CN109973080A - 地质勘探钻机钻探实时深度测量系统 - Google Patents

地质勘探钻机钻探实时深度测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种地质勘探钻机钻探实时深度测量系统，属于地质勘探领域。该系统包括深度测量装置、云服务器和客户端，深度测量装置通过GPRS模块与云服务器连接，云服务器通过网络与客户端连接。深度测量装置包括主控模块，主控模块通过蓝牙模块连接有超声测距模块；主控模块通过蓝牙模块将开始测距命令发送给超声测距模块，超声测距模块发出超声波信号并检测回波信号，根据发出超声波信号和检测到回波信号的时间差计算距离并通过蓝牙模块向主控模块输出回响信号，回响信号的脉冲宽度与距离成正比。本发明实现了地质勘探工作由传统方式向信息化方式转变，降低地质勘探过程的人力、物力成本，减轻地质勘探工作者的劳动强度，提高地质勘探工作的效率。

Description

地质勘探钻机钻探实时深度测量系统
技术领域
本发明涉及地质勘探领域，特别是指一种地质勘探钻机钻探实时深度测量系统。
背景技术
在传统地质勘探过程中，野外的信息采集、室内的资料整理和分析化验等工作绝大部分都是手工操作，使得地质勘探过程中的人力和物力成本较高，过程较为漫长，地质勘探信息反馈滞后，数据挖掘没有深度。
目前的建筑、交通施工前期的地质勘探技术中，利用勘探钻机钻孔取样方法确定地下岩芯信息，在未来相当长的时期内仍是不可替代的技术手段。但目前该类钻机基本没有配套的信息化设备，钻探过程中的钻探深度等信息完全依靠人工记录，不利于地质勘探信息化工作的开展。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种地质勘探钻机钻探实时深度测量系统，本发明实现了地质勘探工作由传统方式向信息化方式转变，降低地质勘探过程的人力、物力成本，减轻地质勘探工作者的劳动强度，提高地质勘探工作的效率。
本发明提供技术方案如下：
一种地质勘探钻机钻探实时深度测量系统，包括深度测量装置、云服务器和客户端，所述深度测量装置通过GPRS模块与所述云服务器连接，所述云服务器通过网络与所述客户端连接，其中：
所述深度测量装置包括主控模块，所述主控模块通过蓝牙模块连接有超声测距模块；
所述主控模块通过蓝牙模块将开始测距命令发送给所述超声测距模块，所述超声测距模块发出超声波信号并检测回波信号，根据发出超声波信号和检测到回波信号的时间差计算距离并通过蓝牙模块向所述主控模块输出回响信号，所述回响信号的脉冲宽度与所述距离成正比。
进一步的，所述所述主控模块包括STM32处理器；所述STM32处理器采用3.3V电源供电，所述STM32处理器的五个电源引脚均连接有去耦电容；所述STM32处理器的复位引脚连接有复位电路；所述STM32处理器的AGND引脚连接有接地电路。
进一步的，所述去耦电容为0.1μF；所述去耦电容的一端连接所述3.3V电源，另一端接地；所述STM32处理器的电源引脚连接在所述3.3V电源和去耦电容之间；
所述复位电路包括第一电阻、第一电容和复位按键；所述第一电阻的一端连接所述3.3V电源，另一端连接所述STM32处理器的复位引脚；所述第一电容的一端连接所述STM32处理器的复位引脚，另一端接地；所述复位按键的一端连接所述STM32处理器的复位引脚，另一端接地；所述第一电阻为10kΩ，所述第一电容为0.1μF；
所述接地电路包括第二电阻，所述第二电阻的一端连接所述STM32处理器的AGND引脚，另一端接地。
进一步的，所述STM32处理器的主频引脚连接有第一晶振电路，所述STM32处理器的时钟频率引脚连接有第二晶振电路；
所述第一晶振电路包括第二电容、第三电容和第一晶振；所述第二电容的一端连接所述STM32处理器的主频输入引脚，另一端接地；所述第三电容的一端连接所述STM32处理器的主频输出引脚，另一端接地；所述第一晶振的一端连接所述STM32处理器的主频输入引脚，另一端连接所述STM32处理器的主频输出引脚；所述第二电容和第三电容均为10pF，所述第一晶振的频率为8MHz；
所述第二晶振电路包括第四电容、第五电容和第二晶振；所述第四电容的一端连接所述STM32处理器的时钟频率输入引脚，另一端接地；所述第五电容的一端连接所述STM32处理器的时钟频率输出引脚，另一端接地；所述第二晶振的一端连接所述STM32处理器的时钟频率输入引脚，另一端连接所述STM32处理器的时钟频率输出引脚；所述第四电容和第五电容均为10pF，所述第二晶振的频率为32.768KHz。
进一步的，所述超声测距模块包括处理器和与所述处理器连接的超声发射电路和超声接收电路；
所述处理器发送特定频率的脉冲信号到所述超声发射电路，所述超声发射电路根据所述脉冲信号生成超声波信号并发射，同时开始计时，所述超声接收电路接收所述超声波信号的回波信号，同时停止计时；根据开始计时和停止计时的时间差计算距离。
进一步的，所述处理器为STC11单片机，所述超声发射电路包括MAX232芯片，所述超声接收电路包括TL074运算放大器；所述MAX232芯片连接有超声发射换能器，所述TL074运算放大器连接有超声接收换能器。
进一步的，所述GPRS模块包括SIM900A芯片，所述SIM900A芯片的TXD、RXD分别与STM32处理器的PA9、PA10引脚连接，所述SIM900A芯片的电源引脚、数据引脚、时钟引脚和复位引脚分别与SIM卡的电源引脚、I/O引脚、时钟引脚和复位引脚连接。
进一步的，所述蓝牙模块包括HC05芯片。
进一步的，所述主控模块还通过存储接口电路连接有存储模块，所述主控模块还连接有LCD显示器、LED数码管显示屏、键盘、USB接口电路和JTAG接口电路。
进一步的，所述存储模块为TFSD卡，所述存储接口电路为SDIO接口。
本发明具有以下有益效果：
本发明利用超声波技术、移动互联通信等技术，结合全球定位系统技术，研制地质勘探钻机钻探实时深度测量系统，在此基础上建立基于物联网技术的工程勘察智慧云系统，可为地质勘探工作提供良好的技术支撑。实现了地质勘探工作由传统方式向信息化方式转变，降低地质勘探过程的人力、物力成本，减轻地质勘探工作者的劳动强度，提高地质勘探工作的效率。
附图说明
图1为本发明的地质勘探钻机钻探实时深度测量系统示意图；
图2为主控模块的电路图；
图3为复位电路的电路图；
图4为接地电路的电路图；
图5为第一晶振电路的电路图；
图6为第二晶振电路的电路图；
图7为超声测距模块的电路图；
图8为GPRS模块的电路图；
图9为蓝牙模块的电路图；
图10为存储模块的电路图；
图11为存储模块的工作流程图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种地质勘探钻机钻探实时深度测量系统，如图1所示，该系统包括深度测量装置100、云服务器200和客户端300，深度测量装置100通过GPRS模块400与云服务器200连接，云服务器通200过网络与客户端300连接，其中：
深度测量装置100包括主控模块110，主控模块110的USART串口单元通过蓝牙模块121连接有超声测距模块120；
主控模块110通过蓝牙模块121将开始测距命令发送给超声测距模块120，超声测距模块120发出超声波信号并检测回波信号，根据发出超声波信号和检测到回波信号的时间差计算距离并通过蓝牙模块121向主控模块110输出回响信号，回响信号的脉冲宽度与距离成正比。
本发明面向建筑、交通施工地质勘探钻机信息化的需求，提供了钻机钻孔实时深度测量并上传的新型解决方案。本发明预先将杆号及杆号对应的长度录入系统并保存。在钻探时，通过超声测距模块实时测量钻杆在地面部分的长度，根据录入的杆号及杆号对应的长度自动计算出钻探深度。钻探深度通过GPRS实时传输到云服务器，客户端可以从云服务器上实时查看钻探深度数据。杆号及杆号对应的长度可以通过客户端远程录入。
本系统使用超声波收发一体模块完成测距，超声测距模块的发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声测距模块的接收器收到回波信号就立即停止计时。本系统的超声测距模块相比于红外测距模块抗阳光干扰能力强，更适用于野外场景，相比于激光测距模块，其成本低，并且精度满足地质勘探测量要求。
当钻机进行工作时，超声测距模块需要将测量结果实时反馈到主控模块上，虽然有线传输速度快，稳定性和可靠性强，但由于钻机结构杂乱，工作时钻头钻杆位置不固定，不方便使用有线通信，因此本系统选用了蓝牙通信作为深度测量模块和主机之间的无线通信方式，提高了系统布置的灵活性。
本发明利用超声波技术、移动互联通信等技术，结合全球定位系统技术，研制地质勘探钻机钻探实时深度测量系统，在此基础上建立基于物联网技术的工程勘察智慧云系统，可为地质勘探工作提供良好的技术支撑。实现了地质勘探工作由传统方式向信息化方式转变，降低地质勘探过程的人力、物力成本，减轻地质勘探工作者的劳动强度，提高地质勘探工作的效率。
作为本发明的一种改进，如图2所示，主控模块包括STM32处理器，优选型号为STM32F103VET6，它具有低功耗、低成本和高性能等特点，提供了时钟、复位和电源管理等功能。该款芯片为100引脚，512k FLASH和64k SRAM，LQFP封装，以及32位Cortex内核，CPU工作频率72MHZ，工作电压2.0-3.6V。
本发明采用3.3V电源对STM32处理器供电，芯片上共有五对电源引脚VSS和VDD，电源引脚均匀分布在芯片四周，可以为芯片提供最好的电源质量，降低电源阻抗，保证高速数字电路可靠工作。为避免电流变化引起的电源电压波动传递到其他电源引脚，起到电源滤波的作用，本发明在STM32处理器的五个电源引脚(分别为VDD_1、VDD_2、VDD_3、VDD_4、VDD_5)均连接有去耦电容(分别为C12、C5、C1、C6、C2)。去耦电容的一端连接3.3V电源，另一端接地；STM32处理器的电源引脚连接在3.3V电源和去耦电容之间，去耦电容优选为0.1μF。
对于单片机来说，复位电路是系统中不可缺少的一部分，复位操作就是把单片机正在运行的状态恢复到起始状态。STM32的F1系列的单片机，支持系统复位，上电复位和备份区域复位三种方式。如图3所示，STM32处理器的复位引脚NRST连接有复位电路；复位电路为按键复位电路。
复位电路包括第一电阻R30、第一电容C20和复位按键S4；第一电阻R30的一端连接3.3V电源，另一端连接STM32处理器的复位引脚NRST；第一电容C20的一端连接STM32处理器的复位引脚NRST，另一端接地；复位按键S4的一端连接STM32处理器的复位引脚NRST，另一端接地。
当按键被按下时，NRST引脚与地连接，产生一个低电平信号，NRST引脚被拉低，从而实现系统复位；第一电阻优选为10kΩ，第一电容优选为0.1μF，复位脉冲时间为：
t＝1.1*R30*C20＝1.1×10kΩ×0.1μF＝1100μs
STM32处理器的AGND引脚连接有接地电路，如图4所示，接地电路包括第二电阻R24，第二电阻R24的一端连接STM32处理器的AGND引脚，另一端接地。
STM32系列单片机工作时需要接入一个主频和一个时钟频率，因此本发明的STM32处理器的主频引脚(OSC_IN、OSC_OUT)连接有第一晶振电路，STM32处理器的时钟频率引脚(OSC32_IN、OSC32_OUT)连接有第二晶振电路。
如图5所示，第一晶振电路包括电路第二电容C16、第三电容C17和第一晶振Y2；第二电容C16的一端连接STM32处理器的主频输入引脚OSC_IN，另一端接地；第三电容C17的一端连接STM32处理器的主频输出引脚OSC_OUT，另一端接地；第一晶振Y2的一端连接STM32处理器的主频输入引脚OSC_IN，另一端连接STM32处理器的主频输出引脚OSC_OUT。主频4～16MHz居多，本发明采用8MHz的第一晶振，第二电容和第三电容均优选为10pF。
如图6所示，第二晶振电路包括第四电容C18、第五电容C19和第二晶振Y3；第四电容C18的一端连接STM32处理器的时钟频率输入引脚OSC32_IN，另一端接地；第五电容C19的一端连接STM32处理器的时钟频率输出引脚OSC32_OUT，另一端接地；第二晶振Y3的一端连接STM32处理器的时钟频率输入引脚OSC32_IN，另一端连接STM32处理器的时钟频率输出引脚OSC32_OUT；第二晶振的频率优选为32.768KHz，第四电容和第五电容均优选为10pF。
作为本发明的另一种改进，本系统的超声测距模块为独立收发一体式模块。如图7所示，超声测距模块120包括处理器121和与处理器121连接的超声发射电路122和超声接收电路123；
处理器121发送特定频率的脉冲信号到超声发射电路122，超声发射电路122根据脉冲信号生成超声波信号并发射，同时开始计时，超声接收电路123接收超声波信号的回波信号，同时停止计时；根据开始计时和停止计时的时间差计算距离。
具体的，如图7所示，处理器121为STC11单片机，超声发射电路122包括MAX232芯片，超声接收电路123包括TL074运算放大器；MAX232芯片连接有超声发射换能器T40，TL074运算放大器连接有超声接收换能器R40。
测距时，STC11单片机发送一段40kHZ波形给MAX232芯片，MAX232对40KHZ的信号进行电平转换，以放大超声波功率，达到较远的测量距离。接收电路以TL074为四路低噪声输入运算放大器为主，对接收到的超声波电压信号进行信号放大、滤波、电压比较等。STM32处理器通过蓝牙模块发送开始测距命令给测距模块，超声波测距模块内部将发出8个40KHz周期的电平并检测回波信号，如若有回波信号被检测出则输出回响信号，回响信号的脉冲宽度与所测的距离成比例。
GPRS模块负责将数据通过TCP/IP协议上传到云服务器，本申请的GPRS模块包括SIM900A芯片，SIM900A是一个2频的GSM/GPRS模块，工作频段为EGSM 900MHZ和DCS1800MHZ。该模块内嵌TCP/IP协议，扩展的TCP/IP命令让用户能够很容易使用TCP/IP协议。
如图8所示，本发明将SIM900A芯片的TXD、RXD分别与STM32处理器的TXD、RXD引脚(PA9、PA10引脚)交叉连接，该两个引脚可以工作在UART串行通信模式，为STM32处理器与SIM900A模块进行串口通信提供数据线。SIM900A芯片的电源引脚SIM_VDD、数据引脚SIM_DATA、时钟引脚SIM_CLK和复位引脚SIM_RST分别与SIM卡的电源引脚VCC、I/O引脚、时钟引脚CLK和复位引脚RST连接，分别为其提供电源/地、输入输出信号时钟、复位。
本发明的蓝牙模块优选包括HC05芯片，蓝牙模块电路如图9所示。该芯片可以直接连接各种单片机，它的供电电压为3.3V～3.6V，与本设计的供电电压吻合，而且它可以通过AT指令集配置模块，采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准。配对以后当全双工串口使用，无需了解任何蓝牙协议，方便使用。
作为本发明的再一种改进，如图1所示，主控模块110的SDIO单元还通过存储接口电路131连接有存储模块130，主控模块110的FSMC单元还连接有LCD显示器140，主控模块110的GPIO单元还连接有四位LED数码管显示屏150和键盘160，主控模块110的USB单元还连接有USB接口电路170，主控模块110的JTAG单元还连接有JTAG接口电路180。
超声测距模块将测距结果通过蓝牙通信的传输到主控模块上，主控模块计算出钻探深度并在四位LED数码管显示屏上实时显示。系统另外配置一个12864的LCD显示屏用来提供系统设置等人机交互接口，无操作时显示当前日期和时间。测量数据通过GPRS模块以TCP/IP协议传送到云端服务器，并提供本地数据存储功能，当网络异常时暂时把数据保存至本地存储模块中，等网络恢复正常时再重传。本发明还可以通过键盘本地录入杆号及杆号对应的长度，通过键盘添加钻探所使用的钻杆并进行保存。
优选的，存储模块电路如图10所示，存储模块为TFSD卡，本系统使用TF SD卡作为本地存储器，TF SD卡具有容量大、读写速度快和使用方便等特点，同时它的体积很小，便于电路板小型化设计。
存储接口电路为SDIO优选为接口，TF SD卡通过SDIO口与主控模块连接。SDIO是安全数字输入/输出接口，完全兼容多媒体卡系统规范版本4.2，完全支持CE-ATA功能，数据传输可达48MHz。SD数据传输支持单块和多块读写，它们分别对应不同的操作命令，多块写入还需要使用命令来停止整个写入操作。数据写入前需要检测SD卡忙状态，因为SD卡在接收到数据后编程到存储区过程需要一定操作时间。SD卡忙状态通过把D0线拉低表示。数据块读操作与之类似，只是无需忙状态检测。但是单块写传输速度较慢，对于大量存储数据，无法满足要求，所以我采用了传输速度更快的多块写操作。SD卡数据存储的工作流程如图11所示，多块写操作可以看成是对单块写操作的程序优化，通过节省主函数循环调用子函数及单块写操作每次初始应答的时间，提高了数据写入速度。使用4数据线传输时，每次传输4bit数据，每根数据线都必须有起始位、终止位以及CRC位，CRC位每根数据线都要分别检查，并把检查结果汇总然后在数据传输完后通过D0线反馈给主控模块。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种地质勘探钻机钻探实时深度测量系统，其特征在于，包括深度测量装置、云服务器和客户端，所述深度测量装置通过GPRS模块与所述云服务器连接，所述云服务器通过网络与所述客户端连接，其中：
所述深度测量装置包括主控模块，所述主控模块通过蓝牙模块连接有超声测距模块；
所述主控模块通过蓝牙模块将开始测距命令发送给所述超声测距模块，所述超声测距模块发出超声波信号并检测回波信号，根据发出超声波信号和检测到回波信号的时间差计算距离并通过蓝牙模块向所述主控模块输出回响信号，所述回响信号的脉冲宽度与所述距离成正比。
2.根据权利要求1所述的地质勘探钻机钻探实时深度测量系统，其特征在于，所述所述主控模块包括STM32处理器；所述STM32处理器采用3.3V电源供电，所述STM32处理器的五个电源引脚均连接有去耦电容；所述STM32处理器的复位引脚连接有复位电路；所述STM32处理器的AGND引脚连接有接地电路。
3.根据权利要求2所述的地质勘探钻机钻探实时深度测量系统，其特征在于，所述去耦电容为0.1μF；所述去耦电容的一端连接所述3.3V电源，另一端接地；所述STM32处理器的电源引脚连接在所述3.3V电源和去耦电容之间；
所述复位电路包括第一电阻、第一电容和复位按键；所述第一电阻的一端连接所述3.3V电源，另一端连接所述STM32处理器的复位引脚；所述第一电容的一端连接所述STM32处理器的复位引脚，另一端接地；所述复位按键的一端连接所述STM32处理器的复位引脚，另一端接地；所述第一电阻为10kΩ，所述第一电容为0.1μF；
所述接地电路包括第二电阻，所述第二电阻的一端连接所述STM32处理器的AGND引脚，另一端接地。
4.根据权利要求2所述的地质勘探钻机钻探实时深度测量系统，其特征在于，所述STM32处理器的主频引脚连接有第一晶振电路，所述STM32处理器的时钟频率引脚连接有第二晶振电路；
所述第一晶振电路包括第二电容、第三电容和第一晶振；所述第二电容的一端连接所述STM32处理器的主频输入引脚，另一端接地；所述第三电容的一端连接所述STM32处理器的主频输出引脚，另一端接地；所述第一晶振的一端连接所述STM32处理器的主频输入引脚，另一端连接所述STM32处理器的主频输出引脚；所述第二电容和第三电容均为10pF，所述第一晶振的频率为8 MHz；
所述第二晶振电路包括第四电容、第五电容和第二晶振；所述第四电容的一端连接所述STM32处理器的时钟频率输入引脚，另一端接地；所述第五电容的一端连接所述STM32处理器的时钟频率输出引脚，另一端接地；所述第二晶振的一端连接所述STM32处理器的时钟频率输入引脚，另一端连接所述STM32处理器的时钟频率输出引脚；所述第四电容和第五电容均为10pF，所述第二晶振的频率为32.768 KHz。
5.根据权利要求2-4任一所述的地质勘探钻机钻探实时深度测量系统，其特征在于，所述超声测距模块包括处理器和与所述处理器连接的超声发射电路和超声接收电路；
所述处理器发送特定频率的脉冲信号到所述超声发射电路，所述超声发射电路根据所述脉冲信号生成超声波信号并发射，同时开始计时，所述超声接收电路接收所述超声波信号的回波信号，同时停止计时；根据开始计时和停止计时的时间差计算距离。
6.根据权利要求5所述的地质勘探钻机钻探实时深度测量系统，其特征在于，所述处理器为STC11单片机，所述超声发射电路包括MAX232芯片，所述超声接收电路包括TL074运算放大器；所述MAX232芯片连接有超声发射换能器，所述TL074运算放大器连接有超声接收换能器。
7.根据权利要求5所述的地质勘探钻机钻探实时深度测量系统，其特征在于，所述GPRS模块包括SIM900A芯片，所述SIM900A芯片的TXD、RXD分别与STM32处理器的PA9、PA10引脚连接，所述SIM900A芯片的电源引脚、数据引脚、时钟引脚和复位引脚分别与SIM卡的电源引脚、I/O引脚、时钟引脚和复位引脚连接。
8.根据权利要求5所述的地质勘探钻机钻探实时深度测量系统，其特征在于，所述蓝牙模块包括HC05芯片。
9.根据权利要求1-4任一所述的地质勘探钻机钻探实时深度测量系统，其特征在于，所述主控模块还通过存储接口电路连接有存储模块，所述主控模块还连接有LCD显示器、LED数码管显示屏、键盘、USB接口电路和JTAG接口电路。
10.根据权利要求9所述的地质勘探钻机钻探实时深度测量系统，其特征在于，所述存储模块为TFSD卡，所述存储接口电路为SDIO接口。
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