基于單片機的環(huán)境噪聲測量儀

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于單片機的環(huán)境噪聲測量儀摘要：本噪聲測試儀采用了AT89S51單片機為判別顯示核心，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)化為脈動直流，然后進入由運放OP07組成的運放電路進行信號放大。然后將放大后的信號送入由ADC0804組成的譯碼電路，產(chǎn)生譯碼信號。最后將譯碼信號輸出到由AT89C51單片機與數(shù)碼管組成的判別顯示電路，最終將采集到的噪聲信號量化輸出到數(shù)碼管進行顯示。從而實現(xiàn)對噪聲的實時監(jiān)測。關(guān)鍵詞：噪聲計，噪聲信號，AT89C51，雙極性運算放大器， 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)計與論證···························

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

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

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

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

11、83;················8 3.6 整機電路以及軟件設(shè)計的流程圖·······················9第四章 測試方法與測試結(jié)果·····

12、;······················9 4.1 測試儀器··························&

13、#183;············10 4.2 測試方法···································&#

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

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

16、3;·······················12參考文獻·························

17、3;···················13附錄I 噪聲測量儀軟件程序清單·······················14附錄II PCB圖···

18、····································19附錄III 噪聲測量儀元器件清單···········

19、··············20一 原理分析和說明噪聲測量儀的基本工作原理是：由傳聲器將聲音轉(zhuǎn)換成電信號，再由前置放大器變換阻抗，使傳聲器與衰減器匹配。放大器將輸出信號加到計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，對信號進行頻率計權(quán) ( 或外接濾波器 ) ，然后再經(jīng)衰減器及放大器將信號放大到一定的幅值，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量，而且人耳對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) 其中，基準(zhǔn)量p0為20mPa。當(dāng)p=p0時，Lp=0dB，而當(dāng)p=200Pa時，LP=140Db。噪聲測量儀測量聲壓時，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?？紤]到人耳對不同頻率的響度感覺，在測量噪聲中，常取40方（phon）等響曲線的反曲線對聲壓級進行計權(quán)校正，即用A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)測得A聲級，寫成dB(A)。表1給出了倍頻帶中心頻率與A聲級的校正

21、量之間的關(guān)系。在把聲信號轉(zhuǎn)換成電信號時，可以模擬人耳對聲波反應(yīng)速度的時間特性；對高低頻有不同靈敏度的頻率特性以及不同響度時改變頻率特性的強度特性。因此，聲級計是一種主觀性的電子儀器。表 1倍頻帶中心頻率與A聲級校正量的關(guān)系倍頻帶中心頻率（Hz）31.5631252505001 K2K4K8K16KA聲級校正量(dB)-39.4-26.2-16.1-8.6-3.20.01.21.0-1.1-6.6二 方案設(shè)計與論證方案1：本噪聲測量儀采用了AT89S51單片機為判別顯示核心，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)化為脈動直

22、流，然后進入由運放LM324組成的運放電路進行信號放大，放大倍數(shù)大約為600倍。然后將放大后的信號送入由ADC0804組成的譯碼電路，產(chǎn)生譯碼信號。最后將譯碼信號輸出到由AT89C51單片機與數(shù)碼管組成的判別顯示電路，最終將采集到的噪聲信號量化輸出到數(shù)碼管進行顯示。從而實現(xiàn)對噪聲的實時監(jiān)測。這種方案系統(tǒng)規(guī)模小、穩(wěn)定度低，放大信號采集難以達到理想結(jié)果。顯示輸出 (AT89C51,數(shù)碼管)譯碼電路(ADC0804)交直轉(zhuǎn)化電路(AD637)噪聲信號采集（MIC）運算放大電路(LM324)圖一 方案1-噪聲測量儀設(shè)計組成框圖方案2：本噪聲測量儀主要由傳聲器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊及人機界面等

23、組成傳聲器將噪聲轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理模塊按人耳在高低頻具有不同靈敏度的特性進行頻率計權(quán)、對數(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）實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換、時間計權(quán)（電容濾波器MAX7490）。微處理器根據(jù)鍵盤設(shè)置的功能運行相應(yīng)的程序模塊，將測量結(jié)果進行存儲、顯示，RS232接口可以與上位機、打印機或其他記錄、分析設(shè)備實現(xiàn)通信這種方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、可實現(xiàn)復(fù)雜測量與控制;缺點是硬件電路復(fù)雜，在高頻情況下易產(chǎn)生干擾。采集聲信號（傳聲器）信號調(diào)理模塊（放大電路、頻率計權(quán)網(wǎng)絡(luò)、對數(shù)檢波）人機界面（LCD顯示、鍵盤）數(shù)據(jù)采集處理模塊（串口通信、存儲

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

25、 方案3-噪聲測量儀設(shè)計組成框圖方案4：本噪聲測量儀采用高靈敏度、無指向性駐極體傳聲器將環(huán)境噪聲傳換為電信號，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，對轉(zhuǎn)化的電信號進行放大，放大后的信號一部分通過單片機控制的選通信號開關(guān)CC4051。另一部分通過雙路通用開關(guān)電容濾波器MAX7490進行濾波，然后通過交直轉(zhuǎn)化器AD637進行交直轉(zhuǎn)化，將轉(zhuǎn)化得到的直流輸入低噪聲單運放OP07，然后再通過AD轉(zhuǎn)化器ADC0804，將得到的數(shù)字信號輸入單片機，最后通過與單片機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，系統(tǒng)規(guī)模小，結(jié)構(gòu)緊湊，可實現(xiàn)復(fù)雜測量與控制。信號放大器（

26、AD620）交直轉(zhuǎn)化器（AD637）選通信號開關(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）低噪聲單運算放大器（OP07）單片機顯示電路（譯碼器、數(shù)碼管）圖四 方案4-噪聲測量儀設(shè)計組成框圖方案確定：綜合以上四種方案的優(yōu)缺點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3.1噪聲信號采集電路設(shè)計：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，傳送到三放大運算器AD620完成 數(shù)據(jù)采集。根據(jù)檢測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)為被測瞬時聲壓：根據(jù)聲壓級計算公式為L。=20*lg(PPo) (2)式中：P0為基準(zhǔn)聲壓；P為被測聲壓假設(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 噪聲信號采集電路原理圖3.2交直流轉(zhuǎn)化電路設(shè)計：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計算成dB形式的電壓后輸出。利用對數(shù)關(guān)系進行真有效值的交直流轉(zhuǎn)換。根據(jù)芯片說明，對芯片的輸出進行校準(zhǔn)，同時輸出分辨率為100mV/dB。然后調(diào)節(jié)

28、基準(zhǔn)的0dB輸出時的輸入電壓和R1，使輸入大于1.1V時，就可以保證輸出電壓不會超限。這里可以取輸入為2V時，輸出為0dB。此時電壓輸出范圍為-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：主要采用低噪聲單運放OP07構(gòu)成的放大電路進行信號放大。其中OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為+2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，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量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。零點電流輸入時，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單片機控制電路設(shè)計:采用由AT89C51單片機與AD轉(zhuǎn)化器ADC0804組成的數(shù)模信號轉(zhuǎn)化與控制電路。為了調(diào)試方便，在Vin輸入端使用一個電位器（可調(diào)電阻）。在單片機讀操作過程中，ADC0804會在 信號的作用下把轉(zhuǎn)換完成的信號傳送到總線，如果使用“MOVX”指令可以是任意的地址值。ADC0804的A/D轉(zhuǎn)換時鐘是一個RC振蕩器，振蕩頻率f1

30、/1.。其中100kHZf1460 kHZ，推薦值為R10 k，C150pF。時鐘決定ADC0804的運行速度，時鐘f值高時，A/D運行速度快，但精度會有所下降，時鐘f值低時，A/D運行速度慢，但精度會高一些。在f640K時，A/D轉(zhuǎn)換時間是100us。圖八 單片機控制電路原理圖3.5顯示輸出電路設(shè)計：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整機電路以及軟件設(shè)計的流程圖：圖十 整機電路圖開始復(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)計流程圖四 測試方法與測試結(jié)果4.1測試儀器：表二 測試儀器列表儀器名稱型號規(guī)格頻率計SAMPO CN3165

31、示波器Hitachi V-1060交流有效值測試表HP34401函數(shù)信號發(fā)生器計數(shù)器EE1641B單片機仿真器ICE164.2測試方法：(A) 部分功能測試: AD637具有電平或dB輸出功能。計算dB的內(nèi)部電路量程為60Db。調(diào)節(jié)Rt建立0dB電平。外接的運算放大器用于dB的滿量程校準(zhǔn)以及補償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。事實上，對任何選定的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) 整機調(diào)試：主要任務(wù)是檢測算法及校正數(shù)值。系統(tǒng)總裝完成后，數(shù)碼管根據(jù)現(xiàn)場噪聲聲壓大小顯示當(dāng)前分貝值。這些參數(shù)與實際要求數(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)實測數(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.測試結(jié)果：我們設(shè)計的系統(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 測試結(jié)果基本要求發(fā)揮部分實際性能能測量固定聲源的分貝值，測量范圍達到4070dB測量范圍達到40100dB實現(xiàn)分辨率：0.5dB提高測量分辨率為0.1dB實現(xiàn)頻率范圍：3008000Hz 實現(xiàn)具有顯示噪聲分貝值的功能實現(xiàn)

33、有超限報警功能，并且報警值可以設(shè)定實現(xiàn)具有分段測試功能，低分貝測試段和高分貝測試段實現(xiàn)其他：增加抗干擾措施；合理布線，減少線間干擾；特別注重對信號線、地線的處理；每個芯片都加退耦電容實現(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。運算放大器穩(wěn)定度不夠，電壓信號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-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號由于電路板本身尺寸大小質(zhì)量的限制，影響了整個電路的布局和走線，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)化為電量測試原理，數(shù)模轉(zhuǎn)換，交直轉(zhuǎn)換技術(shù)及單片機控制數(shù)碼管顯示等知識，通過軟件仿真實現(xiàn)了基本要求功能，和發(fā)揮部分功能。在系統(tǒng)實際設(shè)計的過程中，我們力求在保證實現(xiàn)功能的前提下，力求硬件線路簡單，充分發(fā)揮軟件編程方法靈活的特點，并最大限度挖掘單片機內(nèi)資源，來滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。因比賽時間限制，該系統(tǒng)還

35、有很多值得改進的地方：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運放進行調(diào)零、使數(shù)學(xué)模型精確化以及線性組合電壓波形的實行算法進一步完善。參考文獻 張友德，等.單片微型機原理、應(yīng)用與實驗.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2006. 王質(zhì)樸，等.MCS-51單片機原理接口及應(yīng)用.北京：北京理工大學(xué)出版社，2009. 易克初.語音信號處理.北京：國防工業(yè)出版社，2000. 胡廣書，數(shù)字信號處理：理論算法與實現(xiàn).北京：清華大學(xué)出版社，1997. 高成，張棟，王香芬.最新集成電路測試技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社，2009:11-40. 張大彪.電子測量技術(shù)與儀器.北京：電子工業(yè)出

36、版社，2008. 肖景和.集成運算放大器應(yīng)用精粹.北京:人民郵電出版社，2006.8 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組織委員會.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編（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.電子設(shè)計競賽賽題解析.南京：東南大學(xué)出版社，2003.附錄I 噪聲測量儀軟件程序清單#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,延時時間大概為140us.* 輸入 : 無* 輸出 : 無*/void delay()int i,j;for(i=0;