断源） 6种睡眠模式:空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式 I/O和封装 32个可编程的I/O口 40引脚PDIP封装，44引脚TQFP封装，与44引脚MLF封装 工作电压: ATmega16L：2.7-5.5V ATmega16：4.5-5.5V 速度等级 0-8MHz ATmega16L 0-16MHz ATmega16 ATmega16L在
45、1MHz，3V，25C时的功耗 正常模式:1.1mA 空闲模式:0.35 mA4.2 测控系统硬件电路设计油田注水流量监控系统主要由键盘输入模块、信息采集模块、显示模块、报警模块和CPU处理模块等组成，系统的原理框图如图4-5所示。信息输入模块通过采集传感器采集压力、温度和流量等信号。显示模块则采取了显示效果较好的液晶显示模块。图4-5 系统原理框图整个系统的结构一目了然，信息采集模块直接与ATmega16 连接，简化采集设计，增加系统的可靠性。通过单片机的P0口来实现键盘输入，由于P0口具有中断功能，实现起来非常容易，同时也适合软件编程。电源和复位模块主要是为系统提供可靠的电源，另外系统工作
46、需要复位功能，需要提供复位信号。报警模块是为了当注水流量出现异常时，给予提示。显示模块用以显示实时的测量值，以便进行读取。4.2.1 电源电路本设计中主电路及控制电路用电电压为5V，传感器供电电压为15V，本次设计电源电路采用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源，其所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如设计中用到的7805表示输出电压为+5V，7915输出电压为-15V，在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。在78*、79*系列三端稳压器中最常应用的是TO-220和TO-202两种封装。这两种封装的图形以及引脚序号、引脚功能如下图所示。从正面看引脚从左向右按顺序标注，接入电路时脚电压高于脚，脚为输出位。如对于78*正压系列，脚高电位，脚接地，脚为输出位；而对于79*负压系列，脚接地，脚接负电压，脚为输出位。图4-6 78系列封装图7805三端稳压IC内部电路具有过压保护、过流保护、过热保护功