非开挖导向仪系统中的钻机同步显示器技术领域
本发明涉及一种非开挖导向仪系统中的钻机同步显示器。尤其是涉及一
种具有不破坏环境、不影响交通、铺管精度高、施工安全性好、周期短、成
本低，并可广泛用于市政、电信、电力、石油、天然气、煤气、自来水、热
力、排污等一些无法实施开挖作业的地区，在地表不挖槽的情况下，铺设地下
管线工程的非开挖水平钻进孔内随钻高精度非开挖导向仪中的钻机同步显示
器。
背景技术
目前在我国大部分地区的市政、电信、电力、石油、天然气、煤气、自
来水、热力、排污等的地下铺设管线工程仍采用人工或机械设备进行开放挖
槽埋管埋线方法作业，普遍存在着环境污染严重、施工安全性差、铺管精度
低、交通堵塞频繁、费工费时作业成本大大提高，很不经济。因此，国际上
少数发达国家已开发使用非开挖铺管技术，即在地表不开放挖槽的情况下，利
用水平钻进孔内随钻检测及地面跟踪指挥地下钻头钻进方向的导向系统铺设
地下管线。这项技术除了美、英、日等少数发达国家开始使用外，其他国家
包括我国还处于开发的空白。从国外的一些公司的产品来看，其导向的精度，
深度和功能虽然能满足某些工程的作业要求。但是，从技术角度分析，这些导
向系统在功能上还不够全面，还不适合我国的国情。在性能和可靠性上还不
够完善，同时其价格也极其昂贵。不利于在我国大量推广使用。
非开挖铺管技术是指利用各种岩土钻掘的设备和技术手段，在地表不开
挖沟槽的条件下，铺设、更换各种地下管线的施工技术。它与传统的挖槽铺
管的施工方法相比，具有不影响交通、环保，施工时间短、成本低、应用广
泛等许多特点。非开挖施工法中应用较广的为水平导向钻进法，它可根据预
先设计好的铺管线路驱动装有契形钻头的钻杆从地面钻入，并用非开挖导向
仪导向，引导地下钻头进行定向钻进来实施非开挖铺设地下管线的目的。在非
开挖导向钻进中，关键技术是应用高精度非开挖导向仪系统对钻孔轨迹进行
控制，而高精度非开挖导向仪系统又是整个钻进机械设备的核心。所以解决
非开挖导向仪系统的技术问题对我国大量推广使用现代非开挖铺管技术将带
来深远的意义。
非开挖导向仪系统主要由钻机同步显示器、地面跟踪接收导向器和地下
探测导向发射探头三部分组成，工作时置于地下钻头内的探测导向发射探头
将钻头所处的位置和工况姿态参数，通过低频无线电信号发射给地面跟踪接
收导向器，操作人员根据所按收的信号参数指挥钻机驾驶员及时修正和更改
当前的操作，以保证钻头按照设计的路线轨迹完成施工。同时地面跟踪接收
导向器又将各种接收到的信号参数通过无线电发送给钻机同步显示器显示出
来，供驾驶员操作指示，同时将各种数据保存起来。
高精度导向仪系统的核心部件之一是钻机同步显示器，而钻机同步显示
器是导向非开挖钻进的关键，置于掘进设备的驾驶室内，用来监测钻头所处
的姿态，把导向钻头的面向角、俯仰角、温度、电池剩余能量等重要信号采
用液晶显示屏显示出来，让掘进设备驾驶员实时掌握钻孔轨迹，并对轨迹实
时控制，达到精确定向的目的。
由于一方面必须显示出详细的信息资料，另一方面还必须面对各种复杂
的电磁干扰。因此对整个钻机同步显示器的发明设计要求很高。在电路方面
必须接收灵敏度高、选择性好、品质因素优、抗温漂、抗干扰、抗震动及显
示清晰度高、响应速度快、适合全天候工作。
发明内容
综上所述，为了解决钻机同步显示器发明设计过程中的一系列技术问题。
本发明提供一种具有接受灵敏度高、选择性好、品质因素优、抗温漂、抗干
扰、抗震动及显示清晰度高、响应速度快、适合全天候工作的钻机同步显示
器。该钻机同步显示器不仅具有国外同类产品的全部性能，而且性能优良、
可靠性高，稳定性好，成本低廉，并完全适合我国的国情，再加上市场价格极
其低廉，利于在我国大量推广使用。可广泛用于市政、电信、电力、石油、
天然气、煤气、自来水、热力、排污等一些无法实施开挖作业的地区铺设管
线工程的高精度导向系统中。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：它包括可以接收本发明以
外的跟踪接收导向器高频信号的信号接收模块，分别与可以进行解码-A/D转
换的CPU组的输入端及可以连接PC机的通讯接口互连，CPU组将从信号接收
模块检波出的数字编码串行信号利用软件转换成相应的地下钻头倾角(以水
平面为基准-50度-+50度)、面向角(以地下钻头轴芯为基准0度-360度)、
深度、工作温度、电池剩余能量等状态信号送入与之互连的液晶显示器，液
晶显示器将各路信号经液晶显示屏实时地显示出地下钻头倾角、面向角、深
度、工作温度、电池剩余能量等直观的动态数据及面向角的动态图形，液晶
显示的同时，通讯接口将信号接收模块检波出的数字编码串行信号送入PC机，
利用PC机强大的数据处理能力和处理速度，能形象地显示逼真的地下钻头俯
视、剖视实时动态图象；由本发明及本发明以外的地下探测导向发射探头、
地面跟踪接收导向器组成可以在地表不开挖沟槽的条件下，铺设、更换各种
地下管线的非开挖导向仪系统。
所述的CPU组中烧录固化了相应的软件功能程序，该程序包含了初始化
程序、数据虑波、数据解码、节电模式程序、软件看门狗程序(程序不走飞)，
同时在PC机内编制了能形象地显示逼真的地下钻头俯视、剖视实时动态图象，
数据可视性好、界面美观的图型软件。
所述的信号接收模块、CPU组、液晶显示器、通讯接口包括：CPU组(4)
是由下述电路组合而成，即：CPU组(4)内U1(CPU)的6、7、8、9、10及11
脚分别和程序在线烧录口JP3(ISP)的6、5、4、3、2及1脚相连，其中10
脚还与电源正端相连，11脚还与地相连，12脚和电容C1与晶振Y1的交点相
连，13脚和电容C2与晶振Y1的另一端的交点相连，31脚接地，电容C1、C2
的另一端接地。
CPU组(4)内U1(CPU)的25、28、29、33、34、35、36、37、38、39及
40脚分别和液晶显示器(5)内JP2的15、13、14、12、11、10、9、8、7、
6及5脚相连，14脚和信号接收模块(1)内JP1的4脚相连，信号接收模块
(1)内JP1的1脚接地、2脚接电源正端，液晶显示器(5)内JP2的1、3
脚接地，2脚和电阻R1相连，4脚和电阻R1的另一端与电源正端相连，17
脚和电位器R2的中间端及一端相连，18脚和电位器R2的另一端相连；
CPU组(4)内U1(CPU)的15、18脚分别与通讯接口(2)内接口模块S1
的3、2脚连接、接口模块S1的10、11、12脚分别与16、15、17脚互连，6、
9脚接地，4、5脚分别与电脑插口J1(DB9)的3、2脚连接。电脑插口J1(DB9)
的4、8脚分别与6、7脚互连，5脚连接，电脑插口连接PC机(3)。
工作时，信号接收模块(1)内JP1检波出由本发明以外的跟踪接收导向
器发射的数字编码串行信号输入到CPU组(4)内U1(CPU)的14脚，经对接
收信号的解码-A/D转换，通过33、34、35、36、37、38、39及40脚数据口
输出，输入到液晶显示器(5)内JP2的12、11、10、9、8、7、6及5脚，
推动液晶显示器(5)显示出直观的动态数据及动态图形，或经通讯接口(2)
输入到PC机(3)形象地显示逼真的地下钻头俯视、剖视实时动态图象；电阻
R1和电位器R2用来调节液晶显示器的亮度、对比度，电容C1、C2以及晶振
Y1构成CPU组(4)内U1(CPU)的主频，程序在线烧录口JP3(ISP)完成CPU
组(4)程序的在线烧录。
由于本发明采用上述的技术方案，所以钻机同步显示器不仅具有国外同
类产品的全部性能，而且性能优良、工作时间长、可靠性高、稳定性好、成
本低廉、能够精确稳定地工作，并完全适合我国的国情，再加上市场价格极
其低廉，利于在我国大量推广使用，达到了广泛用于市政、电信、电力、石
油、天然气、煤气、自来水、热力、排污等一些无法实施开挖作业的地区铺
设管线工程的高精度导向仪系统中的目的。
本发明的有益效果是：
1.由于采用了体积小、功能强的信号接收模块和单片CPU作为信号解码
-A/D转换，使整个同步器体积小、稳定性好、抗干扰、抗震动能力强，
调试方便、寿命长、噪声低、显著提高了综合性能。
2.由于采用了背光高精细点阵式液晶显示器，显示图象清晰稳定，动态
效果好，适合24小时连续工作。
3.由于设置了PC机接口，编制了PC机实时显示软件，除了可以显示地
下钻头俯仰角、面向角、深度、工作温度、电池剩余能量等直观实时
的动态数据及面向角的动态图形显示外，还可以显示逼真的地下钻头
俯视、剖视实时动态图。
附图说明
图一是本发明的电原理框图。
图二是本发明的实施例具体电路图
图中：1信号接收模块、2通讯接口、3 PC机、4 CPU组、5液晶显
示器。
具体实施方式
在图一中，可以接收本发明以外的跟踪接收导向器高频信号的信号接收
模块(1)，分别与可以进行解码-A/D转换的CPU组(5)的输入端及通讯接口
(2)互连，CPU组(5)将从信号接收模块(1)检波出的数字编码串行信号
利用软件转换成相应的地下钻头倾角(以水平面为基准-50度-+50度)、面
向角(以地下钻头轴芯为基准0度-360度)、深度、工作温度、电池剩余能
量等状态信号送入与之互连的液晶显示器(5)、液晶显示器(5)将各路信号
经液晶显示屏实时地显示出地下钻头俯仰倾角、面向角、深度、工作温度、
电池剩余能量等直观的动态数据及面向角的动态图形显示，液晶显示的同时，
通讯接口(2)将信号接收模块(1)检波出的数字编码串行信号送入PC机(3)，
利用PC机(3)强大的数据处理能力和处理速度，能形象地显示逼真的地下钻
头俯视、剖视实时动态图象。数据可视性好、界面美观；由本发明及本发明
以外的地下探测导向发射探头、地面跟踪接收导向器组成可以在地表不开挖
沟槽的条件下，铺设、更换各种地下管线的非开挖导向仪系统。
参考图一，所述的CPU组(4)中烧录固化了相应的软件功能程序，该程
序包含了初始化程序、数据虑波、数据解码、节电模式程序、软件看门狗程
序(程序不走飞)，同时在PC机(3)编制了能形象地显示逼真的地下钻头俯
视、剖视实时动态图象，数据可视性好、界面美观的图型软件。
在图二所示的实施例中，所述的CPU组(4)是由下述电路组合而成，
即：CPU组(4)内U1(CPU)的6、7、8、9、10及11脚分别和程序在线烧录
口JP3(ISP)的6、5、4、3、2及1脚相连，其中10脚还与电源正端相连，
11脚还与地相连，12脚和电容C1与晶振Y1的交点相连，13脚和电容C2与
晶振Y1的另一端的交点相连，31脚接地，电容C1、C2的另一端接地。
CPU组(4)内U1(CPU)的25、28、29、33、34、35、36、37、38、39及
40脚分别和液晶显示器(5)内JP2的15、13、14、12、11、10、9、8、7、
6及5脚相连，14脚和信号接收模块(1)内JP1的4脚相连，信号接收模块
(1)内JP1的1脚接地、2脚接电源正端，液晶显示器(5)内JP2的1、3
脚接地，2脚和电阻R1相连，4脚和电阻R1的另一端与电源正端相连，17
脚和电位器R2的中间端及一端相连，18脚和电位器R2的另一端相连；
CPU组(4)内U1(CPU)的15、18脚分别与通讯接口(2)内接口模块S1
的3、2脚连接、接口模块S1的10、11、12脚分别与16、15、17脚互连，6、
9脚接地，4、5脚分别与电脑插口J1(DB9)的3、2脚连接。电脑插口J1(DB9)
的4、8脚分别与6、7脚互连，5脚连接，电脑插口连接PC机(3)。
工作时，信号接收模块(1)内JP1检波出由本发明以外的跟踪接收导向
器发射的数字编码串行信号输入到CPU组(4)内U1(CPU)的14脚，经对接
收信号的解码-A/D转换，通过33、34、35、36、37、38、39及40脚数据口
输出，输入到液晶显示器(5)内JP2的12、11、10、9、8、7、6及5脚，
推动液晶显示器(5)显示出直观的动态数据及动态图形，或经通讯接口(2)
输入到PC机(3)形象地显示逼真的地下钻头俯视、剖视实时动态图象；电阻
R1和电位器R2用来调节液晶显示器的亮度、对比度，电容C1、C2以及晶振
Y1构成CPU组(4)内U1(CPU)的主频，程序在线烧录口JP3(ISP)完成CPU
组(4)程序的在线烧录，PC机(3)是公知的电脑硬件设备，不再赘述。