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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TO管脚，作为TO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TO定时计数。
从TO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,theoutputfrequencysignalintoaTTLleveltogivethemicrocontrollerTOpincountastheTOpulse.CoreofthesystemisthemicrocontrollerAT89C51,the3.5pinaccessNE555timeroutputconsistingofasquarewave,throughtheT1TOtimerinterrupttocontrolthecount.TO-endedinputcountfromthepulsefrequencythatreflectsthesizeofthemeasuredsoundpressure.CC4511decodingandthendrivethefinalthreebytheLEDdigitaldisplay.Thisdesignhastheadvantageofsimplecircuit,highprecisionandstrongpracticability.
Keywords:
Noisetester,microphone,V/F,AT89C51,LED
1前言1
2整体方案设计2
2.1方案论证2
2.2方案比较3
3单元模块设计4
3.1驻极体传声器4
3.2集成四运放LM3244
3.3峰值检波电路5
3.4LM331频率电压转换器6
3.5NE555构成的方波输岀电路7
3.6CC4511译码驱动电路8
3.7七段发光二极管数码管9
4软件设计10
5系统技术指标及精度和误差分析12
6结论13
7设计小结14
8参考文献15
附录1:
电路总图16
附录2:
电路仿真图17
附录3:
软件代码18
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TO管脚，作为TO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
TO定时计数。
从TO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
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。
~T-
-T-C|
Ur
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3.4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耘4）/（2.09耘3XR2XC2）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
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CMO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TO定时计数。
图3.6为NE555构成的1OOKHz方波长生电路。
图中，电路利用
3.6CC4511译码驱动电路
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
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。
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TO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：
;表格上限:
TAB:
DB1BH，0A0H，OBBH，
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1”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20卩Pa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20卩Ra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±dB。
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600Q,DC信号输出：
2Vrms/每档满刻度10mV/dB，输出阻抗约100Q。
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VZF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土IdBoLED显示，30~130dB,有过载指示，AC信号输出：
0.707Vrms海档满刻度，输出阻抗约600Q，DC信号输出：
2Vrms/每档满刻度10mV/dB，输出阻抗约100Q。
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，至原后总原理图的确定，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TO、T1定时/计数器的应用以及PO、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。
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附录1电路总图
附录2:
电路仿真图
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附录3:
软件代码
下面给出定义该表格的伪指令格式：
TAB:
DB1BH，OAOH，OBBH，;表格上限:
05H,83H，83H，
04H，OEAH，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:
N0P
M0V
TM0D,
#09H
;定时器T0初始化
M0V
TL0,
#00H
M0V
TH0,
#00H
L00P1:
N0P
JB
P3.2,
L00P1
SETB
TR0
L00P2:
N0P
JNB
P3.2,
L00P3
L00P3:
N0P
JB
P3.2,
L00P3
CLR
TR0
M0V
B,
TH0
；咼位进B寄存器
M0V
A,
TL0
；低位进A寄存器
M0V
TL0,
#00H
M0V
TH0,
#00H
AJMP
L00P1
主程序及显示部分：
ORGOOOOh
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
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