李嬌嬌，徐勇，蘇發(fā)桂，呂樂樂，馮文靜

（安徽財經(jīng)大學計算機系,安徽蚌埠，233030）

關(guān)鍵字：51單片機；傳感器；酒精檢測；聲光報警

0 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，需要及時發(fā)現(xiàn)泄漏點或泄漏區(qū)域。這就需要酒精監(jiān)測系統(tǒng)，以便實時監(jiān)測生產(chǎn)區(qū)域的酒精氣體濃度。

針對這一問題，本文設計了小巧、靈活的51單片機酒精濃度監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)，由C語言實現(xiàn)軟件功能，硬件主控模塊為51單片機最小系統(tǒng)。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(huán)境。

1 酒精監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設計

該酒精監(jiān)測系統(tǒng)主要的功能模塊有：51單片機最小系統(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(jiān)測到空氣中酒精濃度時，通過單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進行轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)酒精濃度報警閾值，實現(xiàn)人機交互，使該監(jiān)測系統(tǒng)適應不同的場所。

2 酒精監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)的主控芯片，控制該酒精檢測系統(tǒng)的整體運行。STC89C51單片機的優(yōu)點為功耗低、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。

圖1 單片機最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)主要由STC89C51單片機、晶振電路、復位電路構(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)兩個電容，可以起到頻率微調(diào)作用。復位電路有上電自動復位和開關(guān)復位兩種復位方式。

2.2 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設計

該數(shù)字系統(tǒng)直接進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(zhuǎn)換一體化的優(yōu)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。

圖2 MQ-3酒精檢測模塊

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(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 聲光報警電路的設計

本系統(tǒng)的聲光報警電路為PNP型S8550三極管驅(qū)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(tài)。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(chǎn)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(xiàn)象，對監(jiān)測結(jié)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(tài)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(huán)檢測I/O口出現(xiàn)低電平即可判斷按鍵狀態(tài)。

圖3 LCD1602模塊

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(xù)按選擇所需要設置的參數(shù)，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(shù)加一。

按鍵三：在設置模式下，對應設置的參數(shù)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(jiān)測系統(tǒng)的算法思路為:

（1）程序初始化，酒精傳感器預熱。

（2）監(jiān)測濃度，酒精傳感器監(jiān)測當前工作環(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，傳輸至單片機主控系統(tǒng)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(jié)束。

算法流程圖如圖4所示。

圖4 算法流程圖

主要變量定義如下：

/**********燈、蜂鳴器、按鍵引腳定義***********/

sbit led =P1^7; //LED燈（紅）

sbit buzz =P2^3; //蜂鳴器

sbit key_set=P1^0; //設置鍵

sbit key_on=P1^3; //加值鍵

sbit key_off=P1^6; //減值鍵

/*************全局變量定義*******************/

#define K_MG_MV 2//電壓每升高0.01V，酒精濃度上升2ppm

#define IN_V 500//電源電壓放大100倍。5V*100=500

long ALValue;//存儲實際濃度值

uchar K_ZERO; //MQ-3零值

uint jiujia_up,zuijia_up; //存儲酒駕、醉駕閥值

uint set_f; //設置選擇標記，=0非設置，=1設置酒駕閥值，=2設置醉駕閥值

uchar num;//計數(shù)變量

3.2 實驗仿真

接下來開始對酒精監(jiān)測系統(tǒng)進行演示分析。

MQ-3 酒精傳感器預熱30s后，監(jiān)測當前環(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單片機處理，在液晶顯示屏上顯示當前濃度。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閾值，若檢測值大于設定值時，報警電路發(fā)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(jié)果示例如圖5、圖6。

圖5 酒精傳感器預熱

圖6 超過閾值上限，聲光報警啟動

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。