基于STC89C52單片機的煤粉泄露點溯源小車的設(shè)計

嚴聰

摘要：在煤制氣過程中，煤粉粒度很小，在傳輸過程中容易發(fā)生泄露，易發(fā)生安全事故。本文為了有效預(yù)防安全事故的發(fā)生設(shè)計了一種基于STC89C52單片機的煤粉泄露點溯源小車。有效的降低煤制氣過程中煤粉泄露而引發(fā)生產(chǎn)事故的可能性。

關(guān)鍵詞：STC89C52，PID;煤粉泄露;溯源小車

中圖分類號：TE37 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2020）08-0093-01

1 引言

由于煤粉很細，在煤制氣過程中容易發(fā)生泄露，若未及時找到泄露點的位置，當室內(nèi)煤粉濃度達到一定數(shù)值時極易發(fā)生粉塵爆炸。因此我們設(shè)計了一種基于煤粉濃度差的泄露點溯源小車[1][2]，能自動測量環(huán)境中的煤粉濃度，根據(jù)濃度差并在PID算法的基礎(chǔ)上控制舵機，驅(qū)動小車轉(zhuǎn)向去溯源，從而找到泄露點的大致位置，以免造成安全事故。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計及其工作原理

2.1系統(tǒng)整體設(shè)計。本溯源小車分為電源模塊，控制模塊，傳感器模塊，電機驅(qū)動模塊，轉(zhuǎn)向控制模塊。采用STC89C52單片機作為控制器，由L298N驅(qū)動電機，采用后輪驅(qū)動，單片機直接控制舵機使其控制前輪轉(zhuǎn)向，傳感器模塊由兩個激光粉塵傳感器（ZH03B）組成，狀態(tài)指示模塊采用發(fā)光二極管作指示。

2.2系統(tǒng)工作原理。本設(shè)計中的溯源小車先由煤粉濃度檢測傳感器檢測小車左右兩個方向的煤粉濃度，然后把檢測到的數(shù)據(jù)傳送給單片機，由單片機進行判斷兩個方向的濃度高低，通過 PID 算法，控制舵機打出偏角，從而控制小車向煤粉濃度高的方向行駛，找到煤粉泄露的點。

3 原理分析與硬件電路

3.1 STC89C52單片機介紹。STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，做了很多改進使得芯片具有傳統(tǒng)的51單片機不具備的功能。

3.2舵機模塊。本設(shè)計中舵機采用 PWM 信號作為控制信號，控制周期為 20 ms，擁有 0.5～2.5 ms的脈沖寬度，以及 0～180 度的舵盤偏移角度，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應(yīng)的位置上。

3.3電機驅(qū)動模塊。本設(shè)計使用L298N模塊驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機。通過PWM的輸入控制 L298N 上的兩個使能端的高低電平，進而改變電機的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動速度，這樣就能實現(xiàn)小車的運動，同時還能使小車加速和減速。

3.4電源模塊。本設(shè)計采用L298N電機驅(qū)動模塊控制電機，可以采用8節(jié)1.5V干電池給L298N供電，然后小車控制處理部分使用其內(nèi)置的78M05驅(qū)動電源部分取電工作，為溯源小車供電。

4 實驗調(diào)試

4.1 PID控制。溯源小車追蹤泄漏源的關(guān)鍵在于快速地分析煤粉的流向，并迅速準確地控制舵機打出偏角。但是在連續(xù)轉(zhuǎn)彎時，由于曲率變化非常大，加上小車具有一定的速度，舵機響應(yīng)又需要一段時間，因此在實際中經(jīng)常出現(xiàn)小車來不及掉頭而隨意沖撞的情況。本設(shè)計中采用 PID 算法來控制舵機轉(zhuǎn)向，在溯源小車對煤粉的跟隨性能上有明顯改善，能實現(xiàn)快速準確地控制。PID 算法公式：

采用C語言編程，上述 PID 算法代碼可用下面語句實現(xiàn)：

PID_out=（servo_P*error_history[2]//比例

+servo_I*error_sum/10 //積分

+servo_D*（error_history[2]-error_history[1]//微分

）/10; //這里的能將小數(shù)計算轉(zhuǎn)換成整數(shù)計算，以減輕單片機的負擔。

4.2 溯源小車運動控制。本設(shè)計中溯源小車的運動控制是根據(jù)粉塵濃度檢測傳感器檢測的煤粉濃度差決定的。在溯源小車運動控制測試過程中，當傳感器A檢測到的煤粉濃度大于B時，小車左轉(zhuǎn)，當轉(zhuǎn)到A、B傳感器檢測到的煤粉濃度相同時，小車直行;當傳感器B檢測到的煤粉濃度大于A時，小車右轉(zhuǎn)，當轉(zhuǎn)到A、B傳感器檢測到的煤粉濃度相同時，小車直行;當傳感器A檢測到的煤粉濃度小于C時，小車掉頭，當A、B傳感器檢測到的煤粉濃度相同時，小車直行。

5 結(jié)語

本設(shè)計利用智能小車激光粉塵傳感器去采集環(huán)境中煤粉的濃度的數(shù)據(jù)，設(shè)計采用STC89C52單片機作為主控制器，在外接12V電源的基礎(chǔ)上使用L298N電機驅(qū)動模塊控制電機轉(zhuǎn)動從而控制智能車的運動，并通過L298N電機驅(qū)動模塊上的78M05電源模塊為單片機供電，其中小車的速度以及行駛方向控制是通過PWM信號實現(xiàn)對舵機以及直流電機的控制實現(xiàn)的，并采用采用 PID 算法來控制舵機轉(zhuǎn)向，在溯源小車對煤粉的跟隨性能上有明顯改善，能實現(xiàn)快速準確地控制。由于傳感器粉塵采集孔為傳感器內(nèi)部氣流進氣口，需要和外部空氣保持良好接觸，風扇安裝位置為傳感器內(nèi)部氣流出氣口。傳感器安裝使用時，避免傳感器周圍有強氣流干擾，如無法避免，盡量使外部氣流方向與傳感器內(nèi)部氣流方向保持垂直。該煤粉泄露點溯源小車克服了傳統(tǒng)手持煤粉濃度監(jiān)測設(shè)備的空間局限性，監(jiān)測范圍更廣，監(jiān)測更安全。

參考文獻：

[1] 谷明信， 焦志勇， 王偉， et al. 多功能導航智能小車設(shè)計[J]. 微型機與應(yīng)用， 2017（12）.

[2] 董濤， 劉進英， 蔣蘇. 基于單片機的智能小車的設(shè)計與制作[J]. 計算機測量與控制， 2009， 17（2）：380-382.