1、基于单片机的环境噪声检测仪毕业设计论文 精品本科毕业论文基于单片机的环境噪声检测仪的设计所 在 学 院 机械与工程学院 专 业 名 称 机械设计制造与自动化 完 成 日 期 二一二年五月 摘 要随着社会发展水平的提高，噪声的危害日益突现，对环境噪声的实时检测越来越得到人们的重视。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。本文详细介绍了噪声监测系统的测量原理和系统组成，包括：噪声信号的转换、放大、V/F转换、数据采集和显示系统的设计。外界噪声信号经过传声器变换成音频信号，电信号通过放大和V/ F 变换输入到单片机进行处理，并转换成相应的噪声分贝值通过LED 显示，从而实现噪声
2、的实时监测。该系统具有实现简单，精确度高，适用于实际进行噪声的实时监测等特点。关键词：运算放大器，噪声，单片机，LEDABSTRACTWith the improvement of social development, harm of noise more emergent, real-time detection of environmental noise and get peoples attention. Environmental noise monitoring, which is improving the quality of life, strengthen environ
3、mental protection an important part .In the paper, the measurement principle and the system constitution are introduced in detail, including: the noise signal converting system, signal magnifying system, V/F converting system, data collection and indication system. This paper introduces the ways to
4、convert the real-time monitoring of the noise into acoustic frequency electrical signal by using microphone, operational amplifier and V/ F converter, which will act as Single Chip Micoyos input signal. Then the SCM will change it into a noise DB value, which will be displayed on LED. This system is
5、 simple 0and has high precision, so it is always used in monitoring the urban noise real-time.Key words：operational amplifier，noise，Single Chip Micoyo， LED1 引言1.1 课题背景1.1.1 噪声污染的危害噪声是指一类引起人烦躁、或音量过强而危害人体健康的声音。 从物理学角度来说，噪声是指是发声体做无规则振动时所发出的声音。噪声与人们的主观意愿和生活状态有关，有时是一种主观的感受。所以，只从物理学角度判断一个声音是不是属于噪声是不完善的，它还
6、包括起着关键性的作用的主观上的因素。从生理和心理等角度来说，凡是人们所不需要的一切声音，都可称之为噪声。当噪声对周围人或环境造成不良影响时，就会形成噪声污染。工业革命以来，各种机械设备的创造和使用，给人类带来了进步，但同时也产生了越来越多的噪声污染。目前，噪声已成为污染人类社会环境的一大公害，严重危害到了人们的身心健康，被人称为“致人死命的慢性毒药”。噪声对人体的危害具体可归为以下几方那个面： （1）对视觉和听觉会造成一的影响。噪声对听觉造成损伤时，那时噪音强度超过100分贝。轻度耳鸣是轻度听觉损伤表现，还有可能影响语言听力，致使学习、工作、生活中感到听觉不适。如果某一次收到强烈的噪音，会产生
7、暂时性的两耳全聋的同时，还会感到剧烈耳鸣、眩晕。头痛、头晕、多梦、记忆力减退，发生营养障碍性疾病，心律不齐等，都是噪声对人体的危害。尤其对婴幼儿、青少年和孕妇的不良影响更加严重。（2）睡眠和工作的影响。人在睡觉时， 4050 分贝较轻的噪声也可以使人从熟睡状态变到半熟睡状态。人要想得到充分的休息必须进入熟睡状态，而这时的大脑活动缓慢而有规律。否则就不能很好的休息。从而影响到工作和学习，久而久之，人就会得神经衰弱症。 （3）对人体的生理影响。加速心脏衰老和增加心肌梗塞发病率也是噪声的危害。据统计，使血压上升也与长期接触噪声有关，因为体内肾上腺分泌增加。长期生活在平均 70 分贝噪声中的人，能导致
8、心肌梗塞发病率增加 30左右。其中长期生活在火车道旁的居民就是如此。调查1100名纺织工人，对高血压的进行了研究，其发病率为 7.2，如果接触达 100 分贝的噪声，其发病率达15.2。噪声还可引起如神经系统功能紊乱、精神障碍、内分泌紊乱。如果长期生活在高噪声的环境里，人易导致头晕、头痛、多梦、全身乏力、记忆力减退以及恐惧、甚至精神错乱。在日本曾经有过自杀的案例，就是因为火车噪声的刺激1。1.1.2 噪声污染的现状随着社会发展的工业化水平越来越高 ,噪声污染日趋严重，已成为三大环境污染之一。在我国城市环境噪声污染已经成为干扰人们正常生活的主要环境问题之一。目前，社会生活噪声、工业噪声、交通噪声
9、、建筑施工噪声构成城市环境噪声来源，分别占47%、8%-10%、30%、5%左右。近十年来，噪声总体水平在我国重点城市道路交通居高不下，已有一半以上的城市交通干线两侧噪声平均值超过 70dB(A)。道路交通噪声污染每年的经济损失约216亿，仅北京市每年因道路交通噪声污染导致的经济损失就达 15-20 亿元。据调查，全国对噪声污染的不满程度逐年增加，并且一直是各类环境污染投诉的第一位。所以，为了给人们营造一个健康的居住环境，对噪声的实时测试报警就显得十分的重要。1.1.3 噪声简介1噪声概念物理学定义：一切不规则的或随机的声信号或电信号都可称之为噪声。生理学定义：凡是妨碍人们正常休息、学习和工作
10、的声音，以及对人们要听的声音产生干扰的声音。从这个意义上来说，噪声的来源很多。社会，生活，交通，工业，建筑，都有噪声。总体讲，噪音是物体振动产生2。2噪声对人的危害随着经济的快速发展，以及人口密度的急剧增加，家庭设施的增多，环境噪声逐渐增加，是污染人类社会环境的公害之一。有一种说法叫噪声为“致人死命的慢性杀手”。因为噪声对听力、心血管系统、神经系统、内分泌系统都会有不利影响，其中局部性、暂时性和多发性是噪声的特点。以下几方面体现了噪声给人带来生理上和心理上的危害： 干扰休息、睡眠；使工作效率降低。 损伤听觉、视觉器官：强的噪声会引起耳部的不适，如耳鸣、耳痛、听力损伤；噪声对视力也有一定的损害。
11、 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。3噪声的利用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。虽然噪音是世界四大公害之一，但它还是有用处的。如利用噪声除草、发电、制冷、除尘、克敌、诊病等。1.2 噪声监测系统的发展现状噪声监测技术和设备已开始进入规范化、标准化、系列化和配套化阶段。噪声监测技术和设备的研究和开发已取得很大进展但应看到仍有一些技术不够成熟，需进一步研究的问题仍然很多。声级计一般包括传声器、放大器、衰减器、计权网络、检波器、指示表头和电源等组成。为使传声器与衰减器匹配，需传声器
12、将声音转换成电信号，经前置放大器变换阻抗来完成。噪声声级的数值检测方法，首先是放大器将输出信号加到计权网络，对信号进行频率计权(或外接滤波器)，然后经衰减器及放大器将信号放大到一定的幅值，送到有效值检波器进行检波，最后在指示表头上给出。A、B、C 三种计权网络组成声级计中的频率计权网络。A 网络能使电信号的中、低频段有较大的衰减，它是模拟人耳对等响曲线中40 方纯音的响应，其曲线形状与 340 方的等响曲线相反。而B网络使电信号的低频段有一定的衰减，它主要模拟人耳对70 方纯音的响应。C 网络的特点是接近平直的响应。声级即声级计经过频率计权网络测得的声压级，由于使用的计权网的区别，分别称为 A
13、 声级、B 声级和 C 声级，单位记作 dB(A)、dB(B)和 dB(C)。在实际的测量中，A 计权声级最能反应噪声对人吵闹的主观感觉和人耳听力损伤的影响，用户最多用的是 A 计权网络。此外，声级计还可以外接滤波器和记录仪，对噪声进行频谱分析。根据声级计在标准条件下测量1000Hz纯音所表现出的精度，六十年代国际上把声级计分为两类，精密声级计和通声级计。我国也采用这种分法。70年代以来有些国家推行四类分法，即分为0型、1型、2型和3型。它们的精度分别为0.46、0.76、1.00和1.5dB。依据声级计所用电源的不同，声级计还分为交流式声级计和用干电池的电池式声级计两类。其中式声级计也称为便
14、携式声级计，这种仪器体积小、重量轻、现场使用方便。其原理方框图如图1所示。其中1-传声器，2-前置放大器，3-输入衰减器，4-输入放大器，5-计权网络，6-输出衰减器，7-输出放大器，8-检波器 9-表头。图1 声级计原理方框图为适应测量现场的需要，声级计一般都备有三脚支架，以便视需要将声级计固定在三脚支架上3。1.3 主要任务及意义1.3.1 设计任务查阅相关资料，了解课题背景、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。完成系统硬件电路设计，包括传
15、声器测量系统设计、单片机系统硬件设计。检查后，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。1.3.2 课题的意义噪声是指不需要的声音。随着现代工业的发展，噪声污染已成为主要公害之一。控制噪声、保护环境已成为人们的共识。其中，噪声测量是重要的一环，具有举足轻重的地位。及时、准确地掌握城市噪声现状，分析期变化趋势和规律；了解各类噪声尖的污染程度和范围，为城市噪声管理、治理和科学研究提供系统的噪声检测资料。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
16、程学科，可供进行理论计算和分析。但这些毕竟还是建立在近似的数学模型上，还必须用测量技术和试验进行验证。随着现代工业和现代科学技术的发展，对很多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，完善设计。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机械制造、建筑工程、地球物探、生物医疗等各个领域。1.3.3 论文内容安排本文按噪声监测系统构造的不同部分分别进行了介绍。第1章绪论中简要地介绍研究噪声的危害以及一些基础知识。第2章是噪声监测系统的总体设计，主要包括硬件和软件设计两部分。第3章是噪声监测系统硬件设计，本章主要介绍了传声器、功率放大器、交直
17、流转换电路、处理和显示部分的设计。第4章是噪声监测的系统软件设计，本章主要介绍单片机编程以及主程序设计，数据的采集、处理、显示等功能。第5章是系统调试与结果分析，介绍了硬件调试、软件调试及软硬联调的过程，并说明了调试过程中出现的问题和处理的方法。2 噪声监测系统的总体设计2.1 噪声监测系统分析本次设计的任务是要完成基于单片机的环境噪声监测仪的系统设计，它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测量仪，实现环境噪声的实时测量和LED数字显示，给出噪声水平的相关数据。本次设计的方案由硬件和软件两部分组成。噪声测量仪的硬件电路系统，包括噪声信号的转换、放大、交直流转换与电压、单
18、片机系统的硬件电路以及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。在符合软硬件相适应的前提下，要先进行硬件电路的设计，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。2.2 硬件系统设计首先要对用户需求进行分析，努力使设计要求满足用户需求。还要对产品的安全性、可靠性、成本等要素进行性价比分析以便于完成具体的硬件设计。硬件实现及硬件调试过程是在可行性得到验证通过后进行，剩下工作就是在器件选型过程当中，不但要考虑各式器件的供货方式、器件的功耗以及器件之间可能会产生的影响，还要对供货周期及产品技术支持等因素进行关注。硬件实现
19、中包括原理图设计和印制电路板设计。系统设计的图形化表示，设计思路在软件工具中的抽象实现组成原理图，具体器件的实现方式是印制电路板设计，离实物只欠印制电路板的制作过程。为更好的保证信号完整性以及考虑电磁干扰和电磁兼容性，对布线工艺，系统结构设计知识需要掌握，。遵循系统设计功能的要求，确定控制系统包括硬件和软件系统两部分。其中硬件系统结构框图如图2所示。环境噪声经由高灵敏度、无指向性驻极体传声器转换成电信号。放大电路由运放LM386构成，认真调整一些外围元件参数，使输出幅频特性符合测量要求的电压信号。通过V/F转换器后，输出频率信号变为TTL电平送给单片机的P3.4引脚，经软件处理之后，噪声声压级
20、显示值由P1口输出，驱动LED数码管显示。图2 噪声监测仪硬件结构框图传声器是将声波信号转换为电信号的能量转换器件，是噪声测量系统中的一个主要环节。按传声器的指向特性分类，分无指向性、双指向性和单指向性（包括心形和钳形指向性）3大类；按换能方式分类，分电动式、电容式和压电式等；按传声方式分类，分有线传声器和无线传声器两类；按声波接收的原理分类，分声压式和压差式。功率放大器简称功放，可以说是各类音响器材中最大的一个家族了，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。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，使其信号的功率满足
21、设计要求。此方案中的V/F转换电路主要是由LM331组成的电压/频率转换电路。LM331采用了新型温度补偿能隙基准电路，在规定工作温度范围内和4伏电源电压下都有很高精度。LM331可得到只有价格较高的V/F转换器才有的高水平精度。由LM331构成的电压/频率转换电路，输出的频率信号变成TTL电平送给单片机的P3.4引脚，作为T0的计数脉冲。此转换电路线性良好，抗干扰能力强，输出频率范围在10100kHz以上，比普通8位并行A/D转换器优越，有助于提高系统的测量范围。89C52单片机是本次设计的核心部分。LM331直接与单片机定时/计数器连接，这种方式方便易行。LED显示器是一种通过控制半导体发
22、光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。普通的LED显示器为8段，每一段对应一个发光二极管。这种显示器有共阳极和共阴极两种。LED显示器分为静态显示和动态显示两种显示方式。此设计中用的是动态显示方式4。2.3 软件系统设计 环境噪声测量系统的软件是采用模块化的设计，由主程序、中断服务程序、查表子程序和显示子程序四部分组成。其流程图如图3所示。在图中xi表示读取的计数值，其中i从0开始。主程序在完成定时/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时处于循环工作状态。需要指出的是，查表程序程序实现了计数值向声压级的转换。为了进一步提高
23、系统的抗干扰能力，不仅要在硬件上采取相应的措施，在软件上也需要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5。图3 噪声监测系统的软件流程图3 噪声监测系统的硬件设计声学测距系统硬件电路主要由七个部分组成：传声器、音频放大器、交直流转换、V/F转换电路、单片机采集处理和LED显示以及测量范围的指示电路。硬件是整个系统运作的基石，良好的硬件设计是整个系统稳定运行的保障。硬件设计同时思考软件设计上的方便，使各部分电路有机结合，确保各模块功能的实现。3.1 传声器传声器（Microphone）又称话筒，俗称“麦克风”。传声器是将声波转换为相应电信号的能量仪器设备，其原理
24、就是用变换器将由声压引起振动膜的振动变成电参数的变化。传声器包括声波接收器和力-电换能器两个部分。由声音造成的空气压力使传感器的振动膜振动，从而经变换器将此机械运动转换成电参量的变化，是噪声测量系统中的一个关键环节。在噪声检测系统中，传声器起着十分重要的作用。虽然传统设计中采用的电容传声器具有频率范围宽，频率响应平直，灵敏度变化小，长期使用稳定性好等优点。但是它具有内阻高，需要用阻抗变换器与后面的衰减器和放大器匹配，需要加极化电压等缺点。而采用驻极体传声器不再需要提供极化电压，即可以在声级测量仪器上省去直流变换器， 又对简化电源和电路的设计有重要作用。而想降低声级测量仪器的本底噪声，更需要电源
25、和电路设计的简化。根据换能原理，传声器可分为: 动圈式传声器 、电容式传声器、驻极体式传声器、电压式传声器、带式传声器等。本次设计需要体积小、结构简单、电声性能好、价格低等特点，而驻极体传声器兼备这些优点，因此次设计中采用了驻极体传声器。 它由一片单面涂有驻极体薄膜的金属层和一片上面有若干小孔的金属电极（即背电极）组成。金属层与背电极相对，中间有一个极小的空气隙，这样就形成了一个以空气隙和驻极体作为绝缘介质，以金属层和背电极作为两个电极的平板电容器。驻极体薄膜上生产时注入了一定的永久电荷(Q)，由于没有放电回路，这个电荷是不变的。由于驻极体上的电荷数 Q 始终保持恒定，根据电荷的公式：QCU，
26、反之 UQ/C，因此当 C 变化时一定会引起电容器两端电压 U 的改变，从而输出了电信号，实现了声音与电流之间的转换。而实际的驻极体传声器的内部电路更加复杂一些。驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十皮法。因而它的输出阻抗值很高，约几十兆欧以上。而这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的，因此在它与放大器之间必须连接阻抗变换器。通常用一个专用的场效应管和一个二极管复合组成阻抗变换器。根据引出端不同，驻极体传声器可分为二端输出式和三端输出式两种，二端输出方式类似晶体三极管的共发射极放大电路，是将场效应管接成漏极输出电路。只需两根引出线，接一个漏极电阻 R在漏极 D 与电源正极之间，
27、信号由漏极输出有一定的电压增益，所以传声器的动态范围比较小，但灵敏度比较高。三端输出方式和晶体三极管的射极输出电路类似，是将场效应管接成源极输出方式，是有三根引线。漏极 D 接电源正极，源极 S 与地之间接电阻 R 来提供源极电压，信号由源极经电容 C 输出。源极输出的输出阻抗小 2 千欧，电路比较稳定，动态范围大，但输出信号比漏极输出小。但是无论采取何种接法，驻极体传声器必须满足一定的偏置条件才能正常工作，即保证其内置的场效应管一直处于放大状态。 在本单元中采用的是二端输出的驻极体传声器，采用负极接地、漏极 D 输出的连接方式。漏极 D 端加约 9V 的电压，使其内部的场效应管处于放大状态，
28、 因为在 9V 电压下该传声器的敏感度高。在 VCC =9V 的电压驱动下 ,动态范围可以达到 -2+2V 6。3.2 信号放大器LM386是由美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，应用于低电压消费类产品等。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，就可以把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,促使LM386特别适用于电池供电的场合。功率放大器简称功放，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。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
29、功率放大，使其信号的功率满足设计要求。在电路设计过程中进行比较，可以发现LM386集成电路使用简单，有很少的外围器件，而且它还有许多优点，如体积小、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。因此选用LM386来组成音频功率放大电路。LM386 已经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7。LM386的引脚图如图4所示。图4 LM386引脚图其中LM386的内部方块图如图5所示。图5 LM386的内部方块图3.3 交直流转换电路的设计3.3.1 真有效值所谓真有效值即为“真正有效值”之意，英文缩写为“TRMS
30、”， 只有真有效值仪表才能给出正确的测量值，才能正确确定电缆、母线和断路器的额定值。欲需测量交流电压必须增加AC/DC转换电路，一般的交流电压表为降低成本和简化电路，均使用简易的平均值响应交流/直流转换器。真有效值仪表的的核心器件是TRMS/DC转换器。目前此类单片的集成芯片很普遍，真有效值仪表普遍使用了这类集成电路。单片集成电路具有集成度高、功能完善、外围元件少、电路连接简单等优点，此类芯片能准确、实时测量各种电压波形的有效值，无须考虑波形参数和失真，这些性能是平均值仪表无法比拟的。平均值AC/DC转换的电压表只能用于测量无失真的正弦波电压，对于正弦波失真的交流电压，这类电表测量就会产生误差
31、，更不能准确测量方波、矩形波、三角波、锯齿波、梯形波、阶梯波等非正弦波，利用真有效值数字仪表可准确测量出各种波形的有效值，达到现代电子测量之要求。交流电压的有效值的表达式的定义如下： 公式1近似公式： 公式2 我们对式（3.1）进行变化，两边平方，并令 公式3就可以得到真有效值电压的另一种表达式 公式4从公式4可知，对输入电压依次进行“取绝对值平方/除法取平均值”运算，也可以得到交流电压的有效值，而且这公式更具有使用价值。举例说明：假如要测量的电压变化范围是0.1V10V，平方后得U2=10mV100V，这就需要具有相当大的动态范围（10000：1）的平方器。这样的平方电路误差就有可能超过1m
32、V，要平方器能输出100V的电压，技术上是不能实现的。如果使用式公式4既便于设计电路，又能保证了准确度。目前大多数的集成单片真有效值/直流转换器均采用式公式4的原理而设计。通过测量信号的有效值（可知信号的峰值信息），从而可知振动的峰值。且输出的直流信号便于单片机进行数据采集和数据处理。在此系统中采用有效值检测电路AD536测量信号的有效值，经过一系列的数据处理可得振动的振幅。3.3.2 AD536 芯片AD536A是美国 AD 公司推出的真有效值转直流值（RMS-DC）的单片集成电路，它能计算复杂输入信号的有效值并给出一个与之等效的直流输出电平。它内 部含有峰值因数补偿电路,在峰值因数达到 7 时转换误差仅为 1%。 AD536A 的频带 很宽, 当信号电压大于 100mV 时，这个电路的带宽使测量能力达到 300KHZ 仅有3dB 的误差。利用外部提供的参考电压,用户能方便设置 0dB 电平,使其可以对应于从
