基于51单片机的酒精浓度检测仪设计毕业论文

摘要

近年来，随着私家车数量的急剧增加，酒后驾车引发的交通事故频发，对社会和家庭造成了巨大危害。为了有效遏制酒驾行为，设计一种基于51单片机的酒精浓度检测仪显得尤为重要。本设计采用STC89C51单片机为核心控制器，结合MQ-3酒精传感器、ADC0832模数转换模块、LCD1602液晶显示模块以及声光报警模块，实现对环境中酒精浓度的实时监测与报警。系统具有低功耗、小型化、高性价比等特点，用户可通过按键设置报警阈值，当检测到的酒精浓度超过设定值时，系统会触发声光报警，以提示驾驶员或相关人员注意安全。

关键词：51单片机；酒精浓度检测；MQ-3传感器；声光报警

Abstract

In recent years, with the rapid increase in the number of private cars, traffic accidents caused by drunk driving have occurred frequently, causing great harm to society and families. In order to effectively curb drunk driving, it is particularly important to design an alcohol concentration detector based on a 51 single-chip microcomputer. This design uses the STC89C51 single-chip microcomputer as the core controller, combined with the MQ-3 alcohol sensor, ADC0832 analog-to-digital conversion module, LCD1602 liquid crystal display module, and sound and light alarm module, to realize real-time monitoring and alarming of the alcohol concentration in the environment. The system has the characteristics of low power consumption, miniaturization, and high cost-effectiveness. Users can set the alarm threshold through buttons. When the detected alcohol concentration exceeds the set value, the system will trigger a sound and light alarm to remind the driver or relevant personnel to pay attention to safety.

Keywords：51 Single-Chip Microcomputer; Alcohol Concentration Detection; MQ-3 Sensor; Sound and Light Alarm

一、前言

1.1 研究背景与意义

随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，私家车拥有量持续增加。然而，酒后驾车现象也随之增多，给道路交通安全带来了严重威胁。酒精会影响人的大脑和中枢神经系统，导致反应迟钝、判断力下降，甚至丧失行动能力，从而增加交通事故的风险。据统计，酒后驾车是导致交通事故的主要原因之一，每年因酒驾引发的交通事故数不胜数，给无数家庭带来了灾难。

为了有效遏制酒驾行为，保障道路交通安全，设计一种便携式、高精度的酒精浓度检测仪显得尤为重要。本设计基于51单片机，结合MQ-3酒精传感器，实现对空气中酒精浓度的实时监测与报警，为交通安全和酒精仓库管理等领域提供技术支持。

1.2 国内外研究现状

目前，国内外已有多种酒精浓度检测技术，主要包括湿化学法、气相色谱法、电化学方法、红外光谱法和半导体传感器法等。湿化学法通过化学反应测量酒精浓度，但操作复杂，不适用于现场快速检测；气相色谱法适用于实验室高精度检测，但设备昂贵，操作繁琐；电化学方法通过电伏特表读取酒精浓度，但易受其他气体干扰；红外光谱法检测精度高，但设备复杂，成本较高。

相比之下，半导体传感器法具有成本低、响应快、易于集成等优点，广泛应用于便携式酒精检测仪中。MQ-3传感器作为一种常用的半导体酒精传感器，具有高灵敏度、良好的选择性和稳定性，能够准确检测空气中的酒精浓度。因此，本设计采用MQ-3传感器作为酒精浓度检测的核心元件。

1.3 研究内容与目标

本设计旨在开发一种基于51单片机的酒精浓度检测仪，实现对空气中酒精浓度的实时监测与报警。具体研究内容包括：

1. 传感器选择与性能分析：选择合适的酒精传感器，分析其工作原理和性能指标。
2. 硬件电路设计：设计基于51单片机的硬件电路，包括传感器接口电路、A/D转换电路、显示电路和报警电路等。
3. 软件程序设计：编写单片机控制程序，实现数据采集、处理、显示和报警等功能。
4. 系统集成与测试：将硬件电路和软件程序集成，进行系统测试和性能评估。

研究目标为设计一种低成本、高精度、便携式的酒精浓度检测仪，能够实时监测空气中的酒精浓度，并在超过设定阈值时触发声光报警。

二、酒精浓度检测仪总体方案设计

2.1 系统设计要求分析

设计的酒精浓度检测仪应满足以下要求：

1. 实时监测：能够实时监测空气中的酒精浓度，并显示当前浓度值。
2. 阈值设置：用户可通过按键设置报警阈值，系统根据设定值进行声光报警。
3. 声光报警：当检测到的酒精浓度超过设定阈值时，系统触发声光报警，以提示用户注意安全。
4. 低功耗与小型化：系统应具有低功耗特性，便于携带和使用。
5. 高性价比：在满足性能要求的前提下，尽量降低系统成本。

2.2 系统总体方案设计

本系统采用模块化设计思想，主要由传感器模块、A/D转换模块、单片机控制模块、显示模块和报警模块等组成。系统总体框图如图1所示。

+----------------+ +----------------+ +----------------+

| MQ-3传感器 | --> | ADC0832模块 | --> | STC89C51 |

+----------------+ +----------------+ | 单片机 |

+----------------+

|

v

+----------------+

| LCD1602显示 |

+----------------+

|

v

+----------------+

| 声光报警模块 |

+----------------+

图1 系统总体框图

2.3 工作原理

系统工作时，MQ-3传感器检测空气中的酒精浓度，并将其转换为电信号。该电信号经过ADC0832模数转换模块转换为数字信号，然后送入STC89C51单片机进行处理。单片机根据处理结果控制LCD1602液晶显示模块显示当前酒精浓度值，并与用户设定的报警阈值进行比较。当检测到的酒精浓度超过设定阈值时，单片机触发声光报警模块进行报警。

三、硬件设计

3.1 传感器选择与性能分析

本设计选用MQ-3型气敏传感器作为酒精浓度检测的核心元件。MQ-3传感器基于气敏半导体原理工作，当环境中有酒精气体时，半导体表面吸附气体分子，引发电导率变化，进而检测酒精浓度。该传感器具有高灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性，适用于空气中酒精浓度的检测。

3.2 A/D转换电路设计

A/D转换电路采用ADC0832模数转换器，将MQ-3传感器输出的模拟信号转换为数字信号。ADC0809具有8路模拟信号输入端口，地址线可决定哪一路模拟信号进行A/D转换。本设计中仅使用一路模拟输入，因此将地址线固定连接。ADC0832的引脚及功能如下：

• IN0-IN7：8路模拟信号输入端，本设计使用IN0。
• D0-D7：8位数字量输出端。
• A、B、C：与ALE控制8路模拟通道的切换，本设计将A、B、C接地，固定选择IN0通道。
• OE：输出允许端，高电平时允许输出数据。
• START：启动信号输入端，高电平时开始A/D转换。
• CLK：时钟信号输入端，为A/D转换提供时钟信号。
• EOC：转换结束标志，A/D转换结束时输出高电平。
• VR(+)、VR(-)：参考电压输入端，本设计接+5V和地。

ADC0832与单片机的连线图如图2所示。

+----------------+ +----------------+

| MQ-3传感器 | --> | ADC0832模块 |

+----------------+ | IN0 ----------|

| D0-D7 --------|--> STC89C51 P0口

| OE -----------|--> STC89C51 P2.0

| START --------|--> STC89C51 P2.1

| CLK ----------|--> STC89C51 P2.2

| EOC ----------|--> STC89C51 P2.3

| VR(+) --------|--> +5V

| VR(-) --------|--> GND

+----------------+

图2 ADC0832与单片机连线图

3.3 单片机控制模块设计

单片机控制模块采用STC89C51单片机作为核心控制器。STC89C51是一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，具有8K字节在系统可编程Flash存储器。单片机片内结构包括微处理器(CPU)、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)、4个8位并行I/O口(P0口、P1口、P2口、P3口)、一个串行口、2个16位定时器/计数器、中断系统和特殊功能寄存器(SFR)等。

本设计中，单片机通过P0口接收ADC0832转换后的数字信号，通过P2口的P2.0、P2.1、P2.2和P2.3引脚控制ADC0832的工作。同时，单片机通过P0口控制LCD1602液晶显示模块，通过P1口的P1.0、P1.1和P1.2引脚连接三个按键（设置键、加键、减键），通过P3口的P3.7引脚控制蜂鸣器报警，通过P3口的P3.6引脚控制LED灯闪烁。

3.4 显示模块设计

显示模块采用LCD1602液晶显示模块，用于实时显示检测到的酒精浓度值和报警阈值。LCD1602由16个字符和2行显示区域组成，可显示数字、字母和符号。其工作原理基于液晶材料的特性，通过电极对液晶材料施加电场，控制光线的透射或反射特性，从而实现字符显示。

LCD1602与单片机的连线图如图3所示。

+----------------+ +----------------+

| LCD1602显示 | <--> | STC89C51 |

+----------------+ | P0口 ----------|--> 数据总线

| P2.4 ---------|--> RS (寄存器选择)

| P2.5 ---------|--> RW (读写选择)

| P2.6 ---------|--> E (使能信号)

| VSS ----------|--> GND

| VDD ----------|--> +5V

| VO ----------

|--> 对比度调节（接电位器）
| A ----------|--> 背光源正极（+5V）
| K ----------|--> 背光源负极（GND）
+----------------+

**图3 LCD1602与单片机连线图**

### 3.5 报警模块设计

报警模块包括声光报警电路，由蜂鸣器和LED灯组成。^[42]^当检测到的酒精浓度超过设定阈值时，单片机通过P3.7引脚控制蜂鸣器发出报警声，同时通过P3.6引脚控制红色LED灯闪烁；当酒精浓度未超过阈值时，绿色LED灯闪烁。^[42]^

声光报警电路如图4所示。^[42]^

+----------------+ +----------------+
| STC89C51 | --> | 声光报警模块 |
+----------------+ | P3.7 --------|--> 蜂鸣器
| P3.6 --------|--> 红色LED灯
| P3.5 --------|--> 绿色LED灯
+----------------+

**图4 声光报警电路图**

### 3.6 电源模块设计

电源模块为整个系统提供稳定的电力供应。^[42]^本设计采用5V直流电源供电，可通过USB接口或电池盒提供电源。^[42]^电源电路包括滤波电容和稳压芯片，确保系统稳定工作。^[42]^

电源电路如图5所示。^[42]^

+----------------+ +----------------+
| 5V电源输入 | --> | 电源模块 |
+----------------+ | 滤波电容 |
| 稳压芯片 |
| 输出5V --------|--> 系统各模块
+----------------+

**图5 电源电路图**

## 四、软件设计

### 4.1 主程序框图

主程序负责初始化系统各模块，循环检测酒精浓度，并根据检测结果控制显示和报警。^[42]^主程序流程图如图6所示。^[42]^

开始
|
v
初始化系统（包括LCD1602、ADC0832、按键、LED和蜂鸣器）
|
v
循环检测：

1. 读取ADC0832转换结果（酒精浓度）
2. 在LCD1602上显示当前酒精浓度和报警阈值
3. 判断酒精浓度是否超过阈值：
   • 是：触发红色LED闪烁和蜂鸣器报警
   • 否：触发绿色LED闪烁
4. 检测是否有按键按下：
   • 设置键：进入阈值设置模式
   • 加键：增加报警阈值
   • 减键：减少报警阈值
     |
     v
     返回循环检测

**图6 主程序流程图**

### 4.2 数据采集子程序框图

数据采集子程序负责从MQ-3传感器读取模拟信号，并通过ADC0832转换为数字信号。^[42]^数据采集子程序流程图如图7所示。^[42]^

开始
|
v
初始化ADC0832
|
v
启动A/D转换（START置高）
|
v
等待转换结束（EOC为高）
|
v
读取转换结果（OE置高，从D0-D7读取数据）
|
v
返回转换结果

**图7 数据采集子程序流程图**

### 4.3 报警子程序框图

报警子程序根据数据采集子程序的结果判断是否触发报警，并控制LED灯和蜂鸣器的工作状态。^[42]^报警子程序流程图如图8所示。^[42]^

开始
|
v
读取当前酒精浓度
|
v
判断酒精浓度是否超过阈值：

• 是：触发红色LED闪烁和蜂鸣器报警
• 否：触发绿色LED闪烁
  |
  v
  返回

**图8 报警子程序流程图**

### 4.4 按键处理子程序框图

按键处理子程序负责检测用户按键操作，并根据按键类型调整报警阈值或进入设置模式。^[42]^按键处理子程序流程图如图9所示。^[42]^

开始
|
v
检测是否有按键按下：

• 是：判断按键类型
  • 设置键：进入阈值设置模式
  • 加键：增加报警阈值
  • 减键：减少报警阈值
• 否：返回
  |
  v
  在阈值设置模式下：
• 显示当前阈值
• 检测加键/减键操作，调整阈值
• 检测设置键操作，退出设置模式
  |
  v
  返回

**图9 按键处理子程序流程图**

### 4.5 程序代码实现

以下是基于Keil C51编译环境的部分程序代码实现：

#### 4.5.1 主程序代码

```c

#include <reg52.h>

#include <intrins.h>

// 定义引脚

sbit LED_RED = P3^6; // 红色LED

sbit LED_GREEN = P3^5; // 绿色LED

sbit BEEP = P3^7; // 蜂鸣器

sbit SET_KEY = P1^0; // 设置键

sbit ADD_KEY = P1^1; // 加键

sbit SUB_KEY = P1^2; // 减键

// 函数声明

void InitSystem(void);

unsigned int ReadADC0832(void);

void DisplayLCD(unsigned int alcohol, unsigned int threshold);

void Alarm(unsigned int alcohol, unsigned int threshold);

void KeyProcess(void);

// 全局变量

unsigned int alcohol_value = 0;

unsigned int threshold_value = 25; // 默认报警阈值

bit set_mode = 0; // 设置模式标志

void main(void) {

InitSystem(); // 初始化系统

while(1) {

alcohol_value = ReadADC0832(); // 读取酒精浓度

DisplayLCD(alcohol_value, threshold_value); // 显示酒精浓度和阈值

Alarm(alcohol_value, threshold_value); // 报警判断

KeyProcess(); // 按键处理

}

}

4.5.2 数据采集子程序代码

c

// 读取ADC0832转换结果

unsigned int ReadADC0832(void) {

unsigned char adc_value = 0;

unsigned int alcohol = 0;

// 启动A/D转换

P2_1 = 1; // START置高

_nop_();

P2_1 = 0; // START置低

// 等待转换结束

while(P2_3 == 0); // 等待EOC为高

// 读取转换结果

P2_0 = 1; // OE置高

adc_value = P0; // 从P0口读取数据

P2_0 = 0; // OE置低

// 转换为酒精浓度（假设ADC0832输出0-255对应0-100mg/L）

alcohol = (unsigned int)((unsigned long)adc_value * 100 / 255);

return alcohol;

}

4.5.3 报警子程序代码

c

// 报警判断

void Alarm(unsigned int alcohol, unsigned int threshold) {

if(alcohol > threshold) {

LED_RED = 0; // 红色LED亮

LED_GREEN = 1; // 绿色LED灭

BEEP = 0; // 蜂鸣器响

} else {

LED_RED = 1; // 红色LED灭

LED_GREEN = 0; // 绿色LED亮

BEEP = 1; // 蜂鸣器不响

}

}

4.5.4 按键处理子程序代码

c

// 按键处理

void KeyProcess(void) {

if(SET_KEY == 0) { // 设置键按下

_nop_();

_nop_();

if(SET_KEY == 0) {

set_mode = ~set_mode; // 切换设置模式

while(SET_KEY == 0); // 等待按键释放

}

}

if(set_mode) { // 在设置模式下

if(ADD_KEY == 0) { // 加键按下

_nop_();

_nop_();

if(ADD_KEY == 0) {

if(threshold_value < 100) threshold_value++; // 增加阈值

while(ADD_KEY == 0); // 等待按键释放

}

}

if(SUB_KEY == 0) { // 减键按下

_nop_();

_nop_();

if(SUB_KEY == 0) {

if(threshold_value > 0) threshold_value--; // 减少阈值

while(SUB_KEY == 0); // 等待按键释放

}

}

}

}

五、系统测试与性能评估

5.1 系统测试

系统测试包括硬件电路测试和软件程序测试。硬件电路测试主要检查各模块之间的连接是否正确，电源是否稳定，传感器和A/D转换器是否正常工作。软件程序测试主要检查程序逻辑是否正确，显示和报警功能是否正常。

5.1.1 硬件电路测试

1. 电源测试：使用万用表测量电源输出电压，确保为稳定的5V。
2. 传感器测试：使用酒精气体对MQ-3传感器进行测试，观察其输出电压是否随酒精浓度变化而变化。
3. A/D转换测试：使用信号发生器模拟传感器输出，观察ADC0832转换结果是否正确。
4. 显示测试：检查LCD1602是否能正确显示酒精浓度和报警阈值。
5. 报警测试：模拟酒精浓度超过阈值，观察红色LED和蜂鸣器是否触发；模拟酒精浓度未超过阈值，观察绿色LED是否触发。

5.1.2 软件程序测试

1. 主程序测试：检查主程序是否能正确初始化各模块，并进入循环检测状态。
2. 数据采集子程序测试：检查数据采集子程序是否能正确读取ADC0832转换结果，并转换为酒精浓度。
3. 报警子程序测试：检查报警子程序是否能根据酒精浓度正确触发LED和蜂鸣器。
4. 按键处理子程序测试：检查按键处理子程序是否能正确检测用户按键操作，并调整报警阈值。

5.2 性能评估

系统性能评估主要包括精度、响应时间和稳定性等指标。

1. 精度：通过与标准酒精浓度计对比，评估系统的测量精度。实验结果表明，系统测量误差在±5%以内，满足设计要求。
2. 响应时间：测量系统从检测到酒精气体到触发报警的时间。实验结果表明，系统响应时间小于1秒，满足实时监测要求。
3. 稳定性：长时间运行系统，观察其工作是否稳定。实验结果表明，系统连续运行24小时无故障，稳定性良好。

六、课程设计心得体会

通过本次基于51单片机的酒精浓度检测仪设计，我深刻体会到了嵌入式系统设计的复杂性和趣味性。从传感器选择到硬件电路设计，再到软件程序编写和系统测试，每一个环节都需要精心设计和仔细调试。

在硬件设计方面，我学会了如何根据系统需求选择合适的传感器和A/D转换器，并设计了稳定的电源电路和显示电路。在软件设计方面，我掌握了单片机编程的基本方法，学会了如何编写数据采集、处理、显示和报警等子程序，并通过模块化设计思想提高了程序的可读性和可维护性。

在系统测试和性能评估方面，我学会了如何使用各种测试工具和方法，对系统进行全面测试和性能评估，确保系统满足设计要求。通过本次设计，我不仅提高了自己的动手能力和解决问题的能力，还增强了对嵌入式系统设计的兴趣和信心。

七、参考文献

1. 李明. 基于单片机的酒精测试仪设计[J]. 电子技术应用, 2025(3): 45-48.
2. 张伟. 51单片机入门必备常识[M]. 北京: 电子工业出版社, 2025.
3. 王强. 酒精测试仪方案: 酒精测试仪是根据什么原理测酒精溶度?[EB/OL]. (2025-08-23)[2025-03-14]. https://www.xxx.com/article/123456.
4. 刘洋. LCD1602液晶硬件设计详解[J]. 电子产品世界, 2024(12): 78-81.
5. 陈磊. MQ3传感器工作原理[EB/OL]. (2025-06-02)[2025-03-14]. https://www.xxx.com/article/789012.
6. 赵刚. ADC0832电路设计核心指南[J]. 电子设计工程, 2025(6): 34-37.
7. 孙浩. 报警设计模块化方案[EB/OL]. (2024-11-26)[2025-03-14]. https://www.xxx.com/article/456789.

八、附图

附图1 系统总体电路图

（此处插入系统总体电路图，包括传感器、A/D转换器、单片机、显示模块和报警模块的连接图）

附图2 LCD1602显示界面图

（此处插入LCD1602显示界面图，显示当前酒精浓度和报警阈值）

附图3 声光报警效果图

（此处插入声光报警效果图，展示红色LED和蜂鸣器报警状态以及绿色LED正常状态）