基于单片机环境噪音测量仪.docx
《基于单片机环境噪音测量仪.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机环境噪音测量仪.docx（39页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于单片机环境噪音测量仪
毕业设计（论文）
课题名称：
基于单片机的环境噪音测试仪
专业 电气系工程系
班级车辆电子081
2011届毕业设计任务书
一、课题名称：
基于单片机环境噪音测量仪系统的设计
二、指导老师：
三、设计内容与要求
1、课题概述
本课题采用单片机设计一个环境噪音测量仪，实现测量噪音基本功能。
通过这个具体控制系统的设计，掌握微机控制系统设计的一般方法和处理问题的思路，特别是一些常用的技术手段，在实践教学环节中，积累设计经验，开拓思维空间，全面提高个人的综合能力。
2、设计内容与要求
（1）设计内容：
1）绘制噪音测量仪系统框图，确定设计方案。
2）了解电路所需芯片的功能、参数和工作原理。
3）采用protel完成噪音测量仪的原理图绘制。
4）采用C语言完成软件设计。
5）采用软件完成编译、仿真、下载.
6）完成噪音测量仪的硬件设计方案.
7）调试并实现噪音测量仪控制系统的功能.
（2）设计功能要求：
外界噪声信号通过传声器转换成音频信号,经过放大和V/F变换输入到单片机进行处理,实现对噪音的时实监测。
四、设计参考书
《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《单片机技术与应用》
五、设计说明书要求
1）封面
2）内容摘要
3）目录
4）绪论
5）正文（设计方案比较与选择、设计方案原理、计算、分析、设计结果的说明及特点）
6）文献
7）致谢
8）附录（参考文献、图纸、材料清单）
六、毕业设计进程安排
第1周：
材料准备与借阅，了解设计思路。
第2-3周：
设计要求说明及课题内容辅导，完成图纸初稿。
第4-6周：
进行毕业设计，完成说明书初稿。
第7-8周：
第一次检查，了解设计完成情况。
第9周：
第二次检查学生设计完成情况，并做好毕业答辩准备。
第10周：
毕业答辩与综合成绩评定。
七、毕业设计答辩及论文要求
1、毕业设计答辩要求
答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或者毕业论文、专题报告等必要数据交指导老师审阅，由指导老师写出审阅意见。
学生答辩时对自述部分写出的书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始数据或者参考文献、实验方法、测试方法、鉴别学生独立工作的能力、创新能力。
2、毕业设计论文要求
文字要求：
说明要求打印，不能手写。
文字通顺，语言通顺，排版合理，无错别字，不允许抄袭。
3、图纸要求：
按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。
4、曲线图纸要求：
所有曲线、图表、线路图、程序框图等不准手画，必须按国家标准或者工程要求绘制。
摘要
外界噪声信号通过传声器转换成音频信号,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dB值通过LED显示,从而实现噪声的实时监测。
其实现简单,精确度高,可用于实际进行噪声的实时监测。
关键词:
传声器;运算放大器;转换器;单片机;LED
Abstract
MonitoringthenoiseundercontrolthemicroprocessorThispaperintroducesthewaystoconventthereal2timemonitoringofthenoiseintofrequen2cybyusingmicrophone,operationalamplifierandV/Fconverter,whichwillasmicroprocessor’sinputsignal.ThenmicroprocessorwillchangeitintoadBvalue,whichwillbedisplayedonLED.Thiswayissimple,highprecision,soitisalwaysusedinmonitoringtheurbannoise.
Keywords:
microphone;operationalamplifier;V/Fconverter;microprocessor;LED
目录
摘要I
AbstractII
第1章引言1
1.1噪音测量仪的选题背景1
1.2噪音1
1.3噪声的分类2
1.4噪声的危害3
1.4.1噪声对听力的损伤3
1.4.2噪声对健康的影响3
1.4.3噪声对正常生活和工作的干扰4
1.4.4特强噪声能损害仪器设备和建筑物。
4
1.5噪声的评价4
1.5.1响度级和响度4
1.5.2声级6
第2章功能概述和总体方案设计7
2.1功能概述7
2.1.1噪声测量原理7
2.2系统设计方案7
2.2.1传声器7
2.2.2运算放大器7
2.2.3转换器9
2.2.4单片机11
2.2.5驱动模块11
2.2.6LED显示12
第3章总电路设计分析13
3.1系统硬件总电路构成13
3.2基于单片机环境噪音测量基本构成及原理13
3.389S51单片机简介：
13
3.4单片机最小系统15
3.5芯片简介16
3.5.1LM33116
3.5.2LM35818
第4章软件电路设计分析19
4.1频率与声压级检测算法19
4.2程序流程图19
5.3设计程序如下：
20
第5章安装与调试26
5.1调试设备26
5.2调试步骤26
5.3调试过程中出现的问题27
参考文献28
结论29
设计心得30
致谢31
附录一32
附录二32
附录二33
第1章引言
1.1噪音测量仪的选题背景
当今世界科技飞速发展,人类享受着科技发达带来的现代生活的同时,同样也承受着科带来副产品———各种各样的污染。
其中,环境噪声污染就是现代人所不能回避的现实,尤以生活在城市中的人们为甚。
为此,本文以8031单片机为控制核心介绍一种环境噪声测量方法。
1.2噪音
噪声是一种声音，声音是由物体的机械振动而产生的。
振动的物体称为声源，它可以是固体、气体或液体。
声音可以通过介质（空气、固体或液体）进行传播，形成声波当声波到达人耳，人们就听到声音，声波在传播过程中可能会产生反射、绕射、折射和干涉。
声音有强弱之分，并用声压p来表示其大小，单位是Pa（帕），1Pa=1N/m2（牛顿/米2），一个大气压等于1.013×105Pa.。
声压可以用峰值、平均值和有效值表示。
声压的有效值是瞬时声压平方在一段时间平均数的平方根，又称均方根值（RMS），它直接与声波的能量有关，所以用得最多，以下除非另外说明，所论声压均指有效值。
由于声压变化的范围很大，例如人耳刚能听到的最小声压为2×10-5Pa，而喷气式飞机附近的声压可达数百帕，两者相差数百万倍；同时考虑人耳对声音强弱反应的（对数）特性，用对数方法将声压分为百十个级，称为声压级。
声压级的定义是：
声压与参考声压之比的常用对数乘以20，单位是dB（分贝），即：
Lp=20lgP/Po
式中：
p为声压（Pa.），p0=2×10-5Pa是参考声压，它是人耳刚刚可以听到声音的声压。
声波振动的快慢用频率f来表示，单位是Hz（赫），它表示物体在1秒内振动的次数。
频率的倒数为振动周期T，单位是s（秒）。
人类只能听到20Hz~20000Hz的声音，低于20Hz的声音为次声，高于20000Hz的声音为超声。
声波的幅值随时间的变化图称为声波的波形。
如果波形是正弦波，则称为纯音，纯音的声波可以用
下述函数描述：
p=Psin（ωt+θ）
式中：
P-幅值；ω-角频率，ω=2πf，f-频率；θ-初始相位。
如1000Hz声音就是指频率为1000Hz的纯音。
如果波形是不规则的，或随机的，则称为噪声。
如果噪声的幅值对时间的分布满足正态（高斯）分布曲线，则称为“无规噪声”。
1.3噪声的分类
按照声源的不同，噪声可以分为机械噪声、空气动力性噪声和电磁性噪声。
机械噪声主要是由于固体振动而产生的，在机械运转中，由于机械撞击、磨擦、交变的机械应力以及运转中因动力不平均等原因，使机械的金属板、齿轮、轴承等发生振动，从而辐射机械噪声，如机床、织布机、球磨机等产生的噪声。
当气体与气体、气体与其它物体（固体或液体）之间做高速相对运动时，由于粘滞作用引起了气体扰动，就产生空气动力性噪声，如各类风机进排气噪声、喷气式飞机的轰声、内燃机排气、储气罐排气所产生的噪声爆炸引起周围空气急速膨胀亦是一种空气动力性噪声。
电磁性噪声是由于磁场脉动、磁致伸缩引起电磁部件振动而发生的噪声，如变压器产生的噪声。
按照噪声的时间变化特性，可分为四种情况：
噪声的强度随时间变化不显著，称为稳定噪声（见图1-1a），如电机织布机的噪声。
噪声的强度随时间有规律地起伏，周期性地时大时小的出现，称为周期性变化噪声（见图1.1b），如蒸汽机车的噪声。
噪声随时间起伏变化无一定的规律，称为无规噪声（图1-1c），
图1-1
如街道交通噪声。
如果噪声突然爆发又很快消失，持续时间不超过1s，并且两个连续爆发声之间间隔大于1s，则称为脉冲声（图1-1d），如冲床噪声、枪炮噪声等。
城市环境噪声在噪声研究中占有很重要的地位，它主要来源于交通噪声、工业噪声、建筑施工噪声和社会生活噪声。
由于城市中机动车辆的日益增多和超声速飞机的大量使用，运输工具（如汽车、拖拉机、火车、飞机等）产生的噪声成了城市环境噪声的主要污染源之一。
工业噪不仅直接对生产工人带来危害，而且影响附近居民。
工业噪声中，纺织厂的噪声90~106dB，机械工业在80~120dB，大型球磨机、大型鼓风机在130dB以上。
工业噪声是造成噪声性的主要原因。
建筑施工噪声是由于建筑工地使用各种打桩机、搅拌机、切割机等施工机械引起的噪声。
社会活动和家庭生活噪声也是普遍存在的，例如为了宣传活动而过量地使用高音喇叭，就会产生令人烦恼的噪声。
在社会生活中，不当地使用收音机、录音机、电视机，在很多情况下也会成为一种对邻居干扰的噪声源。
电风扇、电冰箱、洗衣机等家用电器，如设计制造不合理，或使用不当亦会成为噪声源。
1.4噪声的危害
1.4.1噪声对听力的损伤
短时间处于高噪声环境中，双耳难受、头痛、不舒服，过一段时间适应了，但这以后，双耳嗡鸣，一般令听力损失15dB。
休息几小时后，听力会逐渐恢复，这叫暂时性听力损伤（听阈偏移、听觉疲劳），听觉器官未受到器质性损害。
如果长期在高噪声环境下工作，日积月累，内耳器官会发生器质性病变，听觉疲劳不能恢复，成为永久性听阈偏移，这就是噪声性耳聋。
如何确定为耳聋？
ISO规定在500、1000、2000Hz三个倍频程内听阈提高的平均值在25dB以上时，即认为听力受到损伤，又叫轻度噪声性耳聋。
噪声性耳聋与噪声强度、频率以及作用时间的长短有关。
强度越大，频率越高，作用时间越长，噪声性耳聋发病率就越高。
工人在85dB（A）环境下工作15年，发病率为5%。
90dB为14%。
105dB则达50%以上。
如达到120dB，即使短时间也会造成永久性听力损伤。
当达到140dB时，听觉器官会发生急性创伤，致使鼓膜破裂出血，双耳突然失听，这是一次性使人耳聋的恶性噪声性耳聋。
噪声性耳聋分两种情况：
一是机械传导性耳聋，由外耳道阻塞、耳鼓或听觉系统损坏或功能降低引起。
二是神经感觉性耳聋，由耳蜗中听觉神经功能衰退引起，也可由传导神经和大脑听觉中枢功能的降低引起。
噪声性耳聋两个特征：
一是有一个持续积累的过程，一开始感觉不明显，容易被忽视；二是不能治愈。
1.4.2噪声对健康的影响
1．作用于人的中枢神经系统，引起头痛、脑胀、耳鸣、失眠、全身无力、为神经官能症。
2．引起消化不良，食欲不振、恶心呕吐、导致肠胃病和溃疡病。
3．引起心跳加快，心律不齐，血压升高，动脉硬化，冠心病。
4．视觉器官：
眼睛、视力减退、眼花、使劳动生产率下降。
5．内分泌功能影响，胎儿正常发育的影响，及胎儿听觉器官影响。
机场噪声无论大小对儿童健康都
有不良影响，引起儿童的血压升高和紧张荷尔蒙凝聚度显著上升。
1.4.3噪声对正常生活和工作的干扰
1．影响睡眠。
40dB（A）连续噪声使10%的人睡眠受到影响，70dB（A）影响50%。
突发噪声40dB（A），可使10%的人惊醒，60dB可使70%的人惊醒。
我国大城市的交通噪声（70~85dB）、火车噪声（75dB）、飞机噪声（95~120dB）、工厂噪声（60~70dB）、建筑施工噪声（80~90dB），均会影响居民的睡眠。
2．影响交谈和通讯。
通常谈话声不大于70dB，大声可达85dB，当噪声级与谈话声级相接近时，正常交谈会受到干扰。
噪声级比谈话声级高10dB以上时，谈话声安全被掩蔽。
一般65dB噪声就会干扰普通谈话。
如果噪声级超过90dB，大喊大叫也听不清。
3．影响工作。
分散人的注意力，使人容易疲劳，反应迟钝，影响工作效率，增高工作差错率。
上课时受噪声干扰，使教师提高嗓门，增加劳累，学生分散注意力，影响教学效果。
1.4.4特强噪声能损害仪器设备和建筑物。
噪声引起仪器设备振动，高噪声超过135dB时，会使电子仪器发生故障；超过150dB时，元器件可能损坏。
在特强噪声作用下，会使材料或结构产生疲劳而断裂——声疲劳现象。
1.5噪声的评价
1.5.1响度级和响度
声压和声强都是客观物理量，声压越高，声音越强；声压越低，声音越弱，但是它们不能完全反映人耳对声音的感觉特性。
人耳对声音的感觉，不仅和声压有关，也和频率有关。
一般对高频声音感觉灵敏，对低频声音感觉迟钝，声压级相同而频率不同的声音听起来可能不一样响。
为了既考虑到声音的物理量效应，又考虑到声音对人耳听觉的生理效应，把声音的强度和频率用一个量统一起来，人们仿照声压级引出了一个响度级的概念。
使用等响实验方法，可以得到一族不同频率、不同声压级的等响度曲线。
实验时用1000Hz的某一强度（例如40dB）的声音为基准，用人耳试听的办法与其它频率（例如100Hz）声音进行比较，调节此声音的声压级，使它与1000Hz声音听起来响度相同，记下此频率的声压级（例如50dB）。
再用其它频率试验并记下它们与1000Hz声音响度相等的声压级，将这些数据画在坐标上，就得到一条与1000Hz、40dB声压级等响的曲线。
这条曲线用1000Hz时的声压级数值来表示它们的响度级值，单位为方，这里就是40方。
同样以1000Hz其它声压级的声音为基准，进行不同频率的响度比较，可以得出其它的等响度曲线。
经过大量试验得到的并由国际标准化组织（ISO）推荐为标准的等响度曲线：
图1-2频率与声压级的关系图
从图中可以看出：
（1）当响度级比较低时，低频段等响度曲线弯曲较大，也就是不同频率的响度级（方值）与声压级（dB值）相关很大，例如同样40方响度级，对1000Hz声音来说声压级是40dB，对100Hz声音是50dB，对40Hz声音是70dB，对20Hz声音是90dB。
（2）当响度级高于100方时，等响度曲线变得比较平坦，也就是声音的响度级主要决定于声压级，与频率关系不大。
（3）人耳对高频声音，特别是3000~4000Hz的声音最敏感，而对低频声音则频率越低越不敏感。
响度级虽然定量地确定了响度感觉与频率和声压级的关系，但是却未能确定这个声音比那个声音响多少。
频率
20HZ
40HZ
100HZ
1KHZ
4K
10K
15K
声压级
90dB
70dB
50dB
40dB
38dB
49dB
45dB
图1-3
1.5.2声级
声压级只反应声音强度对人响度感觉的影响，不能反映声音频率对响度感觉的影响。
响度级和响度解决了这个问题，但是用它们来反映人们对声音的主观感觉过于复杂，于是又提出了计权声压级的概念。
计权声压级就是用一定频率计权网络测量得到的声压级，计权声压级简称声级。
在声学测量仪器中，通常根据等响度曲线，设置一定的频率计权电网络，使接收的声音按不同程度进行频率滤波，以模拟人耳的响度感觉特性。
当然我们不可能做无穷多个电网络来模拟无穷多根等响度曲线，一般设置A，B和C三种计权网络，其中A计权网络是模拟人耳对40方纯音的响度，当信号通过时，其低、中频段（1000Hz以下）有较大的衰减。
B计权网络是模拟人耳对70方纯音的响度，它对信号的低频段有一定衰减。
而C计权网络是模拟人耳对100方纯音的响度，在整个频率范围内有近乎平直的响应。
利用具有一定频率计权网络和时间计权的声学测量仪器对声音进行声压级测量，所得到的读数称计权声压，简称声级，单位为dB。
第2章功能概述和总体方案设计
2.1功能概述
可以正常测量环境噪声大小。
2.1.1噪声测量原理
噪声测量结构如图1所示。
其中,外部声音信号传播到传声器,并通过运算放大器将输入的微弱音频信号转换为一信号电平（电压信号）,此电压信号则由V/F转换器转换成对应的具有一定频率的脉冲信号,以便单片机接收。
单片机根据输入的脉冲信号进行处理,并经量纲转换出所对应的DB值,最后在单片机控制下由LED实时显示出来。
图2-1 噪声测量结构框图
2.2系统设计方案
2.2.1传声器
用于接收外部声音信号,并输出一微弱的音频信号。
实际就相当于一个麦克风。
2.2.2运算放大器
方案一、采用三极管进行放大，利用三极管多级放大原理Au=Au1Au2……Aun
根据三极管的多级放大特性，在计算各级电路的电压放大倍数时，必须考虑后级的输入电阻对前级电路电压放大倍数的影响。
方案二、采用通用集成块LM324进行放大LM324为美国国家半导体公司生产的单电源集成运算放大器，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。
在应用电路，可以双电源工作，也可单电源工作，其输出电压可以和各种逻辑电平匹配，内部已经进行了频率补偿，且具有电源电压宽，静态功耗小，价格低廉等优点。
图2-2LM324运算放大原理图
方案三、采用通用集成块LM358进行放大，根据集成运放同向输入比例运算原理。
其中Rf为反馈电阻，R为反向接地端，改变R与Rf的阻即可以改变放大倍数。
也可以采用多级放大，多级放大倍数算法Au=Au1Au2…Aun
图2-3LM358运算放大原理图
经过长时间的电路调试我们确定了放大部分采用方案三，因为方案一采用的是三极管放大达不到20～20KHZ的频率信号放大，而采用方案二虽然可以达到所需的频率放大，但是所采用的放大是用双电源供电，而单电源供电无法达到我们所需的要求，而双电源供电所需的成本又高了，并且用双电源供电还必须考虑到电源的纹波系数，如果纹波系数较大会把输出的信号给掩盖无法达到所需要求。
而采用方案三不但可以达到20～20KHZ的频率信号放大，而且电源供电时采用9V单电源供电，我们只要有一个9V蓄电池就可以解决了，而且采用LM358不但便宜而且所需的电路也比较简单。
2.2.3转换器
方案一、采用ADC0809是CMOS型8位逐次逼近型A/D转换器。
内部结构如图
（1），它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁存器用于锁存A/D转换完的数字量，三态输出锁存器当OE端为高电平时，才可以从三态
输出锁存器存取走转换完的数据。
适用于分辨率较高而且转换速度适中的场合。
图2-4ADC0809的引脚图
方案二、采用单电源LM331V/F转换，在整个测量电路中,电压信号与脉冲信号即V/F的转换对整个系统的性能起着重要作用,因此本系统采用了高性能的电压频率转换集成电路LM331作为系统的核心,由LM331构成的V/F转换电路,将电压信号（0～5V）转换成对应的频率信号（0～10KHz）,该频率信号以TTL电平送入89S51单片机的P3.5引脚,作为T1的计数脉冲。
图2-5LM331单电源V/F变换图
方案三、采用双电源供电LM331V/F转换，LM331是美国NS公司生产的性价比较高的精密电压频率转换器,它采用新的温度补偿能隙基准电路,在整个工作温度范围内和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,仍有较好的线性;变换精度高,数字分辨率可达12位;抗干扰能力强,外接电路简单,只需几个阻容元件就可构成V/F变换电路,并且容易保证转换精度。
在该电路中,基于LM331的压频转换关系为:
fout=（RSVIN）/（2.09RLCtRt）电路中的RS主要用于调节电路的转换增益。
Ct,Rt,RL的典型值分别为6.8KΩ,0.01uF和100KΩ,RS值由设计者自己决定,其可调电阻用于对基准电流进行调节,以校正输出频率。
由于RS、Rt、RL和电容Ct会直接影响fout的转换结果。
因此,对这些元件的参数有一定的要求,设计时应根据转换精度适当选择。
电容CL对转换结果虽有应选择漏电流小的电容器。
用电阻Ri和Ci组成低通滤波器,可减少输入电压中的干扰脉冲,提高转换精度。
图2-6LM331双电源V/F变换图
最终我们确定了方案二为我们的转换电路，方案一中采用的是ADC0809它的转换速度没有LM331的转换速度快，而且转换电路中用到了双D触发器进行74LS74分频，从而进行电压测量。
而方案三采用的是正负12V双电源进行供电，前面我们说到标准电源的纹波系数比较大，会影响我们的信号，而且我们采用的放大器是单电源9V供电，如果我们采用的是方案三，那么我们又会多出个电源，所以我们才用的是方案二，不但解决了转换速度、转换效率、电源问题、是否影响信号。
2.2.4单片机
本测量系统选用流行的89S51单片机。
T1设为计数状态,用于对前向通道V/F输入的脉冲信号进行计数;T0设为定时状态,用于定时读取T1计数值（定时时间为1秒,即单位时间）。
相应的程序编制较为简单,主要任务是实现单片机对输入的脉冲信号进行采集,并进行频率与DB的量纲转换,以及控制LED显示相应的DB值。
2.2.5驱动模块
数码管驱动常用的驱动电路由三极管（PNP）和芯片驱动（74LS164）两种，本文采用的是8550型三级管驱动。
图2-7驱动模块图
2.2.6LED显示
根据一般城市内噪声等级、测量方法和标准,显示只需四位即可满足要求———显示格式:
××DB。
该电路采用动显示方式,段选使用89S51内部带上拉电阻的准双向口P1的8个管脚,用三极管做驱动器;位选使用具有能,带内部上拉电阻的准双向口P2的P210～P213,用一片7406做4路反相缓冲驱动器,由于7406是集电极开路,故需并接4只上拉电阻。
LED选用四位红光共阳极数码管。
图2-8LED显示模块图
第3章总电路设计分析
3.1系统硬件总电路构成
实现本设计要求的具体功能，可以选用AT89C51单片机及外围器件构成最小控制系统，
本系统以单片机为核心，组成一个自动控制为一身的闭环控制系统。
系统硬件电路由单片机最小系统，显示模块。
3.2基于单片机环境噪音测量基本构成及原理
图3-1环境噪声基本构成图
3.389S51单片机简介：
升级会员 