电子测量技术 声级计的设计

《电子测量技术》课程设计报告课题：声级计的设计班级电子3071学号3072107110学生姓名张熙锋专业电子信息工程系别电子与电气工程学院指导教师电子测量课程设计指导小组淮阴工学院电子信息工程系2010年6月班级：电子3071姓名：张熙锋学号：3072107110课题：声级计的设计2一、设计目的：1.1培养学生理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。1.2学习较复杂的电子系统设计的一般方法，提高基于模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。1.3进行基本技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。1.4培养学生的创新能力。二、设计要求：1、测量范围：20—150dB；2、测量结果以3位数码显示；3、画出总体设计电路图；4、提交格式上符合要求，内容完整的设计报告；三、设计内容3.1总框架图3.1.1声压级的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班级：电子3071姓名：张熙锋学号：3072107110课题：声级计的设计3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。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1给出倍频带中心频率与A声级的校正量之间的关系。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）31.563125250500A声级校正量（dB）-39.4-26.2-16.1-8.6-3.2倍频带中心频率（Hz）1k2k4k8k16kA声级校正量（dB）01.21.0-1.1-6.6表13.1.2总体设计思路及方法说明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LM324构成三级放大电路,精心调整相关外围元件参数,可使其幅频特性与A计权曲线相近。D1、C1、R1组成峰值检波网络,其输出直流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P3.4引脚,作为T0的计数脉冲。系统的核心部分是80C51单片机,其P3.5引脚接入由NE555构成的定时器输出的100kHz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,即反映了所测声压的大小。经软件处理后,噪声声压级显示值由P1口输出,经CC4511译码再驱动三位LED数码管显示,适当控制译码器使能端,使三数码管实现动态显示,降低功耗。班级：电子3071姓名：张熙锋学号：3072107110课题：声级计的设计4四、单元电路设计4.1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。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集成四运放LM324LM324是四运放集成电路,它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器，LM324的引脚排列可用下图表示。本设计中用LM324作相交流放大器。同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的R1、R2组成1/2V+分压电路,通过R3对运放进行偏置。电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定：Av=1+Rf/R4,电路输入电阻为R3。R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。班级：电子3071姓名：张熙锋学号：3072107110课题：声级计的设计54.3NE555构成的方波输出电路本设计中用NE555构成定时器输出100KHZ的方波，接入80C51单片机的P3.5引脚，通过T1中断去控制T0定时计数。图4为NE555构成的100KHZ方波产生电路。图中，电路利用D2、D3单向导电特性将电容器C充、放电回路分开，可以通过选取不同的RA和RB的值来调节振荡器输出波形的占空比：q=RA/(RA+RB)。因而，振荡频率为：f=1.43/(RA+RB)C。班级：电子3071姓名：张熙锋学号：3072107110课题：声级计的设计6图4NE555构成的方波输出电路4.4LM331频率电压转换器图5是由LM331组成的电压频率变换电路，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。该转换电路线性良好,抗干扰能力强,输出频率范围在10～10000Hz以上,其变化比达103,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。LM331内部由输入比较器、定时比较器、R－S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。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。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R2对电容C2充电。当电容C2两端充电电压大于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C2通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容C3对电阻R3放电。当电容C3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×R3×R2×C2)班级：电子3071姓名：张熙锋学号：3072107110课题：声级计的设计7由式知电阻R2、R3、R4、和C2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R1和电容C1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。4.5用80C51单片机设计软件部分环境噪声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。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。每当T1对外接100kHz时钟计数达0.5秒后,申请中断,CPU响应中断后即读取TH0、TL0两寄存器中的计数值,并重新初始化T0、T1,以便检测下一次的数据。各程序模块的流程图如图6所示。班级：电子3071姓名：张熙锋学号：3072107110课题：声级计的设计8得指出的是,查表程序实现了计数值向声压级的转换。由式（1）知声压每增加12.2%,声压级增加1dB,因此T0计数值每增加12.2%,声压级增加1dB。在E2PROM中定义一张表格,每三个字节为一组数据,其中前两个字节为计数值,后一个字节为压缩BCD码表示的声压级值。调试时,参照精密声级计,读出某声压级所对应的计数值,从而确定表格中两参数的对应关系,当程序固化后,还可通过硬件电路对其进行调整。下面给出定义该表格的伪指令格式。TAB：DB1BH,0A0H,0BBH,;．．．05H,83H,83H,04H,0EAH,82H,04H,61H,81H,03H,0E7H,80H,03H,7AH,79H,03H,19H,78H,02H,0C3H,77H,02H,76H,76H,．．．00H,00H,0AAH;班级：电子3071姓名：张熙锋学号：3072107110课题：声级计的设计9其中,“0AAH”、“0BBH”两个数据经译码后分别显示下限标记“[”和上限标记“]”,表示超出测量范围。为了提高系统的抗干扰能力,除了在硬件上采取了相应的措施外,软件上采用了冗余设计法即重复重要的指令,未用空间设置空操作指令,以防止程序跳飞而死机。4.6CC4511译码驱动电路4.6.1七段译码驱动器本设计中采用CC4511BCD码（锁存/七段译码/驱动器）来驱动共阴数码管。图7为CC4511引脚排列。其中，A，B，C，D是四个输入端和a～ｇ是七个输出端，它还具有输入BCD码锁存、灯测试和熄灭显示控制功能，它们分别由锁存端LE、灯测试端LT、熄灭控制端/BI来控制。图7CC4511引脚排列图实验时只要接通+5V电源和将十进制数的BCD码接到译码器的相应输入端即可显示0—9的数字。四位数码管可接受四组BCD码输入。CC4511与数码管的连接如图8所示。图8CC4511与数码管的连接班级：电子3071姓名：张熙锋学号：3072107110课题：声级计的设计10此电路中只使用CC4511的译码功能，故将3、4脚接电源，5、8脚接地，从单片机P0端口输出的电平分别接入CC4511的A、B、C、D端，经过译码后输出七位编码。由CC4511的驱动和输出的数码点亮对应的段，显示相应的数值。4.6.2七段发光二极管数码管一个LED数码管可用来显示一位0～9十进制数。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力。图9—（a）(b)为共阴管电路和共阴数码管引出脚功能图。图9（a）共阴管电路图9（b）共阴数码管引脚五.设计总结本次课程设计，在陈老师布置课题并讲解了基本原理后，两个星期以来我查阅了许多有关此设计的资料，并通过与同学交流经验和自学，以及向老师请教等方式，最终基本完成了此次课程设计。通过这次电子课程设计，对以前所学的电子电路知识既是巩固又是发展，进一步理解并加深了对所学的电子技术的认识。学会了在实践中运用理论，用理论来指导实践，培养了理论联系实际的正确设计思想。通过对课题的设计，训练了运用所学的理论知识去思考问题并联系理论实际解决问题的能力，提高了逻辑思维的能力。同时通过此次设计，学会了较复杂的电子系统设计的一般方法，进一步掌握了分析与设计一般电子电路的方法，并增强了独立的思考问题和解决问题的能力。同时进行基本的技能训练，学会了基本仪器的使用及基本电子元器件的识别与测量，进一步了解了一些重要的也是基班级：电子3071姓名：张熙锋学号：3072107110课题：声级计的设计11本的电子元器件的内部工作原理，深刻领会了该元器件的工作方式和工作环境。总之，通过这次电子课程设计，培养了实际运用理论的能力，懂得理论联系实际去处理问题，也培养了吃苦耐劳的精神，为以后更好的的学习和工作打下了结实的基础，对于我们来说是一次难得的实践机遇，也是一个宝贵的精神财富。六.总图班级：电子3071姓名：张熙锋学号：3072107110课题：声级计的设计12七.参考文献1康华光.电子技术基础数字部分.高等教育出版社.2006.12梅丽风.单片机原理及接口技术.清华大学出版社》2006.83.驻极体传声器：：:htt