基于51單片機的智能食物變質報警器的設計與實現

胡欣星，殷　嬌

(1.重慶文理學院軟件工程學院， 重慶　永川　402160； 2.重慶文理學院機器視覺與智能信息系統重點實驗室， 重慶　永川　402160)

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基于51單片機的智能食物變質報警器的設計與實現

胡欣星1，殷嬌2

(1.重慶文理學院軟件工程學院， 重慶永川402160； 2.重慶文理學院機器視覺與智能信息系統重點實驗室， 重慶永川402160)

[摘要]介紹了一種自主設計的智能食品變質報警系統.系統由AT89C51單片機、MQ-137氨氣濃度傳感器、警報裝置和電源組成.單片機通過MQ-137傳感器實時采集監控區域的氨氣濃度，當采集到的數據超過報警閾值時，警鈴響起同時紅色指示燈閃爍.經測試，報警系統反應迅速、報警準確、價格低廉，具有很高的實用價值.

[關鍵詞]AT89C51單片機；食物變質；氣體檢測

隨著生活水平的上升，人們對食物質量的要求也越來越高.涉及食材的相關產業在不斷提升食材的質量，而在整個過程中食材的運輸與儲存是十分重要的.食物如果在運輸或儲存過程中沒有妥善處理將會發生變質.食物一旦變質就不能食用.食物變質之后產生的氨氣會對其余完好的食物造成影響，加速食物的腐爛變質.本文探討通過氨氣濃度監控報警器來實時監測食物是否變質.

1系統基本原理

食物變質的過程就是微生物不斷分解的過程.在這個過程中會不斷釋放出氨類物質，在食物儲存環境中只有有機物才會釋放出氨.可以通過對氨濃度的監測來反映食物的變質情況.我們先針對沒有變質的食物儲存環境進行氨濃度的測量獲得正常值的氨濃度.把這個濃度作為參考閾值，通過實時比較參考值可知濃度是否超標.根據這個原理設計了基于51單片機的智能食物變質報警器.系統架構圖如圖1所示.整個系統的功能就像是電子鼻一樣.電子鼻的工作原理建立在模擬人的嗅覺形成過程基礎上，結構分為4部分：傳感器陣列、A/D 轉換、51單片機(BP神經網絡識別模式)和顯示單元[1].

圖1　系統架構

MQ137氣敏元件的內部構造如圖2所示.由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內.加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件.封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳,其中4個用于信號取出,2個用于提供加熱電流[2].

MQ137氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2).當傳感器所處環境中存在氨氣時，傳感器的電導率隨空氣中氨氣濃度的增加而增大.使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號.MQ137氣體傳感器對氨氣的靈敏度高，對其他有機胺(如三甲胺、乙醇胺等)的監測也很理想.這種傳感器可檢測多種含氨氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器，并且自帶電加熱功能，可以在低溫(-20℃~50℃)下使用[2].

圖2　傳感器結構

2硬件設計

根據食物變質原理和傳感器的基本原理，我們在基于51單片機的基礎上設計了智能食物變質報警器.整個系統的全電路圖如圖3.

圖3　系統全電路圖

2.1傳感器的設計

MQ-137傳感器的電路連接圖如圖4.加熱電壓和工作電壓都用直流電源VCC(5V).加熱電壓是用于給傳感器提供合適的工作溫度.工作電壓是用于測試負載上面的電壓變化.傳感器的電阻計算式為：

Rs=(Vcc/VRL-1)*RL

其中：RS為靈敏體表面電阻，RL為負載電阻，VCC為回路電壓，VRL為負載電阻的電壓.

傳感器的功耗計算：

圖4　傳感器連接圖

負載電阻上面的電壓VRL與單片機的P1.0相連接，單片機監測的指標就是VRL電壓的變化.當氨氣濃度變高時，傳感器的電阻減小，電阻分壓則VRL變大，反之相反.圖5是傳感器典型的靈敏度特性曲線.圖5中縱坐標為傳感器的電阻比(RS/R0)，橫坐標為氣體濃度.RS表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值，R0表示傳感器在50 ppm乙醇中的電阻值.所有測試都是在標準試驗條件下完成的.對煙霧的靈敏度是在8 m3的空間里點燃10支香煙，輸出相當于10 ppm的氨氣.

圖5　傳感器靈敏度特性曲線

2.2AD轉換的設計

P1.0是內部高速10位AD轉換器的C0入口[3].使用5 V的直流電源供電，則10位AD轉換器的最小變化值為Vref/(210-1)=4.888 mV.

圖6　報警裝置

2.3蜂鳴器和報警指示燈的設計

使用5 V的蜂鳴器和紅色LED燈作為報警裝置，電路連接圖如圖6所示.用5 V直流電源給蜂鳴器和指示燈供電.電阻R3充當限流電阻，防止流過LED燈過載而燒毀LED燈.三極管工作在飽和區和截止區，即調節三極管的開和關來控制蜂鳴器[4].蜂鳴器和指示燈由P1.1控制，低電平打開，高電平關閉.當系統監測到VRL的值變大且超過正常值時，P1.1口輸出低電平，啟動蜂鳴器報警與報警指示燈(紅)閃爍.

2.4單片機及控制按鍵的設計

單片機外部有一個控制按鍵，當按下控制按鍵的時候關閉蜂鳴器鳴響和報警指示燈閃爍.長按控制鍵就能記憶此時的氨氣濃度數據作為基準點.報警器使用的是51系列的單片機，內部集成了10位的高速AD轉換器.單片機使用外部12M晶振，使用上電復位方式，30(ALE)端口接綠色工作指示燈.當報警器系統正常工作時綠燈常亮.

3軟件設計

報警器軟件實現的功能就是當監測到VRL超標時給P1.1口輸出一個500 ms的一個矩形脈沖信號.每50 ms掃描一次按鍵，當控制按鍵K1按下時，即P1.2口等于0時讓P1.1口輸出高電平.當控制按鍵K2按下時，當前VRL值記錄為濃度基準點.

VRL經過P1.0口和單片機的內部AD轉換器相連接.單片機每秒啟動一次AD轉換.轉換出來的數據轉換成16進制數再和基準點的數據比較，超過基準點時報警.所有時間都由內部定時器0計時完成.程序流程圖如圖7所示.

圖7　程序流程圖

4系統實現流程

第一次使用時需要校準.上電綠燈亮起表明正常工作.正常工作后預熱48 h以上，預熱完成后將報警器放到正常氨氣標準濃度室或開闊通風的地方，在1 min后長按控制按鍵，讓報警器記住這個時刻的氨氣濃度.

校準完成后就安放到需要測量的環境中.上電后自行監測環境中的氨氣濃度，從而反映食物變質情況.當遇到報警并處理完成后按下控制按鍵關閉蜂鳴器和報警指示燈.報警器繼續自動監測.

5結語

傳統的采集系統設計方法一般都會用到很多傳感器，這不僅會加大系統的調試和維護難度，還使設計成本大幅增加[5].基于51單片機的智能食物報警器系統完成后，我們做了多次實驗，實驗裝置監測靈敏度非常高.空氣中5~500 ppm濃度的氨氣都能監測出來.在各個溫度下(-20~50 ℃)都能正常工作，完全達到了設計要求.智能食物變質報警器應用范圍廣，可以用于冰箱、凍庫、食物運輸車等，同時也可作為工業氨氣報警器.結合互聯網的發展趨勢，后續可以為該智能食物變質報警器設計相應的手機APP，方便用戶遠程監控食品狀態.

[參考文獻]

[1]於鋒,王昌龍,黃惟.基于51單片機的電子鼻的設計與實現[J].電子器件，2008 (5)：1515-1516.

[2]鄭州煒盛電子科技有限公司.MQ-137半導體氨氣傳感器/毒性氣體傳感器.1.0[EB/OL]. 2012 (11)：3-5.

[3]張淑清.單片機原理及應用技術[M].北京：國防工業出版社，2013：12-25.

[4]高玉良.電路與模擬電子技術[M].北京：高等教育出版社，2008：305-306.

[5]顧涵,吳曉婷，李天福,等.基于51單片機的小型溫度采集系統設計[J].科技傳播，2013 (5):212-213.

(責任編輯穆剛)

Design and implementation of an intelligent alarm for food deterioration based on the 51 single-chip microcomputer

HU Xinxing, YIN Jiao

(1.Software Engineering Institute, Chongqing University of Arts and Sciences, Yongchuan Chongqing 402160, China；2. Key Laboratory of Machine Vision and Intelligent Information System, Chongqing University of Ares and Sciences, Yongchuan Chongqing 402160, China)

Abstract：This paper introduces the design of an autonomous intelligent food spoilage alarm system. The system consists of AT89C51, MQ - 137 ammonia concentration sensor, alarm device and the power supply. Through MQ - 137 sensors SCM collects the real-time monitoring area of ammonia concentration, when the collected data is more than alarm threshold, the alarm bells begins to ring and the red light is flashing at the same time. Through the test, the alarm system is quick, and the alarm is accurate, with low cost, which has the very high practical value.

Key words：AT89C51 micro-controller; food spoilage; gas detection

[中圖分類號]TP315

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-8004(2016)02-0072-03

[作者簡介]胡欣星(1993—)，女，重慶墊江人，主要從事物聯網、智能家居方面的研究.

[基金項目]重慶文理學院校級重點科研項目(Z2014RJ01).

[收稿日期]2015-09-21