51單片機(jī)的酒精濃度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要：設(shè)計(jì)了一種借助MQ-3酒精傳感器，以STC89C52單片機(jī)為核心控制處理器，LCD液晶顯示并帶有聲光報(bào)警功能的酒精濃度檢測系統(tǒng)。針對酒精濃度監(jiān)測系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)以及硬件、軟件的設(shè)計(jì)情況等進(jìn)行研究和演示，最終實(shí)現(xiàn)酒精濃度的自動監(jiān)測和報(bào)警功能，具有一定的使用和參考價(jià)值。
關(guān)鍵字：51單片機(jī)；傳感器；酒精檢測；聲光報(bào)警
引言
氣態(tài)酒精與空氣可形成爆炸性混合物,遇明火、高熱能引起爆炸燃燒。酒精在生產(chǎn)過程必須防止酒精泄漏，一旦發(fā)生泄漏，需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)或泄漏區(qū)域。這就需要酒精監(jiān)測系統(tǒng)，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測生產(chǎn)區(qū)域的酒精氣體濃度。針對這一問題，本文設(shè)計(jì)了小巧、靈活的51單片機(jī)酒精濃度監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)，由C語言實(shí)現(xiàn)軟件功能，硬件主控模塊為51單片機(jī)最小系統(tǒng)。借助酒精傳感器,液晶屏顯示當(dāng)前濃度，設(shè)置酒精濃度檢測閾值，超過閾值啟動聲光報(bào)警，以適用于不同的工作環(huán)境。
1酒精監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該酒精監(jiān)測系統(tǒng)主要的功能模塊有：51單片機(jī)最小系統(tǒng)、LCD液晶顯示模塊、MQ-3酒精傳感器模塊、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、聲光報(bào)警模塊、按鍵模塊等。MQ-3半導(dǎo)體酒精傳感器對酒精氣體具有良好的靈敏度，可檢測多種濃度酒精氣體，使用壽命長，應(yīng)用成本低。本設(shè)計(jì)選擇MQ-3半導(dǎo)體型酒精傳感器，當(dāng)傳感器監(jiān)測到空氣中酒精濃度時(shí)，通過單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換運(yùn)算，在顯示器上顯示當(dāng)前酒精濃度值。若當(dāng)前酒精濃度超過所設(shè)閾值，聲光報(bào)警功能啟動，蜂鳴器報(bào)警，指示燈閃爍。獨(dú)立按鍵可以靈活調(diào)節(jié)酒精濃度報(bào)警閾值，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使該監(jiān)測系統(tǒng)適應(yīng)不同的場所。
2酒精監(jiān)測系統(tǒng)主要硬件電路的設(shè)計(jì)
2.1單片機(jī)主控模塊的設(shè)計(jì)
本文選用STC89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，控制該酒精檢測系統(tǒng)的整體運(yùn)行。STC89C51單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為功耗低、八位CMOS微處理器性能高，片內(nèi)具有8k在線編程Flash存儲器，采用MCS-51內(nèi)核，指令完全兼容MCS-51，具有開發(fā)簡單、可在線編程下載、成本低等優(yōu)點(diǎn)。最小系統(tǒng)主要由STC89C51單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路構(gòu)成。電源主要采用5V直流電，以及220V通用電源接口，方便用戶選擇，晶振電路為12M石英晶振，并聯(lián)兩個(gè)電容，可以起到頻率微調(diào)作用。復(fù)位電路有上電自動復(fù)位和開關(guān)復(fù)位兩種復(fù)位方式。
2.2A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)
該數(shù)字系統(tǒng)直接進(jìn)行處理和控制的信息為數(shù)字信號，需要模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，將傳感器濃度監(jiān)測的電信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號。本文選用的是ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容，5V電源供電時(shí)輸入電壓在0~5V之間，具有體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高等特點(diǎn)。
2.3傳感器設(shè)備的選用
氣體傳感器大致可分為半導(dǎo)體型氣體傳感器和電化學(xué)型氣體傳感器。半導(dǎo)體型氣體傳感器以其靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小、重量輕、便于集成化、智能化，能使檢測轉(zhuǎn)換一體化的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用。故本設(shè)計(jì)選用MQ-3半導(dǎo)體型酒精氣體傳感器。在單片機(jī)中常用的液晶顯示屏通常有兩種,一種是LCD1602液晶顯示器,一種是LCD12864液晶顯示器。LCD12864可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示；LCD1602液晶顯示器是廣泛使用的一種字符型液晶顯示模塊，而酒精監(jiān)測濃度顯示只是簡單的字符數(shù)字，故本文選用LCD1602液晶顯示器。
2.4聲光報(bào)警電路的設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的聲光報(bào)警電路為PNP型S8550三極管驅(qū)動。由于單片機(jī)剛上電時(shí)，所有的IO口會處于短暫的高電平狀態(tài)。如果采用NPN型三極管，高電平時(shí)三極管導(dǎo)通，蜂鳴器鳴叫報(bào)警，會產(chǎn)生干擾。選用PNP型三極管，僅低電平時(shí)三極管導(dǎo)通，聲光報(bào)警電路工作，蜂鳴器報(bào)警，指示燈閃爍;高電平時(shí)三極管截止，聲光報(bào)警無現(xiàn)象，對監(jiān)測結(jié)果無影響。
2.5獨(dú)立按鍵的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中通過幾個(gè)獨(dú)立按鍵進(jìn)行人機(jī)交互。按鍵一端連接單片機(jī)的I/O口，一端連接電源地，初始狀態(tài)默認(rèn)為高電平。按鍵按下I/O口的電平被拉低，單片機(jī)只需循環(huán)檢測I/O口出現(xiàn)低電平即可判斷按鍵狀態(tài)。三個(gè)按鍵的功能分別為：按鍵一：按下后進(jìn)入設(shè)置模式，可以連續(xù)按選擇所需要設(shè)置的參數(shù)，顯示屏上會有對應(yīng)的提示。按鍵二：在設(shè)置模式下，對應(yīng)設(shè)置的參數(shù)加一。按鍵三：在設(shè)置模式下，對應(yīng)設(shè)置的參數(shù)減一。
3檢測算法設(shè)計(jì)與仿真分析
3.1算法設(shè)計(jì)思想
在線酒精濃度監(jiān)測系統(tǒng)的算法思路為:（1)程序初始化，酒精傳感器預(yù)熱。(2)監(jiān)測濃度，酒精傳感器監(jiān)測當(dāng)前工作環(huán)境下空氣中的酒精濃度值。(3)信號轉(zhuǎn)換，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將監(jiān)測到的濃度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳輸至單片機(jī)主控系統(tǒng)分析處理。(4)液晶顯示，在LCD1602液晶屏上顯示當(dāng)前酒精濃度信息。(5)聲光報(bào)警，超過所設(shè)酒精濃度閾值，聲光報(bào)警模塊工作。(6)退出結(jié)束。算法流程圖如圖4所示。主要變量定義如下：
3.2實(shí)驗(yàn)仿真
接下來開始對酒精監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行演示分析。MQ-3酒精傳感器預(yù)熱30s后，監(jiān)測當(dāng)前環(huán)境酒精濃度。AD模塊把檢測到的酒精濃度值轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過STC89C52單片機(jī)處理，在液晶顯示屏上顯示當(dāng)前濃度。該酒精監(jiān)測系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)變阻器電路電阻值大小改變所設(shè)閾值，若檢測值大于設(shè)定值時(shí)，報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警。本次演示所設(shè)閾值下限為70mg/L,上限濃度為120mg/L，運(yùn)行結(jié)果示例如圖5、圖6。
4小結(jié)
本系統(tǒng)用于空氣中酒精濃度的監(jiān)測，分為硬件電路和軟件控制兩部分。經(jīng)過模擬演示，該酒精系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)超出閾值自動報(bào)警功能，且誤差不超過0.05%，性能良好，成本低，具有一定的實(shí)用價(jià)值。
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作者：李嬌嬌 徐勇 蘇發(fā)桂 呂樂樂 馮文靜 單位：安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)計(jì)算機(jī)系