噪音测试仪设计课程设计.docx

西华大学课程设计说明书噪音测试仪设计摘 要：本文提出了一个噪音测试仪的设计方案，此测试仪能将外界噪声经过传声器转换成电信号。由运放LM324构成三级放大电路，峰值检波网络输出直流电平反应了噪声声压的大小。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AT89C51，其3.5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CC4511译码再驱动三位LED数码管显示。本设计的优点是电路简单、精度较高、实用性较强。关键词：噪声测试仪，传声器，电压/频率，AT89C51，LEDAbstract: This paper presents a design of noise tester, this tester can outside noise through the microphone into electrical signals. Posed by the three op amp LM324 amplifier, peak detector network output DC level response to the size of the noise sound pressure. Constituted by the LM331 V/F converter, the output frequency signal into a TTL level to give the microcontroller T0 pin count as the T0 pulse. Core of the system is the microcontroller AT89C51, the 3.5 pin access NE555 timer output consisting of a square wave, through the T1 T0 timer interrupt to control the count. T0-ended input count from the pulse frequency that reflects the size of the measured sound pressure. CC4511 decoding and then drive the final three by the LED digital display. This design has the advantage of simple circuit, high precision and strong practicability.Keywords: Noise tester, microphone,V/F, AT89C51, LED目录1 前言12 整体方案设计22.1 方案论证22.2 方案比较33 单元模块设计43.1 驻极体传声器43.2 集成四运放LM32443.3 峰值检波电路53.4 LM331频率电压转换器63.5 NE555构成的方波输出电路73.6 CC4511译码驱动电路83.7七段发光二极管数码管94 软件设计105 系统技术指标及精度和误差分析126 结论137 设计小结148 参考文献15附录1：电路总图16附录2：电路仿真图17附录3：软件代码18第 I 页1 前言随着工业生产、交通运输、城市建筑的发展，以及人口密度的增加，家庭设施（音响、空调、电视机等）的增多，环境噪声日益严重，它已成为污染人类社会环境的一大公害。噪声具有局部性、暂时性和多发性的特点。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”。噪声污染是影响较大的环境污染之一，较高分贝的噪音甚至会对人的耳膜造成严重的损伤，致使失聪等。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，例如利用噪声除草、发电、制冷、除尘、克敌、诊病、有源消声等等。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89C51单片机为核心，采用VF转换技术构成的低成本、便携式数字显示环境噪声测量仪，此仪器的包括传声器模块、集成运放LM324模块、峰值检波电路模块、LM331频率电压转换器模块及单片机设计软件部分。此仪器工作稳定、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。第 1 页2 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。由运放LM324构成三级放大电路，峰值检波网络输出直流电平反应了噪声声压的大小。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AT89C51，其3.5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CC4511译码再驱动三位LED数码管显示。2.1 方案论证设计中采用了两个方案，具体的方案见方案一和方案二。方案一：基于89C51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。所用传声器频率特性在5014000Hz范围内不均匀度小于1.5 dB,加防风罩、防雨罩后可用于室外测量。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。在LED上显示出来。传声器LM324放大器LM331V/F变换LED数码显示峰值检波 电 路AT89C51CC4511译码驱动定时器声压图2.2 测声整体方案二框图方案二：基于LabView的多功能噪声测试仪设计方案由于环境噪声往往是不规则且大幅波动的，因此需要用统计的方法，即用不同的声级出现的概率或累计概率来表示。此声级计采用PC总线插卡式虚拟声级计模式，其总体结构图如图2-1和图2-2所示。传声器将被测声源信号转换为电信号，A/D卡将模拟信号转换为数字信号后供计算机进行缝隙和处理，A/D卡采用的是NI公司的PXI-4472.利用NI公司的LabView软件完成对信号的读取、分析、计算、存储和显示。被测声 源传声器A/D采集卡PC机 软件部分图2-1 虚拟式声级计硬件结构2.2 方案比较由于方案二涉及的电路相对较复杂，需要运用的软件对我们也比较陌生，有些元器件选择比较困难而且价格昂贵，消耗的功率相对较大，相比而言单片机采集数据更加方便，便于处理，而且单片机已经成为主流产品。单片机在电路上相对比较简单，而且消耗的功率相对较少，调试也较方便，还有最主要的一点是，方案一的测量精度与方案二差不多，符合经济实惠的要求，因此此设计采用了方案一。第 20 页3 单元模块设计驻极体传声器的膜片多采用聚全氟乙丙烯，其湿度性能好，产生的表面电荷多，受湿度影响小。LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器, 检波电路或检波器的作用是从调幅波中取出低频信号。V/F变换和F/V变换采用集成块LM331。采用CC4511BCD码（锁存/七段译码/驱动器）来驱动共阴数码管。3.1 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。3.2 集成四运放LM324LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,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。M324的 引脚排列见图3.1 图3.1 运算放大器和LM324引脚排列由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。 下面介绍其应用实例。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。 图3.2 LM331构放大电路3.3 峰值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3.3 检波电路 图3.3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 C 0 的隔直流作用，在输出端就可得到还原的低频信号。3.4 LM331频率电压转换器V/F变换和F/V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。图3.4 LM331组成的电压频率变换电路图3.4是由LM331组成的电压频率变换电路，LM331内部由输入比较器、定时比较器、RS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RS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RS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RS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=(VinR4)/(2.09R3R2C2) 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。图3.5为LM331构成的V/F转换电路。图3.5 LM331构成的V/F转换电路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、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。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。LM331的动态范围宽，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。LM331的内部电路由输入比较器、定时比较器、RS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4.040V之间，输出可高达40V，而且可以防止Vcc短路。3.5 NE555构成的方波输出电路用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3.6为NE555构成的100KHz方波长生电路。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。图3.6 NE555构成的方波输出电路3.6 CC4511译码驱动电路采用CC4522BCD码（锁存/七段译码/驱动器）来驱动共阴数码管。图为CC4511引脚排列。其中，A，B，C，D是四个输入端和ag是七个输出端。图3.7 CC4511引脚排列图实验时接+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的数值。CC4511与数码管的连接如下图 图3.8CC4511与数码管的连接3.7七段发光二极管数码管 一个LED数码管可显示一位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(a)共阴管电路 图(b)共阴数码管引出脚4 软件设计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。各程序模块的流程图如图4-1所示：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100 kHz时钟计数达05 s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。开始定时/计数器初始化中断系统初始化调用查表子程序调用显示子程序关T0、T1重新初始化T0、T1读计数值中断返回开T0、T1中断入口查表子程序入口置表首地址置扫描次数取表中双字节数Xi允许高位显示Xi(TH0)(TL0)送显示值取显示值换位显示位i=i+1返回显示子程序入口扫描结束返回图4-1 软件流程图值得指出的是，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122，声压级增加1dB，因此T0计数值每增加122，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，；表格上限 05H，83H，83H， 04H，0EAH，82H，04H，61H，81H，03H，0E7H，80H，03H，7AH，79H03H，19H，78H，02H，0C3H，77H，02H，76H，76H， 00H，00H，0AAH，；表格下限其中，“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。5 系统技术指标及精度和误差分析随着各种高精度传感器的应用与普及，这一技术在科学研究，生产过程等领域中发挥着越来越重要的作用。人类步入信息社会的今天，人们对信息的提取，处理，传输以及综合利用等要求愈加严格。人耳的听阈一般是20Pa，痛阈一般是200 Pa，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Lp20 lg（pp0）（dB） 其中：基准量p0为20Pa。当pp0时，Lp0 dB，而当p200 Pa时，Lp140 dB。用声级计可以测量声压级，采用1 kHz纯音输入02 s到025 s或05 s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40phon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）。我们此次的设计的性能指标如下1、噪音测试范围为30130dB。2、该噪音测试仪的测量精度要求达到1 dB。3、LED显示，30130dB，过载指示，AC 信号输出：0.707Vrms/每档满刻度，输出阻抗约600，DC 信号输出：2Vrms/每档满刻度10mV/dB，输出阻抗约100。6 结论本设计为一个噪音测试仪设计，用于专用于噪声工程，品质控制，健康防治及各种环境噪音测量。如工厂、交通道路、家庭、音响等各种场合的噪音测量。包括其测量原理及系统设计，系统的硬件和软件设计。是一个以89C51单片机为核心，采用VF转换技术构成的低成本、便携式数字显示环境噪声测量仪。它实现了噪声测试仪的基本功能，能够将外界环境噪声较准确的测量出来并显示在LED上，达到一定的测量范围和精度，对于系统具有体积小、硬件少、电路结构简单及容易操作等优点。设计达到了以下几个基本要求：噪音测试范围为30-130dB之间、该噪音测试仪的测量精度达到1dB。LED显示，30130dB，有过载指示，AC 信号输出：0.707Vrms/每档满刻度，输出阻抗约600，DC 信号输出：2Vrms/每档满刻度10mV/dB，输出阻抗约100。总体来说，此次设计还是比较成功的7 设计小结近年来，智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。国内市场上已经出现了多种多样智能化测量控制仪表，随着各种高精度传感器的应用与普及，这一技术在科学研究，生产过程等领域中发挥着越来越重要的作用。学习并掌握这一技术已成为一种可行性很高的选择。经过做这个课程设计，我加深了对已学知识，如数电，模电，虚拟仪器，现代测控技术，高频电子等相关知识的了解和应用。在对各个模块电路的设计中，对每个芯片和元器件的引脚和功能有进一步认识，在上网和图书馆查阅相关资料的过程中，很好地锻炼了我们对有用信息的筛选能力，熟悉了资料的查询。这对我们将来无论做其他的设计还是毕业设计都有很大的帮助。这次的课程设计，从刚开始的方案的确定，元器件的选择，到最后总原理图的确定，这整个过程使我对噪声测试仪的设计有了一定的认识，我知道了传声器的作用及原理。知道了V/F转换器的原理和作用，知道了如何用555器件构成特定频率的方波输出电路的方法，同时也更加深入理解的单片机T0、T1定时/计数器的应用以及P0、P1口的作用等等。在课程设计期间，我运用Protel软件画电路原理图，用Proteus软件做系统仿真，对他们的使用更加熟练，作为电子信息专业的学生，熟练地使用这些专业软件画电路原理图是十分重要的，也是很有价值的。此次设计，我们也有很多不足的地方，在软件仿真的环节，我们就遇到了一定的困难，查出的原因是程序编写有误，虽然调试过几次，但还是没能很好的解决掉问题，这也反映了我们的基本功不扎实，专业基础没有打好，我们还需要好好补习补习，毕竟现在，我们多学些，多做些，以后我们出去工作了，就能更好的表现自己的能力，得到认可。这对自己的将来也算是一种奖励哈。8 参考文献1 万福君、潘松峰.单片微机原理系统设计与应用（第二版）M. 合肥：中国科学技术大学出版社，2001.2 胡汉才.单片机原理及其接口技术M. 北京：清华大学出版社，2004.3 蔡美琴、张为民.MCS-51 系列单片机系统及其应用（第二版）M. 北京：高等教育出版社，2004.4 杨振江、杜铁军.流行单片机实用子程序及应用实例M.西安电子科技大学出版社，2002.5 张培仁.基于 C 语言编程 MCS-51 单片机原理与应用M. 北京：清华大学出版社，2003.6 沙占友.集成化智能传感器原理与应用M.北京:电子工业出版社,2004:119-127.7 刘迎春、叶湘滨.现代新型传感器原理与应用M. 北京：国防工业出版社，1998.8 何希才.传感器及其应用电路M. 北京：电子工业出版社，2001. 9 赵继文.传感器与应用电路设计M. 北京：科学出版社，2002.10 丁镇生.传感器及传感技术应用M. 北京：电子工业出版社，1998.11 张洪润、刘秀英、张亚凡等.单片机应用设计200例M北京：航空航天大学出版社，2006.附录1：电路总图附录2：电路仿真图附录3：软件代码下面给出定义该表格的伪指令格式：TAB：DB1BH，0A0H，0BBH，；表格上限05H，83H，83H， 04H，0EAH，82H， 04H，61H，81H， 03H，0E7H，80H， 03H，7AH，79H 03H，19