环境噪音测试仪的设计
测控专业综合课程设计
课 题 ： 环境噪声实时监测仪
院（系）： 计算机科学与信息工程学院
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日 期： 2011年12月28日
指导老师：
摘 要
噪声对人体健康有着严重的危害，因此减少噪声危害已成为当前一项重要的任务。环境噪声监测，是人类提高生活质量，加强环境保护的一个重要环节。
本文详细介绍了噪声监测系统的测量原理和系统组成，包括：噪声信号的转换、放大、V/F转换、数据采集和显示系统的设计。外界噪声信号通过传声器转换成音频信号，电信号经过放大和V/ F 变换输入到单片机进行处理，并转换成相应的噪声分贝值通过LED 显示，从而实现噪声的实时监测。
该系统具有实现简单，精确度高，可用于实际进行噪声的实时监测等特点。 关键词：传声器；运算放大器；V/F转换器；单片机；LCD
目录
摘 要 .................................................................................................................... 1
引言 ............................................................................................................................... 3
一、噪声相关资料 ....................................................................................................... 3
1.1噪声简介 .............................................................................................................. 3
1.2 声压级测量机理 ................................................................................................. 4
二、仪器整体方案设计 ............................................................................................... 5
2.1噪声监测系统任务分析 ...................................................................................... 5
2.2整体设计方案 ...................................................................................................... 5
三、硬件电路具体设计 ............................................................................................... 6
3.1 传声器 ................................................................................................................. 6
3.2 信号放大器 ......................................................................................................... 7
3.3 交直流转换电路的设计 ..................................................................................... 8
3.4 电压-频率转换电路的设计 ............................................................................... 8
3.5 单片机系统的设计 ............................................................................................. 9
3.5.1单片机的选择 ............................................................................................... 9
3.6显示电路的设计 ................................................................................................ 10
四、软件系统设计 ..................................................................................................... 11
4.1频率与声压级检测算法 .................................................................................... 11
4.2程序系统框图 .................................................................................................... 11
4.3主程序 ................................................................................................................ 12
五安装与调试 .......................................................................................................... 15
5.1调试设备 ........................................................................................................ 15
5.2调试步骤 ........................................................................................................ 15
参考文献 ..................................................................................................................... 16
结论 ............................................................................................................................. 16
附录1 .......................................................................................................................... 17
引言
噪声即噪音。是一类引起人烦躁、或音量过强而危害人体健康的声音。 噪声通常是指那些难听的，令人厌烦的声音。噪音的波形是杂乱无章的。从环境保护的角度看，凡是影响人们正常学习，工作和休息的声音凡是人们在某些场合“不需要的声音”，都统称为噪声。如机器的轰鸣声，各种交通工具的马达声、鸣笛声，人的嘈杂声及各种突发的声响等，均称为噪声。噪声污染属于感觉公害，它与人们的主观意愿有关，与人们的生活状态有关，因而它具有与其他公害不同的特点。
噪音污染主要来源于交通运输、车辆鸣笛、工业噪音、建筑施工、社会噪音如音乐厅、高音喇叭、早市和人的大声说话等。
环境噪声监测，是人类提高生活质量，加强环境保护的一个重要环节，在各大城市的繁华街区和居民区，已有大型环境噪声显示器竖立街头。但目前国内的便携式噪声测试仪，多为价格昂贵的进口专用设备，除卫生、计量等环保专业部门拥有外，无法作为民用品推广普及。本文介绍一种以89C52单片机为核心，采用V/F转换技术构成的低成本、便携式数字显示环境噪声测量仪。该仪器工作稳定、性能良好，经校验定标后能满足一般民用需要，可广泛应用于工矿企业、机关学校等需要对环境噪声进行测量和控制的场合。
一、噪声相关资料
1.1噪声简介
1．噪声概念
物理学定义：噪声是发生体做无规则时发出的声音。
生理学定义：凡是妨碍人们正常休息、学习和工作的声音，以及对人们要听的声音产生干扰的声音。
从这个意义上来说，噪声的来源很多。街道上的汽车声、安静的图书馆里的说话声、建筑工地的机器声、以及邻居电视机过大的声音，都是噪声。
2．噪声对人的危害
随着工业生产、交通运输、城市建筑的发展，以及人口密度的增加，家庭设施（音响、空调、电视机等）的增多，环境噪声日益严重，它已成为污染人类社会环境的一大公害。噪
声具有局部性、暂时性和多发性的特点。噪声不仅会影响听力，而且还对人的心血管系统、神经系统、内分泌系统产生不利影响，所以有人称噪声为“致人死命的慢性毒药”。噪声给人带来生理上和心理上的危害主要有以下几方面：
① 干扰休息和睡眠、影响工作效率：干扰休息和睡眠；使工作效率降低。
② 损伤听觉、视觉器官：强的噪声可以引起耳部的不适，如耳鸣、耳痛、听力损伤；噪声对视力的损害。
③ 对人体的生理影响：损害心血管；对女性生理机能的损害；噪声还可以引起如神经系统功能紊乱、精神障碍、内分泌紊乱甚至事故率升高。
3．人对不同声强的感觉
无法忍受：150dB~130dB
感到疼痛：130dB~110dB
很吵：110dB~70dB
较静：70dB~50dB
安静：50dB~30dB
极静：30dB~10dB
无声：0dB
1.2 声压级测量机理
人耳的听阈一般是20m Pa (微帕)，痛阈一般是200Pa（帕），其间相差107倍，这样宽广的声压范围很不易测量，而且人耳对声压的相对变化的分辨具有非线性特征。因此，声学中常用声压级LP来反映声压的变化，将声压P的声压级表示成
LP?20lg(P/P0)dB (1.13) 其中，基准量P0为20m Pa。当P= P0时，LP=0dB，而当P=200 Pa时，LP=140dB。
用声级计可以测量声压级，采用1kHz纯音输入0.2秒到0.25秒或0.5秒以上，即可得到真实声压级或平均声压级。考虑到人耳对不同频率的响度感觉，在噪声测量中，常取40方（phon）等响曲线的反曲线对声压级进行计权校正，即用A计权网络测得A声级，写成dB（A）。表1.1给出倍频带中心频率与A声级的校正量之间的关系。
表1.1 倍频带中心频率与A声级校正量的关系
二、仪器整体方案设计
2.1噪声监测系统任务分析
本设计的任务是要完成基于单片机的环境噪声监测仪的设计系统，它的主要是设计以单片机为核心、采用V/F转换技术的便携式环境噪声测量仪，实现环境噪声的实时测量和LED数字显示，给出噪声水平的大致指示。
基于本次任务，该设计方案由硬件和软件两部分组成。噪声测量仪的硬件电路系统，包括噪声信号的转换、放大、交直流转换与电压、频率转换电路以及单片机系统的硬件电路、LED显示电路等。软件部分主要是用单片机语言编程，实现对信号的采集、转换及显示。在遵循软硬件相结合的原则下，先进行硬件电路的计，再进行软件编程，进行模块化设计，并对各模块进行调试，最后进行软硬件联合调试和故障的排除。
2.2整体设计方案
按照系统设计功能的要求，初步确定控制系统包括硬件和软件系统两部分。其中硬件系统结构框图如图2-1所示。环境噪声经高灵敏度、无指向性驻极体传声器转换成电信号。放大电路由运放LM386构成，精心调整相关外围元件参数，可使其输出幅频特性满足测量要求的电压信号。通过V/F转换器后，输出频率信号变为TTL电平送给单片机的P3.4引脚，经软件处理后，噪声声压级显示值由P1口输出，由LCD动态显示。
噪声
图2-1 噪声监测仪硬件结构框图
传声器是将声波信号转换成电信号的传感器，是噪声测量系统中的一个主要环节。根据膜片感受声压的情况不同，传声器可分为三类：压强式传声器，其膜片的一面感受声压；差
压式传声器，其膜片的两面均感受声压，引起膜片振动的力取决于膜片两面压差的大小；压强和压差组合式传声器。在噪声测量中常用的压强式传声器。
功率放大器的作用相当于扬声器的音量调节器。音频功率放大电路的作用主要是将信号处理器发送过来的信号功率放大，使其信号的功率达到设计要求。
此方案中的V/F转换电路主要是由LM331构成的电压/频率转换电路。LM331使用了新型温度补偿能隙基准电路，在规定工作温度范围内和4伏电源电压下都有较高精度。LM331A可得到只有价格高的V/F转换器才有的高水平精度—温度。由LM331构成的电压/频率转换电路，输出的频率信号变成TTL电平送给单片机的P3.4引脚，作为T0的计数脉冲。该转换电路线性良好，抗干扰能力强，输出频率范围在10—10000Hz以上，其变化比达103，优于普通8位并行A/D转换器，有利于提高系统的测量范围。
89C52单片机是本设计的核心部分。LM331直接与单片机定时/计数器连接，这种方式简单。
本设计用的是1602LCD显示屏来实现显示，这个电路的实现部分比较简单。
三、硬件电路具体设计
3.1 传声器
传声器（Microphone）又称话筒，俗称“麦克风”。传声器是将声波转换为相应电信号的传感器。传声器包括声波接收器和力-电换能器两个部分。由声音造成的空气压力使传感器的'振动膜振动，进而经变换器将此机械运动转换成电参量的变化，是噪声测量系统中的一个主要环节。
根据膜片感受声压的情况不同，传声器可分为三类：声强式传声器，其膜片的一面感受声压；差压式传声器，其膜片的两面均感受声压，引起膜片振动的力取决于膜片两面差压的大小；压强和差压组合式传声器。在噪声测量中常用的是压强式传声器。
通信设备常用到的传声器类型一般是晶体式传声器。晶体式传声器又称压电式传声器，它是利用晶体的压电效应制成的，化工材料酒石酸钾钠和钛酸钡晶体都有较强的压电效应。当晶体的两面受到压力时，在两面间出现正负电荷，产生某一方向的电动势：当受到相反方向的应力时，晶体两面则产生与受压力相反的电荷和电动势。当晶体受到交变声波的作用时，便产生音频电动势。
晶体式传声器按结构的不同可分为膜片式和声电池式两种。膜片式传声器价格低廉、输出电压高，使用方便，考虑元器件的性价比和应用功能选用的是膜片式晶体传声器。
膜片式传声器实物外形如图3-1所示。
图3-1 传声器实物外形图
3.2 信号放大器
LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20倍。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地为参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。
功率放大器的作用相当于扬声器的音量调节器。音频功率放大电路的作用主要是将信号处理器发送过来的信号功率放大，使其信号的功率达到设计要求。对该部分电路的要求是输出功率大。在电路设计过程中进行对比，通过比较发现LM386集成电路使用简单，基本没有外围器件，而且它还有体积小、电源范围宽、外接元件少、电压增益可调整、频率响应好、输出功率大、总谐波失真小等优点。因此选用LM386来组成音频功率放大电路。LM386 被广泛地应用在录音机和收音机音频放大、室內对讲机、红外线、超声波、小型马达驱动器等电路中。
LM386的引脚图如图3-2所示。
图3-2 LM386引脚图
LM386的特性有以下几点：
（1） 静态功耗低，约为4mA,可用于电池供电。
（2） 工作电压范围宽，4-12V 或5-18V。
（3） 外围元件少。
（4） 电压增益可调，20-200倍。
（5） 低失真度。
经过讨论与分析后放大电路如图3-3所示：
图3-3 LM386构成的放大电路
3.3 交直流转换电路的设计
交直流电路的设计可以转换为滤波电路的设计，在该设计当中我们所需要的是电压的变化，所以我们采用的峰值检波，其具体设计如图3-4所示
图3-4 峰值检波电路
该电路不仅完成了交直流电路的转换，同时完成了滤波的作用。
3.4 电压-频率转换电路的设计
电压/频率变换采用集成块LM331，LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01％，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。
电压-频率转换电路部分的具体设计如图3-5：
图3-5 V/F电路
3.5 单片机系统的设计
3.5.1单片机的选择
单片机自从问世以来，它一直是工业检测、控制应用的主角，其中，MCS-51由于单片机应用系统具有体积小，可靠性高，功能强，价格低等特点，很容易形成产品而更受青睐。
89C51单片机为EPROM型，在实际电路中可以直接互换8051单片机或8751单片机，不但和8051单片机指令，管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的。
STC89C52是由宏晶公司生产八位单片机。
它是一种低功耗高性能的具有8K字节可电气烧
录及可擦除的程序ROM的八位CMOS单片机。
该器件是用高密度、非易丢失存储技术制造并且
与国际工业标准80C51单片机指令系统和引脚完
全兼容。
综上所述，从使用方便与简化电路以及其性
价比等角度来考虑，89C52比较合适的。本系统
采用CPU为89C52的单片机，89C52本身带有
8K的内存储器，可以在编程器上实现闪烁式的电图3-6 89C52管脚图
擦写达几万次以上，比以往惯用的8031CPU外加EPROM为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单、方便等优点，而且完全兼容MCS-51系列单片机的所有功能。89C52管脚图如图3-6所示。下面介绍89C52的主要管脚功能如下：
VCC（40）：电源+5V；VSS（20）：接地；P0口（32-39）：双向I/O口，既可作低8
位地址和8位数据总线使用，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，也可按每位定义的第二功能操作；P2口（21-28）：既可作高8位地址总线，也可作普通I/O口；P1口（1-8）： 准双向通用I/O口；RST（9）：复位信号输入端；ALE/PROG：地址锁存信号输出端；PSEN：内外程序存储器选择线；XTAL1（19）和XTAL2（18）：外接石英晶体振荡器。
我们给出了单片机的最小系统设计如图3-7所示
图3-7 单片机的最小系统
3.6显示电路的设计
本设计中采用1602LCD（并行）显示器显示。LCD显示器是单片机应用系统常用的输出器件。
LCD的数据由单片机的P0～P7口输入，进入LCD后按一定的规律显示出来。LCD显示电路的具体电路如图3-8：
图3-8 LCD显示的具体电路
四、软件系统设计
4.1频率与声压级检测算法
由于在电路中已检测出频率信号，只要经CPU换算就可以得到频率的大小，计算公式如下
f=n/t
电路中的基准电压V1相当于0DB，在此基础上进行换算与校准就可以得到相应的db数，计算公式如下：
Lp=20lg(V/V1)
4.2程序系统框图
在单片机系统的程序的设计开发中，单片机就如同整个系统的交通中枢，而程序就是组成交通中枢的条条大道，各个部分的模块化的程序就是整个系统的组成成份。软件编写的好坏，语句运用的是否简洁直接关系单片机的工作效率。在各个模块化的程序中尽量用最少的语句作最多的事情，不让语句出现歧义，这样就可以使整个程序可以在系统中更好的运行，使单片机工作效率大大的提高。下面就对本次毕业设计的软件部分作些介绍，如图4-1所示为软件总体流程图。子程序包括：中断服务程序的设计、查表子程序、显示子程序、指示子程序。由于要实现很多功能，所以采用模块化设计，下面就其主要部分分别分析。
中断服务程序主要实现的功能是：T0中断子程序是将电压/频率转换器产生的频率信号接入计数器的T0口，然后计数器开始计数，当计数到一定数目后，计数器就产生溢出中断。
查表子程序将进入单片机的脉冲信号与实际要显示值之间有一定的对应关系，经过软件编程查表显示所需要的值。
显示子程序是将数据处理的结果送显示器显示。
指示子程序是对显示结果范围的一个指示。 本噪声监测系统软件总体流程图如图4-1所示。
图4-1 单片机软件系统方案框图
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",};
//////////////////////////////////////////////////////全局变量///////////////////////////////////////////////////// uint count; uchar t;
//////////////////////////////////////////////////////函数声明////////////////////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////////////////////主函数//////////////////////////////////////////////////////
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; }
五安装与调试
正确的调试系统才能使各模块的电路正常工作，实现高精度，高稳定的显示。
5.1调试设备
5.2调试步骤
1、用直观法检查电路焊接是否正确，元器件极性是否正确。插上芯片，接上电源，用电压法检查各芯片、各引脚电压是否正常。
2、用数字万用表测量各引脚之间连接时否正常，把其打到二极管档位，用两只笔分别接触需要测量的引脚，如果万用表发出声音，则两引脚连接正常；反之则不正常。
3、使用Keil uVison3编写程序，通过单片机开发板将程序下载到STC89S52芯片上。
4、连接好各硬件电路，观察各端口是否定义正确，LCD是否显示正常。观察程序是否正确运行工作，以及测量的结果和实际是否相符合。
参考文献
1、 2、 3、 4、
童诗白 华成英主编 模拟电子技术基础 高等教育出版社 张国雄 主编 测控电路 机械工业出版社
段晨东 主编 单片机原理及接口技术 清华大学出版社 彭为 黄科 雷道仲 主编 单片机典型系统设计实例精讲 电子
工业出版社 5、
雷伏容 张小林 主编 51单片机常用模块设计查询手册 清华
大学出版社 6、
参考网站资料：
结论
系统采用51系列单片机为中心器件来设计噪音测量仪系统，实现了能实时监控测噪音的功能，系统设计简单、实用性强、操作简单。系统不足之处就是存在一些数据差异，可能是噪音的采样电路的线性有些不良，引起数据出现一些差异等。
通过这次设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解
决问题全面系统的锻炼。使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧的掌握都向前迈了一大步。由于使用的是单片机作为核心的控制元件，使得可靠性比较高，功能
也比较强大，而且可以随时的更新系统，进行不同状态的组合。但是功能的全面性还不够强。
附录1
总体电路图
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