基于51单片机的智能食物变质报警器的设计与实现

胡欣星，殷　娇

(1.重庆文理学院软件工程学院， 重庆　永川　402160； 2.重庆文理学院机器视觉与智能信息系统重点实验室， 重庆　永川　402160)



基于51单片机的智能食物变质报警器的设计与实现

胡欣星1，殷娇2

(1.重庆文理学院软件工程学院， 重庆永川402160； 2.重庆文理学院机器视觉与智能信息系统重点实验室， 重庆永川402160)

[摘要]介绍了一种自主设计的智能食品变质报警系统.系统由AT89C51单片机、MQ-137氨气浓度传感器、警报装置和电源组成.单片机通过MQ-137传感器实时采集监控区域的氨气浓度，当采集到的数据超过报警阈值时，警铃响起同时红色指示灯闪烁.经测试，报警系统反应迅速、报警准确、价格低廉，具有很高的实用价值.

[关键词]AT89C51单片机；食物变质；气体检测

随着生活水平的上升，人们对食物质量的要求也越来越高.涉及食材的相关产业在不断提升食材的质量，而在整个过程中食材的运输与储存是十分重要的.食物如果在运输或储存过程中没有妥善处理将会发生变质.食物一旦变质就不能食用.食物变质之后产生的氨气会对其余完好的食物造成影响，加速食物的腐烂变质.本文探讨通过氨气浓度监控报警器来实时监测食物是否变质.

1系统基本原理

食物变质的过程就是微生物不断分解的过程.在这个过程中会不断释放出氨类物质，在食物储存环境中只有有机物才会释放出氨.可以通过对氨浓度的监测来反映食物的变质情况.我们先针对没有变质的食物储存环境进行氨浓度的测量获得正常值的氨浓度.把这个浓度作为参考阈值，通过实时比较参考值可知浓度是否超标.根据这个原理设计了基于51单片机的智能食物变质报警器.系统架构图如图1所示.整个系统的功能就像是电子鼻一样.电子鼻的工作原理建立在模拟人的嗅觉形成过程基础上，结构分为4部分：传感器阵列、A/D 转换、51单片机(BP神经网络识别模式)和显示单元[1].

图1　系统架构

MQ137气敏元件的内部构造如图2所示.由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内.加热器为气敏元件提供了必要的工作条件.封装好的气敏元件有6只针状管脚,其中4个用于信号取出,2个用于提供加热电流[2].

MQ137气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2).当传感器所处环境中存在氨气时，传感器的电导率随空气中氨气浓度的增加而增大.使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号.MQ137气体传感器对氨气的灵敏度高，对其他有机胺(如三甲胺、乙醇胺等)的监测也很理想.这种传感器可检测多种含氨气体，是一款适合多种应用的低成本传感器，并且自带电加热功能，可以在低温(-20℃~50℃)下使用[2].

图2　传感器结构

2硬件设计

根据食物变质原理和传感器的基本原理，我们在基于51单片机的基础上设计了智能食物变质报警器.整个系统的全电路图如图3.

图3　系统全电路图

2.1传感器的设计

MQ-137传感器的电路连接图如图4.加热电压和工作电压都用直流电源VCC(5V).加热电压是用于给传感器提供合适的工作温度.工作电压是用于测试负载上面的电压变化.传感器的电阻计算式为：

Rs=(Vcc/VRL-1)*RL

其中：RS为灵敏体表面电阻，RL为负载电阻，VCC为回路电压，VRL为负载电阻的电压.

传感器的功耗计算：

图4　传感器连接图

负载电阻上面的电压VRL与单片机的P1.0相连接，单片机监测的指标就是VRL电压的变化.当氨气浓度变高时，传感器的电阻减小，电阻分压则VRL变大，反之相反.图5是传感器典型的灵敏度特性曲线.图5中纵坐标为传感器的电阻比(RS/R0)，横坐标为气体浓度.RS表示传感器在不同浓度气体中的电阻值，R0表示传感器在50 ppm乙醇中的电阻值.所有测试都是在标准试验条件下完成的.对烟雾的灵敏度是在8 m3的空间里点燃10支香烟，输出相当于10 ppm的氨气.

图5　传感器灵敏度特性曲线

2.2AD转换的设计

P1.0是内部高速10位AD转换器的C0入口[3].使用5 V的直流电源供电，则10位AD转换器的最小变化值为Vref/(210-1)=4.888 mV.

图6　报警装置

2.3蜂鸣器和报警指示灯的设计

使用5 V的蜂鸣器和红色LED灯作为报警装置，电路连接图如图6所示.用5 V直流电源给蜂鸣器和指示灯供电.电阻R3充当限流电阻，防止流过LED灯过载而烧毁LED灯.三极管工作在饱和区和截止区，即调节三极管的开和关来控制蜂鸣器[4].蜂鸣器和指示灯由P1.1控制，低电平打开，高电平关闭.当系统监测到VRL的值变大且超过正常值时，P1.1口输出低电平，启动蜂鸣器报警与报警指示灯(红)闪烁.

2.4单片机及控制按键的设计

单片机外部有一个控制按键，当按下控制按键的时候关闭蜂鸣器鸣响和报警指示灯闪烁.长按控制键就能记忆此时的氨气浓度数据作为基准点.报警器使用的是51系列的单片机，内部集成了10位的高速AD转换器.单片机使用外部12M晶振，使用上电复位方式，30(ALE)端口接绿色工作指示灯.当报警器系统正常工作时绿灯常亮.

3软件设计

报警器软件实现的功能就是当监测到VRL超标时给P1.1口输出一个500 ms的一个矩形脉冲信号.每50 ms扫描一次按键，当控制按键K1按下时，即P1.2口等于0时让P1.1口输出高电平.当控制按键K2按下时，当前VRL值记录为浓度基准点.

VRL经过P1.0口和单片机的内部AD转换器相连接.单片机每秒启动一次AD转换.转换出来的数据转换成16进制数再和基准点的数据比较，超过基准点时报警.所有时间都由内部定时器0计时完成.程序流程图如图7所示.

图7　程序流程图

4系统实现流程

第一次使用时需要校准.上电绿灯亮起表明正常工作.正常工作后预热48 h以上，预热完成后将报警器放到正常氨气标准浓度室或开阔通风的地方，在1 min后长按控制按键，让报警器记住这个时刻的氨气浓度.

校准完成后就安放到需要测量的环境中.上电后自行监测环境中的氨气浓度，从而反映食物变质情况.当遇到报警并处理完成后按下控制按键关闭蜂鸣器和报警指示灯.报警器继续自动监测.

5结语

传统的采集系统设计方法一般都会用到很多传感器，这不仅会加大系统的调试和维护难度，还使设计成本大幅增加[5].基于51单片机的智能食物报警器系统完成后，我们做了多次实验，实验装置监测灵敏度非常高.空气中5~500 ppm浓度的氨气都能监测出来.在各个温度下(-20~50 ℃)都能正常工作，完全达到了设计要求.智能食物变质报警器应用范围广，可以用于冰箱、冻库、食物运输车等，同时也可作为工业氨气报警器.结合互联网的发展趋势，后续可以为该智能食物变质报警器设计相应的手机APP，方便用户远程监控食品状态.

[参考文献]

[1]於锋,王昌龙,黄惟.基于51单片机的电子鼻的设计与实现[J].电子器件，2008 (5)：1515-1516.

[2]郑州炜盛电子科技有限公司.MQ-137半导体氨气传感器/毒性气体传感器.1.0[EB/OL]. 2012 (11)：3-5.

[3]张淑清.单片机原理及应用技术[M].北京：国防工业出版社，2013：12-25.

[4]高玉良.电路与模拟电子技术[M].北京：高等教育出版社，2008：305-306.

[5]顾涵,吴晓婷，李天福,等.基于51单片机的小型温度采集系统设计[J].科技传播，2013 (5):212-213.

(责任编辑穆刚)

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

[中图分类号]TP315

[文献标志码]A

[文章编号]1673-8004(2016)02-0072-03

[作者简介]胡欣星(1993—)，女，重庆垫江人，主要从事物联网、智能家居方面的研究.

[基金项目]重庆文理学院校级重点科研项目(Z2014RJ01).

[收稿日期]2015-09-21