基于STC89C52單片機的煤粉泄露點溯源小車的設計

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生泄露，易發生安全事故。本文為了有效預防安全事故的發生設計了一種基于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生產事故的可能性。

關鍵詞：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生泄露，若未及時找到泄露點的位置，當室內煤粉濃度達到一定數值時極易發生粉塵爆炸。因此我們設計了一種基于煤粉濃度差的泄露點溯源小車[1][2]，能自動測量環境中的煤粉濃度，根據濃度差并在PID算法的基礎上控制舵機，驅動小車轉向去溯源，從而找到泄露點的大致位置，以免造成安全事故。

2 系統整體設計及其工作原理

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

2.2系統工作原理。本設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，然后把檢測到的數據傳送給單片機，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公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節系統可編程Flash存儲器。使用經典的MCS-51內核，做了很多改進使得芯片具有傳統的51單片機不具備的功能。

3.2舵機模塊。本設計中舵機采用 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的角度上，無論外界轉矩怎樣改變，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的位置上。

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

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

4 實驗調試

4.1 PID控制。溯源小車追蹤泄漏源的關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。但是在連續轉彎時，由于曲率變化非常大，加上小車具有一定的速度，舵機響應又需要一段時間，因此在實際中經常出現小車來不及掉頭而隨意沖撞的情況。本設計中采用 PID 算法來控制舵機轉向，在溯源小車對煤粉的跟隨性能上有明顯改善，能實現快速準確地控制。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：

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; //這里的能將小數計算轉換成整數計算，以減輕單片機的負擔。

4.2 溯源小車運動控制。本設計中溯源小車的運動控制是根據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，當轉到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，當轉到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 結語

本設計利用智能小車激光粉塵傳感器去采集環境中煤粉的濃度的數據，設計采用STC89C52單片機作為主控制器，在外接12V電源的基礎上使用L298N電機驅動模塊控制電機轉動從而控制智能車的運動，并通過L298N電機驅動模塊上的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信號實現對舵機以及直流電機的控制實現的，并采用采用 PID 算法來控制舵機轉向，在溯源小車對煤粉的跟隨性能上有明顯改善，能實現快速準確地控制。由于傳感器粉塵采集孔為傳感器內部氣流進氣口，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部氣流方向保持垂直。該煤粉泄露點溯源小車克服了傳統手持煤粉濃度監測設備的空間局限性，監測范圍更廣，監測更安全。

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計[J]. 微型機與應用， 2017（12）.

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