《基于STC89C52单片机的噪声分贝仪设计》7900字

1基于STC89C52单片机的噪声分贝仪设计摘要本设计是以STC89C52单片机为核心开发的基于C语言编程设计的环境噪声监测分贝仪的设计系统，它是用AD转换技术的便携式环境噪声测量仪，该系统包括声音检测部分、模数转换部分、数据显示部分和按键电路部分。控制系统采用STC89C52单片机，通过内部程序将采集到的噪声测量模块、通过ADC0832模数转换对信号进行分析处理，从而实现对噪声信号的采集与处理。系统通过按键电路检测分贝的上限来进行设定。与此同时本系统采用了lcd1602液晶显示屏幕来进行检测到的噪声分贝的显示。本系统与以往的噪声检测仪，本系统的功能比较完善，体积也比较小，解决了以往的噪声检测仪体积笨重不易检测的问题，十分适合在家庭中进行简单的使用与安装，同时本系统的按键简单，符合未来仪器小型化，便捷化的发展趋势。关键词：噪声测量；环境检测；STC89C52;目录引言 1第一章绪论 21.1环境噪声检测发展前景 21.2国内外发展现状分析 2第二章总体方案 42.1总体设计 42.2设计原则 4第三章硬件设计 63.1中央控制部分 63.1.1DC电源模块 63.1.2单片机模块 63.2声音检测模块 83.3按键设置模块 93.4数据显示模块 103.5蜂鸣报警模块 11第四章软件设计 134.1声音检测模块 144.2液晶显示模块 154.3警报模块 16第五章系统实现 175.1焊接调试 175.2功能调试 17总结 18参考文献 19引言随着社会和经济的不断发展和成长,国民生活质量和水平不断改善和提高,随着而来的各种生活问题也越来越多,环境污染,噪声污染等都已经成为一个困扰着我们当今社会和人的主要问题。在现代生活中环境噪声监测已经是现代城市生活中不可或缺的一部分。在主要城市的繁忙街道和住宅区设置了大型环境噪声监测仪。但是，目前我国现存的便携式噪声测试仪基本上都是通过进口的一些昂贵的专用设备，在卫生、计量等一些环保部门以外，一般不能作为民用产品推广。使用分贝测量仪对环境噪声进行测量和控制，可以广泛的应用在一些如工矿企业、公办学校等环境上。噪音的波形是混乱的。噪声的一般定义为凡是能过在日常生活中影响我们的休息，睡眠，工作，等等一切的声音我们其实都可以将其称之为环境之中的噪声。从环保的角度来说，生活中的声音比如工厂工作时的声音，楼上楼下装修发出的声音，路边经过的卡车发出的鸣笛声以及各种在突然发出的声音都可以被叫为噪声。噪声的定义其实是相当主观的一个感受，从这个层面上来说，只要你认为影响到了你的日常生活，也可以称之为噪声，因此，噪声具有不同于其他的公害的特性。伴随着人们对于生活质量的要求不断的升高，生活中的噪声污染也慢慢的越来越被人们所重视，在可的未来，对于环境噪声污染的重视还会不断提高，这也是研究该课题的重要意义。本设计基于STC89C52单片机开发了一种噪声检测系统，实现了对噪声的实时检测与报警处理，同时降低了噪声检测仪的经济成本与学习成本。也解决了大型噪声检测仪使用时的难度过高的问题，也解决了用户对于便携性自动检测噪声装置的需求。因此，本系统运行稳定，性能良好，在一般民用需求上经过校准后能满足绝大部分需求。

2第一章绪论1.1环境噪声检测发展前景近年来，随着人们生活水平的提高，人们越来越重视声音环境质量，环境噪声污染已成为一个重要的环境问题[1]。包括声音景观质素监测及噪音污染源监测。我国相关的环境监测也一直进行中，比如声环境质量监测。一般情况下，会在城市的周边使用环境网格法来进行检测[2]。但是这种方法不仅实施起来耗时耗力，而且采集到的数据往往随机性也很大，每个点实际上仅仅采集几分钟，实际上是十分不准确的，往往经过人力物力采集后，得到的数据却无法满足环境治理的相关需要。我国的噪声污染防治在近几年的发展也去到了不少的成果。如下图，为我国每年在关于相关产业的防止总产值图，根据分析，噪声污染防治虽然并不是一个高速发展的产业，但实际上，每年的相关投入都在慢慢发展。图1-1为我国近年来噪声防止产业产值分析。图1-12012-2018年中国噪声与振动污染防治行业总产值分析1.2国内外发展现状3发达国家关于噪声污染防治的相关产业发展比较早，因为早在上世纪60年代左右，一些发达国家的噪声污染日益严重，也是在那时，人们才注意到了关于胡噪声污染的严重性，一些噪声污染严重的城市甚至严重的影响了居民的日常生活，因此许多国家都开展了关于城市噪声相关的普查，并且设立了相关的噪声检测站点来对噪声进行监控，在经过10余年的噪声防止后，国外的相关发展主要集中到了关于噪声的一些预报预警上，可以说，国外已经经过了噪声的防治阶段，已经过度进入到了噪声检测的阶段。在发达国家已经具备完善的环境噪声自动检测系统和产品[3]。相对于外国来说，我国相关产业起步其实并不是很晚，也是在上世纪60年代左右，我国也开始进行对相关噪声检测装置的研究，但是当时生产的装备往往都体积比较大，检测的精度也比较低，检测的范围区间也很小，导致测量的误差也往往很大，发展到了上世界80年代后，我国相关产业开是研究开发关于数据自动采集，存储，以及进一步进行处理数据的自动化的环境噪声检测仪。到了90年代末以及本世纪，关于噪声检测设备的要求则进一步提高，人们开始追求小型化，自动化，多功能的噪声检测仪器。而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[4]。相比较于国外同期发展的现状，我国的相关产业实际上存在很多待解决的问题：(1)相比较于国外进行噪声数据采集的方式，我国的相关产业大部分依旧是处于比较基础的数据获取阶段(2)我国进行噪声采集获取的数据大多数准确性比较低，时效性也不够，很多数据并不能满足实际研究需要(3)我国的相关噪声检测仪器大部分都比较笨重，不方便进行灵活的数据检测综上所述，我国目前的分贝检测与国外同期的发展还有不少的差距，综合以上缺点，我设计了一款易于携带的，简易操控的噪声分贝检测仪。45第二章总体方案2.1总体设计本设计基于单片机的环境噪声监测分贝仪的设计系统，本设计主要分为软件部分与硬件部分，硬件部分是以stc89c52单片机为核心，通过对周围环境噪声信息的采集，并进行ad转换的便携式环境噪声测量仪。本设计的硬件电路系统主要包括对声音信号的采集并进行放大，信号的模数转换电路，控制上限的按键电路，进行报警行为的报警电路，以及将采集到的信号显示在液晶屏幕上的显示电路。本设计在软件部分的实际则是使用c语言进行编程，主要功能是进行对与信号的收集与转换和最终的展示到屏幕上。首先声音传感器收集到声音信号，接下来使用adc0832模数转换为数字信号，并最终在lcd602上进行展示。当本设计检测到超出设置上限的分贝后，报警装置就会启动，led红灯会闪动，同时内置的蜂鸣报警装置也开始进行鸣响，通过以上的处理来进行对噪声检测的预警。如图2-1所示。数据显示模块单片机处理单元数据显示模块单片机处理单元声音采集模块声音采集模块蜂鸣器m模块蜂鸣器m模块报警模块m模块按键电路模块报警模块m模块按键电路模块Led指示灯Led指示灯图2-1系统设计框图62.2设计原则在设计噪声分贝仪时，我考虑了相关的一系列设计原则，在本设计中我主要参考以下设计原则能有效地在设计中使我的设计更安全，更稳定且更加方便的进行操作与携带，使得我的设计能在更多的场合得到使用，并且还使得本设计更加低成本，降低了批量生产的成本要素。(1)安全性：作为检测仪器，安全性一定是重中之重，在考虑任何设计之前，首先要考虑设计的安全性，一定要确保用户在使用时的安全保障，而且即使在意外情况下发生了故障时，也不会引起严重事故(2)稳定性：噪声检测装置是用户要长期进行安置并进行检测的装置，所以他的稳定性一定是不可或缺的(3)微型化：现代的个人检测装置最重要的一个特性就是微型化，可携带化，便携性是不可或缺的一项特性，足够微型化的噪声分贝检测装置可以放在几乎任何想要检测的位置。(4)易操作性：作为测控装置，以往的噪声检测装置往往都是功能繁多，操作复杂，并且过于专业化，普通的用户想要无门槛进行操作时很困难的，而本款噪声检测装置充分考虑到了这个问题，本设计操作简单，同时将检测的份分贝通过LCD显示屏直观的显示出来，非常方便用户的使用和操作。6第三章硬件设计 3.1中央控制部分 3.1.1DC电源模块作为目前市面上最常用的电源接口之一，dc插座是很多项目的常用电源接口。这是因为dc插座的构造十分简单，使用起来不仅十分简单，并且还能提供十分可靠且稳定的电源。Dc插座的构造主要是由垂直接口与水平接插口，叉型接触片和定向卡槽等及部分所构成的接口。我们重点要介绍的的是叉形型接触片，它主要分为两部分，一端在供电线的插入的方向。而另外一部分是接线端口，位置在基座的外面部分，是用来进行电线的连接。本设计电源模块的电路原理图下图所示，在dc插座与电源之间存在自锁开关，可以通过自锁开关来进行电路的导通与关闭设置，并与外界连接。如题3-1所示。图3-1电源电路原理图3.1.2单片机模块在现代环境中，经常使用各种无线遥控信号与一些大功率的电器，这样会导致单片机的周围会存在各种各样的干扰信号，虽然单片机有比较好的抗干扰能力，但是在实际使用中难免会遇到特殊情况，随着外界环境的变化，单片机在工作时可能会发生程序执行错误，或者发生意外掉电的情况，这时候我们就需要给单片机增加一个复位程序使得单片机能够重新运行，本单片机设计了上电自动复位的电路[7]。上电复位电路如图所示：一端接电源，一端接地，在电源进行导通的时候，此时的电容由于两端的电压并不平衡，所以开始进行充电，此时的电容相当于是短路的。而这时Rst端为高电平。此时的单片机就会执行自动复位的操作。这样电容会一直进行充电直到两端的电压开始相等为止，这时充电行为就会停止，电容为开路。此时的单片机复位完成，程序可以正常启动了。自动复位电路如图3-2所示：7图3-2自动复位电路原理图除了上电复位电路外，单片机模块还需要加装一个外部时钟电路，该电路通过一个晶振来实现单片机的稳定工作，晶振两边为两个电容，并且接地，组成完整的时钟电路，同时与单片机的XTAL1与XTAL2接口相连接，提高单片机在工作时的稳定性。如图3-3所示：8 图3-3晶振电路原理图在本次设计中，采用了stc89c52单片机来进行噪声分贝仪的设计。具体的型号为STC89C52RC单片机，作为新一代的8051单片机，本单片机的相关指令与传统的8051单片机完全进行兼容。该单片机具有两种机器周期可供用户进行使用，分别是6时钟与12时钟的机器周期。因为选取了52单片机，所以本系统的内存为8k字节。本单片机一共具有32个通用I/O口。作为总线扩展用时，不用加上拉电阻。作为I/O口使用时，需要加上拉电阻[5].他的商用级别单片机的工作温度范围在0°c到75°c之间，完全能够满足日常生活的需要。单片机模块主要包括STC89C51单片机、复位电路、外围晶振电路[6]。图3-4单片机模块电路原理图3.2声音检测模块 本设计采用咪头和adc0832模数转换芯片和lm386音频放大器芯片，该放放大器可以吧采集到的音频放大到20至200倍来进行采集，之所以采用该音频放大器是因为它的功耗比较低，十分符合本设计的要求之一，此外，该音频放大器也具有供电电压范围也比较大，信号失真也比较少等特点，综上所述，本设计采用了lm386音频放大器来进行信号的放大采集。该放大器主要用于低压消费品。为了尽量减少外围元件，电压增益内置到20。通过在1至8个引脚之间加上一个外部电阻器和电容器，电压增益可以调整到200以下的任何值。本设计没有用到这两个引脚，只是设置为了基础的20倍增益。7引脚链接到gnd，中间连接着电容是为了防止干扰而进行滤波[8]。音频放大电路左侧连接ADC0832模数转换并连接CH0口。音频放大电路原理如图3-5所示。图3-5声音放大电路原理图99ADC0832，作为十分知名且常用的模数转换芯片，本设计也同样采取了该芯片来进行对模拟量进行数字量的转换。之所以采用是该芯片是因为其具有许多优点如使用时的功耗非常小，使用时的稳定性比较强，同时该芯片的体积也比较小巧，十分符合本设计的要求。该模数转换电路如图3-5所示。首先对检测到的声音信号进行放大，然后将放大后的声音信号传输到ch0端口，使得ch0的电压发生变化。转换后，adc0832将信号传输到单片机[9]。如图3-6所示：1引脚连接到单片机的p3.5引脚，CLK引脚连接到单片机p3.6引脚，DI引脚连接到p3.7引脚。图3-6adc0832模数转换电路原理图3.3按键设置模块按键电路使用两个按键来进行检测声音的上限设置，当按键按下后输出低电平，松开是高电平。当按键按下后程序就执行当前按键所执行的条件，单片机接收到按键输出的低电平后就开始进行处理。当上面的按键按下时，进行检测上限的增加，下面的按键则进行检测10上限的减少。两者连接到单片机的p1.0与p1.1口。图3-7为按键电路原理图。11图3-7按键电路原理图113.4数据显示模块本系统要实现声音检测功能，用户在使用时要进行检测分贝的显示与上下限设置的显示，在本次设计中，数据显示的屏幕使用了LCD1602显示屏来进行对数据的显示。之所以选取LCD1602来进行设计是因为该屏幕的体积小巧，身份符合本设计的便携性要求，而且他、它的可视面积相对比较大，同时它的抗干扰能力也比较强，同时该屏幕对数字和英文字母的显示效果也非常好。综上所述，选取了LCD1602显示屏来进行本次的设计。下图为LCD1602引脚的功能表。表3-1LCD1602引脚介绍引脚号引脚名称引脚功能1GND电源接地端2VCC5V电源正极3VL调节显示器对比度4RS寄存器选择端5RW读写信号线6E使能端口7~14D0~D7双向数据端口15BL+背光正极16BL-背光负极12数据显示电路如图3-8所示，LCD1602可以在3.5V~5V的电压下进行工作。在其内部设计存在复位电路，可以进行一些简单的如清屏等操作。显示的亮度可以通过外部连接的电位计进行调节。内部带有存储器可以储存数据，它可以直接与单片机相连接，通过单片机程序来控制液晶的显示[10]。图3-8数据显示模块电路原理图4.5蜂鸣报警模块 蜂鸣器电路如图3-9所示，蜂鸣器本身是很简单的元器件，一共有两端，一端接地，而另外一端就接到三极管的引脚上面。蜂鸣报警模块采用的是PNP型的三极管。因为单片机启动时，默认会给一个高电平，而此时我们并不想让报警器发出警报，所以我们在电路前面加入了一个电阻起到限流的作用来防止蜂鸣器报警。但是这样其实是有缺陷的，因为仅仅靠单片机提供的电流实际上并不能使风蜂鸣报警器发出警报，所以此时我们在电路中加入了一个三极管起到的作用就是来进行对电流的放大，从而使得报警器可以正常工作。图3-9报警模块电路原理图131414第四章软件设计本设计是以STC89C52单片机为核心开发的基于C语言编程设计的使用keil4编译器进行编写的程序。系统的软件部分由声音流程模块、按键设置模块、显示模块、报警模块四部分组成。如图4.1所示，主程序启动后不断循环，通过按键程序分析键值。不停的按键扫描对声音检测限制进行监控，如果没有超出限制，则lcd显示屏正常显示检测到的声音信息，但是如果超出了检测限制，则红色警示灯会亮，同时蜂鸣报警器也会报警。开始开始LCD1602初始化LCD1602初始化ADC0832初始化ADC0832初始化咪头采集声音咪头采集声音显示屏显示当显示屏显示当前信息否否超过上限sahng限超过上限sahng限是是红色指示灯亮，蜂鸣器报警红色指示灯亮，蜂鸣器报警返回返回图4-1总体程序流程图144.1声音检测模块当声音采集到当前的数据后，我们需要对采集到的数据进行处理。首先，我们需要进行ADC0832的初始化，初始化结束后，我们选择数据通道0，解析这进行数据的读取。我们需要一位一位的读取数据。当我们读取完数据后，就可以将读取到的数据转换为数字信号，而此时，我们就可以通过转换后的数字量拉进行电压的转换，从而进一步的获取检测到的分贝值。开始开始ADC0832初始化ADC0832初始化产生时钟信号产生时钟信号选择数据通道0选择数据通道0否否判断ADC是否转换完毕判断ADC是否转换完毕是是读取字节读取字节一位一位读取数据一位一位读取数据结束，计算当前电压值结束，计算当前电压值通过当前电压，得到转换数据，显示当前分贝通过当前电压，得到转换数据，显示当前分贝返回返回图4-2模转换流程图15在本次设计中，我使用了ADC0832来实现模数转换的功能，时序图如下图所示：在进行转换时把CS置低电平，再给予第一个上升沿之前保持DI为高电平，标志芯片开始工作，在第二、三个上升沿到来时DI的状态，用来选择输入通道，当DI为“11”时为通道1，“10”时为通道0[11]。从第四个下降沿，单片机开始循环读取共十六位数据，其中后八位是前面八位的反码，用于校验本本次传输是否正确。图5-3为ADC0832时序图：图4-3ADC0832时序图4.2液晶显示模块LCD1602一共有16个引脚，RS、RW这两个引脚的作用是控制单片机的读写，下表为LCD工作状态介绍：表4-1LCD工作状态介绍RSRW操作命令00写入指令寄存器01读取位址计数器的值10写入数据寄存器11从数据寄存器读取数据在执行LCD1602液晶显示程序之前，我们可以通过它的忙标志位来进行判断指令是否可以进行执行，为低电平时，我们就可以进行指令的执行。18LCD1602要显示字符时，就要获得该字符的现实的RAM地址，其内部控制寄存器有11个控制指令，包括清屏，光标移位和其他指令[12]。同时通过字符的RAM地址来进行字符的显示，其显示程序流程图如下：图4-4液晶显示流程图4.3警报模块本设计通过蜂鸣器来实现报警电路，由于单片机上的电流较小，无法使蜂鸣器实现报警，所以我们需要将电流放大，来驱动报警器报警。触发报警的原理是通过高低电平来触发蜂鸣器的报警。蜂鸣器与三极管进行连接，而三极管与单片机进行连接。当单片机输出低电平时，此时的三极管就输出高电平，而蜂鸣器就可以发出警报。三极管的基极通过单片机的一个管脚和一个与门来控制，当管脚为低时，与非门就输出高电平，三极管进行导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出报警的声音[13]。流程图如下：单片机输出低电平蜂鸣器报警单片机输出低电平蜂鸣器报警是否触发报警条件报警程序入口返回YNY图4-5报警流程图第五章系统实现5.1焊接通过protel完成电路原理图设计后，对其进行pcb绘制[14]，在确认没有问题后，进行元器件的焊接工作，将电路焊接完毕后，将单片机与其他模块安装好，通过笔记本电脑进行外部电源的供电，接着将之前预先编译好的程序文件烧录到单片机中，经过调试后，LCD1602显示屏能够正常显示，说明焊接没有问题，接着进行整体功能的测试[15]。5.2功能测试将电源接口接入笔记本电脑后，首先通过自锁开关进行系统的开机，打开后，系统成功显示，分贝检测仪工作时，会检测周围的声音信号，并且将当前监测到的分贝值在LCD1602显示屏上进行显示，当分贝值超出预设的上限时，报警器开始发出蜂鸣声，同时led灯也闪烁红光，同时也测试了进行报警上限分贝的设置的调试，功能均可以正常使用，至此，调试完成。22总结本系统是基于STC89C52单片机的环境噪声监测分贝仪的设计系统，本设计主要通过对分贝的测量与AD转换和LED数字显示为基础，实现了一个通过对于周围环境的便携用噪声检测仪。主要部分有中央控制模块，模数转换模块，按键设置模块，数据显示模块。实现了对环境噪声的检测与警报功能，在本次的设计当中，我通过一边学习一边实践的完成了检测系统的设计。在该过程当中，使用了大量专业知识，这些都使我对与大学的课程体系有了全面的认知。同时也获得了专业能力的实践。在进行设计的过程中，与