鄭麗彬　樓然苗　馮相忠

摘要：文章主要介紹一種應(yīng)用于石油分離領(lǐng)域的檢測裝置。石油從地面上抽取上來之后，靜置一段時間后，水和石油因為比重不同會產(chǎn)生分層現(xiàn)象。當(dāng)完成分層后， 打開該檢測裝置，同時打開石油靜置裝置的下側(cè)閥門。由于激光不能穿透石油，當(dāng)激光接收探頭接收不到激光信號時，說明水已經(jīng)流完了，這時單片機就會做出反應(yīng)，啟動聲光報警，提醒工人關(guān)閉閥門了。該裝置設(shè)計簡單，成本低廉，具有巨大的推廣前景。

關(guān)鍵詞：激光檢測；石油分離；單片機

中圖分類號：TE93 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0137-03

1 前言

激光于1960年面世，是一種因刺激產(chǎn)生輻射而強化的光，其頻率范圍極窄，具有單色波長、同調(diào)性、平行光束三大特性[1]。它以其優(yōu)異的方向性、単色性、相干性及其能量高度集中等特點，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域[2]。

在農(nóng)業(yè)上，激光技術(shù)已成功應(yīng)用于農(nóng)作物組分檢測、長勢檢測、病蟲害檢測、農(nóng)藥殘留檢測、田間雜草識別及輔助精細農(nóng)業(yè)操作等方面[2]。其中，在農(nóng)作物的檢測上主要有激光漫反射技術(shù)、激光誘導(dǎo)光譜技術(shù)以及激光拉曼光譜。

在軍事上，激光測距儀是最普遍的一種測距方式，主要應(yīng)用于海上軍事系統(tǒng)中。而激光在軍事上應(yīng)用最成熟的是激光制導(dǎo)武器，如激光制導(dǎo)導(dǎo)彈、激光制導(dǎo)炸彈、激光制導(dǎo)魚雷等。

在工業(yè)上，由于激光的空間控制性和時間控制性很好，對加工對象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，與計算機數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，可構(gòu)成高效自動化加工設(shè)備。激光技術(shù)在汽車制造中主要用來切割，也可以對汽車的曲軸、凸輪軸、閥座等零件的直線度、長度、垂直度、密度等進行測量。它還可以檢測汽車零件的密封性能[3]。在石油工業(yè)領(lǐng)域，激光用來檢測輸油管道的泄漏問題。通過對激光的發(fā)射角度以及發(fā)射距離的測量，對比分析含油土壤和無油土壤中漫反射光的功率值大小[4]，來分析輸油管道的泄漏情況。

激光檢測技術(shù)作為一種非接觸式測量方式，具有測量范圍大、精度高、檢測時間短、有較高的分辨率等優(yōu)點，具有很好的應(yīng)用前景[5，6]。基于此技術(shù)，設(shè)計一種應(yīng)用于水油分離領(lǐng)域的檢測裝置，實現(xiàn)關(guān)于水油是否完全分離的檢測，具有良好的推廣前景。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的檢測功能，本系統(tǒng)的設(shè)計思路如下：首先將激光調(diào)制成一定頻率的信號，從激光發(fā)射器的發(fā)射端發(fā)送出去，當(dāng)激光接收探頭接收到信號時，拉高輸出引腳電平。單片機不斷檢測接收頭的輸出引腳電平，當(dāng)檢測到電平跳變時，開始啟動聲光報警裝置，提醒工人關(guān)閉閥門。本文提出的激光檢測裝置整體設(shè)計框圖如圖1所示。

3 硬件設(shè)計

3.1 激光發(fā)射與接收模塊

調(diào)制發(fā)射管的作用是通過電路調(diào)制激光的發(fā)射頻率（調(diào)制頻率為180khz—250khz），這樣做的目的是為了達到接收解調(diào)管的最佳接收頻率，從而避開普通光照所造成的影響，使得接收距離達到最遠，接收靈敏度達到最佳。調(diào)制接收管常態(tài)為低電平，當(dāng)受到光照射時輸出為高電平。它可以接收特定頻率的光照，抗干擾能力強，能有效過濾普光影響。按下電路開關(guān)，三極管導(dǎo)通，調(diào)制好的激光通過激光發(fā)射管發(fā)射出去。當(dāng)激光接收管接收到激光信號時，輸出為高電平，LED小燈熄燈，表示接收到信號。激光模塊電路圖如圖2。

3.2 控制及聲光報警模塊

該裝置的控制芯片選用STC15W402AS.它具有512字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM數(shù)據(jù)存儲器，1個時鐘/機器周期，增強型8051內(nèi)核，速度比傳統(tǒng)的8051快7-12倍。STC15W402AS是一款不需要外部復(fù)位和外部晶振的單片機，利用CCP/PCA高脈沖輸出功能可實現(xiàn)3路9-16位PWM（每通道占用系統(tǒng)時間小于0.6%）和利用定時器T0的時鐘輸出功能可實現(xiàn)高精度的8-16位PWM（占用系統(tǒng)時間小于0.4%）。它具有在系統(tǒng)可防真、可編程，寬電壓、高速、高可靠、低功耗、超強抗干擾等特點。該芯片功能強大，但價格低廉，十分適合應(yīng)用于該裝置中。聲光報警模塊中三個8050三極管分別構(gòu)成三個開關(guān)電路，電磁式5V有源蜂鳴器的最小升壓≥85db/10cm，諧振頻率為2500+--300HZ。模塊工作過程為：當(dāng)單片機檢測到激光接收器輸出引腳為高電平時，開始啟動聲光報警模塊。單片機與報警模塊連接的相應(yīng)管腳輸出高電平，使三極管導(dǎo)通，LED燈點亮，蜂鳴器發(fā)生報警聲，引工人注意，及時關(guān)閉閥門。具體電路圖如圖3。

3.3 供電模塊

升壓芯片是RT9296，它是一款Boost架構(gòu)升壓轉(zhuǎn)換器，采用恒定頻率的PWM控制器和同步整流器以獲得效率的最大化，可用于以單節(jié)，兩節(jié)電池為電源的電路中。通過改變外部電路中分壓電阻的參數(shù)，可以改變輸出電壓，也可以提供恒定的電壓。該裝置提供一節(jié)電池作為供電電源，利用RT9296，使其輸出電壓達到+5v，也可提供其他模塊使用。LTC4054是一個完善的單片鋰離子電池恒流/恒壓線性電源管理芯片，且適用于USB供電，還具有電池反接保護芯片的功能。裝置內(nèi)采用LTC4054，用來給電池充電，減少了電池的浪費。具體電路如圖4。

4 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)中軟件部分采用經(jīng)典的高級計算C語言進行編程。該程序語言適用性強，可在各類計算機上應(yīng)用，而且一個語句相當(dāng)于多條計算機指令，且容易理解，人機交互性好，具有很強的移植性[7]。本系統(tǒng)的軟件部分包括主程序、初始子程序、激光測距程序、聲光報警程序。主程序開始執(zhí)行時，首先對各器件進行初始化操作，接著對管腳進行外部中斷設(shè)置。檢測到電平跳變時，進入中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序中單片機將與LED燈，蜂鳴器相連的控制引腳置1，點亮小燈，蜂鳴器報警，中斷程序結(jié)束。

5 結(jié)語

本文利用激光不能穿透石油這一特點，介紹了一種用于檢測石油和水是否完全分離的裝置，并且對系統(tǒng)各個部分的硬件電路的設(shè)計和芯片的選型以及軟件設(shè)計的思路做了詳細的說明。本文所采用的模塊安全高效、價格經(jīng)濟實惠，希望能為石油分離裝置的設(shè)計提供有益參考。

參考文獻

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[3]郎旭元，張元鐘.激光技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[J].機械工程師，2006，（6）：21-22.

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[7]譚浩強.C程序設(shè)計（第三版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：1-3.