环境噪声检测仪设计-2

1、本科生课程设计（论文）I课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电气 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目环境噪声检测仪设计课程设计（论文）任务环境噪声检测仪的主要功能实时检测城市环境噪声，并利用 3 位大型数码管实时显示环境噪声大小，数码管每段正常工作电参数 12V/50mA。控制器由 AC220V 供电，噪声测量范围 30130dB(A)，分辨率 0.1dB。设计任务：设计任务：1. CPU 最小系统设计（包括 CPU 选择，晶振电路，复位电路）2. 噪声传感器选择、放大电路及接口电路设计3. 显示电路设计4. 程序流程图设计及程序清单编写

2、技术参数：技术参数：1噪声测量范围：30-130dB2工作电源 220V设计要求设计要求：1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适的单片机、AD 转换器、输出电路等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在 4000 字以上。进度计划第 1 天 查阅收集资料第 2 天 总体设计方案的确定第 3-4 天 CPU 最小系统设计第 5 天噪声传感器选择、放大电路及接口电路设计第 6 天显示电路设计第 7 天 程序流程图设计第 8 天 软件编写与调试第 9 天 设计说明书完成第 10

3、 天 答辩指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日本科生课程设计（论文）II摘 要环境噪声检测仪的主要功能是实时检测城市环境噪声，并利用 3 位大型数码管实时显示环境噪声大小。由于环境噪声在人们的生活中已经产生不小的影响，所以，在现时我们应该以减小噪声对人们的不良影响为主要任务。本文主要介绍了噪声检测系统的测量原理和系统组成，包括：外界的噪声信号经过转换、放大、A/D 转换后，数据的采集和显示系统的设计。外界噪声信号经过噪声传感器转换成音频信号，音频信号经过放大和 A/D 转换后输入到单片机，由单片机进行处理，并转换成相应的噪声分贝值，然后显示在 L

4、ED 上，从而实现噪声的实时监测。该系统实现过程简单，并且精确度高，可在实际生活中进行噪声的实时检测。关键词：A/D 转换器；噪声传感器；单片机；LED；运算放大器本科生课程设计（论文）III目 录第 1 章 绪论 .11.1 环境噪声检测仪概况 .11.2 本文研究内容 .1第 2 章 CPU 最小系统设计.22.1 环境检测仪总体设计方案 .22.2 CPU 的选择.22.3 数据存储器扩展 .32.4 复位电路设计 .42.5 时钟电路设计 .52.6 CPU 最小系统图.6第 3 章 仪输入输出接口电路设计 .73.1 噪声传感器的选择 .73.2 噪声检测仪检测接口电路设计 .73.

5、2.1 A/D 转换器选择.73.2.2 模拟量检测接口电路图 .83.3 噪声检测仪输出接口电路设计 .9第 4 章 噪声传感器软件设计 .104.1 软件实现功能综述 .104.2 流程图设计 .104.2.1 主程序流程图设计 .104.2.2 模拟量检测流程图设计 .124.2.3 环境噪声检测仪流程图设计 .124.3 程序清单 .14第 5 章 系统设计与分析 .205.1 系统原理图 .205.2 系统原理综述 .205.3 软件调试结果 .21本科生课程设计（论文）IV第 6 章 课程设计总结 .22参考文献 .23本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 环境噪声检测仪

6、概况声和振动是紧密相连的，每种声音都有专属的振动方式，声波的振动方式就是发声体产生的振动能引起周围空气的流动。声波是一种机械波，特性如下：绕射、反射、折射、干涉等。有些声音是无害的，但有些声音则是有害的，即噪声。它会使人们烦躁，如果音量过大或音调过高，有可能危害到人们的身体健康。噪音的污染属于感觉公害，它与人们的主观意愿有关。噪声的来源有很多，例如：大街上的汽车鸣笛声，安静的教室里嘈杂的说话声，深夜邻居的电视机发出的大音量，建筑工地的声音和工业噪音等。环境噪声检测仪目前已经在社会上广泛使用了，它能提高人类的生活质量，也可以加强环保。1.2 本文研究内容该课程设计研究的是环境噪声检测仪，以 89

7、C51 单片机为基础，实现环境噪声的检测。我们详细的研究了声压计的测量原理、传声器测量的基本原理，并对噪声测量传感器进行合理的选择。我们还探讨了单片机的原理，深层理解了单片机系统设计和软件编程。进行整体方案设计，系统硬件电路设计，电路的设计有复位电路设计、时钟电路设计等。随后，进行搭接电路，编写程序，调试。最后总结本文的全部研究工作，进行记录。本科生课程设计（论文）2第 2 章 CPU 最小系统设计2.1 环境检测仪总体设计方案外界噪声信号经过噪声传感器转换成音频信号，音频信号经过放大和 A/D 转换后输入到单片机，由单片机进行处理，并转换成相应的噪声分贝值，然后显示在 LED 上。环境噪声检

8、测仪系统结构框图如图 2.1 所示。 图 2.1 环境噪声检测仪系统结构框图2.2 CPU 的选择单片机有面向控制的 8 位 CPU 的特性。它是单片机的核心部分，作用是读入和分析每条指令，根据每条指令的功能要求，控制各个部件执行相应的操作。CPU 包括了微处理器（运算部件）和控制部件，运算器主要用来实现数据的传送、数据的算术运算和逻辑运算，以及位变量处理等。控制器是用来统一指挥和控制计算机进行工作的部件。本文的设计方案中采用了 89C51 单片机 40 脚 DIP 的封装，其中两条主电源引脚，两条外接晶振体引脚，四条控制或与其他电源复用的引脚，三十二条 I/O引脚。其引脚图如图 2.2。 噪

9、声传声器A/D转换电路LED显示交直流转换单片机本科生课程设计（论文）3 图 2.2 89C51 单片机引脚图其中，XTAL1、XTAL2 分别是外接晶体引脚 1、外接晶体引脚 2，它们都是接外部晶体和微调电容的一端。不同的是，XTAL1 输入外部时钟脉冲，而XTAL2 是振荡电路反向放大器的输出端。VSS 为接地端，VCC 接+5V 电源，RST 为复位信号输入端，高电平有效，ALE 引脚为地址锁存允许信号，VPP 是内、外 ROM 选择端，P0、P1、P2、P3 口为输入/输出引脚。 2.3 数据存储器扩展数据存储器扩展分为三大步骤：1.扩展三大总线 2.芯片引脚与三大总线对应相连 3.片

10、选处理。数据存储器空间地址同程序存储器一样，由 P2 口提供高 8 位地址，P0 口分时提供低 8 位地址和 8 位双向数据线。常用的数据存储器有静态数据存储器RAM 和动态数据存储器，由于在实际应用中，需要扩展的容量不大，所以一般采用静态 RAM，如 SRAM6116、6264 等。本文采用的是 6116 芯片，6116 是 2K8 位静态随机存储器，采用 CMOS 工艺制造，单一+5V 电源供电，额定功率消耗为 160mW，典型存取时间 200ns，为24 线双列直插式封装，其硬件扩展图如图 2.3 所示。 本科生课程设计（论文）4 图 2.3 硬件扩展图2.4 复位电路设计复位操作可以使

11、单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。复位电路包括：上电复位，按键电平复位，按键脉冲复位，本设计用到的是按键电平复位。复位条件：有效时间持续 24 个振荡脉冲周期（即两个机器周期）以上的高电平。复位过程：复位端经过电阻与 VCC 电源接通而实现的，RES 引脚是复位信号的输入端，复位信号时高电平有效。89C51 单片机内部复位结构如图 2.4 所示。外部复位电路接 RESET 引脚，RESET 通过内部一个施密特触发器与内部复位电路相连，施密特触发器用来整形，它的输出在每个机器周期的 S5P2 由内部复位电路采样一次。复位电路图如图 2.51D31Q22D42Q53D

12、73Q64D84Q95D135Q126D146Q157D177Q160D180Q19G36OE3774LS373RD17WR16P2.021P2.122P2.223P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039ALE30XTAL231VSS35XTAL132RST34VCC3389C51I/O038I/O139I/O240I/O341I/O442I/O543I/O644I/O745A03A14A25A36A47A58A69A710A811A912A1013OE14WE156116本科生课程设计（论文）5所示。RESET VCC VD1 VD2

13、施密特触发器VSS 图 2.4 内部复位电路逻辑图 图 2.5 复位电路图2.5 时钟电路设计时钟电路保证了同步工作方式的实现，电路必须在唯一的时钟信号控制下严格工作。时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。时钟信号可以由两种方式产 片内 RAM 复位电路本科生课程设计（论文）6生：内部时钟方式和外部时钟方式。本文采用的是外部时钟方式，如图 2.6 所示。 时钟电路是由一个晶体振荡器 12MHZ 和 33pF 的电容组成，是它产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。振荡电路的振荡脉冲是经二分频后，再经三分频产生 ALE 信号，再二分频的基础上六分频得到

14、机器周期信号，单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入引脚为 XTAL1，输出引脚 XTAL2，在芯片内部通过两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路。 图 2.6 外部时钟方式电路2.6 CPU 最小系统图根据前面讲的基本器件和和简单电路图，形成完整的 CPU 最小系统图，如图 2.7 所示。 C?CAPS?SW-PBR?RES2R?RES230pF30pFY111.05921D31Q22D42Q53D73Q64D84Q95D135Q126D146Q157D177Q160D180Q19G36OE3774LS373RD17WR16P2.021P2.122P2.223P0.732P0.

15、633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039ALE30XTAL231VSS35XTAL132RST34VCC3389C51I/O038I/O139I/O240I/O341I/O442I/O543I/O644I/O745A03A14A25A36A47A58A69A710A811A912A1013OE14WE156116本科生课程设计（论文）7 图 2.7 CPU 最小系统图本科生课程设计（论文）8第 3 章 噪声检测仪输入输出接口电路设计3.1 噪声传感器的选择噪声传感器的作用相当于一个话筒（麦克风） 。它用来接受声波，显示声音的振动图像。但不能对噪声的强度进行

16、测量。噪声传感器如图 3.1 所示。声音传感器能显示声音强度大小，也能研究声音的波形：档位 1（测量声强）：45120dB；档位 2（测量波形）：05V（测量频率范围 100Hz4000Hz） ；分辨率：1Hz；精度：1%。产品的特点有：A.该传感器无需再次进行校准，软件自动调零。B.采样频率要取 10000 次/秒或更大些，否则不能真实、准确地反映声振动的图像。C.图像的纵坐标表示的是与声振动对应的电压数值。D.接入控制系统的可以采用 420mA的输出型传感器，如四川瞭望的 ZS 系列。E.成本上有限制的情况下可以采用正负信号输出的，如：TZ-2KA 等。 图 3.1 声音传感器3.2 噪声

17、检测仪检测接口电路设计3.2.1 A/D 转换器选择本文采用的是 AD536 转换器，AD536 是美国 AD 公司推出的真有效值转直流值（RMS-DC）的单片集成电路，如图 3.2 所示，它能计算复杂输入信号的有本科生课程设计（论文）9效值并给出一个与之等效的直流输出电平。它内部含有峰值因数补偿电路，在峰值因数达到 7 时转换误差仅为 1%。AD536A 的频带很宽，当信号电压大于100mV 时，这个电路的带宽使测量能力达到 300KHz 仅有 3dB 的误差，利用外部提供的参考电压，用户能方便设置 0dB 电平，使其可以对应于从 0.1V 到 2V 之间的任何有效值。此外，在 AD536A

18、 的内部有输入和输出保护电路，输入电路能承受高于电源电压的过载电压，输出电路其有短路保护功能。AD536A 内部主要包括：一个绝对值电压/电流（V/I）转换器、一个平方器/除法器、低通滤波器、精密电流镜和一个输出缓冲器（其有 10V 满量程输入范围）。 图 3.2 AD536 引脚图3.2.2模拟量检测接口电路图 SCK34DATA36VCC37GND38J?P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.010P3.111P3.212P3.313P3.414P3.515P3.616P3.717XTAL118XTAL219GND2089C51R11

19、KVCCC110.1uFC20.1uFS1SW-PBR33KR21KVCCY112MHzC930pFC1030pF0.1uF10uFVCC12CON2VCCGND本科生课程设计（论文）10图 3.3 模拟量检测接口电路图3.3 噪声检测仪输出接口电路设计 图 3.4 噪声检测仪输出接口电路P0口P1.0p1.1GNDUDD89C51口口1234+2.5+5.5C0.1uR10k+5vabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpD S?D PY_7-SEG _D PabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpD S?D PY_7-SEG _D PabfcgdeDPY1

20、234567abcdefg8dpdpD S?D PY_7-SEG _D P本科生课程设计（论文）11第 4 章噪声传感器软件设计a)软件实现功能综述学习和使用单片机的一个重要环节就是理解和熟练的掌握它的软件设计，环境噪声检测仪的软件功能的实现，要先设计主流程图和模拟量检测流程图，然后了解流程清单，根据流程清单写程序。该程序设计有两部分构成：一是算法，或者说程序的流程图；二是工作安排，即设计完流程图然后进行具体程序的编写。指令是规定计算机进行某种操作的指令系统。计算机的主要功能是由指令系统来体现的，指令系统与机器周期是密切相关的，所以软件的设计对于噪声传感器功能的实现具有极其重要的作用。b)流程

21、图设计i.主程序流程图设计 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。中断服务程序主要实现的功能是：T0中断子程序是将电压/频率转换器产生的频率信号接入计数器的 T0口，然后计数器开始计数，当计数到一定数目后，计数器就产生溢出中断。本科生课程设计（论文）1

22、2 图 4.1 程序模块流程图设置 SP 定时/计数器 T0/T1 初始化关中断读计数器显示值亮指示灯 89C51 初始化i=i+1置表首地址 允许高位显示交换显示位取表中双字节数关中断送显示值 开始Xi(TH0)(TH1)扫描结束？否是是否本科生课程设计（论文）13ii.模拟量检测流程图设计A/D转换接口是数据采集系统前向通道中的一个重要环节数据采集是模拟信号源中采集信号并将其转换为数字信号送入计算机的过程。如图4.2所示。图4.2 模拟检测流程图iii.环境噪声检测仪流程图设计环境噪声检测仪的软件部分是采取的模块式设计，有主程序、中断服务程序、查表子程序和显示子程序。个程序模块的流程图如图

23、4.3和图4.4所示。 初始化 A/DA/D 转换 计算分贝值 功率处理dB 处理 显示结果 计算当前功率 溢出 绝对显示否是本科生课程设计（论文）14图4.3 查表子程序 图4.4 显示子程序在图中，Xi表示读取的计数值，i从0开始。主程序的工作模式是循环的，完成定时/计数器和中断系统的初始化是主程序的主要任务，它还循环调用查表和显示子程序。查表程序完成了计数值向声压级的转换。在硬件上采取相应的措施之外，软件中还应采用冗余法，即重复重要的指令， 查表子程序入口 显示子程序入口 取表中双字节数 Xi允许高位显示数值显示i=i+1 延时 送显示值 交换显示位置扫描次数 Xi(TH0)(TH1)扫

24、描结束？ 返回 返回是否是否本科生课程设计（论文）15这是为了能提高系统的抗干扰能力，没有使用空间设置操作指令是因为要防止程序跳飞而死机。c)程序清单ML8155 EQU 0DF00H; DTIMER0 EQU 30H; DTIMER1 EQU 31H; ORG 0000H LJMP MAIN ORG 1000HMAIN:MOV SP,#60H MOV A,#00H MOV DPTR,#0DF02H MOVX DPTR,A SETB P1.0 SETB P1.1 SETB P1.2 CLR C MOV TMOD,#15H MOV TL0,#00H MOV TH0,#00H MOV R0,#00

25、HQQ1: MOV TL1,#0B0H MOV TH1,#3CH SETB TR0 SETB TR1QQ: JBC TF1,QQ3 AJMP QQQQ3: INC R0 CJNE R0,#0AH,QQ1 AJMP LOOP RET本科生课程设计（论文）16LOOP:CLR TR1 MOV 40H,TH0 MOV 41H,TL0 MOV R0,#00H MOV R1,#00H MOV DPTR,#TAB LAB:CLR A MOVC A,A+DPTR MOV R2,A MOV A,40H XCH A,R2 SUBB A,R2 JZ A1 INC DPTR INC DPTR INC DPTR IN

26、C DPTR SJMP LABA1: CLR A CLR C INC DPTR MOVC A,A+DPTR MOV R3,A MOV A,41H XCH A,R3 SUBB A,R3 JC A2 CLR A MOVC A,A+DPTR MOV R3,A MOV A,41H XCH A,R3 SUBB A,R3 JZ A2本科生课程设计（论文）17 INC DPTR INC DPTR INC DPTR SJMP LAB A2: CLR A INC DPTR MOVC A,A+DPTR MOV R0,A MOV 40H,R0 CLR A INC DPTR MOVC A,A+DPTR MOV R1,

27、A MOV 41H,R1 LCALL PPL LJMP LL1 RET LL1:MOV A,40H MOV DPTR,#BCD2 MOVC A,A+DPTR MOV 5FH,A MOV A,41H MOV DPTR,#BCD2 MOVC A,A+DPTR MOV 5EH,A MOV 5DH,#5EH MOV 5CH,#7CH LCALL INIT_8155 LCALL WRITE_LED1WRITE_LED1: PUSH DPL PUSH DPH PUSH ACC MOV R0,#5CH MOV R1,#00H本科生课程设计（论文）18 MOV R3,#0F7H MOV A,R3 AGAIN1

28、: MOV DPTR,#0DF01H MOVX DPTR,A MOV A,R0 MOV DPTR,#0DF02H MOVX DPTR,A LCALL DELAY01 LCALL DELAY01 INC R0 MOV A,R3 JNB ACC.0,OUT2 RR A MOV R3,A LJMP AGAIN1 OUT2: MOV R0,#5CH MOV R3,#0F7H MOV A,R3 INC R1 CJNE R1,#3AH,AGAIN1 LJMP MAIN POP ACC POP DPH POP DPL RETINIT_8155: PUSH DPL PUSH DPH PUSH ACC MOV

29、DPTR,#ML8155 MOV A,#03H MOVX DPTR,A POP ACC POP DPH POP DPL本科生课程设计（论文）19 RET PPL:MOV R0, 40H MOV A, R0 SUBB A,#4 JZ B1 MOV A, R0 SUBB A, #5 JZ B1 MOV A, R0 SUBB A, #6 JZ B2 MOV A, R0 SUBB A, #7 JZ B2 MOV A, R0 SUBB A, #8 JZ B3 MOV A, R0 SUBB A,#9 JZ B3 RET B1:CLR P1.0 RET B2:CLR P1.1 RET B3:CLR P1.2

30、 RET B4:RET DELAY:PUSH DTIMER1 PUSH DTIMER0DELAY1:MOV DTIMER0,#125 DELAY2:NOP NOP :DJNZ DTIMER0,DELAY2 DJNZ DTIMER1,DELAY1本科生课程设计（论文）20 POP DTIMER0 POP DTIMER1 RETDELAY01:NOP PUSH DTIMER1 MOV DTIMER1,#02H LCALL DELAY POP DTIMER1 RET本科生课程设计（论文）21第 5 章 系统设计与分析a)系统原理图 图 5.1 系统原理图b)系统原理综述该课题主要研究的是 89C51

31、 单片机为核心的噪声监测系统。通过联调，实验验证了系统的可行性，能满足设计要求，达到设计的指标，实现对噪声信号的采集、处理功能，并用 LED 显示出噪声的分贝值，采用指示灯指示出声压级的大概范围。 本文使用的是单片机作为核心的控制元件，本噪声监测器的特点是：功能强、123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:7-Jul-2011 Sheet of File:C:UserslenovoDesktopMyDesign.ddb Drawn By:EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P1

32、01P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U?89C51DS?DPY_7-SEG_DPJP?HEADER 8X2abfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefg DS?DPY_7-SEGabfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefg DS?DPY_7-SEGabfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefg DS?DPY_7-SEGR?RES2

33、R?RES2R?RES2LS?SPEAKERR?POT2VCC+C?CAPACITOR POLVCC+C?CAPACITOR POL+C?CAPACITOR POLVCCVCCR?RES2R?RES2R?RES2R?RES2R?RES2R?RES2R?RES2C?CAPC?CAPC?CAPC?CAPC?CAPC?CAPVCCR?POT2VCCVCC JP?8 HEADER J?50PINR?RES2R?RES2R?RES2R?RES2R?RES2R?RES2R?RES2R?RES2D? D? D? VCC JP?HEADER 3X2R?RES2R?RES2R?RES2R?RES2VCC本科生课

34、程设计（论文）22性能可靠、电路简单、成本低，加上经过优化的程序，使其具有很高的智能化水平。但是该设计还是不够完善，因为声音信号本来就很不稳定，而且也不知道它的声压级是多少分贝，你要注意对它校验。c)软件调试结果本课题中采用晶体式传声器，其测量精度不是很高，再加上声音信号不容易控制，而且很不稳定。再加上硬件电路中的一些系统误差，所以测量结果不是十分精确。但是，当将被测量的声音信号的音量变大时，LED 的显示值变大，反之则变小。而且此系统的测量范围为 30db-130db，完全符合设计要求，而且指示灯也能指示一定的声压级范围。所以这次设计符合设计的要求，可以实现对噪声信号的采集、处理及显示，具有很好的功能，有一定的实践意义，能满足我们对环境噪声监测的要求。本科生课程设计（论文）23第 6 章课程设计总结本次课程设计让我温习了单片机的基本原理、功能以及构造，以及 AD536的基本原理。学会了用软件画电路图并进行仿真，通过硬件的制作提高了动手能力和分析问题的能力。软件部分的编程，主要是通过看芯片的基本资料进行编程的，所