基于51单片机的酒精浓度监测系统设计

李娇娇，徐勇，苏发桂，吕乐乐，冯文静

（安徽财经大学计算机系,安徽蚌埠，233030）

关键字：51单片机；传感器；酒精检测；声光报警

0 引言

气态酒精与空气可形成爆炸性混合物,遇明火、高热能引起爆炸燃烧。酒精在生产过程必须防止酒精泄漏，一旦发生泄漏，需要及时发现泄漏点或泄漏区域。这就需要酒精监测系统，以便实时监测生产区域的酒精气体浓度。

针对这一问题，本文设计了小巧、灵活的51单片机酒精浓度监测系统。本系统，由C语言实现软件功能，硬件主控模块为51单片机最小系统。借助酒精传感器,液晶屏显示当前浓度，设置酒精浓度检测阈值，超过阈值启动声光报警，以适用于不同的工作环境。

1 酒精监测系统的总体结构设计

该酒精监测系统主要的功能模块有：51单片机最小系统、LCD液晶显示模块、MQ-3酒精传感器模块、AD模数转换模块、声光报警模块、按键模块等。

MQ-3半导体酒精传感器对酒精气体具有良好的灵敏度，可检测多种浓度酒精气体，使用寿命长，应用成本低。本设计选择MQ-3半导体型酒精传感器，当传感器监测到空气中酒精浓度时，通过单片机的模数转换模块进行转换运算，在显示器上显示当前酒精浓度值。若当前酒精浓度超过所设阈值，声光报警功能启动，蜂鸣器报警，指示灯闪烁。

独立按键可以灵活调节酒精浓度报警阈值，实现人机交互，使该监测系统适应不同的场所。

2 酒精监测系统主要硬件电路的设计

2.1 单片机主控模块的设计

本文选用STC89C51单片机作为系统的主控芯片，控制该酒精检测系统的整体运行。STC89C51单片机的优点为功耗低、八位CMOS微处理器性能高，片内具有8k在线编程Flash存储器，采用MCS-51内核，指令完全兼容MCS-51，具有开发简单、可在线编程下载、成本低等优点。

图1 单片机最小系统

最小系统主要由STC89C51单片机、晶振电路、复位电路构成。电源主要采用5V直流电，以及220V通用电源接口，方便用户选择，晶振电路为12M石英晶振，并联两个电容，可以起到频率微调作用。复位电路有上电自动复位和开关复位两种复位方式。

2.2 A/D模数转换器的设计

该数字系统直接进行处理和控制的信息为数字信号，需要模数转换装置，将传感器浓度监测的电信号转为数字信号。本文选用的是 ADC0832 模数转换器，其输入输出电平与TTL/CMOS相兼容，5V电源供电时输入电压在0～5V之间，具有体积小，兼容性强，性价比高等特点。

2.3 传感器设备的选用

气体传感器大致可分为半导体型气体传感器和电化学型气体传感器。半导体型气体传感器以其灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、便于集成化、智能化，能使检测转换一体化的优点，被广泛使用。故本设计选用MQ-3半导体型酒精气体传感器。

图2 MQ-3酒精检测模块

在单片机中常用的液晶显示屏通常有两种,一种是LCD1602液晶显示器,一种是LCD12864液晶显示器。LCD12864可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示；LCD1602液晶显示器是广泛使用的一种字符型液晶显示模块，而酒精监测浓度显示只是简单的字符数字，故本文选用LCD1602液晶显示器。

2.4 声光报警电路的设计

本系统的声光报警电路为PNP型S8550三极管驱动。由于单片机刚上电时，所有的IO口会处于短暂的高电平状态。如果采用NPN型三极管，高电平时三极管导通，蜂鸣器鸣叫报警，会产生干扰。选用PNP型三极管，仅低电平时三极管导通，声光报警电路工作，蜂鸣器报警，指示灯闪烁;高电平时三极管截止，声光报警无现象，对监测结果无影响。

2.5 独立按键的设计

本设计中通过几个独立按键进行人机交互。按键一端连接单片机的I/O口，一端连接电源地，初始状态默认为高电平。按键按下I/O口的电平被拉低，单片机只需循环检测I/O口出现低电平即可判断按键状态。

图3 LCD1602模块

三个按键的功能分别为：

按键一：按下后进入设置模式，可以连续按选择所需要设置的参数，显示屏上会有对应的提示。

按键二：在设置模式下，对应设置的参数加一。

按键三：在设置模式下，对应设置的参数减一。

3 检测算法设计与仿真分析

3.1 算法设计思想

在线酒精浓度监测系统的算法思路为:

（1）程序初始化，酒精传感器预热。

（2）监测浓度，酒精传感器监测当前工作环境下空气中的酒精浓度值。

（3）信号转换，A/D模数转换模块将监测到的浓度信息转换为数字信号，传输至单片机主控系统分析处理。

（4）液晶显示，在LCD1602液晶屏上显示当前酒精浓度信息。

（5）声光报警，超过所设酒精浓度阈值，声光报警模块工作。

（6）退出结束。

算法流程图如图4所示。

图4 算法流程图

主要变量定义如下：

/**********灯、蜂鸣器、按键引脚定义***********/

sbit led =P1^7; //LED灯（红）

sbit buzz =P2^3; //蜂鸣器

sbit key_set=P1^0; //设置键

sbit key_on=P1^3; //加值键

sbit key_off=P1^6; //减值键

/*************全局变量定义*******************/

#define K_MG_MV 2//电压每升高0.01V，酒精浓度上升2ppm

#define IN_V 500//电源电压放大100倍。5V*100=500

long ALValue;//存储实际浓度值

uchar K_ZERO; //MQ-3零值

uint jiujia_up,zuijia_up; //存储酒驾、醉驾阀值

uint set_f; //设置选择标记，=0非设置，=1设置酒驾阀值，=2设置醉驾阀值

uchar num;//计数变量

3.2 实验仿真

接下来开始对酒精监测系统进行演示分析。

MQ-3 酒精传感器预热30s后，监测当前环境酒精浓度。AD模块把检测到的酒精浓度值转换为电压信号，经过STC89C52单片机处理，在液晶显示屏上显示当前浓度。该酒精监测系统可以通过调节变阻器电路电阻值大小改变所设阈值，若检测值大于设定值时，报警电路发出报警。

本次演示所设阈值下限为70mg/L,上限浓度为120mg/L，运行结果示例如图5、图6。

图5 酒精传感器预热

图6 超过阈值上限，声光报警启动

4 小结

本系统用于空气中酒精浓度的监测，分为硬件电路和软件控制两部分。经过模拟演示，该酒精系统能够实现超出阈值自动报警功能，且误差不超过0.05%，性能良好，成本低，具有一定的实用价值。