专利名称：基于单片机的探地雷达的等距提示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及工程物探，确切地说是涉及一种基于单片机的探地雷达(也称地质雷达)探测过程中的等距离提示装置。
背景技术：
地质雷达(GPR)是ー种利用不同物体的不同介电特性对地下的或物体内不可见的目标体或界面进行定位的电磁探测技术，通过向待测方向发射高频电磁波，利用不同介质具有的不同介电性质，根据接收到返回波形的性质进行目标判定的。由于地质雷达探测手段具有精度高，适用性广，探測无损伤等众多优点，近年来在场地勘察和工程质量检测两大主要领域已经成为ー种重要的勘探手段，并正向更多方向扩展。目前，全世界地质雷达的生产厂家有七八家，其产品型号各种各样，但地质雷达的工作原理基本一致，采样方式只有三种点测法、连续测法、测量轮法。在采用点测法和连续测法情况下，一套雷达天线设备的使用需要至少两个人的配合，其中一个人在前面拖动天线并负责在合适的时间通过电脑软件的控制进行采样操作，另外一人则需要跟在天线后根据事先放置的工程标尺，每隔一定距离给予电脑操作者提示去采样(或打上标记)。有时地质雷达的工作位置可能为崎岖的斜坡面，人员的行走本身就不是很方便，人员的增加无疑会増加安全风险；有时地质雷达探测路径不是笔直的直线，并且道路有起有伏，因此增加工作人员就增加了更多的困难和风险。測量轮法进行等距采样的控制只有极少数情况下才能使用，虽然测量轮原理简单，实现方便，但是由于它对接触面的摩阻系数要求较高，且要求接触面较为平坦，实际现场很少能满足这种要求，因此，这种方法并没有能在实际中得到广泛的应用。为了克服测量轮的缺陷，瑞典的RAMAC公司也开发了一种叫玛拉链的装置，应用于它自己的雷达产品中，其原理是利用一个绳子，一端拴在起测点。另外一端拴在人的腰上，通过线圈上的编码器来控制采样，当然只有它的产品才能够配套使用，其余的产品均不能应用该设备。很显然该装置也存在缺陷，第一它必须在直线状况下使用，如果雷达探測的位置为弧线状，那它就无能为力；第二，道路必须较为平坦，如果道路不断有起伏，那它也无法使用，因为它的绳子必须拉紫，并且测量的距离是直线距离，而野外作业的道路坑坑洼洼、起伏很大，所以它的使用也受到限制。另外也可以利用GPS来定位的，但精度能够达到要求的GPS定位设备，价格太高，远远超出了本探地雷达设备能够承受的范围。考虑到精度要求及经济等方面的因素，在大量的普通项目中很少应用
发明内容
为了克服现有的探地雷达设备在使用过程中，其距离的精确定位需要专人配合的缺陷，本发明提供一种基于单片机的探地雷达(也称地质雷达)的等距离提示装置；本发明还涉及这种装置的工作方法。该装置和方法能够将天线的位置准确的定位，并且減少了崎岖斜坡上因人员增加而带来的危险，同时在探测线路为弧线状的、或道路起伏很大的情况下也能使用。
本发明解决其技术问题的技术方案是一种基于单片机的探地雷达(也称地质雷达)的等距离提示装置，该等距离提示装置设置在探地雷达上，其特征在于，该等距离提示装置中设有单片机，该单片机包含中央处理器(CPU)、程序存储器、数据存储器与计时器定时器；其特征在于，该等距离提示装置外部设置有磁传感器，该磁传感器的输出接所述单片机的中央处理器；所述单片机的中央处理器的输出，接声音提示器的驱动电路，该声音提示器的驱动电路接声音提示器。本发明有以下优化方案
I、所述的磁传感器在该等距离提示装置外部的设置方式是在所述等距离提示装置的外部设置有滑轨器，所述的磁传感器设置在该滑轨器内。与该磁传感器配合使用的外磁场，是分别按规定的距离固定在一根标尺上的若干小磁铁。该固定有若干小磁铁的标尺，穿置于所述的滑轨器内，其一端与所探测的地面固定；随着探地雷达工作时的前进，该固定有若干小磁铁的标尺不断穿过滑轨器，与该滑轨器的相对位移距离，与探地雷达前进时与被测地面的相对位移距离一致。所述的滑轨器可以采用筒状结构，该筒状结构的轴线与探地雷达前进方向平行。滑轨器也可以采用半圆槽状等其他形状。2、所述的磁传感器可以采用干簧管、磁控管、霍尔开关或其他磁感应机构。3、所述的基于单片机的探地雷达的等距离提示装置上设有工作模式切换机构，该工作模式切换机构是一个多档的转换开关，该多档的转换开关连接在所述单片机包含中央处理器上。4、所述的工作模式切换机构分别由发光二极管指示工作模式及状态；并通过拨键开关进行模式切换。硬件方面，以单片机为控制核心，该单片机包含中央处理器(CPU)、程序存储器、数据存储器、计时器定时器、UART串口、IO接口等几乎所有数据采集和处理的常用模块，装置选用可充电4. 2V锂电池作为电源，可以反复充放电，装置有效连续工作时间至少在20小时以上，以两个发光二极管指示工作模式(举例讲，每隔O. 5米进行一次提示、每隔I. O米进行一次提示)及状态并通过拨键开关进行模式切换，为方便辨认，两种工作模式分别采用两种不同颜色的LED灯进行显示，装置采用了无源元件干簧管作为磁传感器，通过感应外在磁场决定开关的通断，这种极其简单的特性使得电路中开关量的提取变得十分方便，不像许多其他电路需要通过模数转换的步骤才能得到有效的结果，装置为了使提示声音音量足够大，采用了一个驱动电路，在软件方面装置的程序使用单片机C语言编写。主要通过一个总体大循环中几个部分的子函数予以实现，程序简单且易于修改，便于进一步的开发与扩展，程序主要实现这样一个工作流程开机一判断工作模式一读取传感器信号一计数一根据工作模式报数。机械结构方面，针对霍尔开关的功能，装置通过活动接头安置在拖曳天线上，传感器通过一根顶部设置有导向滑轨的可以伸缩的金属杆与一平行放置的、从滑轨中穿过的、每隔一定距离(例如O. 5米)嵌入一块磁体作为标记的测量尺连接与同步。本发明的有益效果是节省人力，减少了崎岖斜坡上因人员增加而带来的危险，同时在探测线路为弧线状的、或道路起伏很大的情况下也能使雷达天线精度定位。
下面结合附图对本发明进ー步说明。
图I是本发明的整体系统架构图。图2是本发明的软件设计工作流程图。
具体实施例方式在图I中，随着雷达天线沿测线的移动，固定于雷达天线上的装置及其滑轨器(内含传感器)在带有磁体的測量尺上平行移动，当传感器探头经过磁体位置时霍尔元件产生ー个信号，该信号通过单片机处理后，由蜂鸣器发出一音量足够大的响声，操作人员即可在电脑记录中打上标记，距离提示功能得以实现。针对霍尔开关的功能，ー种特殊的连接方式被设计出来提示装置放置在拖曳天线上，与天线连接的滑轨器(内含传感器)与平行放置的測量尺保持连接与同步，在測量尺上每隔O. 5米(大小可以根据需要设定)嵌入一块磁体作为标记物。为实现这一功能，滑轨器与天线之间使用螺栓连接，滑轨器与測量尺之间的采用开合式滑动连接，这样可保证拆卸自如，又可保证相对运动的持续进行。硬件參数及其实现 单片机控制核心
由于本装置电路结构较为简单。同时并不需要像通信模块那样对引脚电平的稳定性有很高的需求，出于编程方便考虑，直接采用STC宏晶公司的STC89C52RC作为控制核心。根据其官方数据手册，STC89C52RC包含了中央处理器(CPU)、程序存储器、数据存储器、计时器定时器、UART串ロ、IO接ロ等几乎所有数据采集和处理的常用模块，是ー个较为完整的片上系统。为制作方便，演示电路采用了 roiP封装的40脚STC89C52RC芯片，按照官方提供的数据资料构建最小系统后再在其他IO输出口上添加其他元件进行具体功能的实现。电源
作为ー个采用TTL电平的辅助移动设备，装置选用可充电4. 2V锂电池作为电源，ー个最大的优势在于可以反复充放电，充电接ロ置于外壳侧面方便充电操作。如果使用900mAh的锂电池，以最大工作电流30mA计算，装置有效连续工作时间至少在20小时以上，完全可以满足设计的需求。磁传感器
传感器的选取与使用是本课题的ー个难点。选取ー个感应距离够远同时又能满足装置需求的传感器难度较大。在市场上所能找到的磁传感器大多是有源器件并且其工作电压都在12V作用，极少见到5V电压水准下能工作的磁传感器，因此，作为实际应用来讲，选取元件后其应用电路还需要自行设计。在这个装置的设计制作中，磁传感器选用的是干簧管。干簧管工作原理十分简单，通过感应外在磁场决定开关的通断，这种极其简单的特性使得电路中开关量的提取变得十分方便，不像许多其他电路需要通过模数转换的步骤才能得到有效的結果。
同时，干簧管是一种无源元件，其功耗极低。对于其他种类的磁传感器，如果需要用单片机进行控制，需要使用9V或以上的电源进行供能再使用类似7805的元件进行变压稳压后才能功能给单片机。而这里选取的干簧管可以起到相似的传感器作用，在电路连接上为保证元件的有效性，采用灌电流接法，单纯以开关量作为输入输出信号让硬件结构精简。
工作模式切换
以两个发光二极管指示工作模式及状态并通过拨键开关进行模式切换。在这里，共有两种工作模式每隔O. 5米进行一次提示、每隔I. O米进行一次提示，。开关从单片机引脚引出后直接接地，以低电平作为有效。为方便辨认，两种工作模式分别采用两种不同颜色的LED灯进行显示，拨键开关的两端分别接地表示两种不同工作模式，那么就保证了 LED在一个时间段只会有一盏是亮的，从而显示其工作状态。蜂鸣器驱动电路
由于单片机引脚的可输出电流很小，即使STC89C52RC芯片引脚采用了强推挽的方式，驱动能力也还是十分有限。因此，需要蜂鸣器工作需要一个驱动电路。为使提示声音音量足够大，使用放大倍数较大的C8550三极管进行放大，将蜂鸣器接于发射极，Vcc电平串联一只数千欧姆的电阻接在集电极，基极作为控制端口接在单片机的引脚上即可。由于Keil C51允许对单片机的各个引脚位进行直接操作，对于各个功能不同的引脚直接使用sbit变量进行定义操作即可。通过I和O的逻辑运算值直接可判断引脚电平的闻低。值得注意的是，51单片机的引脚在未赋值之前全部是默认为高电平，在对具体位操作前最好提前明确其初始值及有效值，如有可能，应使用注释加以说明。在这里，使用P2引脚时，就需要先对其赋初值，由于使用信号均为低电平有效，因此最好先将整个P2引脚均定义为高电平。在进行传感器信号(低电平有效)的采样与判定时，应当在初步检测到低电平信号后使用延时，这里根据需要，延时大约50ms。延时后使用分支语句再判定是否有效，如继续有效，则认定总信号有效，否则返回扫描循环。程序的总的结构是使用while (I)的大循环，虽然需要通过延时等手段对采样信号进行一定的修正，但相比与添加外部中断的方法来说，实现起来更加简单，也更加容易控制。由于编程方法的选择得当，实际上传感器有效信号的检测是在传感器离开磁区域时进行的，这种方法可以有效的避免因天线拖曳过程中的停留所
造成的计数误差，相当于是利用触发器进行的计数电路的消抖操作。纵观整个程序，延时几乎在每一个子函数中都得到应用。作为程序设计的第一步即是应当根据选取的晶振频率编写合适的延时程序。在KEIL C51单片机C语言中没有布尔型逻辑变量，因此，作为判断有效电平的函数不妨使用无符号字符变量作为返回值类型以方便程序设计。机械结构的设计对于这样ー个装置的设计，一个难点在于通过合适的手段使传感器的移动始终能与探地雷达天线的拖动保持一致，而这种位置上的同步由于传感器种类的限制，只能通过机械连接装置的设计实现。
对于对所使用传感器体积小、价格低廉的要求，这个装置的特殊性使得一些经典常用的传感器及其应用方案都无法使用。光电开关可以通过判定遮光效果适用于计数这种操作，但在这项设计中，难以保持光电开关探头与探地雷达天线上感应区域的同歩；颜色识别传感器虽然可以识别标记，但体积大，感应距离短(一般在3mm以内)，在本设计中难以派上用场；金属接近开关一般都需要12V以上电压而且体积较大、识别距离仅有几毫米、实际现场下可干扰因素过多，满足不了需求。因此最终选择霍尔开关，主要因为第一，这是无源元件，功耗小，电路连接简单；第二，体积小，适合便携装置使用；第三，感应距离较远，在条件适宜的情况下甚至可以达到2cm以上。为此，针对霍尔开关的功能，ー种特殊的连接方式被设计出来提示装置放置在拖曳天线上，与天线连接的滑轨器(内含传感器)与平行放置的測量尺保持连接与同步，在测量尺上每隔O. 5米(大小可以根据需要设定)嵌入一块磁体作为标记物。为实现这一功能，滑轨器与天线之间使用螺栓连接，滑轨器与測量尺之间的采用开合式滑动连接，这样可保证拆卸自如，又可保证相对运动的持续进行。
权利要求
1.一种基于单片机的探地雷达的等距离提示装置，该等距离提示装置设置在探地雷达上，其特征在于，该等距离提示装置中设有单片机，该单片机包含中央处理器、程序存储器、数据存储器与计时器定时器；其特征在于，该等距离提示装置外部设置有磁传感器，该磁传感器的输出接所述单片机的中央处理器；所述单片机的中央处理器的输出，接声音提示器的驱动电路，该声音提示器的驱动电路接声音提示器。
2.根据权利要求I所述的基于单片机的探地雷达的等距离提示装置，其特征在于，所述的磁传感器在该等距离提示装置外部的设置方式是在所述等距离提示装置的外部设置有滑轨器，该滑轨器的设置方向与所述探地雷达工作时的前进方向一致，所述的磁传感器设置在该滑轨器内。
3.根据权利要求2所述的基于单片机的探地雷达的等距离提示装置，其特征在于，与所述磁传感器配合使用的外磁场，是分别按规定的距离固定在一根标尺上的若干小磁铁；该固定有若干小磁铁的标尺，穿置于所述的滑轨器内，其一端与所探测的地面固定；随着探地雷达工作时的前进，该固定有若干小磁铁的标尺不断穿过滑轨器，与该滑轨器的相对位移距离，与探地雷达前进时与被测地面的相对位移距离一致。
4.根据权利要求I或2或3所述的基于单片机的探地雷达的等距离提示装置，其特征在于，所述的磁传感器可以采用干簧管、磁控管、霍尔开关或其他磁感应机构。
5.根据权利要求4所述的基于单片机的探地雷达的等距离提示装置，其特征在于，所述的基于单片机的探地雷达的等距离提示装置上设有工作模式切换机构，该工作模式切换机构是一个多档的转换开关，该多档的转换开关连接在所述单片机包含中央处理器上。
6.根据权利要求5所述的基于单片机的探地雷达的等距离提示装置，其特征在于，所述的工作模式切换机构分别由发光二极管指示工作模式及状态；并通过拨键开关进行模式切换。
全文摘要
基于单片机的探地雷达的等距离提示装置，该等距离提示装置设置在探地雷达上，其特征在于，该等距离提示装置中设有单片机，该单片机包含中央处理器、程序存储器、数据存储器与计时器定时器；其特征在于，该等距离提示装置外部设置有磁传感器，该磁传感器的输出接所述单片机的中央处理器；所述单片机的中央处理器的输出，接声音提示器的驱动电路，该声音提示器的驱动电路接声音提示器。本发明的有益效果是节省人力，减少了崎岖斜坡上因人员增加而带来的危险，同时在探测线路为弧线状的、或道路起伏很大的情况下也能使雷达天线精度定位。
文档编号G01S7/35GK102621530SQ201210112320
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日
发明者周荣官, 周醒驭 申请人:水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院