基于MQ—3的酒精濃度測試系統(tǒng)設(shè)計

鄺愛華

摘要：本設(shè)計利用MQ-3型氣體傳感器與單片機AT89S52實現(xiàn)了對不同酒精濃度的測量，并對測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及顯示，同時利用發(fā)光二極管亮滅來顯示濃度的高低，并設(shè)定濃度閾值，如果測試結(jié)果超過設(shè)定值時發(fā)出報警。

關(guān)鍵詞：閾值；模數(shù)轉(zhuǎn)換；氣體傳感器；單片機

中圖分類號：TN741 文獻(xiàn)標(biāo)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(gòu)成。單片機的特點是體積較小具有集成特性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)于普通計算機系統(tǒng)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(tǒng)。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(jìn)行處理和分析，最后通過液晶屏顯示輸出。該設(shè)計可以進(jìn)行醉酒閾值設(shè)定，可以根據(jù)用戶需要自行修改醉酒閾值，或者根據(jù)法律法規(guī)的限定修改醉酒閾值，并進(jìn)行保存。采用模塊化設(shè)計思想，程序用Keil C進(jìn)行編程，以Proteus硬件開發(fā)軟件進(jìn)行電路圖的繪制和仿真，并用Protel軟件進(jìn)行硬件原理圖的設(shè)計及繪制。硬件設(shè)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(jīng)信號調(diào)理電路進(jìn)行處理，隨酒精濃度的變化輸出對應(yīng)的電壓信號，該電壓信號送入單片機控制系統(tǒng)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，由AT89S52單片機及外圍電路進(jìn)行信號的處理，以LCD顯示屏進(jìn)行濃度值的顯示，聲光報警電路進(jìn)行報警。該酒精濃度測試儀具有靈敏度高、操作方便，可以調(diào)節(jié)酒精閾值等特點，可以適合酒精生產(chǎn)車間避免發(fā)生起火、爆炸和交通警察的酒駕監(jiān)管等用處。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，從MQ-3輸出的電壓信號，首先經(jīng)過放大電路，將微弱的電信號進(jìn)行放大，然后經(jīng)過濾波電路，濾出一些噪聲信號，最后進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換等過程，轉(zhuǎn)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(jìn)行選擇，因為如果每一路都設(shè)置放大和濾波等模塊，設(shè)計成本就會加大。選擇多路模擬開關(guān)時需要注意一些因素的影響，如通道的數(shù)量，切換的速度，開關(guān)電阻和器件的封裝形式?；谝陨显?，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(xiàn)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(fù)載電阻得到分壓電信號。信號轉(zhuǎn)換模塊的作用是進(jìn)行信號形式的轉(zhuǎn)換，因為單片機只能直接識別和處理數(shù)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后再送入單片機控制系統(tǒng)。單片機處理后的代表濃度值的數(shù)字信號可以送入LCD屏顯示模塊，用來顯示最終的測試結(jié)果。當(dāng)實測濃度高于設(shè)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(yīng)的發(fā)光二極管也會閃爍報警。根據(jù)系統(tǒng)各模塊功能的分析和各模塊之間的相互通信，可得到系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖，MQ-3先經(jīng)ADC0809數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(dāng)實測值超過設(shè)定的閾值時報警，如圖1所示。

3 硬件電路設(shè)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(lián)。MQ-3的加熱電阻兩端，一個引腳接至+5V直流穩(wěn)壓電源，另一個引腳接5.1K的負(fù)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(tǒng)可編程Flash 存儲器容量為8K。單片機最小系統(tǒng)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(fù)位電路三個部分。根據(jù)美國ATMEL公司提供的技術(shù)資料，對于選用的AT89S52單片機，對它的最小系統(tǒng)設(shè)計，如圖3所示。單片機的引腳10對應(yīng)的GND接到+5V電源的接地端，引腳40對應(yīng)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(nèi)部有振蕩器，它是由一個高增益反相放大器構(gòu)成的，該放大器的輸入端和輸出端分別對應(yīng)引腳XTAL1（19）和XTAL2（18）。該放大器與器件外部的石英晶體一起構(gòu)成自激振蕩器。石英晶體及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)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(shù)轉(zhuǎn)換器模塊

在本設(shè)計中，需要對輸入的酒精濃度信號進(jìn)行準(zhǔn)確的采樣編碼，此功能是由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路實現(xiàn)的，將采集到的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出單片機所能夠處理的數(shù)字量。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路性能的好壞直接影響整個系統(tǒng)測量的精度，是本系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵部分。在此單元模塊，選用的是直接型A/D轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)鎖存，將地址存入地址鎖存器中。本設(shè)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(fā)送啟動轉(zhuǎn)換命令，START由0跳成1時，將逐次逼近寄存器復(fù)位，由1跳成0時，啟動A/D轉(zhuǎn)換，此后EOC自動由高電平變成低電平，此時正處于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，其他處于等待狀態(tài)。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC由低電平變?yōu)楦唠娖?，向單片機發(fā)送A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的信號，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，該信號可用作中斷申請。單片機接收到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號后，發(fā)送允許數(shù)據(jù)輸出命令，輸出三態(tài)門打開，允許采集的數(shù)據(jù)輸出，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)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(shù)字輸出端的高地址為 OUT1，低地址為OUT8。所以O(shè)UT1-OUT8與單片機P1口的P7-P0相連接，才能使轉(zhuǎn)換的數(shù)字量準(zhǔn)確的送入單片機。

3.4 LCD顯示模塊

本設(shè)計采用LCD1602液晶顯示屏來完成數(shù)據(jù)顯示。引腳1VSS為電源地，引腳2VCC接+5V電源，液晶顯示器調(diào)整對比度端對應(yīng)引腳3V0，當(dāng)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(yīng)引腳4RS，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時選擇指令寄存器，讀寫信號線對應(yīng)引腳5RW，輸高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作，使能（enable）端對應(yīng)引腳6E（或EN）端，高電平時讀取信息，負(fù)跳變時執(zhí)行指令，引腳7～14 D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。引腳15～16：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)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(yīng)用系統(tǒng)中，為了方便的供操作人員了解系統(tǒng)的工作狀況，工作狀態(tài)可以通過指示燈顯示，也可以通過數(shù)碼顯示來指示。但對于比如系統(tǒng)檢測到的錯誤狀態(tài)等，某些緊急狀態(tài)，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(xiàn)上比較簡單，只要當(dāng)檢測值高于警報值的時候給一個低電頻就能驅(qū)動二極管發(fā)光和蜂鳴器報警。設(shè)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(fā)光二極管，P2.2接口連接紅色發(fā)光二極管。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)編程是在Keil C51軟件開發(fā)平臺上進(jìn)行。當(dāng)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(yīng)于負(fù)載電阻的分壓將變大。單片機在發(fā)送啟動轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)命令之前，要將用作查詢的單片機引腳P3.2置位，然后再發(fā)送啟動轉(zhuǎn)換命令，對通道IN0端輸入的采集好的電壓信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，等待轉(zhuǎn)換的結(jié)束。利用單片機豐富的I/O口，探尋模數(shù)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束時，采用查詢方式。當(dāng)單片機引腳P3.2輸出為1時，表示轉(zhuǎn)換未結(jié)束，繼續(xù)等待，當(dāng)查詢到P3.2為0時，表示模數(shù)轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，可以開始讀取數(shù)據(jù)了。讀取后的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)存儲器單元中，經(jīng)過單片機作相應(yīng)的處理，即將該電壓值轉(zhuǎn)換為酒精濃度值，然后把處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ASCII碼并用LCD顯示屏顯示。

5 結(jié)語

本設(shè)計分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。為符合設(shè)計要求，使用AT89S52單片機以實現(xiàn)功能要求。設(shè)計利用MQ-3檢測酒精濃度，輸出信號經(jīng)信號調(diào)理電路處理，轉(zhuǎn)換成電壓信號送入單片機系統(tǒng)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，由AT89S52單片機及外圍電路進(jìn)行信號的處理，以LCD顯示屏進(jìn)行檢測濃度顯示，聲光報警電路進(jìn)行報警。軟件用Keil C語言進(jìn)行編程，程序采用模塊化設(shè)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(diào)節(jié)酒精閾值等特點，具有一定的實際應(yīng)用價值。

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