基于单片机的环境噪声测量仪

1基于单片机的环境噪声测量仪摘要：本噪声测试仪采用了AT89S51单片机为判别显示核心，由电容驻极式无指向性MIC将噪音声波转换为电压信号后,通过由AD637为主要元器件组成的交直转化电路，将交流转化为脉动直流，然后进入由运放OP07组成的运放电路进行信号放大。然后将放大后的信号送入由ADC0804组成的译码电路，产生译码信号。最后将译码信号输出到由AT89C51单片机与数码管组成的判别显示电路，最终将采集到的噪声信号量化输出到数码管进行显示。从而实现对噪声的实时监测。关键词：噪声计，噪声信号，AT89C51，双极性运算放大器，数码管2Abstract：ThispsophometerfiguredthemicrocontrollerAT89S51asahardcoreofdiscriminationanddisplay.First,thesoundwaveswereconvertedtoalternatingvoltagesignalsthroughtheelectretcapacitorandnoise-freepointofMIC.ThenthealternatingsignalswentthroughtheAC/DCswitchingcircuitwhichchieflyconsistedofAD637.Thealternatingcurrentwasconvertedintothepulsatingdirectcurrent.ThepulsatingdirectcurrentwentintotheoperationalcircuitwhichchieflyconsistedofthedualoperatingamplifierOP07tobeamplified.TheamplifiedsignalswentintothedecodingcircuitwhichchieflyconsistedofADC0804,generatingthedecodesignals.Finally,thecollectednoisysignalsquantifiedwassenttoThecircuitofdiscriminationanddisplaychieflyconsistingofthemicrocontrollerAT89C51andthenixiedisplayindicatortodisplay,realizingthereal-timemeasurementofthenoisysignals.Atthesametime,theexperimentprovedthattheinstrumentworkswellandachievedtheexpecteddesignobjective.Keywords:psophometer,noisysignals,AT89S51,dualoperatingamplifier,nixiedisplayindicator.3目录第一章原理分析和说明·······························1第二章方案设计与论证·······························2第三章电路设计·····································53.1噪声信号采集电路设计······························53.2交直流转化电路设计································63.2放大电路设计·····································63.4单片机控制电路设计·······························73.5显示输出电路设计·································83.6整机电路以及软件设计的流程图·······················9第四章测试方法与测试结果···························94.1测试仪器·······································104.2测试方法······································104.3测试结果······································114.4结果分析······································11第五章总结········································12参考文献·············································13附录I噪声测量仪软件程序清单·······················14附录IIPCB图·······································19附录III噪声测量仪元器件清单·························204一原理分析和说明噪声测量仪的基本工作原理是：由传声器将声音转换成电信号，再由前置放大器变换阻抗，使传声器与衰减器匹配。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)，然后再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(或外按电平记录仪)，在指示器上给出噪声声级的数值。噪声测量仪器是一种电子仪器，但又不同于电压表等客观电子仪表。由于人耳的听阈一般是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容易测量，而且人耳对声压的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(1)其中，基准量p0为20mPa。当p=p0时，Lp=0dB，而当p=200Pa时，LP=140Db。噪声测量仪测量声压时，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，在测量噪声中，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1给出了倍频带中心频率与A声级的校正量之间的关系。在把声信号转换成电信号时，可以模拟人耳对声波反应速度的时间特性；对高低频有不同灵敏度的频率特性以及不同响度时改变频率特性的强度特性。因此，声级计是一种主观性的电子仪器。表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）31.5631252505001K2K4K8K16KA声级校正量(dB)-39.4-26.2-16.1-8.6-3.20.01.21.0-1.1-6.65二方案设计与论证方案1：本噪声测量仪采用了AT89S51单片机为判别显示核心，由电容驻极式无指向性MIC将噪音声波转换为电压信号后,通过由AD637为主要元器件组成的交直转化电路，将交流转化为脉动直流，然后进入由运放LM324组成的运放电路进行信号放大，放大倍数大约为600倍。然后将放大后的信号送入由ADC0804组成的译码电路，产生译码信号。最后将译码信号输出到由AT89C51单片机与数码管组成的判别显示电路，最终将采集到的噪声信号量化输出到数码管进行显示。从而实现对噪声的实时监测。这种方案系统规模小、稳定度低，放大信号采集难以达到理想结果。图一方案1-噪声测量仪设计组成框图方案2：本噪声测量仪主要由传声器、信号调理模块、数据采集处理模块及人机界面等组成．传声器将噪声转换成电压信号，经信号调理模块按人耳在高低频具有不同灵敏度的特性进行频率计权、对数检波（集成交直流转换器AD637），其后送入数据采集处理模块（单片双积分A／D转换器ICL713）实现A／D转换、时间计权（电容滤波器MAX7490）。微处理器根据键盘设置的功能运行相应的程序模块，将测量结果进行存储、显示，RS232接口可以与上位机、打印机或其他记录、分析设备实现通信．这种方案的优点是结构紧凑、可实现复杂测量与控制;缺点是硬件电路复杂，在高频情况下易产生干扰。显示输出(AT89C51,数码管)译码电路(ADC0804)交直转化电路(AD637)噪声信号采集（MIC）运算放大电路(LM324)6图二方案2-噪声测量仪设计组成框图方案3:本噪声测量仪采用高灵敏度、无指向性驻极体传声器将环境噪声传换为电信号。然后再经由运放LM324构成的三级放大电路，再通过由LM331组成的电压／频率转换电路，输出的频率信号变成TTL电平送给单片机作为计数脉冲。经单片机处理噪声声压量化数值由74LS248译码驱动的两位高亮度LED数码管显示，这样噪声声压级被实时测量出了。这种方案电路系统规模小，有一定灵活性，但不适宜测量高速信号或复杂信号，难以达到题目要求。图三方案3-噪声测量仪设计组成框图传感器采集噪声单片机AT89C51信号放大(LM324)译码器(74LS248)V/F部分(LM331)显示输出(LED)定时器采集声信号（传声器）信号调理模块（放大电路、频率计权网络、对数检波）人机界面（LCD显示、键盘）数据采集处理模块（串口通信、存储器、A／D转化）7方案4：本噪声测量仪采用高灵敏度、无指向性驻极体传声器将环境噪声传换为电信号，完成数据采集。采用高精度仪表放大器AD620作为数据采集的接口，对转化的电信号进行放大，放大后的信号一部分通过单片机控制的选通信号开关CC4051。另一部分通过双路／通用开关电容滤波器MAX7490进行滤波，然后通过交／直转化器AD637进行交直转化，将转化得到的直流输入低噪声单运放OP07，然后再通过A／D转化器ADC0804，将得到的数字信号输入单片机，最后通过与单片机输出端相接的译码显示电路输出显示。本方案兼顾了前几种方案的优点，系统规模小，结构紧凑，可实现复杂测量与控制。图四方案4-噪声测量仪设计组成框图方案确定：综合以上四种方案的优缺点以及题目的基本要求和发挥要求，我们选用第四种方案。信号放大器（AD620）交／直转化器（AD637）选通信号开关（CC4051）噪声传感器（MIC）稳压模块（MC1403）双路／通用开关电容滤波器（MAX7490）A／D转化器（ADC0804）低噪声单运算放大器（OP07）单片机显示电路（译码器、数码管）8三电路设计3.1．噪声信号采集电路设计：采用高灵敏度、无指向性驻极体传声器将环境噪声传换为电信号，传送到三放大运算器AD620完成数据采集。根据检测的噪声分贝以及噪声分贝与输出电压的关系式可以确定输出电压信号的范围：u(t)=P(t)*S(1)式中：s传声器的灵敏度；p(t)为被测瞬时声压：根据声压级计算公式为L。=20*lg(P／Po)(2)式中：P0为基准声压；P为被测声压．假设传感器的灵敏度为50mV/Pa，则可以确定输出的电压有有效值的范围，大约为1.8uV~10mV。图五噪声信号采集电路原理图93.2．交直流转化电路设计：采用高性能真有效值转化芯片AD637，将交流转化为直流。其中MC1403是低压基准芯片，为系统中AD637等芯片提供精准基准电压。通过AD637将大范围的电压信号计算成dB形式的电压后输出。利用对数关系进行真有效值的交直流转换。根据芯片说明，对芯片的输出进行校准，同时输出分辨率为100mV/dB。然后调节基准的0dB输出时的输入电压和R1，使输入大于1.1V时，就可以保证输出电压不会超限。这里可以取输入为2V时，输出为0dB。此时电压输出范围为-4.6V~9.6V左右。采用15V电压供电，输入的电压范围能够保证在10mV~7V之间。图六交直流转化电路原理图3.3．放大电路设计：主要采用低噪声单运放OP07构成的放大电路进行信号放大。其中OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为+2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。零点电流输