噪音测试仪设计课程设计.docx

噪音测试仪设计课程设计.docx

《噪音测试仪设计课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《噪音测试仪设计课程设计.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

噪音测试仪设计课程设计

噪音测试仪设计

摘要：

本文提出了一个噪音测试仪的设计方案，此测试仪能将外界噪声经过传声器转换成电信号。

由运放LM324构成三级放大电路，峰值检波网络输出直流电平反应了噪声声压的大小。

由LM331构成电压/频率转换电路，输出的频率信号变成TTL电平送给单片机的T0管脚，作为T0的计数脉冲。

系统的核心部分是单片机AT89C51，其3.5引脚接入NE555构成的定时器输出的方波，通过T1中断去控制T0定时计数。

从T0端输入的计数脉冲频率即反应了所测声压大小。

最后经CC4511译码再驱动三位LED数码管显示。

本设计的优点是电路简单、精度较高、实用性较强。

关键词：

噪声测试仪，传声器，电压/频率，AT89C51，LED

Abstract:

Thispaperpresentsadesignofnoisetester,thistestercanoutsidenoisethroughthemicrophoneintoelectricalsignals.PosedbythethreeopampLM324amplifier,peakdetectornetworkoutputDClevelresponsetothesizeofthenoisesoundpressure.ConstitutedbytheLM331V/Fconverter,theoutputfrequencysignalintoaTTLleveltogivethemicrocontrollerT0pincountastheT0pulse.CoreofthesystemisthemicrocontrollerAT89C51,the3.5pinaccessNE555timeroutputconsistingofasquarewave,throughtheT1T0timerinterrupttocontrolthecount.T0-endedinputcountfromthepulsefrequencythatreflectsthesizeofthemeasuredsoundpressure.CC4511decodingandthendrivethefinalthreebytheLEDdigitaldisplay.Thisdesignhastheadvantageofsimplecircuit,highprecisionandstrongpracticability.

Keywords:

Noisetester,microphone,V/F,AT89C51,LED

1前言

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”。

噪声污染是影响较大的环境污染之一，较高分贝的噪音甚至会对人的耳膜造成严重的损伤，致使失聪等。

噪声一向为人们所厌恶。

但是，随着现代科学技术的发展，人们也能利用噪声造福人类，例如利用噪声除草、发电、制冷、除尘、克敌、诊病、有源消声等等。

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89C51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，此仪器的包括传声器模块、集成运放LM324模块、峰值检波电路模块、LM331频率电压转换器模块及单片机设计软件部分。

此仪器工作稳定、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。

2整体方案设计

整体思路是：

将外界噪声经过传声器转换成电信号。

由运放LM324构成三级放大电路，峰值检波网络输出直流电平反应了噪声声压的大小。

由LM331构成电压/频率转换电路，输出的频率信号变成TTL电平送给单片机的T0管脚，作为T0的计数脉冲。

系统的核心部分是单片机AT89C51，其3.5引脚接入NE555构成的定时器输出的方波，通过T1中断去控制T0定时计数。

从T0端输入的计数脉冲频率即反应了所测声压大小。

最后经CC4511译码再驱动三位LED数码管显示。

2.1方案论证

设计中采用了两个方案，具体的方案见方案一和方案二。

方案一：

基于89C51单片机采取V/F转换器设计方案

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。

所用传声器频率特性在50～14000Hz范围内不均匀度小于1.5dB,加防风罩、防雨罩后可用于室外测量。

由运放LM324构成三级放大电路,精心调整相关外围元件参数,可使其幅频特性与A计权曲线相近。

D1、C1、R1组成峰值检波网络,其输出直流电平反映了噪声声压的大小。

在LED上显示出来。

图2.2测声整体方案二框图

方案二：

基于LabView的多功能噪声测试仪设计方案

由于环境噪声往往是不规则且大幅波动的，因此需要用统计的方法，即用不同的声级出现的概率或累计概率来表示。

此声级计采用PC总线插卡式虚拟声级计模式，其总体结构图如图2-1和图2-2所示。

传声器将被测声源信号转换为电信号，A/D卡将模拟信号转换为数字信号后供计算机进行缝隙和处理，A/D卡采用的是NI公司的PXI-4472.利用NI公司的LabView软件完成对信号的读取、分析、计算、存储和显示。

图2-1虚拟式声级计硬件结构

2.2方案比较

由于方案二涉及的电路相对较复杂，需要运用的软件对我们也比较陌生，有些元器件选择比较困难而且价格昂贵，消耗的功率相对较大，相比而言单片机采集数据更加方便，便于处理，而且单片机已经成为主流产品。

单片机在电路上相对比较简单，而且消耗的功率相对较少，调试也较方便，还有最主要的一点是，方案一的测量精度与方案二差不多，符合经济实惠的要求，因此此设计采用了方案一。

3单元模块设计

驻极体传声器的膜片多采用聚全氟乙丙烯，其湿度性能好，产生的表面电荷多，受湿度影响小。

LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,检波电路或检波器的作用是从调幅波中取出低频信号。

V/F变换和F/V变换采用集成块LM331。

采用CC4511BCD码（锁存/七段译码/驱动器）来驱动共阴数码管。

3.1驻极体传声器

驻极体传声器有两块金属极板，其中一块表面涂有驻极体薄膜（多数为聚全氟乙丙烯）并将其接地，另一极板接在场效应晶体管的栅极上，栅极与源极之间接有一个二极管。

当驻极体膜片本身带有电荷，表面电荷地电量为Q，板极间地电容量为C，则在极头上产生地电压U=Q/C，当受到振动或受到气流地摩擦时，由于振动使两极板间的距离改变，即电容C改变，而电量Q不变，就会引起电压的变化，电压变化的大小，反映了外界声压的强弱，这种电压变化频率反映了外界声音的频率，这就是驻极体传声器地工作原理。

由于这种传声器也是电容式结构，信号内阻很大，为了将声音产生的电压信号引出来并加以放大，其输出端也必须使用场效应晶体管。

3.2集成四运放LM324

LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,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。

M324的引脚排列见图3.1

图3.1运算放大器和LM324引脚排列

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。

下面介绍其应用实例。

同相交流放大器的特点是输入阻抗高。

其中的R1、R2组成1/2V+分压电路,通过R3对运放进行偏置。

电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定：

Av=1+Rf/R4,电路输入电阻为R3。

R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。

图3.2LM331构放大电路

3.3峰值检波电路

检波电路或检波器的作用是从调幅波中取出低频信号。

它的工作过程正好和调幅相反。

检波过程也是一个频率变换过程，也要使用非线性元器件。

常用的有二极管和三极管。

另外为了取出低频有用信号，还必须使用滤波器滤除高频分量，所以检波电路通常包含非线性元器件和滤波器两部分。

下面举二极管检波器为例说明它的工作。

图3.3检波电路

   图3.3是一个二极管检波电路。

VD是检波元件，C和R是低通滤波器。

当输入的已调波信号较大时，二极管VD是断续工作的。

正半周时，二极管导通，对C充电；负半周和输入电压较小时，二极管截止，C对R放电。

在R两端得到的电压包含的频率成分很多，经过电容C滤除了高频部分，再经过隔直流电容C0的隔直流作用，在输出端就可得到还原的低频信号。

3.4LM331频率电压转换器

V/F变换和F/V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用。

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。

同时它动态范围宽，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。

图3.4LM331组成的电压频率变换电路

图3.4是由LM331组成的电压频率变换电路，LM331内部由输入比较器、定时比较器、R－S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。

输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。

当输入端Vi＋输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使R－S触发器置位，输出高电平，输出驱动管导通，输出端f0为逻辑低电平，同时电源Vcc也通过电阻R2对电容C2充电。

当电容C2两端充电电压大于Vcc的2/3时，定时比较器输出一高电平，使R－S触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端f0为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容C2通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容C3对电阻R3放电。

当电容C3放电电压等于输入电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使R－S触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。

输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比，从而实现了电压－频率变换。

其输入电压和输出频率的关系为：

fo=（Vin×R4）/（2.09×R3×R2×C2） 由式知电阻R2、R3、R4、和C2直接影响转换结果f0，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。

电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。

图3.5为LM331构成的V/F转换电路。

图3.5LM331构成的V/F转换电路

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。

LM331的内部电路由输入比较器、定时比较器、R－S触发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成。

输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。

LM331可采用双电源或单电源供电，可工作在4.0～40V之间，输出可高达40V，而且可以防止Vcc短路。

3.5NE555构成的方波输出电路

用NE555构成定时器输出100KHz的方波，接入80C51单片机的P3.5引脚，通过T1中断去控制T0定时计数。

图3.6为NE555构成的100KHz方波长生电路。

图中，电路利用D2、D3单向导电特性将电容器C充、放电回路分开，可以选取不同的RA和RB的值来调节振荡器输出波形的占空比：

q=RA/（RA+RB）。

因而，振荡频率为：

f=1.43/（RA+RB）C。

图3.6NE555构成的方波输出电路

3.6CC4511译码驱动电路

采用CC4522BCD码（锁存/七段译码/驱动器）来驱动共阴数码管。

图为CC4511引脚排列。

其中，A，B，C，D是四个输入端和a~g是七个输出端。

图3.7CC4511引脚排列图

实验时接+5V电源和将十进制数的BCD码接到译码器的相应输入端即可显示0-9的数值。

CC4511与数码管的连接如下图

图3.8CC4511与数码管的连接

3.7七段发光二极管数码管

一个LED数码管可显示一位0-9十进制数。

LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力。

图（a）共阴管电路图（b）共阴数码管引出脚

4软件设计

环境噪声测量系统的软件采用模块化设计，由主程序、中断服务程序、查表子程序和显示子程序组成。

各程序模块的流程图如图4-1所示：

　　主程序处于循环工作状态，主要完成定时／计数器和中断系统的初始化，并循环调用查表和显示子程序。

每当T1对外接100kHz时钟计数达0．5s后，申请中断，CPU响应中断后即读取TH0、TL0两寄存器中的计数值，并重新初始化T0、T1，以便检测下一次的数据。

图4-1软件流程图

值得指出的是，查表程序实现了计数值向声压级的转换。

由式

（1）知声压每增加12．2％，声压级增加1dB，因此T0计数值每增加12．2％，声压级增加1dB．在E2PROM中定义一张表格，每三个字节为一组数据，其中前两个字节为计数值，后一个字节为压缩BCD码表示的声压级值。

调试时，参照精密声级计，读出某声压级所对应的计数值，从而确定表格中两参数的对应关系，当程序固化后，还可通过硬件电路对其进行调整。

下面给出定义该表格的伪指令格式：

　　TAB：

DB1BH，0A0H，0BBH，　　；表格上限∶　　　　　　　　　　　　　　　

   05H，83H，83H，

   04H，0EAH，82H，

 04H，61H，81H，

 03H，0E7H，80H，

 03H，7AH，79H

 03H，19H，78H，

 02H，0C3H，77H，

 02H，76H，76H，

 　　∶

　　00H，00H，0AAH，　　；表格下限

　　其中，“0AAH”、“0BBH”两个数据经译码后分别显示下限标记“［”和上限标记“］”，表示超出测量范围。

　　为了提高系统的抗干扰能力，除了在硬件上采取了相应的措施外，软件上采用了冗余设计法即重复重要的指令，未用空间设置空操作指令，以防止程序跳飞而死机。

5系统技术指标及精度和误差分析

随着各种高精度传感器的应用与普及，这一技术在科学研究，生产过程等领域中发挥着越来越重要的作用。

人类步入信息社会的今天，人们对信息的提取，处理，传输以及综合利用等要求愈加严格。

人耳的听阈一般是20μPa，痛阈一般是200Pa，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）

      其中：

基准量p0为20μPa。

当p＝p0时，Lp＝0dB，而当p＝200Pa时，Lp＝140dB。

用声级计可以测量声压级，采用1kHz纯音输入0．2s到0．25s或0．5s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40phon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）。

我们此次的设计的性能指标如下

1、噪音测试范围为30~130dB。

2、该噪音测试仪的测量精度要求达到±1dB。

3、LED显示，30~130dB，过载指示，AC信号输出：

0.707Vrms/每档满刻度，

输出阻抗约600Ω，DC信号输出：

2Vrms/每档满刻度10mV/dB，输出阻抗约100Ω。

6结论

本设计为一个噪音测试仪设计，用于专用于噪声工程，品质控制，健康防治及各种环境噪音测量。

如工厂、交通道路、家庭、音响等各种场合的噪音测量。

包括其测量原理及系统设计，系统的硬件和软件设计。

是一个以89C51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。

它实现了噪声测试仪的基本功能，能够将外界环境噪声较准确的测量出来并显示在LED上，达到一定的测量范围和精度，对于系统具有体积小、硬件少、电路结构简单及容易操作等优点。

设计达到了以下几个基本要求：

噪音测试范围为30-130dB之间、该噪音测试仪的测量精度达到±1dB。

LED显示，30~130dB，有过载指示，AC信号输出：

0.707Vrms/每档满刻度，输出阻抗约600Ω，DC信号输出：

2Vrms/每档满刻度10mV/dB，输出阻抗约100Ω。

总体来说，此次设计还是比较成功的

7设计小结

近年来，智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。

国内市场上已经出现了多种多样智能化测量控制仪表，随着各种高精度传感器的应用与普及，这一技术在科学研究，生产过程等领域中发挥着越来越重要的作用。

学习并掌握这一技术已成为一种可行性很高的选择。

经过做这个课程设计，我加深了对已学知识，如数电，模电，虚拟仪器，现代测控技术，高频电子等相关知识的了解和应用。

在对各个模块电路的设计中，对每个芯片和元器件的引脚和功能有进一步认识，在上网和图书馆查阅相关资料的过程中，很好地锻炼了我们对有用信息的筛选能力，熟悉了资料的查询。

这对我们将来无论做其他的设计还是毕业设计都有很大的帮助。

这次的课程设计，从刚开始的方案的确定，元器件的选择，到最后总原理图的确定，这整个过程使我对噪声测试仪的设计有了一定的认识，我知道了传声器的作用及原理。

知道了V/F转换器的原理和作用，知道了如何用555器件构成特定频率的方波输出电路的方法，同时也更加深入理解的单片机T0、T1定时/计数器的应用以及P0、P1口的作用等等。

在课程设计期间，我运用Protel软件画电路原理图，用Proteus软件做系统仿真，对他们的使用更加熟练，作为电子信息专业的学生，熟练地使用这些专业软件画电路原理图是十分重要的，也是很有价值的。

此次设计，我们也有很多不足的地方，在软件仿真的环节，我们就遇到了一定的困难，查出的原因是程序编写有误，虽然调试过几次，但还是没能很好的解决掉问题，这也反映了我们的基本功不扎实，专业基础没有打好，我们还需要好好补习补习，毕竟现在，我们多学些，多做些，以后我们出去工作了，就能更好的表现自己的能力，得到认可。

这对自己的将来也算是一种奖励哈。

8参考文献

[1]万福君、潘松峰.单片微机原理系统设计与应用（第二版）[M].合肥：

中国科学技术大学出版社，2001.

[2]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京：

清华大学出版社，2004.

[3]蔡美琴、张为民.MCS-51系列单片机系统及其应用（第二版）[M].北京：

高等教育出版社，2004.

[4]杨振江、杜铁军.流行单片机实用子程序及应用实例[M].西安电子科技大学出版社，2002.

[5]张培仁.基于C语言编程MCS-51单片机原理与应用[M].北京：

清华大学出版社，2003.

[6]沙占友.集成化智能传感器原理与应用[M].北京:

电子工业出版社,2004:

119-127.

[7]刘迎春、叶湘滨.现代新型传感器原理与应用[M].北京：

国防工业出版社，1998.

[8]何希才.传感器及其应用电路[M].北京：

电子工业出版社，2001.

[9]赵继文.传感器与应用电路设计[M].北京：

科学出版社，2002.

[10]丁镇生.传感器及传感技术应用[M].北京：

电子工业出版社，1998.

[11]张洪润、刘秀英、张亚凡等.单片机应用设计200例[M]．北京：

航空航天大学出版社，2006.

附录1：

电路总图

附录2：

电路仿真图

附录3：

软件代码

下面给出定义该表格的伪指令格式：

TAB：

DB1BH，0A0H，0BBH，　　；表格上限∶　　　　　　　　　　　　　　　

05H，83H，83H，

   04H，0EAH，82H，

   04H，61H，81H，

   03H，0E7H，80H，

   03H，7AH，79H

   03H，19H，78H，

   02H，0C3H，77H，

   02H，76H，76H，

 　　∶

00H，00H，0AAH，　　；表格下限

LM331V/F转换器部分：

BEGIN:

NOP

MOVTMOD,#09H;定时器T0初始化

MOVTL0,#00H

MOVTH0,#00H

LOOP1:

NOP

JBP3.2,LOOP1

SETBTR0

LOOP2:

NOP

JNBP3.2,LOOP3

LOOP3:

NOP

JBP3.2,LOOP3

CLRTR0

MOVB,TH0;高位进B寄存器

MOVA,TL0;低位进A寄存器

MOVTL0,#00H

MOVTH0,#00H

AJMPLOOP1

主程序及显示部分：

ORG0000h

　　JMPMAIN

　　ORG30H

　　MAIN:

　　;MOVSP,#5FH

　　MOVR1,#02H;把8个数码

　　MOVR0,#58H;显示缓冲区首地址

　　MOVA,#3

　　INIT:

　　MOV@R0,A;初始化显示缓冲区

　　;INCA

　　INCR0

　　DJNZR1,INIT;将0-7送显示缓冲区

　　DELAY:

　　MOVr6,#0ffh

　　show:

　　MOVR5,#00H;

　　DISPLAY:

　　MOVR0,#07fH;列选择

　　MOVR7,#08H;共有8个字符

　　MOVR1,#58H;显示缓冲区首地址

　　AGAIN:

　　MOVA,@R1

　　movp2,#00h

　　MOVDPTR,#DISPTABLE;跳转?

　　MOVCA,@A+DPTR

　　MOVP0,A

　　MOVP2,R0;位选

　　MOVA,R0;位选

　　;RLA

　　RRA

　　MOVR0,A

　　INCR1

　　DJNZR7,AGAIN

　　DJNZR5,DISPL