1、 V/ F converter；Single Chip Micoyo; LED第一章 绪论1.1 噪音测量仪的选题背景噪声即噪音，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、
2、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。1.2 噪音噪声是一种声音，声音是由物体的机械振动而产生的。振动的物体称为声源，它可
3、以是固体、气体或液体。声音可以通过介质（空气、固体或液体）进行传播，形成声波当声波到达人耳，人们就听到声音，声波在传播过程中可能会产生反射、绕射、折射和干涉。声音有强弱之分，并用声压p来表示其大小，单位是Pa （帕），1 Pa=1N/m2（牛顿/米2），一个大气压等于1.013 105 Pa.。声压可以用峰值、平均值和有效值表示。声压的有效值是瞬时声压平方在一段时间平均数的平方根，又称均方根值（RMS），它直接与声波的能量有关，所以用得最多，以下除非另外说明，所论声压均指有效值。由于声压变化的范围很大，例如人耳刚能听到的最小声压为210-5 Pa，而喷气式飞机附近的声压可达数百帕，两者相差数百
4、万倍；同时考虑人耳对声音强弱反应的（对数）特性，用对数方法将声压分为百十个级，称为声压级。声压级的定义是：声压与参考声压之比的常用对数乘以20，单位是dB（分贝），即：Lp = 20lg P/ Po 式中：p为声压（Pa.），p0=210-5Pa是参考声压，它是人耳刚刚可以听到声音的声压。声波振动的快慢用频率f来表示，单位是Hz（赫），它表示物体在1秒内振动的次数。频率的倒数为振动周期T，单位是s（秒）。人类只能听到20Hz20000Hz的声音，低于20Hz的声音为次声，高于20000Hz的声音为超声。声波的幅值随时间的变化图称为声波的波形。如果波形是正弦波，则称为纯音，纯音的声波可以用下述函
5、数描述：p=Psin（t+）P-幅值；-角频率，=2f，f-频率；-初始相位。如1000Hz声音就是指频率为1000Hz的纯音。如果波形是不规则的，或随机的，则称为噪声。如果噪声的幅值对时间的分布满足正态（高斯）分布曲线，则称为“无规噪声”。1.3 噪声的分类 按照声源的不同，噪声可以分为机械噪声、空气动力性噪声和电磁性噪声。机械噪声主要是由于固体振动而产生的，在机械运转中，由于机械撞击、磨擦、交变的机械应力以及运转中因动力不平均等原因，使机械的金属板、齿轮、轴承等发生振动，从而辐射机械噪声，如机床、织布机、球磨机等产生的噪声。当气体与气体、气体与其它物体（固体或液体）之间做高速相对运动时，由
6、于粘滞作用引起了气体扰动，就产生空气动力性噪声，如各类风机进排气噪声、喷气式飞机的轰声、内燃机排气、储气罐排气所产生的噪声爆炸引起周围空气急速膨胀亦是一种空气动力性噪声。电磁性噪声是由于磁场脉动、磁致伸缩引起电磁部件振动而发生的噪声，如变压器产生的噪声。按照噪声的时间变化特性，可分为四种情况：噪声的强度随时间变化不显著，称为稳定噪声（见图1.1a），如电机织布机的噪声。噪声的强度随时间有规律地起伏，周期性地时大时小的出现，称为周期性变化噪声（见图1.1b），如蒸汽机车的噪声。噪声随时间起伏变化无一定的规律，称为无规噪声（图1.1c），图1.1噪声随时间变化图如街道交通噪声。如果噪声突然爆发又很
7、快消失，持续时间不超过1s，并且两个连续爆发声之间间隔大于1s，则称为脉冲声（图1.1d），如冲床噪声、枪炮噪声等。城市环境噪声在噪声研究中占有很重要的地位，它主要来源于交通噪声、工业噪声、建筑施工噪声和社会生活噪声。由于城市中机动车辆的日益增多和超声速飞机的大量使用，运输工具（如汽车、拖拉机、火车、飞机等）产生的噪声成了城市环境噪声的主要污染源之一。工业噪不仅直接对生产工人带来危害，而且影响附近居民。工业噪声中，纺织厂的噪声90106dB，机械工业在80120dB，大型球磨机、大型鼓风机在130dB以上。工业噪声是造成噪声性的主要原因。建筑施工噪声是由于建筑工地使用各种打桩机、搅拌机、切割机
8、等施工机械引起的噪声。社会活动和家庭生活噪声也是普遍存在的，例如为了宣传活动而过量地使用高音喇叭，就会产生令人烦恼的噪声。在社会生活中，不当地使用收音机、录音机、电视机，在很多情况下也会成为一种对邻居干扰的噪声源。电风扇、电冰箱、洗衣机等家用电器，如设计制造不合理，或使用不当亦会成为噪声源。1.4 噪声的危害1.4.1 噪声对听力的损伤短时间处于高噪声环境中，双耳难受、头痛、不舒服，过一段时间适应了，但这以后，双耳嗡鸣，一般令听力损失15dB。休息几小时后，听力会逐渐恢复，这叫暂时性听力损伤（听阈偏移、听觉疲劳），听觉器官未受到器质性损害。如果长期在高噪声环境下工作，日积月累，内耳器官会发生器
9、质性病变，听觉疲劳不能恢复，成为永久性听阈偏移，这就是噪声性耳聋。如何确定为耳聋？ISO规定在500、1000、2000Hz三个倍频程内听阈提高的平均值在25dB以上时，即认为听力受到损伤，又叫轻度噪声性耳聋。噪声性耳聋与噪声强度、频率以及作用时间的长短有关。强度越大，频率越高，作用时间越长，噪声性耳聋发病率就越高。工人在85dB（A）环境下工作15年，发病率为5%。90dB为14%。105dB则达50%以上。如达到120dB，即使短时间也会造成永久性听力损伤。当达到140dB时，听觉器官会发生急性创伤，致使鼓膜破裂出血，双耳突然失听，这是一次性使人耳聋的恶性噪声性耳聋。噪声性耳聋分两种情况：
10、一是机械传导性耳聋，由外耳道阻塞、耳鼓或听觉系统损坏或功能降低引起。二是神经感觉性耳聋，由耳蜗中听觉神经功能衰退引起，也可由传导神经和大脑听觉中枢功能的降低引起。噪声性耳聋两个特征：一是有一个持续积累的过程，一开始感觉不明显，容易被忽视；二是不能治愈。1.4.2 噪声对健康的影响1作用于人的中枢神经系统，引起头痛、脑胀、耳鸣、失眠、全身无力、为神经官能症。2引起消化不良，食欲不振、恶心呕吐、导致肠胃病和溃疡病。3引起心跳加快，心律不齐，血压升高，动脉硬化，冠心病。4视觉器官：眼睛、视力减退、眼花、使劳动生产率下降。5内分泌功能影响，胎儿正常发育的影响，及胎儿听觉器官影响。机场噪声无论大小对儿童
11、健康都有不良影响，引起儿童的血压升高和紧张荷尔蒙凝聚度显著上升。1.4.3 噪声对正常生活和工作的干扰1影响睡眠。40dB（A）连续噪声就会让10%的人睡眠受到影响，70dB（A）影响50%。突发噪声40dB（A），可使10%的人惊醒，60dB可使70%的人惊醒。我国大城市的交通噪声（7085dB）、火车噪声（75dB）、飞机噪声（95120dB）、工厂噪声（6070dB）、建筑施工噪声（8090dB），均会影响居民的睡眠。2影响交谈和通讯。通常谈话声不大于70dB，大声可达85dB，当噪声级与谈话声级相接近时，正常交谈会受到干扰。噪声级比谈话声级高10dB以上时，谈话声安全被掩蔽。一般65d
12、B噪声就会干扰普通谈话。如果噪声级超过90dB，大喊大叫也听不清。3影响工作。分散人的注意力，使人容易疲劳，反应迟钝，影响工作效率，增高工作差错率。工作时受噪声干扰，使人们提高嗓门，增加劳累。1.4.4 特强噪声能损害仪器设备和建筑物噪声引起仪器设备振动，高噪声超过135dB时，会使电子仪器发生故障；超过150dB时，元器件可能损坏。在特强噪声作用下，会使材料或结构产生疲劳而断裂声疲劳现象。1.5 噪声的评价1.5.1 响度级和响度声压和声强都是客观物理量，声压越高，声音越强；声压越低，声音越弱，但是它们不能完全反映人耳对声音的感觉特性。人耳对声音的感觉，不仅和声压有关，也和频率有关。一般对高
13、频声音感觉灵敏，对低频声音感觉迟钝，声压级相同而频率不同的声音听起来可能不一样响。为了既考虑到声音的物理量效应，又考虑到声音对人耳听觉的生理效应，把声音的强度和频率用一个量统一起来，人们仿照声压级引出了一个响度级的概念。使用等响实验方法，可以得到一族不同频率、不同声压级的等响度曲线。实验时用1000Hz的某一强度（例如40dB）的声音为基准，用人耳试听的办法与其它频率（例如100Hz）声音进行比较，调节此声音的声压级，使它与1000Hz声音听起来响度相同，记下此频率的声压级（例如50dB）。再用其它频率试验并记下它们与1000Hz声音响度相等的声压级，将这些数据画在坐标上，就得到一条与1000
14、Hz、40dB声压级等响的曲线。这条曲线用1000Hz时的声压级数值来表示它们的响度级值，单位为方，这里就是40方。同样以1000Hz其它声压级的声音为基准，进行不同频率的响度比较，可以得出其它的等响度曲线。经过大量试验得到的并由国际标准化组织（ISO）推荐为标准的等响度曲线图：图1.2 等响度曲线图从图中可以看出：（1）当响度级比较低时，低频段等响度曲线弯曲较大，也就是不同频率的响度级（方值）与声压级（dB值）相关很大，例如同样40方响度级，对1000Hz声音来说声压级是40dB，对100Hz声音是50dB，对40Hz声音是70dB，对20Hz声音是90dB。（2）当响度级高于100方时，等
15、响度曲线变得比较平坦，也就是声音的响度级主要决定于声压级，与频率关系不大。（3）人耳对高频声音，特别是30004000Hz的声音最敏感，而对低频声音则频率越低越不敏感。响度级虽然定量地确定了响度感觉与频率和声压级的关系，但是却未能确定这个声音比那个声音响多少。频率20HZ40HZ100HZ1KHZ4K10K15K声压级90 dB70 dB50 dB40 dB38 dB49 dB45 dB1.5.2 声级声压级只反应声音强度对人响度感觉的影响，不能反映声音频率对响度感觉的影响。响度级和响度解决了这个问题，但是用它们来反映人们对声音的主观感觉过于复杂，于是又提出了计权声压级的概念。计权声压级就是用
16、一定频率计权网络测量得到的声压级，计权声压级简称声级。在声学测量仪器中，通常根据等响度曲线，设置一定的频率计权电网络，使接收的声音按不同程度进行频率滤波，以模拟人耳的响度感觉特性。当然我们不可能做无穷多个电网络来模拟无穷多根等响度曲线，一般设置A，B和C三种计权网络，其中A计权网络是模拟人耳对40方纯音的响度，当信号通过时，其低、中频段（1000Hz以下）有较大的衰减。B计权网络是模拟人耳对70方纯音的响度，它对信号的低频段有一定衰减。而C计权网络是模拟人耳对100方纯音的响度，在整个频率范围内有近乎平直的响应。利用具有一定频率计权网络和时间计权的声学测量仪器对声音进行声压级测量，所得到的读数
17、称计权声压，简称声级，单位为dB。第二章 功能概述和总体方案设计2.1 功能概述1、能测量固定声源的分贝值，测量范围达到4070dB。2、分辨率：0.5dB。3、频率范围：3008000Hz 。4、具有显示噪声分贝值的功能 。2.1.1 噪声测量原理外部声音信号传播到传声器,并通过运算放大器将输入的微弱音频信号转换为一信号电平（电压信号） ,此电压信号则由V /F转换器转换成对应的具有一定频率的脉冲信号,以便单片机接收。单片机根据输入的脉冲信号进行处理,并经量纲转换出所对应的DB值,最后在单片机控制下由LED实时显示出来。2.2 系统设计方案2.2.1 噪声监测系统任务分析本设计的任务是要完成
18、基于单片机的环境噪声监测仪的设计系统，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、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。第三章 系统硬件电路设计分析3.1 基于单片机环境噪音
19、测量基本构成及原理按照系统设计功能的要求，初步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3.1所示。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。放大电路由运放LM386构成，精心调整相关外围元件参数，可使其输出幅频特性满足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，经软件处理后，噪声声压级显示值由P1口输出，驱动LED数码管显示图3.1硬件结构框图传声器是将声波信号转换成电信号的传感器，是噪声测量系统中的一个主要环节。根据膜片感受声压的情况不同，传声器可分为三类：压强式传声器，其膜片的一面感受声压；差压式传声器，其膜
20、片的两面均感受声压，引起膜片振动的力取决于膜片两面压差的大小；压强和压差组合式传声器。在噪声测量中常用的压强式传声器。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。此方案中的V/F转换电路主要是由LM331构成的电压/频率转换电路。LM331使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伏电源电压下都有较高精度。LM331可得到只有价格高的V/F转换器才有的高水平精度温度。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。该转换电路线性
21、良好，抗干扰能力强，输出频率范围在10100kHz以上，优于普通8位并行A/D转换器，有利于提高系统的测量范围。89C52单片机是本设计的核心部分。LM331直接与单片机定时/计数器连接，这种方式简单。LED显示器是由发光二极管构成的，常用的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显示器有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。3.2 系统硬件总电路组成实现本设计要求的具体功能，可以选用89C52单片机及外围器件构成最小控制系统， 本系统以单片机为核心，组成一个自动控制为一身的闭环控制系统。系统硬件电路由单片机最小系统，显示模块。
22、此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显示电路。噪声源系统（扬声器）发射非单一频率的宽频噪声音频信号；由传声器等构成的接收系统接受该噪声音频信号并进行转换；转换后的信号经过由单片机等构成的处理系统进行调理，最后输入到计算机中，进行数据分析和处理。第四章 软件设计4.1 频率与声压级检测算法由于在电路中已经检出频率信号，只要经CPU换算即可得到频率的大小，计算公式如下：f=n/t 电路中的基准电压v0=5uV相当与0dB（已经校准），在此基础上，进行换算与校准即可得到相应的dB数，计算公式如下：Lp=20lg（v/v0） 4.2
23、程序流程图 图4.1程序流程图 图4.2中断流程图4.3 设计程序如下#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned longcode tab=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,/段码0x80,0x90,0xff;void display（ulong cp）;code wei=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f;/位码ulong tmp,ff;uint count;bit start;ul
24、ong count_f（ulong f）;/*函数名：Init（）参数：无返回值：功能：初始化定时/计数器0为计数模式1，定时/计数器1为定时器 模式1。定时时间为50ms，开启定时器中断1，并启动定时 器1，开启总中断。*/void Init（void） TMOD=0x15; /T0 计数 T1定时 EA=1; / 开总中断 TH0=0;/ TL0=0; TR0=1; / 开计数器T0 TH1=0x4c; /50ms TL1=0x00; ET1=1; / T1中断允许 TR1=1; / 开定时器T1delay（unsigned char t）短延时时间长度实现数码管显示时的短延时。void
25、delay（uchar t）/短延时 for（;t0;t-）;void main（） ulong db=0; Init（）; while（1） db = count_f（ff）; display（db）; if（start） start=0; P2=0xff; tmp=TH0; tmp=8; tmp+=TL0; ff=tmp*20/count; count=0; TH0=0; TL0=0; TH1=0x4c;/50ms TL1=0x00; TR0=1; TR1=1; display（unsigned long cp）unsigned long cp将参数cp显示在数码管上，并显示单位db。void display（ulong cp） static uchar num=0; P2=0xff; switch（num） case 0: P0 = 0x83; break; case 1: P0 = 0xa1; case 2: P0 = 0xff; break; case 3: P0=tabcp%10; case 4: P0=（tabcp/10%10&0x7f）;break; case 5: P0=tabcp/100; P2=weinum; num+; num%=7; del
