51單片機的酒精濃度監測系統設計
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摘要：設計了一種借助MQ-3酒精傳感器，以STC89C52單片機為核心控制處理器，LCD液晶顯示并帶有聲光報警功能的酒精濃度檢測系統。針對酒精濃度監測系統的整體設計以及硬件、軟件的設計情況等進行研究和演示，最終實現酒精濃度的自動監測和報警功能，具有一定的使用和參考價值。
引言
氣態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。酒精在生產過程必須防止酒精泄漏，一旦發生泄漏，需要及時發現泄漏點或泄漏區域。這就需要酒精監測系統，以便實時監測生產區域的酒精氣體濃度。針對這一問題，本文設計了小巧、靈活的51單片機酒精濃度監測系統。本系統，由C語言實現軟件功能，硬件主控模塊為51單片機最小系統。借助酒精傳感器,液晶屏顯示當前濃度，設置酒精濃度檢測閾值，超過閾值啟動聲光報警，以適用于不同的工作環境。
1酒精監測系統的總體結構設計
該酒精監測系統主要的功能模塊有：51單片機最小系統、LCD液晶顯示模塊、MQ-3酒精傳感器模塊、AD模數轉換模塊、聲光報警模塊、按鍵模塊等。MQ-3半導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，應用成本低。本設計選擇MQ-3半導體型酒精傳感器，當傳感器監測到空氣中酒精濃度時，通過單片機的模數轉換模塊進行轉換運算，在顯示器上顯示當前酒精濃度值。若當前酒精濃度超過所設閾值，聲光報警功能啟動，蜂鳴器報警，指示燈閃爍。獨立按鍵可以靈活調節酒精濃度報警閾值，實現人機交互，使該監測系統適應不同的場所。
2酒精監測系統主要硬件電路的設計
2.1單片機主控模塊的設計
本文選用STC89C51單片機作為系統的主控芯片，控制該酒精檢測系統的整體運行。STC89C51單片機的優點為功耗低、八位CMOS微處理器性能高，片內具有8k在線編程Flash存儲器，采用MCS-51內核，指令完全兼容MCS-51，具有開發簡單、可在線編程下載、成本低等優點。最小系統主要由STC89C51單片機、晶振電路、復位電路構成。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，并聯兩個電容，可以起到頻率微調作用。復位電路有上電自動復位和開關復位兩種復位方式。
2.2A/D模數轉換器的設計
該數字系統直接進行處理和控制的信息為數字信號，需要模數轉換裝置，將傳感器濃度監測的電信號轉為數字信號。本文選用的是ADC0832模數轉換器，其輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容，5V電源供電時輸入電壓在0~5V之間，具有體積小，兼容性強，性價比高等特點。
2.3傳感器設備的選用
氣體傳感器大致可分為半導體型氣體傳感器和電化學型氣體傳感器。半導體型氣體傳感器以其靈敏度高、響應速度快、體積小、重量輕、便于集成化、智能化，能使檢測轉換一體化的優點，被廣泛使用。故本設計選用MQ-3半導體型酒精氣體傳感器。在單片機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，而酒精監測濃度顯示只是簡單的字符數字，故本文選用LCD1602液晶顯示器。
2.4聲光報警電路的設計
本系統的聲光報警電路為PNP型S8550三極管驅動。由于單片機剛上電時，所有的IO口會處于短暫的高電平狀態。如果采用NPN型三極管，高電平時三極管導通，蜂鳴器鳴叫報警，會產生干擾。選用PNP型三極管，僅低電平時三極管導通，聲光報警電路工作，蜂鳴器報警，指示燈閃爍;高電平時三極管截止，聲光報警無現象，對監測結果無影響。
2.5獨立按鍵的設計
本設計中通過幾個獨立按鍵進行人機交互。按鍵一端連接單片機的I/O口，一端連接電源地，初始狀態默認為高電平。按鍵按下I/O口的電平被拉低，單片機只需循環檢測I/O口出現低電平即可判斷按鍵狀態。三個按鍵的功能分別為：按鍵一：按下后進入設置模式，可以連續按選擇所需要設置的參數，顯示屏上會有對應的提示。按鍵二：在設置模式下，對應設置的參數加一。按鍵三：在設置模式下，對應設置的參數減一。
3檢測算法設計與仿真分析
3.1算法設計思想
在線酒精濃度監測系統的算法思路為:（1)程序初始化，酒精傳感器預熱。(2)監測濃度，酒精傳感器監測當前工作環境下空氣中的酒精濃度值。(3)信號轉換，A/D模數轉換模塊將監測到的濃度信息轉換為數字信號，傳輸至單片機主控系統分析處理。(4)液晶顯示，在LCD1602液晶屏上顯示當前酒精濃度信息。(5)聲光報警，超過所設酒精濃度閾值，聲光報警模塊工作。(6)退出結束。算法流程圖如圖4所示。主要變量定義如下：
3.2實驗仿真
接下來開始對酒精監測系統進行演示分析。MQ-3酒精傳感器預熱30s后，監測當前環境酒精濃度。AD模塊把檢測到的酒精濃度值轉換為電壓信號，經過STC89C52單片機處理，在液晶顯示屏上顯示當前濃度。該酒精監測系統可以通過調節變阻器電路電阻值大小改變所設閾值，若檢測值大于設定值時，報警電路發出報警。本次演示所設閾值下限為70mg/L,上限濃度為120mg/L，運行結果示例如圖5、圖6。
4小結
本系統用于空氣中酒精濃度的監測，分為硬件電路和軟件控制兩部分。經過模擬演示，該酒精系統能夠實現超出閾值自動報警功能，且誤差不超過0.05%，性能良好，成本低，具有一定的實用價值。
參考文獻
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作者：李嬌嬌 徐勇 蘇發桂 呂樂樂 馮文靜 單位：安徽財經大學計算機系