噪声测量仪设计报告书Word格式.docx
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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”。
噪声给人带来生理上和心理上的危害主要有以下几方面：
①干扰休息和睡眠、影响工作效率：
干扰休息和睡眠；
使工作效率降低。
②损伤听觉、视觉器官：
强的噪声可以引起耳部的不适，如耳鸣、耳痛、听力损伤；
噪声对视力的损害。
③对人体的生理影响：
损害心血管；
对女性生理机能的损害；
噪声还可以引起如神经系统功能紊乱、精神障碍、内分泌紊乱甚至事故率升高。
2.3人对不同声强的感觉
无法忍受：
150dB~130dB
感到疼痛：
130dB~110dB
很吵：
110dB~70dB
较静：
70dB~50dB
安静：
50dB~30dB
极静：
30dB~10dB
无声：
0dB
2.4声压级测量机理
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0.2秒到0.25秒或0.5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2.1给出倍频带中心频率与A声级的校正量之间的关系。
表2.1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）
31.5
63
125
250
500
A声级校正量（dB）
－39.4
-26.2
-16.1
-8.6
-3.2
1k
2k
4k
8k
16k
1.2
1.0
-1.1
-6.6
三、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。
由模拟电路采集环境噪声，经过模数转换后再经前期数据处理电路送入单片机，系统的核心部分是单片机STC89C52，输入的信号即反应了所测声压大小。
最后经单片机C语言程序运算出最终数据通过P0口和锁存器送入6位LED数码管显示。
3.1方案论证
设计中设计了两个方案，具体见方案一和方案二。
方案一：
基于STC89C52单片机采取A/D转换器设计方案
将外界噪声经过高灵敏度无指向性传声器转换成电信号，由三级管和集成功放LM386构成两级放大电路，由双运放LM324构成的带通滤波器滤波，由指数电路和对数电路进行求值，由AD575构成模数转换电路，输出的数字信号送给单片机的P1口和P3口，作为单片机的数据输入信号。
系统的核心部分是单片机STC89C52，从P1口和P3口输入的数字信号即反应了所测声压大小。
最后经单片机内部C语言程序运算出最终数据通过P0口和锁存器送入5位LED数码管显示。
图3-1方案一整体方框图
方案二：
基于STC89C52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。
由运放MAX4466和集成功放LM386构成两级级放大电路,其输出电平反映了噪声声压的大小。
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STC89C52，其P3.5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,最后经单片机内部C语言程序运算出最终数据通过P0口和锁存器送入5位LED数码管显示。
图3-2方案二整体方框
3.2方案比较
由于方案一涉及的电路相对较复杂，计算量过大，有些元器件选择和采购比较困难，而且价格昂贵，而且根据题目要求，达不到设计精度，会影响测量的准确性。
相比而言方案二的前期数据处理电路更为简单，在计算数据方面也没有方案一那么繁琐，元器件选择更为容易，且价格合适，调试也较方便，还有最主要的是方案二的测量精度比方案一高，符合经济实惠的要求，因此本设计设计采用了方案二
四、单元模块设计
本设计共采用了8个单元模块电路：
高灵敏度电容式驻极体传声器、前置放大器、集成功放放大器、峰值检波电路、V/F电压频率转换器、单片机系统、七段数码管显示器。
4.1高灵敏度电容式驻极体传声器
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。
图4-1电容式驻极体话筒内部结构简图
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。
4.2前置放大器
前置放大器由三级管9014构成的放大电路构成，9014参数如下：
结构NPN
集电极-发射极电压最大为45V
集电极-基电压最大为50V
射极-基极电压最大为5V
集电极电流0.1A
耗散功率0.4W
结温150℃
特怔频率最小150MHZ
放大倍数：
A60-150B100-300C200-600D400-1000
图4-2前置放大器电路图
图4-2为前置放大器电路，当有声音传入高灵敏度电容式驻极体话筒LS1时，MK1两端的电量发生改变，经过电容器C2和R3的作用加到晶体三级管9014的基极好热发射极之间，从而引起三级管9014基极和发射极之间的电压发生变化，最终引起三级管9014集电极的电压发生变化，由于三级管的放大作用，所以集电极的电压是基极电压Au倍，最后被放大的信号通过电容器C1加到下一级电路中。
放大倍数An计算公式如下：
Au=（－β
）
其中rbe=300+（1+β）所以Au≈100（倍）
4.3集成功放LM386放大器
LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。
为使外围元件最少，电压增益内置为20倍。
但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。
输入端以地为参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。
功率放大器的作用相当于扬声器的音量调节器。
音频功率放大电路的作用主要是将信号处理器发送过来的信号功率放大，使其信号的功率达到设计要求。
对该部分电路的要求是输出功率大。
在电路设计过程中进行对比，通过比较发现LM386集成电路使用简单，基本没有外围器件，而且它还有体积小、电源范围宽、外接元件少、电压增益可调整、频率响应好、输出功率大、总谐波失真小等优点。
因此选用LM386来组成音频功率放大电路。
LM386被广泛地应用在录音机和收音机音频放大、室內对讲机、红外线、超声波、小型马达驱动器等电路中。
LM386的引脚图如图4-3所示。
图4-3LM386引脚图
其中LM386的内部方块图如图4-4所示。
图4-4LM386的内部方块图
LM386的特性有以下几点：
（1）静态功耗低，约为4mA,可用于电池供电。
（2）工作电压范围宽，4-12V或5-18V。
（3）外围元件少。
（4）电压增益可调，20-200倍。
（5）低失真度。
图4-5倍的音频放大器
图4-5为20倍的音频放大器。
由于传声器输出的电信号比较弱，只有毫伏级，为了使数据采集卡能很好的采集到相应数据，必须经过电压放大器进行电压放大，采用LM386芯片电压增益200倍的接法，即在1和8引脚间接10uF的电容，如图4-6所示。
图4-6200倍的电压放大器
由于噪音信号经传声器和前置放大电路转换出来的电信号微弱，所以需要再进行高增益放大，所以本设计采用200倍电压增益的电路。
4.4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4-7检波电路
图4-7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。
4.5V/F电压频率转换器
V/F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。
主要特点：
◆具有最大0.01％的线性度
◆改进的电压/频率转换器应用性能
◆双电源或单电源供电
◆工作电压：
5V
◆数字脉冲输出端电平与所有5V的标准逻辑电路兼容
◆出色的温度稳定性，温漂小于±
50ppm/℃
◆低功耗：
15mW典型值（5V工作电压）
◆动态范围宽，在100kHz的频率范围下，最小为100dB
◆满量程频率范围宽：
1Hz～100kHz
◆低成本
图4-8LM331内部结构图
图4-8为LM311的内部结构图，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。
图4-9LM331构成的V/F转换电路图
图4-9为LM331构成的V/F转换电路，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R11对电容C13充电。
当电容C13两端充电电压大于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C13通过复零晶体管迅速放电；
电子开关使电容C10对电阻R13放电。
当电容C10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×
R13×
R15×
R11xC13）
由式知电阻R13、R15、R11和C13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R6和电容C5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。
4.6单片机系统
单片机系统本设计的核心部分，声音信号经放大和V/F变换后直接送到单片机系统进行处理，并将运算结果送至七段数码管显示器显示和报警系统。
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
1.时钟电路
STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图4—10（a）所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。
外部方式的时钟电路如图4—10（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。
（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路
图4—10时钟电路
2.复位及复位电路
（1）复位操作
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。
除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表4.1所示。
表4.1一些寄存器的复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TCON
00H
ACC
TL0
PSW
TH0
SP
07H
TL1
DPTR
TH1
P0-P3
FFH
SCON
IP
XX000000B
SBUF
不定
IE
0X000000B
PCON
0XXX0000B
TMOD
（2）复位信号及其产生
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。
若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
产生复位信号的电路逻辑如图4—3所示：
图4—11复位信号的电路逻辑图
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。
复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图4—4（a）所示。
这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图4—4（b）所示；
而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，
其电路如图4—4（c）所示：
（a）上电复位（b）按键电平复位（c）按键脉冲复位
图4—12复位电路
上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。
由于本设计单片机系统使用12M晶振，所以本设计的复位电路采用图4—13上电复位方式。
图4-13复位电路
STC89C52具体介绍如下：
①主电源引脚（2根）
VCC（Pin40）：
电源输入，接＋5V电源
GND（Pin20）：
接地线
②外接晶振引脚（2根）
XTAL1（Pin19）：
片内振荡电路的输入端
XTAL2（Pin20）：
片内振荡电路的输出端
③控制引脚（4根）
RST/VPP（Pin9）：
复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG（Pin30）：
地址锁存允许信号
PSEN（Pin29）：
外部存储器读选通信号
EA/VPP（Pin31）：
程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
④可编程输入/输出引脚（32根）
STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。
PO口（Pin39～Pin32）：
8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7
P1口（Pin1～Pin8）：
8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7
P2口（Pin21～Pin28）：
8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7
P3口（Pin10～Pin17）：
8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7
STC89C52主要功能如表二所示。
表二STC89C52主要功能
主要功能特性
兼容MCS51指令系统
8K可反复擦写FlashROM
32个双向I/O口
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
可编程UART串行通道
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功能
本设计中由于采用了V/F转换电路，所以单片机系统的输入信号从P3^5的T1口输入频率信号，再经内部C语言程序进行运算、计数、定时和判断，由四个独立按键对报警值进行设定，最后送至P0口输出进行显示。
如图4-14所示：
图1-14单片机硬件电路
4.7七段数码管显示器
7段数码管一般由8个发光二极管组成，其中由7个细长的发光二极管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。
当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光。
控制相应的二极管导通，就能显示出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的数符数量也有限，但其控制简单，使有也方便。
发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极数码管，阴极连在一起的称为共阴极数码管，如图4-15
图4-157段数码管结构图
发光二极管（LED是一种由磷化镓（GaP）等半导体材料制成的，能直接将电能转变成光能的发光显示器件。
当其内部有一一电流通过时，它就会发光。
7段数码管每段的驱动电流和其他单个LED发光二极管一样，一般为5～10mA；
正向电压随发光材料不同表现为1.8~2.5V不等。
7段数码管的显示方法可分为静态显示与动态显示，下面分别介绍。
（1）静态显示
所谓静态显示，就是当显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地寻能可截止。
这种显示方法为每一们都需要有一个8位输出口控制。
对于51单片机，可以在并行口上扩展多片锁存74LS573作为静态显示器接口。
静态显示器的优点是显示稳定，在发光二极管导通电注一定的情况下显示器的亮度高，控制系统在运行过程中，仅仅在需要更新显示内容时，CPU才执行一次显示更新子程序，这样大大节省了CPU的时间，提高了CPU的工作效率；
缺点是位数较多时，所需I/O口太多，硬件开销太大，因此常采用另外一种显示方式——动态显示。
（2）动态显示
所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描），对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。
虽然在同一时刻只有一位显示器在工作（点亮），但利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉效应，看到的却是多个字符“同时”显示。
显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。
调整电流和时间参烽，可实现亮度较高较稳定的显示。
若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个8位I/O口（称为扫描口或字位口），控制各位LED显示器所显示的字形也需要一个8位口（称为数据口或字形口）。
由于本设计要求实现实时显示噪声分贝值，需要用到六个数码管，静态显示无法实现其功能，而动态显示节省硬件资源，成本较低，且易于实现，电路也较简单，所以本设计采用动态显示，用单片机的P0口向锁存器传送段选数据和位选数据，利用P^6控制段选数据锁存器，P^7控制位选数据数据锁存器。
以实现六个7段数码管显示器实时显示环境噪声分贝值。
电路如图4-16：
图1-16七段数码管显示器
五、软件设计
本设计单片机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5-1所示：
主程序处于循环工作状态，主要完成显示当前的噪声值，并用动态显示方式送到数码管显示，同时定时器T0以每50ms时间中断1次；
判断T1计数次数是否满足要求，满足则把数值送到变量K，然后返回主程序；
在主程序循环当中，会查询是否有功能按键按下；
如果有，则进入上限或下限数值设置，在按键程序中，会逐次判断是否有加1或减1按下，有则上、下限相应加1或者减1，如果检测到有退出按键按下，则返回主程序继续执行。
图5-1C语言流程图
初始化子程序：
主要初始化定时器T0和计数器T1，程序如下:
voidinit（）
{
TMOD=0x51;
TH0=（65536-45872）/256;
TL0=（65536-45872）%256;
TH1=0;
TL1=0;
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
}
显示子程序
在设计中，两处会有不同显示方式，为了方便调用，把显示
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