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環境噪音測試儀的設計
測控專業綜合課程設計
課 題 ： 環境噪聲實時監測儀
院（系）： 計算機科學與信息工程學院
專業年級：
姓 名 ：
學 號 ：
組 員：
日 期： 2011年12月28日
指導老師：
摘 要
噪聲對人體健康有著嚴重的危害，因此減少噪聲危害已成為當前一項重要的任務。環境噪聲監測，是人類提高生活質量，加強環境保護的一個重要環節。
本文詳細介紹了噪聲監測系統的測量原理和系統組成，包括：噪聲信號的轉換、放大、V/F轉換、數據采集和顯示系統的設計。外界噪聲信號通過傳聲器轉換成音頻信號，電信號經過放大和V/ F 變換輸入到單片機進行處理，并轉換成相應的噪聲分貝值通過LED 顯示，從而實現噪聲的實時監測。
該系統具有實現簡單，精確度高，可用于實際進行噪聲的實時監測等特點。 關鍵詞：傳聲器；運算放大器；V/F轉換器；單片機；LCD
目錄
摘 要 .................................................................................................................... 1
引言 ............................................................................................................................... 3
一、噪聲相關資料 ....................................................................................................... 3
1.1噪聲簡介 .............................................................................................................. 3
1.2 聲壓級測量機理 ................................................................................................. 4
二、儀器整體方案設計 ............................................................................................... 5
2.1噪聲監測系統任務分析 ...................................................................................... 5
2.2整體設計方案 ...................................................................................................... 5
三、硬件電路具體設計 ............................................................................................... 6
3.1 傳聲器 ................................................................................................................. 6
3.2 信號放大器 ......................................................................................................... 7
3.3 交直流轉換電路的設計 ..................................................................................... 8
3.4 電壓-頻率轉換電路的設計 ............................................................................... 8
3.5 單片機系統的設計 ............................................................................................. 9
3.5.1單片機的選擇 ............................................................................................... 9
3.6顯示電路的設計 ................................................................................................ 10
四、軟件系統設計 ..................................................................................................... 11
4.1頻率與聲壓級檢測算法 .................................................................................... 11
4.2程序系統框圖 .................................................................................................... 11
4.3主程序 ................................................................................................................ 12
五安裝與調試 .......................................................................................................... 15
5.1調試設備 ........................................................................................................ 15
5.2調試步驟 ........................................................................................................ 15
參考文獻 ..................................................................................................................... 16
結論 ............................................................................................................................. 16
附錄1 .......................................................................................................................... 17
引言
噪聲即噪音。是一類引起人煩躁、或音量過強而危害人體健康的聲音。 噪聲通常是指那些難聽的，令人厭煩的聲音。噪音的波形是雜亂無章的。從環境保護的角度看，凡是影響人們正常學習，工作和休息的聲音凡是人們在某些場合“不需要的聲音”，都統稱為噪聲。如機器的轟鳴聲，各種交通工具的馬達聲、鳴笛聲，人的嘈雜聲及各種突發的聲響等，均稱為噪聲。噪聲污染屬于感覺公害，它與人們的主觀意愿有關，與人們的生活狀態有關，因而它具有與其他公害不同的特點。
噪音污染主要來源于交通運輸、車輛鳴笛、工業噪音、建筑施工、社會噪音如音樂廳、高音喇叭、早市和人的大聲說話等。
環境噪聲監測，是人類提高生活質量，加強環境保護的一個重要環節，在各大城市的繁華街區和居民區，已有大型環境噪聲顯示器豎立街頭。但目前國內的便攜式噪聲測試儀，多為價格昂貴的進口專用設備，除衛生、計量等環保專業部門擁有外，無法作為民用品推廣普及。本文介紹一種以89C52單片機為核心，采用V/F轉換技術構成的低成本、便攜式數字顯示環境噪聲測量儀。該儀器工作穩定、性能良好，經校驗定標后能滿足一般民用需要，可廣泛應用于工礦企業、機關學校等需要對環境噪聲進行測量和控制的場合。
一、噪聲相關資料
1.1噪聲簡介
1．噪聲概念
物理學定義：噪聲是發生體做無規則時發出的聲音。
生理學定義：凡是妨礙人們正常休息、學習和工作的聲音，以及對人們要聽的聲音產生干擾的聲音。
從這個意義上來說，噪聲的來源很多。街道上的汽車聲、安靜的圖書館里的說話聲、建筑工地的機器聲、以及鄰居電視機過大的聲音，都是噪聲。
2．噪聲對人的危害
隨著工業生產、交通運輸、城市建筑的發展，以及人口密度的增加，家庭設施（音響、空調、電視機等）的增多，環境噪聲日益嚴重，它已成為污染人類社會環境的一大公害。噪
聲具有局部性、暫時性和多發性的特點。噪聲不僅會影響聽力，而且還對人的心血管系統、神經系統、內分泌系統產生不利影響，所以有人稱噪聲為“致人死命的慢性毒藥”。噪聲給人帶來生理上和心理上的危害主要有以下幾方面：
① 干擾休息和睡眠、影響工作效率：干擾休息和睡眠；使工作效率降低。
② 損傷聽覺、視覺器官：強的噪聲可以引起耳部的不適，如耳鳴、耳痛、聽力損傷；噪聲對視力的損害。
③ 對人體的生理影響：損害心血管；對女性生理機能的損害；噪聲還可以引起如神經系統功能紊亂、精神障礙、內分泌紊亂甚至事故率升高。
3．人對不同聲強的感覺
無法忍受：150dB~130dB
感到疼痛：130dB~110dB
很吵：110dB~70dB
較靜：70dB~50dB
安靜：50dB~30dB
極靜：30dB~10dB
無聲：0dB
1.2 聲壓級測量機理
人耳的聽閾一般是20m Pa (微帕)，痛閾一般是200Pa（帕），其間相差107倍，這樣寬廣的聲壓范圍很不易測量，而且人耳對聲壓的相對變化的分辨具有非線性特征。因此，聲學中常用聲壓級LP來反映聲壓的變化，將聲壓P的聲壓級表示成
LP?20lg(P/P0)dB (1.13) 其中，基準量P0為20m Pa。當P= P0時，LP=0dB，而當P=200 Pa時，LP=140dB。
用聲級計可以測量聲壓級，采用1kHz純音輸入0.2秒到0.25秒或0.5秒以上，即可得到真實聲壓級或平均聲壓級。考慮到人耳對不同頻率的響度感覺，在噪聲測量中，常取40方（phon）等響曲線的反曲線對聲壓級進行計權校正，即用A計權網絡測得A聲級，寫成dB（A）。表1.1給出倍頻帶中心頻率與A聲級的校正量之間的關系。
表1.1 倍頻帶中心頻率與A聲級校正量的關系
二、儀器整體方案設計
2.1噪聲監測系統任務分析
本設計的任務是要完成基于單片機的環境噪聲監測儀的設計系統，它的主要是設計以單片機為核心、采用V/F轉換技術的便攜式環境噪聲測量儀，實現環境噪聲的實時測量和LED數字顯示，給出噪聲水平的大致指示。
基于本次任務，該設計方案由硬件和軟件兩部分組成。噪聲測量儀的硬件電路系統，包括噪聲信號的轉換、放大、交直流轉換與電壓、頻率轉換電路以及單片機系統的硬件電路、LED顯示電路等。軟件部分主要是用單片機語言編程，實現對信號的采集、轉換及顯示。在遵循軟硬件相結合的原則下，先進行硬件電路的計，再進行軟件編程，進行模塊化設計，并對各模塊進行調試，最后進行軟硬件聯合調試和故障的排除。
2.2整體設計方案
按照系統設計功能的要求，初步確定控制系統包括硬件和軟件系統兩部分。其中硬件系統結構框圖如圖2-1所示。環境噪聲經高靈敏度、無指向性駐極體傳聲器轉換成電信號。放大電路由運放LM386構成，精心調整相關外圍元件參數，可使其輸出幅頻特性滿足測量要求的電壓信號。通過V/F轉換器后，輸出頻率信號變為TTL電平送給單片機的P3.4引腳，經軟件處理后，噪聲聲壓級顯示值由P1口輸出，由LCD動態顯示。
噪聲
圖2-1 噪聲監測儀硬件結構框圖
傳聲器是將聲波信號轉換成電信號的傳感器，是噪聲測量系統中的一個主要環節。根據膜片感受聲壓的情況不同，傳聲器可分為三類：壓強式傳聲器，其膜片的一面感受聲壓；差
壓式傳聲器，其膜片的兩面均感受聲壓，引起膜片振動的力取決于膜片兩面壓差的大小；壓強和壓差組合式傳聲器。在噪聲測量中常用的壓強式傳聲器。
功率放大器的作用相當于揚聲器的音量調節器。音頻功率放大電路的作用主要是將信號處理器發送過來的信號功率放大，使其信號的功率達到設計要求。
此方案中的V/F轉換電路主要是由LM331構成的電壓/頻率轉換電路。LM331使用了新型溫度補償能隙基準電路，在規定工作溫度范圍內和4伏電源電壓下都有較高精度。LM331A可得到只有價格高的V/F轉換器才有的高水平精度—溫度。由LM331構成的電壓/頻率轉換電路，輸出的頻率信號變成TTL電平送給單片機的P3.4引腳，作為T0的計數脈沖。該轉換電路線性良好，抗干擾能力強，輸出頻率范圍在10—10000Hz以上，其變化比達103，優于普通8位并行A/D轉換器，有利于提高系統的測量范圍。
89C52單片機是本設計的核心部分。LM331直接與單片機定時/計數器連接，這種方式簡單。
本設計用的是1602LCD顯示屏來實現顯示，這個電路的實現部分比較簡單。
三、硬件電路具體設計
3.1 傳聲器
傳聲器（Microphone）又稱話筒，俗稱“麥克風”。傳聲器是將聲波轉換為相應電信號的傳感器。傳聲器包括聲波接收器和力-電換能器兩個部分。由聲音造成的空氣壓力使傳感器的振動膜振動，進而經變換器將此機械運動轉換成電參量的變化，是噪聲測量系統中的一個主要環節。
根據膜片感受聲壓的情況不同，傳聲器可分為三類：聲強式傳聲器，其膜片的一面感受聲壓；差壓式傳聲器，其膜片的兩面均感受聲壓，引起膜片振動的力取決于膜片兩面差壓的大小；壓強和差壓組合式傳聲器。在噪聲測量中常用的是壓強式傳聲器。
通信設備常用到的傳聲器類型一般是晶體式傳聲器。晶體式傳聲器又稱壓電式傳聲器，它是利用晶體的壓電效應制成的，化工材料酒石酸鉀鈉和鈦酸鋇晶體都有較強的壓電效應。當晶體的兩面受到壓力時，在兩面間出現正負電荷，產生某一方向的電動勢：當受到相反方向的應力時，晶體兩面則產生與受壓力相反的電荷和電動勢。當晶體受到交變聲波的作用時，便產生音頻電動勢。
晶體式傳聲器按結構的不同可分為膜片式和聲電池式兩種。膜片式傳聲器價格低廉、輸出電壓高，使用方便，考慮元器件的性價比和應用功能選用的是膜片式晶體傳聲器。
膜片式傳聲器實物外形如圖3-1所示。
圖3-1 傳聲器實物外形圖
3.2 信號放大器
LM386是美國國家半導體公司生產的音頻功率放大器，主要應用于低電壓消費類產品。為使外圍元件最少，電壓增益內置為20倍。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調為任意值，直至200。輸入端以地為參考，同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半，在6V電源電壓下，它的靜態功耗僅為24mW,使得LM386特別適用于電池供電的場合。
功率放大器的作用相當于揚聲器的音量調節器。音頻功率放大電路的作用主要是將信號處理器發送過來的信號功率放大，使其信號的功率達到設計要求。對該部分電路的要求是輸出功率大。在電路設計過程中進行對比，通過比較發現LM386集成電路使用簡單，基本沒有外圍器件，而且它還有體積小、電源范圍寬、外接元件少、電壓增益可調整、頻率響應好、輸出功率大、總諧波失真小等優點。因此選用LM386來組成音頻功率放大電路。LM386 被廣泛地應用在錄音機和收音機音頻放大、室內對講機、紅外線、超聲波、小型馬達驅動器等電路中。
LM386的引腳圖如圖3-2所示。
圖3-2 LM386引腳圖
LM386的特性有以下幾點：
（1） 靜態功耗低，約為4mA,可用于電池供電。
（2） 工作電壓范圍寬，4-12V 或5-18V。
（3） 外圍元件少。
（4） 電壓增益可調，20-200倍。
（5） 低失真度。
經過討論與分析后放大電路如圖3-3所示：
圖3-3 LM386構成的放大電路
3.3 交直流轉換電路的設計
交直流電路的設計可以轉換為濾波電路的設計，在該設計當中我們所需要的是電壓的變化，所以我們采用的峰值檢波，其具體設計如圖3-4所示
圖3-4 峰值檢波電路
該電路不僅完成了交直流電路的轉換，同時完成了濾波的作用。
3.4 電壓-頻率轉換電路的設計
電壓/頻率變換采用集成塊LM331，LM331是美國NS公司生產的性能價格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉換器、A/D轉換器、線性頻率調制解調、長時間積分器及其他相關器件。LM331采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內和低到4.0V電源電壓下都有極高的精度。LM331的動態范圍寬，可達100dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01％，工作頻率低到0.1Hz時尚有較好的線性；變換精度高，數字分辨率可達12位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉換精度。
電壓-頻率轉換電路部分的具體設計如圖3-5：
圖3-5 V/F電路
3.5 單片機系統的設計
3.5.1單片機的選擇
單片機自從問世以來，它一直是工業檢測、控制應用的主角，其中，MCS-51由于單片機應用系統具有體積小，可靠性高，功能強，價格低等特點，很容易形成產品而更受青睞。
89C51單片機為EPROM型，在實際電路中可以直接互換8051單片機或8751單片機，不但和8051單片機指令，管腳完全兼容，而且其片內的4K程序存儲器是FLASH工藝的。
STC89C52是由宏晶公司生產八位單片機。
它是一種低功耗高性能的具有8K字節可電氣燒
錄及可擦除的程序ROM的八位CMOS單片機。
該器件是用高密度、非易丟失存儲技術制造并且
與國際工業標準80C51單片機指令系統和引腳完
全兼容。
綜上所述，從使用方便與簡化電路以及其性
價比等角度來考慮，89C52比較合適的。本系統
采用CPU為89C52的單片機，89C52本身帶有
8K的內存儲器，可以在編程器上實現閃爍式的電圖3-6 89C52管腳圖
擦寫達幾萬次以上，比以往慣用的8031CPU外加EPROM為核心的單片機系統在硬件上具有更加簡單、方便等優點，而且完全兼容MCS-51系列單片機的所有功能。89C52管腳圖如圖3-6所示。下面介紹89C52的主要管腳功能如下：
VCC（40）：電源+5V；VSS（20）：接地；P0口（32-39）：雙向I/O口，既可作低8
位地址和8位數據總線使用，也可作普通I/O口；P3口（10-17）：多用途端口，既可作普通I/O口，也可按每位定義的第二功能操作；P2口（21-28）：既可作高8位地址總線，也可作普通I/O口；P1口（1-8）： 準雙向通用I/O口；RST（9）：復位信號輸入端；ALE/PROG：地址鎖存信號輸出端；PSEN：內外程序存儲器選擇線；XTAL1（19）和XTAL2（18）：外接石英晶體振蕩器。
我們給出了單片機的最小系統設計如圖3-7所示
圖3-7 單片機的最小系統
3.6顯示電路的設計
本設計中采用1602LCD（并行）顯示器顯示。LCD顯示器是單片機應用系統常用的輸出器件。
LCD的數據由單片機的P0～P7口輸入，進入LCD后按一定的規律顯示出來。LCD顯示電路的具體電路如圖3-8：
圖3-8 LCD顯示的具體電路
四、軟件系統設計
4.1頻率與聲壓級檢測算法
由于在電路中已檢測出頻率信號，只要經CPU換算就可以得到頻率的大小，計算公式如下
f=n/t
電路中的基準電壓V1相當于0DB，在此基礎上進行換算與校準就可以得到相應的db數，計算公式如下：
Lp=20lg(V/V1)
4.2程序系統框圖
在單片機系統的程序的設計開發中，單片機就如同整個系統的交通中樞，而程序就是組成交通中樞的條條大道，各個部分的模塊化的程序就是整個系統的組成成份。軟件編寫的好壞，語句運用的是否簡潔直接關系單片機的工作效率。在各個模塊化的程序中盡量用最少的語句作最多的事情，不讓語句出現歧義，這樣就可以使整個程序可以在系統中更好的運行，使單片機工作效率大大的提高。下面就對本次畢業設計的軟件部分作些介紹，如圖4-1所示為軟件總體流程圖。子程序包括：中斷服務程序的設計、查表子程序、顯示子程序、指示子程序。由于要實現很多功能，所以采用模塊化設計，下面就其主要部分分別分析。
中斷服務程序主要實現的功能是：T0中斷子程序是將電壓/頻率轉換器產生的頻率信號接入計數器的T0口，然后計數器開始計數，當計數到一定數目后，計數器就產生溢出中斷。
查表子程序將進入單片機的脈沖信號與實際要顯示值之間有一定的對應關系，經過軟件編程查表顯示所需要的值。
顯示子程序是將數據處理的結果送顯示器顯示。
指示子程序是對顯示結果范圍的一個指示。 本噪聲監測系統軟件總體流程圖如圖4-1所示。
圖4-1 單片機軟件系統方案框圖
4.3主程序
#include #include "lcd1602.h" #include "alldelay.h"
typedef unsigned char uchar; typedef unsigned char uint;
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// unsigned char welcome[]={"welcome!"}; unsigned char Show0[6]={"Noise:"}; unsigned char Show1[5]={"dB"};
unsigned int code Countnum[60]={ 11, 13, 15, 17, 19, 22, 24, 27, 31, 34, 39, 44, 49, 55, 62, 69, 78, 87, 98, 110, 123, 138, 155, 174, 195, 219, 246, 276, 309, 347, 390, 438, 491, 550, 618, 693, 778, 873, 979, 1099,
1233,1383,1552,1742,1954,2193,2460,2760,3097,3475, 3899,4375,4909,5508,6180,6934,7780,8729,9794,10989,};
unsigned char code dB[60][2]={"31","32","33","34","35","36","37","38","39","40", "41","42","43","44","45","46","47","48","49","50", "51","52","53","54","55","56","57","58","59","60", "61","62","63","64","65","66","67","68","69","70", "71","72","73","74","75","76","77","78","79","80", "81","82","83","84","85","86","87","88","89","90",};
//////////////////////////////////////////////////////全局變量///////////////////////////////////////////////////// uint count; uchar t;
//////////////////////////////////////////////////////函數聲明////////////////////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////////////////////主函數//////////////////////////////////////////////////////
void main(void) { uint m,n; uint i;
long_delay(10000); EA=0; ET1=0;
TMOD=0X15; TH0=0; TL0=0;
TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; lcd_init(); delay_ms(10); lcd_show_set(0x05); for(i=0; i
delay_ms(5); }
long_delay(30000); long_delay(30000); lcd_w_cmd(0x01); delay_ms(50);
lcd_show_set(0x00); delay_ms(50); for(i=0; i
lcd_show_set(0x4a); lcd_w_cmd(0x0d); delay_ms(50); for(i=0; i
ET1=1; EA=1; TR1=1; TR0=1; while(1) {
lcd_show_set(0x46); i=0;
if(count==0) continue;
while(count>Countnum[i]) {
i++; } m=i;
for(n=0; n
lcd_w_data(dB[m][n]); delay_ms(5); }
}
void Timer1() interrupt 3 {
TR1=0;
TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; t++;
if(t==20) {
t=0; TR0=0;
count=(TH0*256+TL0); TH0=0; TL0=0; TR0=1; } TR1=1; }
五安裝與調試
正確的調試系統才能使各模塊的電路正常工作，實現高精度，高穩定的顯示。
5.1調試設備
5.2調試步驟
1、用直觀法檢查電路焊接是否正確，元器件極性是否正確。插上芯片，接上電源，用電壓法檢查各芯片、各引腳電壓是否正常。
2、用數字萬用表測量各引腳之間連接時否正常，把其打到二極管檔位，用兩只筆分別接觸需要測量的引腳，如果萬用表發出聲音，則兩引腳連接正常；反之則不正常。
3、使用Keil uVison3編寫程序，通過單片機開發板將程序下載到STC89S52芯片上。
4、連接好各硬件電路，觀察各端口是否定義正確，LCD是否顯示正常。觀察程序是否正確運行工作，以及測量的結果和實際是否相符合。
參考文獻
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童詩白 華成英主編 模擬電子技術基礎 高等教育出版社 張國雄 主編 測控電路 機械工業出版社
段晨東 主編 單片機原理及接口技術 清華大學出版社 彭為 黃科 雷道仲 主編 單片機典型系統設計實例精講 電子
工業出版社 5、
雷伏容 張小林 主編 51單片機常用模塊設計查詢手冊 清華
大學出版社 6、
參考網站資料：
結論
系統采用51系列單片機為中心器件來設計噪音測量儀系統，實現了能實時監控測噪音的功能，系統設計簡單、實用性強、操作簡單。系統不足之處就是存在一些數據差異，可能是噪音的采樣電路的線性有些不良，引起數據出現一些差異等。
通過這次設計，使我得到了一次用專業知識、專業技能分析和解
決問題全面系統的鍛煉。使我在單片機的基本原理、單片機應用系統開發過程，以及在常用編程設計思路技巧的掌握都向前邁了一大步。由于使用的是單片機作為核心的控制元件，使得可靠性比較高，功能
也比較強大，而且可以隨時的更新系統，進行不同狀態的組合。但是功能的全面性還不夠強。
附錄1
總體電路圖
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