电子课程设计 (1)

1、课程设计报告电子课程设计房间噪声监测电路设计与仿真电子技术课程设计学生姓名学 号所在学院专业名称班 级指导教师成 绩二一四 年6月20房间噪声监测电路设计与仿真摘 要：本文提出了一个噪音监测电路的设计方案，此设计方案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

2、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，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 respo

3、nse 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

4、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 precisio

5、n and strong practicability.Key words:Noise tester, microphone,V/F, AT89C51, LED目录前言41 总体方案设计51.1 方案比较51.1.1 方案一51.1.2 方案二51.2 方案论证62 单元模块设计62.1各单元模块功能介绍及电路设计62.1.1 驻极体传声器62.1.2 集成四运放LM32472.1.3 峰值检波电路82.1.4 LM331频率电压转换器82.1.5 NE555构成的方波输出电路102.1.6 CC4511译码驱动电路112.1.7七段发光二极管数码管112.2软件设计123系统调试144 电路

6、的仿真与分析154.1 电路的原理图154.2 电路的仿真165 总结与体会17参考文献19附录1：系统电路原理图20附录2：系统pcb图21前言噪音污染已然成为人们日常生活中一大污染，并且时时刻刻给人们造成很多不必要的麻烦，造成很多负面影响，所以，治理噪音势在必行。随着传感器技术、微电子技术、单片机技术的不断发展，为智能噪音测控系统测控功能的完善、测控精度的提高和抗干扰能力的增强等提供了条件。因此，在要求较高控制精度和较低成本的工业测控系统中，往往采用单片机作为数字控制器取代模拟控制器。在测量仪器中增加环境噪声连续自动监测仪器, 并要符合有关规定。国产的环境噪声续自动监测系统已有产品。目前我

7、国环境监测部门的噪声监测仪器大部分都采用具有单片机处理功能的积分统计声级计, 属便携式仪器, 这些声级计灵敏度随气压、温湿度而变化,影响测量精度, 需要经常校准, 声级计的关键部件传声器和整机不能在户外长期全天候的工作, 并需避雨雪、潮湿、风沙, 否则声级计的测量精度明显下降, 测量误差会很大甚至停止工作。在车站、码头、机场等公共大厅环境内均安装有公共广播系统,主要用于广播班次、通知等信息。然而大厅内的噪音是各种不同频率和强度声音的无规则的组合,情况是复杂多变的,如旅客的嘈杂声、机车的启动、进站等大强度噪音均会对大厅广播造成干扰,导致旅客听不清广播信息。如果长时间开大广播音量则会引起听觉不适。

8、如果手动实时进行音量调节也不太现实本文介绍一种以89C51单片机为核心，采用VF转换技术构成的低成本、简单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，可广泛应用于企业、机关、学校、家庭等需要对环境噪声进行测量和控制的场合。1 总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

9、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。1.1 方案比较设计中采用了两个方案，具体的方案见方案一和方案二。1.1.1 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。D1、C1

10、、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1 测声整体方案二框图1.1.2 方案二：基于LabView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La

11、bView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 虚拟式声级计硬件结构1.2 方案论证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。2 单元模块设计2.1各单元模块功能介绍及电路设计2.1.1 驻极体传声器驻极体传声器有两块金属极板，其中一块

12、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。2.1.2 集成四运放LM324LM324是四运放集成

13、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。LM324的引脚排列见图3图3 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4 LM331构放大电路2.1.3 峰值检波电路检波电路或检波器的作

14、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5 检波电路 图5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

15、 0 的隔直流作用，在输出端就可得到还原的低频信号。2.1.4 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6 LM331组成的电压频率变换电路图6

16、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

17、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7为LM331构成的V/F转换电路。图7 LM331构成的V/F转换电路2.

18、1.5 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8为NE555构成的100KHz方波长生电路。图中，电路利用D1、D2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8 NE555构成的方波输出电路2.1.6 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

19、七个输出端。图9 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10 CC4511与数码管的连接2.1.7七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2.2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11所示：主程序处于循环工作状态，主要完成定时计数

20、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11 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。声压每增加122，声压级增加1dB

21、，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

22、，；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。3系统调试通过对每个电路的设计，完成了对整个电路的设计，接下来通过proteus对整个电路进行仿真，来验证设计的正确性。简单说明对系统的那些模块和软件进行了调试，下面简单介绍电路仿真调试环境：Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有

23、其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库，Proteus可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时

24、地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。Proteus可提供的调试手段 Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。Altium Designer 是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows XP操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练

25、使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。Altium Designer 除了全面继承包括Protel 99SE、Protel DXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。 由于Altium Designer 在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，Altium Designer 对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。主要功能有：1 原理图设计2 印刷电路板设计3 FPGA的开发4 嵌入式开发 等等4 电路的仿真与分析4.1 电路的原理图4.2 电路的仿真5 总结与体会在课程设计之前，我们通过各个渠道查找资料后分析验证，经过多次的修改和整理，作了如上的设计思路。虽然这次设计一开始是按照设计要求去完成的，但由于在实际操作中，出现了比较大的问题，导致以上的