基于MQ—3的酒精濃度測試系統設計

鄺愛華

摘要：本設計利用MQ-3型氣體傳感器與單片機AT89S52實現了對不同酒精濃度的測量，并對測量結果進行數據分析及顯示，同時利用發光二極管亮滅來顯示濃度的高低，并設定濃度閾值，如果測試結果超過設定值時發出報警。

關鍵詞：閾值；模數轉換；氣體傳感器；單片機

中圖分類號：TN741 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0161-03

1 引言

該酒精濃度測試儀用測量來酒精氣體濃度，具有安全可靠的特點，而且實用性強。主要由高精度氣體傳感器MQ-3和單片機構成。單片機的特點是體積較小具有集成特性，其內部結構相當于普通計算機系統的簡化，增加一些輔助外圍電路，就能組成一個完整的小系統。AT89S52是Atmel公司的一款高性能低成本單片機，用來對采集的酒精濃度信號進行處理和分析，最后通過液晶屏顯示輸出。該設計可以進行醉酒閾值設定，可以根據用戶需要自行修改醉酒閾值，或者根據法律法規的限定修改醉酒閾值，并進行保存。采用模塊化設計思想，程序用Keil C進行編程，以Proteus硬件開發軟件進行電路圖的繪制和仿真，并用Protel軟件進行硬件原理圖的設計及繪制。硬件設計利用MQ-3來測量空氣中的酒精濃度，其輸出的濃度信號經信號調理電路進行處理，隨酒精濃度的變化輸出對應的電壓信號，該電壓信號送入單片機控制系統，經A/D轉換，由AT89S52單片機及外圍電路進行信號的處理，以LCD顯示屏進行濃度值的顯示，聲光報警電路進行報警。該酒精濃度測試儀具有靈敏度高、操作方便，可以調節酒精閾值等特點，可以適合酒精生產車間避免發生起火、爆炸和交通警察的酒駕監管等用處。

2 系統總體設計

在進行數據處理時，從MQ-3輸出的電壓信號，首先經過放大電路，將微弱的電信號進行放大，然后經過濾波電路，濾出一些噪聲信號，最后進行D/A轉換等過程，轉換成能被MCU直接識別和處理的信號。信號的采集和信號的處理模塊，采用多路模擬通路進行選擇，因為如果每一路都設置放大和濾波等模塊，設計成本就會加大。選擇多路模擬開關時需要注意一些因素的影響，如通道的數量，切換的速度，開關電阻和器件的封裝形式。基于以上原因，在傳感器的選擇上選定了MQ-3傳感器作為酒精濃度傳感器。

基于AT89S52單片機和MQ-3型氣體傳感器的酒精測試儀，用來實現酒精濃度的檢測，需要首先完成對酒精濃度信號的采集，采集到的濃度信號是通過MQ-3氣體傳感器和相連得負載電阻得到分壓電信號。信號轉換模塊的作用是進行信號形式的轉換，因為單片機只能直接識別和處理數字信號，采集到的代表酒精濃度信號的電壓信號是模擬信號，需要縣進行A/D轉換，將其轉換成數字信號后再送入單片機控制系統。單片機處理后的代表濃度值的數字信號可以送入LCD屏顯示模塊，用來顯示最終的測試結果。當實測濃度高于設定的濃度閾值時，需要有報警模塊對此種情況提供報警功能，此時蜂鳴器會鳴笛報警，并且相應的發光二極管也會閃爍報警。根據系統各模塊功能的分析和各模塊之間的相互通信，可得到系統的總體設計框圖，MQ-3先經ADC0809數據轉換模塊，再與AT89S52單片機相連，單片機的輸出信號和LCD顯示器相連接，在其上顯示出酒精的濃度值，當實測值超過設定的閾值時報警，如圖1所示。

3 硬件電路設計

3.1 信號采集模塊

信號的采樣模塊電路如圖2所示。MQ-3的兩個A引腳和兩個B引腳分別相連，作為敏感體電阻的兩個電極。A端接到電源正極，B端接一個電容和一個470Ω的電阻并聯。MQ-3的加熱電阻兩端，一個引腳接至+5V直流穩壓電源，另一個引腳接5.1K的負載電阻，用于電阻絲對敏感體電阻的加熱。

3.2 單片機主控模塊

AT89S52是一種高性能、低功耗的CMOS 8位微控制器，其系統可編程Flash 存儲器容量為8K。單片機最小系統的基本要求是使單片機能夠正常工作，外圍電路主要包括電源，晶振和復位電路三個部分。根據美國ATMEL公司提供的技術資料，對于選用的AT89S52單片機，對它的最小系統設計，如圖3所示。單片機的引腳10對應的GND接到+5V電源的接地端，引腳40對應的VCC接到+5V電源的正極，為AT89S52單片機提供正常的工作電壓。

AT89S52單片機中內部有振蕩器，它是由一個高增益反相放大器構成的，該放大器的輸入端和輸出端分別對應引腳XTAL1（19）和XTAL2（18）。該放大器與器件外部的石英晶體一起構成自激振蕩器。石英晶體及電容C1和C2構成并聯諧振電路，它們接在放大器的反饋回路中。單片機的引腳19和引腳18，分別接到石英晶體的兩端，同時石英晶體的兩端分別接一個33PF的電容，電容的另一端接地。

3.3 模數轉換器模塊

在本設計中，需要對輸入的酒精濃度信號進行準確的采樣編碼，此功能是由模數轉換模塊電路實現的，將采集到的模擬信號進行轉換，輸出單片機所能夠處理的數字量。模數轉換電路性能的好壞直接影響整個系統測量的精度，是本系統設計的關鍵部分。在此單元模塊，選用的是直接型A/D轉換器ADC0809。ADC0809的工作流程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1允許數據鎖存，將地址存入地址鎖存器中。本設計中只使用到了模擬輸入通道0，因此將地址選擇為000，即將ADD（A-C）接地即可。單片機發送啟動轉換命令，START由0跳成1時，將逐次逼近寄存器復位，由1跳成0時，啟動A/D轉換，此后EOC自動由高電平變成低電平，此時正處于數據轉換狀態，其他處于等待狀態。直到A/D轉換完成，EOC由低電平變為高電平，向單片機發送A/D轉換結束的信號，結果數據已存入鎖存器，該信號可用作中斷申請。單片機接收到數據轉換結束信號后，發送允許數據輸出命令，輸出三態門打開，允許采集的數據輸出，轉換結果的數字量輸出到與單片機的P1口連接。

ADC0809與單片機連接的時候由于ADC0809的數字輸出端的高地址為 OUT1，低地址為OUT8。所以OUT1-OUT8與單片機P1口的P7-P0相連接，才能使轉換的數字量準確的送入單片機。

3.4 LCD顯示模塊

本設計采用LCD1602液晶顯示屏來完成數據顯示。引腳1VSS為電源地，引腳2VCC接+5V電源，液晶顯示器調整對比度端對應引腳3V0，當其為高電平時對比度最弱，為低電平時對比度最高。寄存器選擇對應引腳4RS，高電平時選擇數據寄存器，低電平時選擇指令寄存器，讀寫信號線對應引腳5RW，輸高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作，使能（enable）端對應引腳6E（或EN）端，高電平時讀取信息，負跳變時執行指令，引腳7～14 D0～D7為8位雙向數據端。引腳15～16：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負極。電路連接圖如圖4所示。

3.5 報警及按鍵模塊

在一般的單片機應用系統中，為了方便的供操作人員了解系統的工作狀況，工作狀態可以通過指示燈顯示，也可以通過數碼顯示來指示。但對于比如系統檢測到的錯誤狀態等，某些緊急狀態，為了使操作人員能夠及時采取措施，往往還需要有某種更能引人注意，提起警覺的報警信號。閃光報警和鳴音報警在接口電路的實現上比較簡單，只要當檢測值高于警報值的時候給一個低電頻就能驅動二極管發光和蜂鳴器報警。設計時使用單片機的P2.5接口連接蜂鳴器，P2.1接口連接綠色發光二極管，P2.2接口連接紅色發光二極管。

4 系統軟件設計

系統編程是在Keil C51軟件開發平臺上進行。當傳感器接觸到氣體酒精時，MQ-3兩個電極端A-B間電阻將變小，對應于負載電阻的分壓將變大。單片機在發送啟動轉換數據命令之前，要將用作查詢的單片機引腳P3.2置位，然后再發送啟動轉換命令，對通道IN0端輸入的采集好的電壓信號進行模數轉換，等待轉換的結束。利用單片機豐富的I/O口，探尋模數轉換是否結束時，采用查詢方式。當單片機引腳P3.2輸出為1時，表示轉換未結束，繼續等待，當查詢到P3.2為0時，表示模數轉換已經結束，可以開始讀取數據了。讀取后的數據送到數據存儲器單元中，經過單片機作相應的處理，即將該電壓值轉換為酒精濃度值，然后把處理后的數據轉換成ASCII碼并用LCD顯示屏顯示。

5 結語

本設計分為硬件設計和軟件設計。為符合設計要求，使用AT89S52單片機以實現功能要求。設計利用MQ-3檢測酒精濃度，輸出信號經信號調理電路處理，轉換成電壓信號送入單片機系統，經A/D轉換，由AT89S52單片機及外圍電路進行信號的處理，以LCD顯示屏進行檢測濃度顯示，聲光報警電路進行報警。軟件用Keil C語言進行編程，程序采用模塊化設計思想。相信這種酒精濃度測試儀具有靈敏度高、操作方便，可以調節酒精閾值等特點，具有一定的實際應用價值。

參考文獻

[1]胡漢才.單片機原理及接口技術[M].清華大學出版社，2011.

[2]陳汝全.實用微機與單片機控制技術[M].電子科技大學出版社，2012.7.

[3]王嘯東.車載酒精測試儀控制器的設計[J].硅谷，2010，（06）：23.

[4]孟麗凡.傳感器原理與應用[M].電子工業出版社，2010.

[5]張琳娜.傳感檢測技術及應用[M].中國計量出版社，2008.

[6]楊振江，等.智能儀器與數據采集系統中的新器件及應用[M].西安電子科技大學出版社，2008.12.

[7]段現星，王曉侃.基于單片機控制的車載酒精濃度檢測儀設計[J].測控技術，2013，32（8）：1-3.

[8]李建榮，薛亞平，錢松. 基于單片機的酒精濃度檢測儀的設計[J].南通紡織職業技術學院學報，2013，13（4）：20-23.

[9]周鴻武.基于單片機的酒精濃度檢測儀設計[J].制造業自動化，2012，34（2）：147-149.

[10]袁捷.基于51單片機的酒精濃度檢測儀的設計[J].電子設計工程，2013，21（18）：173-175.

[11]李書婷.基于單片機的酒精濃度檢測儀設計[J].自動化與儀器儀表，2015（8）：18-19.