噪音污染毕业设计.docx
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噪音污染毕业设计
1绪论
课题产生的背景
噪声即噪音，是一类引起人烦躁、或音量过强而危害人体健康的声音。
噪声通常是指那些难听的，令人厌烦的声音。
噪音的波形是杂乱无章的。
从环境保护的角度看，凡是影响人们正常学习，工作和休息的声音凡是人们在某些场合“不需要的声音”，都统称为噪声。
如机器的轰鸣声，各种交通工具的马达声、鸣笛声，人的嘈杂声及各种突发的声响等，均称为噪声。
噪声污染属于感觉公害，它与人们的主观意愿有关，与人们的生活状态有关，因而它具有与其他公害不同的特点。
噪音污染主要来源于交通运输、车辆鸣笛、工业噪音、建筑施工、社会噪音如音乐厅、高音喇叭、早市和人的大声说话等。
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89C52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。
该仪器工作稳定、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。
噪声测量一般有如下几个方面的目的：
测量声压级以了解噪声对环境的污染情况，检验噪声是否符合有关标准；进行噪声信号的频谱分析，以了解噪声的频率结构；测量噪声源的声功率或声功率级，以客观了解噪声源特性。
按测量环境来分，噪声测量分实验室测量和现场测量两种。
所谓噪声的实验室测量是指将被测对象放在消声室或混响室中测量，其测量的精度比较高。
但由于条件的限制，大多情况下只能进行现场测量。
在工、农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制占据着极其重要地位。
首先让我们了解一下多点温度检测系统在各个方面的应用领域：
消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备之过热故障预知检测，空调系统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健诊的温度测试，化工、机械…等设备温度过热检测。
温度检测系统应用十分广阔。
温度对日常生活极其重要，晓得温度就有对应的对策，如温度过低注意防寒等。
这就是对温度监测的意义。
有关噪声和温度的基础知识
振动与声
振动与声是紧密相连的，不同的声音就是不同的振动方式，声源体发生振动会引起四周空气振荡，这种振荡方式就是声波。
声音是以声波的形式进行传递和存在的。
声波借助空气向四面八方传播。
声波在传播中遇到障碍物时，它的能量一部分会被障碍物吸收，另一部分会被反射回来。
若在一个封闭的室内，产生的反射声波会被周围的墙壁、天花板和其它障碍物所吸收和反射，形成一系列逐渐衰减的反射声波。
声波是一种机械波，具有纵波一般的波动特性，例如，反射、折射、绕射、干涉等。
机械振动常常引起声波辐射，物体振动时激励着它周围的空气质点振动。
由于空气具有可压缩性，在质点的相互作用下，振动物体周围的空气就交替地产生压缩与膨胀，并且逐渐向外传播而形成声波。
声音三要素是：
响度、音高、音色。
1．响度
响度，又称声强或音量，它表示的是声音能量的强弱程度，主要取决于声波振幅的大小。
声音的响度一般用声压或声强来计量，声压的单位为帕（Pa），它与基准声压比值的对数值称为声压级，单位是分贝（dB）。
响度是听觉的基础。
正常人听觉的强度范围为0dB—140dB。
固然，超出人耳的可听频率范围（即频域）的声音，即使响度再大，人耳也听不出来。
但在人耳的可听频域内，若声音弱到或强到一定程度，人耳同样是听不到的。
当声音减弱到人耳刚刚可以听见时，此时的声音强度称为“听阈”。
而当声音增强到使人耳感到疼痛时，这个阈值称为“痛阈”。
2．音高
也称音调，表示人耳对声音调子高低的主观感受。
客观上音高大小主要取决于声波基频的高低，频率高则音调高，反之则低，单位用赫兹（Hz）表示。
人耳对响度的感觉有一个从闻阈到痛阈的范围。
人耳对频率的感觉同样有一个从最低可听频率20Hz到最高可听频率别20kHz的范围。
音高与频率之间的变化并非线性关系，除了频率之外，音高还与声音的响度及波形有关。
音高的变化与两个频率相对变化的对数成正比。
3．音色
音色又称音品，由声音波形的谐波频谱和包络决定。
声音波形的基频所产生的听得最清楚的音称为基音，各次谐波的微小振动所产生的声音称泛音。
单一频率的音称为纯音，具有谐波的音称为复音。
声音波形各次谐波的比例和随时间的衰减大小决定了各种声源的音色特征，其包络是每个周期波峰间的连线，包络的陡缓影响声音强度的瞬态特性。
另外，表征声音的其它物理特性还有：
音值，又称音长，是由振动持续时间的长短决定的。
持续的时间长，音则长；反之则短。
从以上主观描述声音的三个主要特征看，人耳的听觉特性并非完全线性。
声音传到人的耳内经处理后，除了基音外，还会产生各种谐音及它们的和音和差音，并不是所有这些成分都能被感觉。
人耳对声音具有接收、选择、分析、判断响度、音高和音品的功能。
根据声音的物理特性还可以分为音质、音长、音强和音高四个要素。
温度测量的基本概念
温度是石油、化工较为普遍，又相当重要的热工参数之一，是各种物质的物理、化学变化的重要条件。
除石油、化工以外，冶金、电力、国防等工业中均有温度测量。
温度是表征物体冷热程度的物理量。
温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物理温度数值的标尺叫温标。
它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。
目前国际上用得最多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。
1、华氏温标（℉）规定：
在标准大气压下，冰的熔点为32度，水的沸点为212度，中间划分180等分，每等分为华氏1度，符号为℉。
2、摄氏温标（℃）规定：
在标准大气压下，冰的融点为零度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每等分为摄氏1度，符号为℃。
摄氏温度值t和华氏温度值tf有如下关系：
t=5/9*（tf－32）℃
3、热力学温标：
又称开尔文温标，或称绝对温标。
它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，记符号为K。
声压级测量机理与电压法LED结温测量原理
人耳的听阈一般是20mPa（微帕），痛阈一般是200Pa（帕），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
其中，基准量P0为20mPa。
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纯音输入秒到秒或秒以上，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40方（phon）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）。
表给出倍频带中心频率与A声级的校正量之间的关系。
表倍频带中心频率与A声级校正量的关系
倍频带中心频率（Hz）
63
125
250
500
A声级校正量（dB）
－
倍频带中心频率（Hz）
1k
2k
4k
8k
16k
A声级校正量（dB）
0
LED热性能的测试首先要测试LED的结温,即工作状态下LED的芯片的温度。
关于LED芯片温度的测试,理论上有多种方法,如红外光谱法、波长分析法和电压法等等。
目前实际使用的是电压法。
1995年12月电子工业联合会/电子工程设计发展联合会议发布的>标准对于电压法测量半导体结温的原理、方法和要求等都作了详细规范。
电压法测量LED结温的主要思想是：
特定电流下LED的正向压降Vf与LED芯片的温度成线性关系,所以只要测试到两个以上温度点的Vf值,就可以确定该LED电压与温度的关系斜率,即电压温度系数K值,单位是mV/°C。
K值可由公式K=ㄓVf/ㄓTj求得。
K值有了,就可以通过测量实时的Vf值,计算出芯片的温度（结温）Tj。
为了减小电压测量带来的误差,>标准规定测量系数K时,两个温度点温差应该大于等于50度。
对于用电压法测量结温的仪器有几个基本的要求：
A、电压法测量结温的基础是特定的测试电流下的Vf测量,而LED芯片由于温度变化带来的电压变化是毫伏级的,所以要求测试仪器对电压测量的稳定度必须足够高,连续测量的波动幅度应小于1mV。
B、这个测试电流必须足够小,以免在测试过程中引起芯片温度变化;但是太小时会引起电压测量不稳定,有些LED存在匝流体效应会影响Vf测试的稳定性,所以要求测试电流不小于IV曲线的拐点位置的电流值。
C、由于测试LED结温是在工作条件下进行的,从工作电流（或加热电流）降到测试电流的过程必须足够快和稳定,Vf测试的时间也必须足够短,才能保证测试过程不会引起结温下降。
在测量瞬态和稳态条件的结温的基础上,可以根据下面公式算出LED相应的热阻值：
Rja=ㄓT/P=【TaTj】/P
其中Ta是系统内参考点的温度（如基板温度）,Tj是结温,P是使芯片发热的功率对于LED可以认为就是LED电功率减去发光功率。
由于LED的封装方式不同,安装使用情况不同,对热阻的定义有差别,测试时需要相应的支架和夹具配套。
SEMI的标准中定义了两种热阻值,Rja和Rjb,其中：
Rja是测量在自然对流或强制对流条件下从芯片接面到大气中的热传导。
本课题的主要任务及意义
设计任务
查阅资料，了解课题背景，了解环境噪声的特点。
学习、掌握声压计的测量机理、传声器测量基本原理。
合理选择噪声测量传感器，掌握其测量原理及应用。
学习单片机原理，熟悉单片机系统设计和软件编程。
进行整体方案设计，做出开题报告。
进行系统硬件电路设计，包括传声器测量系统设计、单片机系统硬件设计。
审查后，焊接或在面包板上搭接电路。
编写程序，仿真调试。
仿真调试通过后，固化程序，脱离开发系统运行。
在实验室进行环境模拟，测试系统，完成系统联调。
课题意义
噪声是日常生活中常见的物理现象。
在大多数情况下，噪声是有害的。
噪声在生理和心理上也会危害人类的健康，因而已被列入需要控制的危害之一。
但噪声也有可以被利用的一面。
无论是利用噪声还是防止噪声，都必须确定其量值。
在长期的科学研究和工程实践中已逐步形成了一门较完整的噪声工程学科，可供进行理论计算和分析。
但这些毕竟还是建立在简化和近似的数学模型上，还必须用试验和测量技术进行验证。
随着现代工业和现代科学技术的发展，对各种仪器设备提出了低噪声的要求，需要进行噪声的分析与设计，并通过实验来验证，改进设计。
总之，噪声的测量不仅在噪声研究领域里占有重要的地位，而且已经广泛应用于各个领域。
温度是日常生活中重要的一部分，温度的高低直接影响人体的健康。
所以对温度的监测是生活中的一项指标。
2噪声和温度监测系统的总体方案设计
噪声和温度监测系统任务分析
本设计的任务是要完成基于单片机的环境噪声和温度监测仪的设计系统，它的主要是设计以单片机为核心、采用V/F转换技术的便携式环境噪声和温度测量仪，实现环境噪声和温度的实时测量和LED数字显示，给出噪声和温度的大致指示。
基于本次任务，该设计方案由硬件和软件两部分组成。
噪声和温度测量仪的硬件电路系统，包括噪声和温度信号的转换、放大、交直流转换与电压、频率转换电路以及单片机系统的硬件电路、LED显示电路等。
软件部分主要是用单片机语言编程，实现对信号的采集、转换及显示。
在遵循软硬件相结合的原则下，先进行硬件电路的计，再进行软件编程，进行模块化设计，并对各模块进行调试，最后进行软硬件联合调试和故障的排除。
软件系统设计方案
环境噪声和温度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所示。
在图中xi表示读取的计数值，i从0开始。
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。
值得指出的是，查表程序程序实现了计数值向声压、温压级的转换。
为了提高系统的抗干扰能力，除了需要在硬件上采取相应的措施外，软件上采用冗余设计法即重复重要的指令，未用空间设置操作指令，以防止程序跳飞而死机。
图噪声和温度监测系统的软件流程图
单片机系统的设计
单片机的选择
单片机自从问世以来，它一直是工业检测、控制应用的主角。
市场上常用的单片机有Intel公司的MCS-51系列，日本松下公司的MN6800系列等。
其中，MCS-51由于单片机应用系统具有体积小，可靠性高，功能强，价格低等特点，很容易形成产品而更受青睐。
89C52是由北京集成电路中心（BIDC）设计，由美国的Atmel公司生产八位单片机。
它是一种低功耗高性能的具有8K字节可电气烧录及可擦除的程序ROM的八位CMOS单片机。
该器件是用高密度、非易丢失存储技术制造并且与国际工业标准80C51单片机指令系统和引脚完全兼容。
本系统采用CPU为89C52的单片机，89C52本身带有8K的内存储器，可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，比以往惯用的8031CPU外加EPROM为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单、方便等优点，而且完全兼容MCS-51系列单片机的所有功能。
89C52管脚图如图所示。
下面介绍89C52的主要管脚功能如下：
VCC（40）：
电源+5V；VSS（20）：
接地；P0口（32-39）：
双向I/O口，既可作低8位地址和8位数据总线使用，也可作普通I/O口；P3口（10-17）：
多用途端口，既可作普通I/O口，也可按每位定义的第二功能操作；P2口（21-28）：
既可作高8位地址总线，也可作普通I/O口；P1口（1-8）：
准双向通用I/O口；RST（9）：
复位信号输入端；ALE/PROG：
地址锁存信号输出端；PSEN：
内外程序存储器选择线；XTAL1（19）和XTAL2（18）：
外接石英晶体振荡器。
由于本课题的需要用到单片机内部的计数器和定时器，所以在这里有必要介绍定时器/计数器的工作原理。
首先，先看看定时器/计数器的结构图：
图定时器/计数器的结构原理图
从上面定时器/计数器的结构图中可以看出，16位的定时/计数器分别由两个8位专用寄存器组成，即：
T0由TH0和TL0构成；T1由TH1和TL1构成。
其访问地址依次为8AH-8DH。
每个寄存器均可单独访问。
这些寄存器是用于存放定时或计数初值的。
此外，其内部还有一个8位的定时器方式寄存器TMOD和一个8位的定时控制寄存器TCON。
这些寄存器之间是通过内部总线和控制逻辑电路连接起来的。
TMOD主要是用于选定定时器的工作方式；TCON主要是用于控制定时器的启动停止，此外TCON还可以保存T0、T1的溢出和中断标志。
当定时器工作在计数方式时，外部事件通过引脚T0（）或T1（）输入。
当定时器/计数器为计数工作方式时，通过引脚T0和T1对外部信号计数，外部脉冲的上升沿将触发计数。
计数器在每个机器周期的S5P2期间采样引脚输入电平。
若一个机器周期采样值为0，下一个机器周期采样值为1，则计数器加1。
此后的机器周期S3P1期间，新的计数值装入计数器。
所以检测一个由0至1的跳变需要两个机器周期，由于本课题所利用的是计数器T0、定时器T1，并且是工作在工作方式1。
所以以下重点介绍工作方式1的特点。
工作方式1是16位的计数器，由TLX作为高8位和THX作为低八位。
由于计数器为16位，其计数范围最大。
当启动TX前，TLX和THX装入计数初值，当TLX计满后，向THX进位，当计数器计数达到0FFFF后，再计一个数，则计数器产生溢出中断，向CPU请求中断，在中断程序时THX和TLX需重新装入初值，以便中断返回后重新开始计数。
所以，工作方式1是一种需重装初值的计数器。
由于这种方式，计数范围大，所以在计较大数据时可采用这种工作方式。
鉴于本课题的实际情况在此课题T0用来对外部脉冲计数，而T1用来做内部定时器，即每个机器周期产生一个计数脉冲，可以用来实现等待计时功能。
3噪声和温度监测系统的软件设计
研制一台智能仪器是一个复杂的过程，这一过程包括分析仪表的功能要求和拟定总体设计方案，确定硬件结构和软件算法，研制逻辑电路和编制程序，以及仪表的调试和性能的测试等等。
软件的设计应遵循结构化设计原则，在总体概况设计的基础上进行具体的详细设计，功能分解，模块划分，细化软件层次，优化软件结构，以达到模块功能的独立性，执行的高效性。
总之，设计的程序应该达到可读性，可理解性，可维护性，有效性，可修改性。
噪声和温度监测系统的软件设计方案
在单片机系统的程序的设计开发中，单片机就如同整个系统的交通中枢，而程序就是组成交通中枢的条条大道，各个部分的模块化的程序就是整个系统的组成成份。
软件编写的好坏，语句运用的是否简洁直接关系单片机的工作效率。
在各个模块化的程序中尽量用最少的语句作最多的事情，不让语句出现歧义，这样就可以使整个程序可以在系统中更好的运行，使单片机工作效率大大的提高。
下面就对本次毕业设计的软件部分作些介绍，如图所示为软件总体流程图。
子程序包括：
中断服务程序的设计、查表子程序、显示子程序、指示子程序。
由于要实现很多功能，所以采用模块化设计，下面就其主要部分分别分析。
中断服务程序主要实现的功能是：
T0中断子程序是将电压/频率转换器产生的频率信号接入计数器的T0口，然后计数器开始计数，当计数到一定数目后，计数器就产生溢出中断。
查表子程序将进入单片机的脉冲信号与实际要显示值之间有一定的对应关系，经过软件编程查表显示所需要的值。
显示子程序是将数据处理的结果送显示器显示。
指示子程序是对显示结果范围的一个指示。
本噪声和温度监测系统软件总体流程图如图所示。
图单片机软件系统方案框图
系统内部RAM的分配
编写程序之前，必须对系统占用的RAM进行合理的分区和安排，这样才有条理，不易在软件上出错。
内部RAM分配情况如表所示。
表噪声系统RAM区分配表
单元
内容
40H
存放计数器高8位
41H
存放计数器低8位
5CH
声压级单位b与温压单位°C
5DH
声压级单位d
5EH
声压级高位数值
5FH
声压级地位数值
中断服务程序的设计
噪声监测系统在工作过程中其主要的功能是由芯片中的定时器/计数器来实现的。
单片机的定时器/计数器T0由特殊功能寄存器TH0、TH1构成，定时器/计数器T1由特殊功能寄存器TH1、TL1构成。
特殊功能寄存器TMOD用于选择定时器/计数器T0/T1的工作模式和工作方式。
特殊功能寄存器TCON用于控制TO、T1的启动和停止数，同时包含了T0、T1的状态。
TMOD、TCON这两个寄存器的内容由软件设置。
单片机复位时，两个寄存器的所有位都被清0。
在此系统中，T0作为计数器，T1作为定时器，中断服务程序流程图如图所示。
图中断服务程序流程图
T0中断子程序的设计
计数功能是对外来脉冲进行计数。
芯片有T0和T1两个输入引脚，分别是这两个计数器的计数脉冲输入端。
当输入信号产生由1至0的负跳变时，计数器的值增1。
每个机器周期的S5P2期间，对外部输入引脚进行采样。
如在第一个机器周期中采得的值为1，而在下一个机器周期中采得的值为0，则在紧跟着的再下一个机器周期S3P1的期间，计数器加1。
由于去确认一次负跳变要花两个机器周期，即24个振荡周期，因此外部输入的计数脉冲的最高频率为振荡器频率的1/24。
由于本设计采用T0计数器，当定时时间到时产生中断，故需要编写中断子程序。
本设计把T0作为计数器，采用方式1计数，当定时1秒后，即产生中断，而计数器T0的溢出中断TF0作为外部中断请求的标志，于是，CPU暂时终止当前的工作，转去执行中断服务程序，这时除了硬件会自动把断点地址（16位程序计数器PC的值）压入堆栈之外，还得保护有关工作寄存器、累加器、标志位等信息，在完成中断服务程序后，恢复有关的工作寄存器、累加器、标志位内容，最后执行中断返回指令，从堆栈中自动弹出断点地址到PC，继续执行被中断的程序，如图所示为中断子程序流程图。
图中断服务程序流程图
T1中断子程序的设计
所谓定时功能也是通过计数器的计数来实现的，不过这时的计数脉冲来自单片机的内部，既每个机器周期产生一个计数脉冲。
也就是每个机器周期计数器加一。
由于一个机器周期等于12个振荡脉冲周期，因此计数频率为振荡频率的1/12。
如果单片机采用6MHz晶体，则计数频率为。
这样就可以根据定时时间的要求计算出计数器的初值。
因此本设计中T1的初值为
，即X=15536=3CB0H，因此TH1=3CH，TL1=B0H。
定时功能：
用T1做定时1秒，每满1秒，就读计数器的内容。
具体的T1中断子程序软件流程图见图。
图T1中断服务程序
显示子程序
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，温度显示格式：
××°C。
数据处理完后，显示子程序开始工作，由于LED显示为段码的显示，所以处理后的十进制数要首先取段码，然后送显示单元。
本设计的显缓单元为5CH-5FH，采用两个四位LED显示，先把要显示的数据存入显缓单元，然后取段码，再把段码送到指定的位上，用R5进行位的选择，显示程序流程图如图所示。
图显示子程序流程图
指示范围子程序
本噪声和温度监测系统采用三个不同颜色的发光二极管（分别为黄、红、绿色），指示所测噪声处于不同的声压级范围。
此指示程序的作用是：
当声压级为、温度时，黄色灯点亮；当声压级为、温度时，红色灯点亮；当声压级为、温度时，绿色灯点亮。
具体的流程图如图所示。
图指示子程序流程图
4系统的调试与分析
系统的硬件、软件独调和系统调试是系统最后的步骤也是系统特别重要的环节，因为设计和开发出的系统是否成功，功能是否完善只有在这里才能显现出来。
所以为了保证设计系统能够正常工作，必须对软件和硬件部分的每一个部分进行调试和分析。
本章详细的介绍了计价器的硬件调试、软件调试和软硬联调的过程，并对调试结果进行了介绍和分析。
调试分析的一般过程
本次毕业设计采用的仿真系统是由南京伟福实业有限公司开发的伟福仿真器进行软件调试的，此系统可以开发应用软件，以及对硬件电路进行诊断、调试等。
它的具体功能是可以进行CPU仿真，可以单步、跟踪、断点和全速运行，而且，程序的编译过程中，可以对设计软件进行自诊断，并自动给出故障原因。
同时用户调试程序时，可以通过窗口观察寄存器的工作状况，以便及时发现和排除编程中可能出现的错误。
可以看出，该仿真系统是款功能强大，实用性强的仿真系统。
本次毕设之所以采用伟福仿真系统，就是由于此仿真系统强大的功能，因为所借助的仿真系统性能的优越，直接影响设计者设计和调试的效率。
调试与分析的过程一般包括电路原理的调试、程序的调试及它们的联机调试过程。
一旦系统的工作总框图确定之后，电路原理图和程序的设计工作就可以齐头并进。
硬件电路的调试可以先采用某种信号作为激励，然后通过检查电路能否得到预期的响应来验证电路是否正常。
通常采用的方法是通过编制一些小的调试程序分别对相应各硬件单元电路的功能进行检查，而整个系统硬件功能必须在硬件和软件设计完成之后才能进行。
软件程序只有在相应的硬件系统中调试，才能最后证明其正确性。
软件调试
软件的调试是利用伟福软件，模块化调试，通过观察存储单元数据的变化，查找并解决程序的语法和逻辑错误，具体的调试步骤如下：
1.把系统的各个模块在仿真软件中逐个调试。
2.对各个需要赋值模块调试时，赋入初值，单步调试，观察仿真器窗口
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