基于單片機(jī)的環(huán)境噪聲測(cè)量?jī)x

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于單片機(jī)的環(huán)境噪聲測(cè)量?jī)x摘要：本噪聲測(cè)試儀采用了AT89S51單片機(jī)為判別顯示核心，由電容駐極式無指向性MIC 將噪音聲波轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后,通過由AD637為主要元器件組成的交直轉(zhuǎn)化電路，將交流轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)直流，然后進(jìn)入由運(yùn)放OP07組成的運(yùn)放電路進(jìn)行信號(hào)放大。然后將放大后的信號(hào)送入由ADC0804組成的譯碼電路，產(chǎn)生譯碼信號(hào)。最后將譯碼信號(hào)輸出到由AT89C51單片機(jī)與數(shù)碼管組成的判別顯示電路，最終將采集到的噪聲信號(hào)量化輸出到數(shù)碼管進(jìn)行顯示。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。關(guān)鍵詞：噪聲計(jì)，噪聲信號(hào)，AT89C51，雙極性運(yùn)算放大器， 數(shù)碼管Abstract：This ps

2、ophometer figured the microcontroller AT89S51 as a hardcore of discrimination and display. First, the sound waves were converted to alternating voltage signals through the electret capacitor and noise-free point of MIC. Then the alternating signals went through the AC/DC switching circuit which chie

3、fly consisted of AD637.The alternating current was converted into the pulsating direct current. The pulsating direct current went into the operational circuit which chiefly consisted of the dual operating amplifier OP07 to be amplified. The amplified signals went into the decoding circuit which chie

4、fly consisted of ADC0804, generating the decode signals. Finally ,the collected noisy signals quantified was sent to The circuit of discrimination and display chiefly consisting of the microcontroller AT89C51 and the nixie display indicator to display, realizing the real-time measurement of the nois

5、y signals. At the same time, the experiment proved that the instrument works well and achieved the expected design objective.Key words: psophometer, noisy signals,AT89S51, dual operating amplifier, nixie display indicator. 目 錄第一章 原理分析和說明··········

6、83;····················1第二章 方案設(shè)計(jì)與論證···························

7、83;···2第三章 電路設(shè)計(jì)·····································53.1 噪聲信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)·····

8、83;························53.2 交直流轉(zhuǎn)化電路設(shè)計(jì)·······················&

9、#183;········63.2 放大電路設(shè)計(jì)·····································6 3.4 單片機(jī)控制電路設(shè)

10、計(jì)·······························7 3.5 顯示輸出電路設(shè)計(jì)················

11、83;················8 3.6 整機(jī)電路以及軟件設(shè)計(jì)的流程圖·······················9第四章 測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果·····

12、;······················9 4.1 測(cè)試儀器··························&

13、#183;············10 4.2 測(cè)試方法···································&#

14、183;··104.3 測(cè)試結(jié)果······································114.4 結(jié)果分析······

15、································11第五章 總結(jié)················

16、3;·······················12參考文獻(xiàn)·························

17、3;···················13附錄I 噪聲測(cè)量?jī)x軟件程序清單·······················14附錄II PCB圖···

18、····································19附錄III 噪聲測(cè)量?jī)x元器件清單···········

19、··············20一 原理分析和說明噪聲測(cè)量?jī)x的基本工作原理是：由傳聲器將聲音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由前置放大器變換阻抗，使傳聲器與衰減器匹配。放大器將輸出信號(hào)加到計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率計(jì)權(quán) ( 或外接濾波器 ) ，然后再經(jīng)衰減器及放大器將信號(hào)放大到一定的幅值，送到有效值檢波器 ( 或外按電平記錄儀 ) ，在指示器上給出噪聲聲級(jí)的數(shù)值。是一種電子儀器，但又不同于電壓表等客觀電子儀表。由于人耳的聽閾一般是20mPa(微帕)，痛閾一般是200Pa(帕

20、)，其間相差107倍，這樣寬廣的聲壓范圍很不容易測(cè)量，而且人耳對(duì)聲壓的變化的分辨具有非線性特征。因此，聲學(xué)中常用聲壓級(jí)LP來反映聲壓的變化，將聲壓p的聲壓級(jí)表示成： LP=20lg(p/p0)dB (1) 其中，基準(zhǔn)量p0為20mPa。當(dāng)p=p0時(shí)，Lp=0dB，而當(dāng)p=200Pa時(shí)，LP=140Db。噪聲測(cè)量?jī)x測(cè)量聲壓時(shí)，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(shí)聲壓級(jí)或平均聲壓級(jí)?？紤]到人耳對(duì)不同頻率的響度感覺，在測(cè)量噪聲中，常取40方（phon）等響曲線的反曲線對(duì)聲壓級(jí)進(jìn)行計(jì)權(quán)校正，即用A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)測(cè)得A聲級(jí)，寫成dB(A)。表1給出了倍頻帶中心頻率與A聲級(jí)的校正

21、量之間的關(guān)系。在把聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)時(shí)，可以模擬人耳對(duì)聲波反應(yīng)速度的時(shí)間特性；對(duì)高低頻有不同靈敏度的頻率特性以及不同響度時(shí)改變頻率特性的強(qiáng)度特性。因此，聲級(jí)計(jì)是一種主觀性的電子儀器。表 1倍頻帶中心頻率與A聲級(jí)校正量的關(guān)系倍頻帶中心頻率（Hz）31.5631252505001 K2K4K8K16KA聲級(jí)校正量(dB)-39.4-26.2-16.1-8.6-3.20.01.21.0-1.1-6.6二 方案設(shè)計(jì)與論證方案1：本噪聲測(cè)量?jī)x采用了AT89S51單片機(jī)為判別顯示核心，由電容駐極式無指向性MIC 將噪音聲波轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后,通過由AD637為主要元器件組成的交直轉(zhuǎn)化電路，將交流轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)直

22、流，然后進(jìn)入由運(yùn)放LM324組成的運(yùn)放電路進(jìn)行信號(hào)放大，放大倍數(shù)大約為600倍。然后將放大后的信號(hào)送入由ADC0804組成的譯碼電路，產(chǎn)生譯碼信號(hào)。最后將譯碼信號(hào)輸出到由AT89C51單片機(jī)與數(shù)碼管組成的判別顯示電路，最終將采集到的噪聲信號(hào)量化輸出到數(shù)碼管進(jìn)行顯示。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這種方案系統(tǒng)規(guī)模小、穩(wěn)定度低，放大信號(hào)采集難以達(dá)到理想結(jié)果。顯示輸出 (AT89C51,數(shù)碼管)譯碼電路(ADC0804)交直轉(zhuǎn)化電路(AD637)噪聲信號(hào)采集（MIC）運(yùn)算放大電路(LM324)圖一 方案1-噪聲測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)組成框圖方案2：本噪聲測(cè)量?jī)x主要由傳聲器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊及人機(jī)界面等

23、組成傳聲器將噪聲轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊按人耳在高低頻具有不同靈敏度的特性進(jìn)行頻率計(jì)權(quán)、對(duì)數(shù)檢波（集成交直流轉(zhuǎn)換器AD637），其后送入數(shù)據(jù)采集處理模塊（單片雙積分AD轉(zhuǎn)換器ICL713）實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換、時(shí)間計(jì)權(quán)（電容濾波器MAX7490）。微處理器根據(jù)鍵盤設(shè)置的功能運(yùn)行相應(yīng)的程序模塊，將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示，RS232接口可以與上位機(jī)、打印機(jī)或其他記錄、分析設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信這種方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜測(cè)量與控制;缺點(diǎn)是硬件電路復(fù)雜，在高頻情況下易產(chǎn)生干擾。采集聲信號(hào)（傳聲器）信號(hào)調(diào)理模塊（放大電路、頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)、對(duì)數(shù)檢波）人機(jī)界面（LCD顯示、鍵盤）數(shù)據(jù)采集處理模塊（串口通信、存儲(chǔ)

24、器、AD轉(zhuǎn)化）圖二 方案2-噪聲測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)組成框圖方案3: 本噪聲測(cè)量?jī)x采用高靈敏度、無指向性駐極體傳聲器將環(huán)境噪聲傳換為電信號(hào)。然后再經(jīng)由運(yùn)放LM324構(gòu)成的三級(jí)放大電路，再通過由LM331組成的電壓頻率轉(zhuǎn)換電路，輸出的頻率信號(hào)變成TTL電平送給單片機(jī)作為計(jì)數(shù)脈沖。經(jīng)單片機(jī)處理噪聲聲壓量化數(shù)值由74LS248譯碼驅(qū)動(dòng)的兩位高亮度LED數(shù)碼管顯示，這樣噪聲聲壓級(jí)被實(shí)時(shí)測(cè)量出了。這種方案電路系統(tǒng)規(guī)模小，有一定靈活性，但不適宜測(cè)量高速信號(hào)或復(fù)雜信號(hào)，難以達(dá)到題目要求。傳感器采集噪聲單片機(jī)AT89C51信號(hào)放大(LM324)譯碼器(74LS248)V/F部分(LM331)顯示輸出(LED)定時(shí)器圖三

25、 方案3-噪聲測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)組成框圖方案4：本噪聲測(cè)量?jī)x采用高靈敏度、無指向性駐極體傳聲器將環(huán)境噪聲傳換為電信號(hào)，完成數(shù)據(jù)采集。采用高精度儀表放大器AD620作為數(shù)據(jù)采集的接口，對(duì)轉(zhuǎn)化的電信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)一部分通過單片機(jī)控制的選通信號(hào)開關(guān)CC4051。另一部分通過雙路通用開關(guān)電容濾波器MAX7490進(jìn)行濾波，然后通過交直轉(zhuǎn)化器AD637進(jìn)行交直轉(zhuǎn)化，將轉(zhuǎn)化得到的直流輸入低噪聲單運(yùn)放OP07，然后再通過AD轉(zhuǎn)化器ADC0804，將得到的數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)，最后通過與單片機(jī)輸出端相接的譯碼顯示電路輸出顯示。本方案兼顧了前幾種方案的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)規(guī)模小，結(jié)構(gòu)緊湊，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜測(cè)量與控制。信號(hào)放大器（

26、AD620）交直轉(zhuǎn)化器（AD637）選通信號(hào)開關(guān)（CC4051）噪聲傳感器（MIC）穩(wěn)壓模塊（MC1403）雙路通用開關(guān)電容濾波器（MAX7490）AD轉(zhuǎn)化器（ADC0804）低噪聲單運(yùn)算放大器（OP07）單片機(jī)顯示電路（譯碼器、數(shù)碼管）圖四 方案4-噪聲測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)組成框圖方案確定：綜合以上四種方案的優(yōu)缺點(diǎn)以及題目的基本要求和發(fā)揮要求，我們選用第四種方案。三 電路設(shè)計(jì)3.1噪聲信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)：采用高靈敏度、無指向性駐極體傳聲器將環(huán)境噪聲傳換為電信號(hào)，傳送到三放大運(yùn)算器AD620完成 數(shù)據(jù)采集。根據(jù)檢測(cè)的噪聲分貝以及噪聲分貝與輸出電壓的關(guān)系式可以確定輸出電壓信號(hào)的范圍：u(t)=P(t)*S(

27、1) 式中：s傳聲器的靈敏度；p(t)為被測(cè)瞬時(shí)聲壓：根據(jù)聲壓級(jí)計(jì)算公式為L(zhǎng)。=20*lg(PPo) (2)式中：P0為基準(zhǔn)聲壓；P為被測(cè)聲壓假設(shè)傳感器的靈敏度為50mV/Pa，則可以確定輸出的電壓有有效值的范圍，大約為1.8uV10mV。圖五 噪聲信號(hào)采集電路原理圖3.2交直流轉(zhuǎn)化電路設(shè)計(jì)：采用高性能真有效值轉(zhuǎn)化芯片AD637，將交流轉(zhuǎn)化為直流。其中MC1403是低壓基準(zhǔn)芯片，為系統(tǒng)中AD637等芯片提供精準(zhǔn)基準(zhǔn)電壓。通過AD637將大范圍的電壓信號(hào)計(jì)算成dB形式的電壓后輸出。利用對(duì)數(shù)關(guān)系進(jìn)行真有效值的交直流轉(zhuǎn)換。根據(jù)芯片說明，對(duì)芯片的輸出進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)輸出分辨率為100mV/dB。然后調(diào)節(jié)

28、基準(zhǔn)的0dB輸出時(shí)的輸入電壓和R1，使輸入大于1.1V時(shí)，就可以保證輸出電壓不會(huì)超限。這里可以取輸入為2V時(shí)，輸出為0dB。此時(shí)電壓輸出范圍為-4.6V9.6V左右。采用15V電壓供電，輸入的電壓范圍能夠保證在10mV7V之間。圖六 交直流轉(zhuǎn)化電路原理圖3.3放大電路設(shè)計(jì)：主要采用低噪聲單運(yùn)放OP07構(gòu)成的放大電路進(jìn)行信號(hào)放大。其中OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為+2nA）和開環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。零點(diǎn)電流輸入時(shí)，輸入電壓為：4.25×25=(2.5

29、×100)(225+100)，結(jié)果：106.25=10*，誤差：0.0014。滿度電流輸入時(shí)的滿度輸出電壓：(20.5×25-10*)×(1 1.311+1)=4999.09，誤差：0.00018。 圖七 放大電路原理圖3.4單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì):采用由AT89C51單片機(jī)與AD轉(zhuǎn)化器ADC0804組成的數(shù)模信號(hào)轉(zhuǎn)化與控制電路。為了調(diào)試方便，在Vin輸入端使用一個(gè)電位器（可調(diào)電阻）。在單片機(jī)讀操作過程中，ADC0804會(huì)在 信號(hào)的作用下把轉(zhuǎn)換完成的信號(hào)傳送到總線，如果使用“MOVX”指令可以是任意的地址值。ADC0804的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘是一個(gè)RC振蕩器，振蕩頻率f1

30、/1.。其中100kHZf1460 kHZ，推薦值為R10 k，C150pF。時(shí)鐘決定ADC0804的運(yùn)行速度，時(shí)鐘f值高時(shí)，A/D運(yùn)行速度快，但精度會(huì)有所下降，時(shí)鐘f值低時(shí)，A/D運(yùn)行速度慢，但精度會(huì)高一些。在f640K時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間是100us。圖八 單片機(jī)控制電路原理圖3.5顯示輸出電路設(shè)計(jì)：主要采用由數(shù)碼管組成的輸出顯示電路。圖九 顯示輸出電路原理圖3.6整機(jī)電路以及軟件設(shè)計(jì)的流程圖：圖十 整機(jī)電路圖開始復(fù)位LCD顯示解碼后數(shù)據(jù)由P0輸入P1端掃描P1數(shù)據(jù)解碼圖十一 軟件設(shè)計(jì)流程圖四 測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試儀器：表二 測(cè)試儀器列表儀器名稱型號(hào)規(guī)格頻率計(jì)SAMPO CN3165

31、示波器Hitachi V-1060交流有效值測(cè)試表HP34401函數(shù)信號(hào)發(fā)生器計(jì)數(shù)器EE1641B單片機(jī)仿真器ICE164.2測(cè)試方法：(A) 部分功能測(cè)試: AD637具有電平或dB輸出功能。計(jì)算dB的內(nèi)部電路量程為60Db。調(diào)節(jié)Rt建立0dB電平。外接的運(yùn)算放大器用于dB的滿量程校準(zhǔn)以及補(bǔ)償dB電路的+0.33%的溫度漂移。dB輸出校準(zhǔn)步驟如下： (1)使Vin=1.00V直流電壓或1.00V有效值電壓。(2) 調(diào)節(jié)Ri,使dB輸出為0.00V。(3)使Vin=0.10V(4)調(diào)節(jié)R2，使dB輸出端電壓為-2.00V，在這里，選1V為基準(zhǔn)電壓。事實(shí)上，對(duì)任何選定的dB基準(zhǔn)電壓值，都可按上述

32、步驟調(diào)Rin和R1來校準(zhǔn)。(B) 整機(jī)調(diào)試：主要任務(wù)是檢測(cè)算法及校正數(shù)值。系統(tǒng)總裝完成后，數(shù)碼管根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)噪聲聲壓大小顯示當(dāng)前分貝值。這些參數(shù)與實(shí)際要求數(shù)據(jù)相比較，存在誤差。調(diào)整轉(zhuǎn)化程序中的參數(shù)，固定基本消除，但存在非線性誤差。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，確定非線性校正數(shù)據(jù)，調(diào)整有關(guān)程序和電路。4.3.測(cè)試結(jié)果：我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅完成了題目的基本功能、基本指標(biāo)，而且有很大發(fā)揮。表三 測(cè)試結(jié)果基本要求發(fā)揮部分實(shí)際性能能測(cè)量固定聲源的分貝值，測(cè)量范圍達(dá)到4070dB測(cè)量范圍達(dá)到40100dB實(shí)現(xiàn)分辨率：0.5dB提高測(cè)量分辨率為0.1dB實(shí)現(xiàn)頻率范圍：3008000Hz 實(shí)現(xiàn)具有顯示噪聲分貝值的功能實(shí)現(xiàn)

33、有超限報(bào)警功能，并且報(bào)警值可以設(shè)定實(shí)現(xiàn)具有分段測(cè)試功能，低分貝測(cè)試段和高分貝測(cè)試段實(shí)現(xiàn)其他：增加抗干擾措施；合理布線，減少線間干擾；特別注重對(duì)信號(hào)線、地線的處理；每個(gè)芯片都加退耦電容實(shí)現(xiàn)4.4結(jié)果分析:（1）頻率誤差來源：噪聲采集傳感器及其電路靈敏度不夠，精度不高。運(yùn)算放大器穩(wěn)定度不夠，電壓信號(hào)的微小振蕩使輸出和設(shè)定值之間存在誤差，這是頻率誤差的主要來源。（2）幅值誤差來源：ADC0804為一只具有208位CMOS 連續(xù)近似的A/D 轉(zhuǎn)換器，滿量程為5V的量化誤差為±（12）×（128）×5V±10mV。按滿度歸一化的相對(duì)誤差為±（12）

34、15;（128）=±0.2%。RCE838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)由于電路板本身尺寸大小質(zhì)量的限制，影響了整個(gè)電路的布局和走線，從而引入了一定的噪聲和干擾。五 總結(jié)本系統(tǒng)以AT89C51芯片為控制顯示核心部件，根據(jù)非電量轉(zhuǎn)化為電量測(cè)試原理，數(shù)模轉(zhuǎn)換，交直轉(zhuǎn)換技術(shù)及單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示等知識(shí)，通過軟件仿真實(shí)現(xiàn)了基本要求功能，和發(fā)揮部分功能。在系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中，我們力求在保證實(shí)現(xiàn)功能的前提下，力求硬件線路簡(jiǎn)單，充分發(fā)揮軟件編程方法靈活的特點(diǎn)，并最大限度挖掘單片機(jī)內(nèi)資源，來滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。因比賽時(shí)間限制，該系統(tǒng)還

35、有很多值得改進(jìn)的地方：例如可采用可編程邏輯器件來代替邏輯功能固定的中小規(guī)模集成塊、采用高精度電位器對(duì)運(yùn)放進(jìn)行調(diào)零、使數(shù)學(xué)模型精確化以及線性組合電壓波形的實(shí)行算法進(jìn)一步完善。參考文獻(xiàn) 張友德，等.單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn).上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2006. 王質(zhì)樸，等.MCS-51單片機(jī)原理接口及應(yīng)用.北京：北京理工大學(xué)出版社，2009. 易克初.語音信號(hào)處理.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000. 胡廣書，數(shù)字信號(hào)處理：理論算法與實(shí)現(xiàn).北京：清華大學(xué)出版社，1997. 高成，張棟，王香芬.最新集成電路測(cè)試技術(shù).北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009:11-40. 張大彪.電子測(cè)量技術(shù)與儀器.北京：電子工業(yè)出

36、版社，2008. 肖景和.集成運(yùn)算放大器應(yīng)用精粹.北京:人民郵電出版社，2006.8 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組織委員會(huì).全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編（2007）.北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.9 鄒逢興.集成模擬電子技術(shù).電子工業(yè)出版社，2005.10 黃正謹(jǐn).電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題解析.南京：東南大學(xué)出版社，2003.附錄I 噪聲測(cè)量?jī)x軟件程序清單#include<reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/sbit E=P27;sbit RW=P26;sbit RS=P25;uchar p(in

37、t i) uchar t6;int sum,shu,t1,t2;shu=P1;t1=shu/16;t2=shu%16;sum=32*t1+2*t2;if(sum/100+48)=48) t0=' ' else t0=sum/100+48;t1=(sum%100)/10+48;t2='.'t3=sum%10+48;t4='d't5='B'return(ti); void reset (void) (void (code *) (void) 0x0000) (); /* 名稱 : delay()* 功能 : 延時(shí),延時(shí)時(shí)間大概為140us.* 輸入 : 無* 輸出 : 無*/void delay()int i,j;for(i=0;