嚴(yán)聰

摘要：在煤制氣過(guò)程中，煤粉粒度很小，在傳輸過(guò)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(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)的煤粉泄露點(diǎn)溯源小車(chē)。有效的降低煤制氣過(guò)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(chē)

中圖分類號(hào)：TE37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-9129（2020）08-0093-01

1 引言

由于煤粉很細(xì)，在煤制氣過(guò)程中容易發(fā)生泄露，若未及時(shí)找到泄露點(diǎn)的位置，當(dāng)室內(nèi)煤粉濃度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)極易發(fā)生粉塵爆炸。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于煤粉濃度差的泄露點(diǎn)溯源小車(chē)[1][2]，能自動(dòng)測(cè)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(jī)，驅(qū)動(dòng)小車(chē)轉(zhuǎn)向去溯源，從而找到泄露點(diǎn)的大致位置，以免造成安全事故。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及其工作原理

2.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。本溯源小車(chē)分為電源模塊，控制模塊，傳感器模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，轉(zhuǎn)向控制模塊。采用STC89C52單片機(jī)作為控制器，由L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用后輪驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)直接控制舵機(jī)使其控制前輪轉(zhuǎn)向，傳感器模塊由兩個(gè)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(jì)中的溯源小車(chē)先由煤粉濃度檢測(cè)傳感器檢測(cè)小車(chē)左右兩個(gè)方向的煤粉濃度，然后把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行判斷兩個(gè)方向的濃度高低，通過(guò) PID 算法，控制舵機(jī)打出偏角，從而控制小車(chē)向煤粉濃度高的方向行駛，找到煤粉泄露的點(diǎn)。

3 原理分析與硬件電路

3.1 STC89C52單片機(jī)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(chǔ)器。使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，做了很多改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)的51單片機(jī)不具備的功能。

3.2舵機(jī)模塊。本設(shè)計(jì)中舵機(jī)采用 PWM 信號(hào)作為控制信號(hào)，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(pán)偏移角度，呈線性變化。也就是說(shuō)，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)的位置上。

3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。本設(shè)計(jì)使用L298N模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。通過(guò)PWM的輸入控制 L298N 上的兩個(gè)使能端的高低電平，進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)速度，這樣就能實(shí)現(xiàn)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還能使小車(chē)加速和減速。

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

4 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

4.1 PID控制。溯源小車(chē)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(zhǔn)確地控制舵機(jī)打出偏角。但是在連續(xù)轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于曲率變化非常大，加上小車(chē)具有一定的速度，舵機(jī)響應(yīng)又需要一段時(shí)間，因此在實(shí)際中經(jīng)常出現(xiàn)小車(chē)來(lái)不及掉頭而隨意沖撞的情況。本設(shè)計(jì)中采用 PID 算法來(lái)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，在溯源小車(chē)對(duì)煤粉的跟隨性能上有明顯改善，能實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地控制。PID 算法公式：

采用C語(yǔ)言編程，上述 PID 算法代碼可用下面語(yǔ)句實(shí)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(jì)算轉(zhuǎn)換成整數(shù)計(jì)算，以減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。

4.2 溯源小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制。本設(shè)計(jì)中溯源小車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制是根據(jù)粉塵濃度檢測(cè)傳感器檢測(cè)的煤粉濃度差決定的。在溯源小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)傳感器A檢測(cè)到的煤粉濃度大于B時(shí)，小車(chē)左轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)到A、B傳感器檢測(cè)到的煤粉濃度相同時(shí)，小車(chē)直行;當(dāng)傳感器B檢測(cè)到的煤粉濃度大于A時(shí)，小車(chē)右轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)到A、B傳感器檢測(cè)到的煤粉濃度相同時(shí)，小車(chē)直行;當(dāng)傳感器A檢測(cè)到的煤粉濃度小于C時(shí)，小車(chē)掉頭，當(dāng)A、B傳感器檢測(cè)到的煤粉濃度相同時(shí)，小車(chē)直行。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用智能小車(chē)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(jì)采用STC89C52單片機(jī)作為主控制器，在外接12V電源的基礎(chǔ)上使用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而控制智能車(chē)的運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上的78M05電源模塊為單片機(jī)供電，其中小車(chē)的速度以及行駛方向控制是通過(guò)PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)以及直流電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)的，并采用采用 PID 算法來(lái)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，在溯源小車(chē)對(duì)煤粉的跟隨性能上有明顯改善，能實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地控制。由于傳感器粉塵采集孔為傳感器內(nèi)部氣流進(jìn)氣口，需要和外部空氣保持良好接觸，風(fēng)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(shí)，避免傳感器周?chē)袕?qiáng)氣流干擾，如無(wú)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(diǎn)溯源小車(chē)克服了傳統(tǒng)手持煤粉濃度監(jiān)測(cè)設(shè)備的空間局限性，監(jiān)測(cè)范圍更廣，監(jiān)測(cè)更安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 谷明信， 焦志勇， 王偉， et al. 多功能導(dǎo)航智能小車(chē)設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用， 2017（12）.

[2] 董濤， 劉進(jìn)英， 蔣蘇. 基于單片機(jī)的智能小車(chē)的設(shè)計(jì)與制作[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制， 2009， 17（2）：380-382.