第1章绪论
1.1课题研究背景及意义
1.1.1井地ERT技术及应用简介
ERT（ElectricalResistanceTomography）技术是一种应用在剩余油气的分布情况的探测技术，基于该技术建立的ERT系统的功能是发射大功率电流，通过井口、地下介质和线缆形成回路，在压裂液注入井口后，地下介质发生变化，则相应的地表电位也发生变化，通过测量地表电位变化的情况，进而得出压裂裂缝趋近方位的技术。ERT技术对于水驱前缘测试、压裂裂缝测试等探测工程均能提供有效的技术支持和理论解释。ERT技术由接收电缆确定探测范围，一般可以达到方圆200米左右，整个探测系统的形成除了ERT探测系统的相关仪器外，仅需要连接测试井口和远距离的一个井口即可。ERT技术监测原理如图1.1所示。综上，ERT技术是对剩余油气的分布探测的一项具有探测范围大、分辨率高、测试系统容易实现等优点的技术[1][2][3]。
ERT系统主要由发射机、接收机、电源箱、发射电缆、接收电缆和电极组成。发射机的功能是把从发电机和电源箱连接后输出的直流电变换成波形可设置、频率可以调节的交流电；接收机的功能是测量地表电位的变化信息；发射电缆是连接被测井和远距离的井口的连接线；接收电缆是以接收机为中心，分布式的向外布置的18道接收信号的线缆；电极的功能是采集地面的电压信息，并连接在接收电缆上，通过接收电缆传送给接收机存储[4][5]。
2013至2014年间，井地ERT层析成像仪项目组在大庆油田、辽河油田进行了多次野外实验，均成功测试得到了压裂裂缝的趋近方向。
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1.2国内外主要相关技术发展现状
1.2.1ERT技术的国内外进展状况
ERT（ElectricalResistanceTomography）技术是根据医学思想建立的一种应用在地质探测方面的技术。该技术在1980年后发展到各个领域的应用之中。在实际可以勘测的电阻率层析成像仪器方面，日本的OYOC公司在九十年代末开发了第一台多通道检测仪器，MCOHM-21，加拿大的PhoenixGeophysics公司研制的多功能采集系统V8是经典的采集系统，现在仍旧应用广泛，SCINTREXS公司开发的检测仪器TOMOPLEX同样应用在诸多领域，美国的很多家公司也相继开发研制了各种地质探测检测的相关仪器，AGI公司研制的STINGRI具有良好的采集精度，德国公司DMT和瑞典公司ABEM也研制了ERT技术方面的相关仪器，市场的使用率很高。国外对于ERT技术的相关仪器的研发已经很成熟，然而我国国内在电法仪器的研究上也进行了丰富的研究，相关的仪器也逐渐取得了各方面的进步，在九十年代，YL-841是我国开发的第一台应用在压裂测试方面的仪器，二十世纪末，长春科技大学开发的HD-1型探测仪器，具有国际先进水平。
总体上看，基于ERT技术的各种探测仪器在不断开发和进步，相应的ERT探测系统向着发射功率越来越高，采集信号的精度越来越准确，数据处理分析和正反演分析越来越精准，探测方法越来越完善等相关方面不断进步着[4[5]]。
1.2.2ZigBee技术国内外进展情况
ZigBee技术是基于IEEE802.15.4标准的一种低功耗的无线通信技术。二十世纪初，Chipcon，Ember，Freescale，Honeywell，Mitsubishi，Motorola，Philips和Samsung这八家公司创立了ZigBee联盟，现该联盟包含高达百余多家会员。2005年4月，ZigBee厂家分别推出的单芯片方案CC2430、EM250、MC1321x及JN5121，在市场上应用十分广泛。
ZigBee技术作为近几年才发展起来的无线通讯技术，出现了各式各样的ZigBee产品，它为人们的生活中工作中提供了相应的便利，在其他应用领域，如工业、医疗、环境等，仍旧具有巨大的开发潜力和应用价值。但是，由于ZigBee技术本身的某些限制，其在各领域的广泛应用还需要一段时间，相信随着时间的推移，技术的进步，ZigBee的应用会更加进步。
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第2章系统整体设计和方案论证
2.1系统硬件整体设计方案
在原有发射机和接收机的基础上，为系统增设了如下模块并实现相应功能：1）单片机驱动直流风扇模块，此模块安装在发射机的散热片上，在面板温度高超过设定值时，由单片机产生相应的PWM波，并通过驱动电路将PWM波的电压放大后，从而驱动直流风扇，再通过测速电路测试风扇转速，并根据采集到的温度信息对风扇转速进行实时控制；该模块主要选用80C52单片机作为控制中心，L298n模块用来驱动直流风扇工作，红外线发射管和红外线接收管和LM393比较器作为直流风扇的测速电路，DS18B20温度传感器来采集温度信息，液晶1602实时的显示温度数值和风扇的转速。具体结构图如图2.1所示。
2）GPS同步模块，为发射机和接收机分别加入GPS同步模块，通过GPS模块发出的高精度的秒脉冲信号来为发射机和接收机提供统一的工作启动信号，最终实现发射机与接收机之间的同步功能。具体结构图如图2.2和图2.3所示。
3）ZigBee无线通讯模块，发射机端的ZigBee无线通讯模块作为采集节点，采集发射机工作时的温度和电流信息，并由天线发送出去，接收机端的ZigBee无线通讯模块作为接受节点，接受发射机端发送过来的信号，并送到自带的上位机中显示，该模块的设计是选用CC2530作为主芯片，CC2591作为射频芯片，提高ZigBee模块的发射功率，以达到提高通讯距离的目的。具体结构图如图2.4所示。
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2.2系统软件整体设计方案
使用Keil4软件为51单片机进行编程，来实现具体的功能：单片机通过设定引脚接收测速电路发送过来的脉冲信号，对该信号进行计时计数后再经过计算后得到直流风扇转动时的转速，直流风扇的转速分为不同的档位，由实时的温度信息决定，通过单片机内部的定时器实现PWM波形输出，并以此实现控制直流风扇的特定的转速，与DS18B20温度传感器通讯，得到温度信息，将温度信息和转速信息送到液晶1602上显示，通过PID程序精确控制电机转速。通过Keil4软件为51单片机进行编程，通过串口与GPS芯片进行通讯，GPS模块串口输出地理和时间信息，该信息具有特定的格式，单片机接收到信息后对其进行转化，得到需要的时间和地理信息，并将其在液晶1602上面显示。ZigBee无线通信模块的软件设计是在IAREmbeddedWorkbench平台上进行的，首先进行ZigBee节点对温度采集和电压信号采集的编程，然后通过TI公司提供的Z-Stack-CC2530-2.4.0-1.4.0协议栈，利用该协议栈来实现发射机端和接收机端两个ZigBee节点之间的组网和数据传输，将发射机端的温度和电压信息在两个节点之间进行通讯[6][7][8]。
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第 3 章 系统硬件具体设计 .................................10
3.1 单片机驱动直流风扇模块.................................10
3.1.1 单片机主控模块.......................................10
第 4 章 系统软件具体设计 ...................................30
4.1 单片机驱动直流风扇软件设计..............................30
4.1.1 软件总体设计.........................................30
第 5 章 系统测试和分析 .....................................48
5.1 直流风扇模块测试 .....................................48
5.1.1 模块实物图............................................48
第 5 章 系统测试和分析
5.1 直流风扇模块测试
5.1.1 模块实物图
如图 5.1 所示，红外线发射管和红外线接收管成对安置在风扇的两端，这样在风扇转动时，扇叶会阻碍红外线发射管与接收管之间的光线传输。
如图 5.2 所示为风扇的安装示意图，在散热片的上方加入了两个散热风扇，用以提高散热片上方空气流动的面积。
如图 5.3 所示为 52 单片机的控制电路，该控制电路主要以 89C52 单片机为核心，由 12V 转 5V 电路，温度采集电路，液晶显示电路，风扇测速电路等组成。
如图 5.4 所示为散热系统整体电路图，控制电路发出 PWM 波给 L298 驱动模块来驱动直流风扇转动，配对于风扇两端的红外线发射管和接收管发出脉冲信号，通过测速电路后，再由单片机接收后计算得出风扇的转速，并由液晶显示。
5.1.2 散热模块散热测试
散热功能测试时，将发射机工作在电流 15A，室温 25℃，如图 5.5 所示，发射机工作了 8 分钟左右，散热片的温度达到了 45℃，在 14 分钟时，加入散热模块进行散热，将风扇的转速分别设为全速运行和半速运行，可看成，在 19 分钟时，温度分别下降了 10℃和 5℃，可知，在加入直流风扇后，系统的散热功能得到了加强。
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5.2 GPS 同步模块测试
将 GPS 模块与控制器相连，控制器将串口得到的信息在液晶中显示，如图5.6 所示。上电启动后，在 30S 后，液晶显示了 GPS 模块通过串口发送的时间与地理信息。将两个 GPS 模块同时工作，示波器测试两个 GPS 模块的秒脉冲输出端口，如图 5.7 所示，得到了μS 级别的两个 GPS 模块输出的秒脉冲的信号差，该差值满足系统工作要求。
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第 6 章 总结和展望
6.1 工作总结
本文主要是对 ERT 系统的功能进行改进设计，由于在煤层气的压裂监测工作中，系统在散热和同步方面存在的问题，做出了相应的改进设计，具体的设计是增加了三个功能模块，分别为单片机驱动直流风扇模块，GPS 同步模块和ZigBee 无线通讯模块。直流风扇模块通过单片机控制，根据发射机的温度情况而实时工作转动，加强发射机的散热功能；GPS 同步模块分别加在发射机端和接收机端，通过模块输出的秒脉冲信号为系统提供统一的时钟基准，以确保接收机采集到的数据的准确性；ZigBee 无线通讯模块相当与一个实时监控系统，实时的监测发射机的工作状态，发射机和接收机在两地工作时，通过数据的无线传输，接收机接收到发射机端发送的数据，便可以随时掌握发射机端的温度情况和工作情况。主要的工作内容如下：
1） 通过比较 ERT 系统在油田和煤层气压裂监测工作，研究了系统尚存在的可以改进加强的功能，设计了能够实现相应功能的具体方案；
2） 系统的硬件设计工作，直流风扇模块由单片机、测速模块、显示模块、传感器模块等组成，GPS 同步模块主要由主控制器、GPS 模块、显示模块等组成，ZigBee 无线通讯模块主要由 CC2530 和 CC2591 以及相应周围电路组成，详细介绍了各模块的主要芯片的参数、特性和模块功能的实现，设计了相应的电路图；
3） 系统的软件设计工作，直流风扇模块的单片机的主程序、定时器计数器的测速程序、采集温度程序、PID 控制程序和显示程序等，ZigBee 无线模块通过 ZigBee协议实现的无线数据传输的程序等；
4） 对上述模块进行测试，对开始设计的相应功能进行验证。
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参考文献（略）
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参考文献（略）