基于单片机的环境噪声监测仪的设计
摘要
噪声对人体健康有着严重的危害，因此减少噪声危害已成为当前一项重要的任务。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。
本文详细介绍了噪声监测系统的测量原理和系统组成，包括：噪声信号的转换、放大、V/F转换、数据采集和显示系统的设计。外界噪声信号通过传声器转换成音频信号，电信号经过放大和V/ F 变换输入到单片机进行处理，并转换成相应的噪声分贝值通过LED 显示，从而实现噪声的实时监测。
该系统具有实现简单，精确度高，可用于实际进行噪声的实时监测等特点。
关键词：运算放大器；V/F转换器；单片机；LED
Abstract
The noise does the health of people a lot of harm, so cutting down the danger of the noise has become a term of important task now. Measuring noise of environment has played an important role in improving the living quality and strengthening the environment safeguard.
In the paper, the measurement principle and the system constitution are introduced in detail, including: the noise signal converting system, signal magnifying system, V/F converting system, data collection and indication system. This paper introduces the ways to convert the real-time monitoring of the noise into acoustic frequency electrical signal by using microphone, operational amplifier and V/ F converter, which will act as Single Chip Micoyo’s input signal. Then the SCM will change it into a noise DB value, which will be displayed on LED.
This system is simple 0and has high precision, so it is always used in monitoring the urban noise real-time.
Key words：operational amplifier; V/ F converter；Single Chip Micoyo; LED
目录
第1章绪论 (1)
1.1 课题产生的背景 (1)
1.2 有关噪声的基础知识 (3)
1.2.1 振动与声 (3)
1.2.2 声波方程 (4)
1.2.3 声压级测量机理 (5)
1.2.4 噪声简介 (6)
1.3 噪声监测系统的研发现状 (7)
1.4 本课题的主要任务及意义 (8)
1.4.1 设计任务 (8)
1.4.2 课题意义 (9)
1.4.3 论文内容安排 (9)
第2章噪声监测系统的总体方案设计 (10)
2.1 噪声监测系统任务分析 (10)
2.2 硬件系统设计方案 (10)
2.3 软件系统设计方案 (11)
第3章噪声监测系统的硬件设计 (13)
3.1 传声器 (13)
3.2 信号放大器 (15)
3.3 交直流转换电路的设计 (18)
3.3.1 有效值检测电路AD536 (18)
3.3.2 AD536辅助电路的设计 (19)
3.4 电压-频率转换电路的设计 (20)
3.4.1 电压-频率转换芯片LM331 (20)
3.4.2 电压-频率变换器 (22)
3.5 单片机系统的设计 (23)
3.5.1 单片机的选择 (23)
3.5.2 单片机外围电路的设计 (26)
3.6 显示及指示电路的设计 (30)
3.6.1 显示电路的设计 (30)
3.6.2 指示电路的设计 (31)
第4章噪声监测系统的软件设计 (33)
4.1 噪声监测系统的软件设计方案 (33)
4.2 系统内部RAM的分配 (35)
4.3 中断服务程序的设计 (35)
4.3.1 T0中断子程序的设计 (36)
4.3.2 T1中断子程序的设计 (37)
4.4 查表子程序 (39)
4.5 显示子程序 (40)
4.6 指示范围子程序 (41)
第5章系统调试与分析 (43)
5.1 调试分析的一般过程 (43)
5.2 硬件调试 (43)
5.3 软件调试 (44)
5.4 噪声监测器的系统调试 (45)
5.5 调试故障及原因分析 (46)
5.6 测试结果分析 (47)
结论 (48)
社会经济效益分析 (49)
参考文献 (50)
致谢 (51)
附录Ⅰ噪声监测仪硬件系统原理图 (52)
附录Ⅱ噪声监测仪软件程序清单 (53)
附录Ⅲ噪声监测仪元器件清单 (62)
第1章绪论
1.1课题产生的背景
噪声即噪音，是一类引起人烦躁、或音量过强而危害人体健康的声音。噪声通常是指那些难听的，令人厌烦的声音。噪音的波形是杂乱无章的。从环境保护的角度看，凡是影响人们正常学习，工作和休息的声音凡是人们在某些场合“不需要的声音”，都统称为噪声。如机器的轰鸣声，各种交通工具的马达声、鸣笛声，人的嘈杂声及各种突发的声响等，均称为噪声。噪声污染属于感觉公害，它与人们的主观意愿有关，与人们的生活状态有关，因而它具有与其他公害不同的特点。
噪音污染主要来源于交通运输、车辆鸣笛、工业噪音、建筑施工、社会噪音如音乐厅、高音喇叭、早市和人的大声说话等。
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89C52单片机为核心，采用V/F转换技术构成的低成本、便携式数字显示环境噪声测量仪。该仪器工作稳定、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。
噪声测量一般有如下几个方面的目的：测量声压级以了解噪声对环境的污染情况，检验噪声是否符合有关标准；进行噪声信号的频谱分析，以了解噪声的频率结构；测量噪声源的声功率或声功率级，以客观了解噪声源特性。
按测量环境来分，噪声测量分实验室测量和现场测量两种。所谓噪声的实验室测量是指将被测对象放在消声室或混响室中测量，其测量的精度比较高。但由于条件的限制，大多情况下只能进行现场测量。
为了更客观地表示仪器设备的噪声源特性，往往需要测量噪声源的声功率级。因为在一定的工作状态下，仪器的声功率级是一个恒量，它不象声压级随距离的改变而改变。但声功率级是不能直接测出的，它是在特定条件下，由测得的声压级计
算而得到的。此处仅对常用的自由场法作一简单的介绍。
设P L -是以噪声源为中心，r 为半径的球面S 上数个测点测出的平均声压级。R 应选择得足够大，一般为被测对象尺寸的两倍。设参考面积S0为1㎡，则在自由场中的声功率级W L 为
)(11lg 20lg 10000dB K r L K S S L L P P W +++=++=-- (1.1)
如仪器放在坚硬的地面上，此时声源以半球面辐射。于是式（1.1）化为
8
lg 202lg 10002+++=++=--K r L K r L L P P W π (1.2)
式中，0K 为非标准气压和温度状态时的修正量；P L -按下式求得：
0lg 20p p
L p --= (1.3) 式中，2/12
)(n p p i
∑=-，为n 个测点平均声压；i p 为第i 个测点的声压；0p 为基
准声压。
为了满足自由场条件，此时，距离声源为1r 和2r 两点处的声压级应满足下列关系：
12
21lg 20r r L L p p =- (1.4) 当212=r r 时，)(6lg 201
221dB r r L L p p ==-，即在自由场中距离加倍，噪声级减少6dB ，据此，可以判断声场是否为自由场。
本文所述的测量系统主要是考虑人耳对噪声的主观评价。因此采用声功率级测量，即外界噪声信号通过传声器转换成音频信号，经过放大和V/ F 变换输入到单片机进行处理，并转换成相应的DB 值通过LED 显示，从而实现噪声的实时监测。
1.2有关噪声的基础知识
1.2.1 振动与声
振动与声是紧密相连的，不同的声音就是不同的振动方式，声源体发生振动会引起四周空气振荡，这种振荡方式就是声波。声音是以声波的形式进行传递和存在的。声波借助空气向四面八方传播。声波在传播中遇到障碍物时，它的能量一部分会被障碍物吸收，另一部分会被反射回来。若在一个封闭的室内，产生的反射声波会被周围的墙壁、天花板和其它障碍物所吸收和反射，形成一系列逐渐衰减的反射声波。
声波是一种机械波，具有纵波一般的波动特性，例如，反射、折射、绕射、干涉等。机械振动常常引起声波辐射，物体振动时激励着它周围的空气质点振动。由于空气具有可压缩性，在质点的相互作用下，振动物体周围的空气就交替地产生压缩与膨胀，并且逐渐向外传播而形成声波。
声音三要素是：响度、音高、音色。
1．响度
响度，又称声强或音量，它表示的是声音能量的强弱程度，主要取决于声波振幅的大小。声音的响度一般用声压或声强来计量，声压的单位为帕(Pa)，它与基准声压比值的对数值称为声压级，单位是分贝(dB)。
响度是听觉的基础。正常人听觉的强度范围为0dB—140dB。固然，超出人耳的可听频率范围(即频域)的声音，即使响度再大，人耳也听不出来。但在人耳的可听频域内，若声音弱到或强到一定程度，人耳同样是听不到的。当声音减弱到人耳刚刚可以听见时，此时的声音强度称为“听阈”。而当声音增强到使人耳感到疼痛时，这个阈值称为“痛阈”。
2．音高
也称音调，表示人耳对声音调子高低的主观感受。客观上音高大小主要取决于声波基频的高低，频率高则音调高，反之则低，单位用赫兹(Hz)表示。
人耳对响度的感觉有一个从闻阈到痛阈的范围。人耳对频率的感觉同样有一个从最低可听频率20Hz到最高可听频率别20kHz的范围。
音高与频率之间的变化并非线性关系，除了频率之外，音高还与声音的响度及
波形有关。音高的变化与两个频率相对变化的对数成正比。
3．音色
音色又称音品，由声音波形的谐波频谱和包络决定。声音波形的基频所产生的听得最清楚的音称为基音，各次谐波的微小振动所产生的声音称泛音。单一频率的音称为纯音，具有谐波的音称为复音。声音波形各次谐波的比例和随时间的衰减大小决定了各种声源的音色特征，其包络是每个周期波峰间的连线，包络的陡缓影响声音强度的瞬态特性。
另外，表征声音的其它物理特性还有：音值，又称音长，是由振动持续时间的长短决定的。持续的时间长，音则长；反之则短。从以上主观描述声音的三个主要特征看，人耳的听觉特性并非完全线性。声音传到人的耳内经处理后，除了基音外，还会产生各种谐音及它们的和音和差音，并不是所有这些成分都能被感觉。人耳对声音具有接收、选择、分析、判断响度、音高和音品的功能。
根据声音的物理特性还可以分为音质、音长、音强和音高四个要素。
1.2.2 声波方程
声波方程是根据声波动过程的物理性质，应用物理学中三个基本定律，即牛顿第二定律、质量守恒定律以及描述压强、体积和温度等状态参数关系的物态方程，建立的声压随空间位置和时间变化的数学表达式。在理想媒质中，波动方程为：
022222=??-?t p c p (1.5)
式中p ——声压（2/m N ）；
?——拉普拉斯算子。
由声源辐射的声波在同一时刻相位相同各点的轨迹叫波阵面，也称波前。波阵面为平面的声波称为平面波，即同一时刻振动相位相同的质点在同一无限延伸的平面上。当一个点声源在无反射物的空间中辐射声波时，在距离声源足够远处的声波，可以认为是平面波。平面波是声波中最简单的一种。在实际工作中，为了简化运算，经常将声波作近似处理，距离声源较远的声波都可以近似地按平面波处理。
设X 轴是声波传播的方向，在原点X=0处的平面上各点的振动状态为：
t m ωξξcos 0=，声速为C ，则时间t 后，声波向前传播了距离x=ct 。在距离x 处的振动可写为：
)(cos 0c x
t w m -=ξξ (1.6)
分别对位移x ，时间t 求二次偏导数得式（1.7），此方程即为平面波沿x 轴方向传播的波动方程：
22222x c t ??=??ξξ (1.7)
1.2.3 声压级测量机理
人耳的听阈一般是20m Pa (微帕)，痛阈一般是200Pa （帕），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
dB P P LP )/lg(200= (1.8)
其中，基准量P0为20m Pa 。当P= P0时，LP=0dB ，而当P=200 Pa 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1.1给出倍频带中心频率与A 声级的校正量之间的关系。
表1.1 倍频带中心频率与A 声级校正量的关系
1.2.4 噪声简介
1．噪声概念
物理学定义：噪声是发生体做无规则时发出的声音。
生理学定义：凡是妨碍人们正常休息、学习和工作的声音，以及对人们要听的声音产生干扰的声音。
从这个意义上来说，噪声的来源很多。街道上的汽车声、安静的图书馆里的说话声、建筑工地的机器声、以及邻居电视机过大的声音，都是噪声。
总体讲，噪音是物体振动产生。
2．噪声对人的危害
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”。噪声给人带来生理上和心理上的危害主要有以下几方面：
①干扰休息和睡眠、影响工作效率：干扰休息和睡眠；使工作效率降低。
②损伤听觉、视觉器官：强的噪声可以引起耳部的不适，如耳鸣、耳痛、听力损伤；噪声对视力的损害。
③对人体的生理影响：损害心血管；对女性生理机能的损害；噪声还可以引起如神经系统功能紊乱、精神障碍、内分泌紊乱甚至事故率升高。
3．防治噪声污染的一些办法
①营造隔音林
②将噪声污染严重的企业搬离市区
③源头处预防，传播过程消减
4．噪声的利用
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。虽然噪音是世界四大公害之一，但它还是有用处的。
①利用噪声除草。
②利用噪声发电。
③利用噪声来制冷。
④利用噪声除尘。
⑤利用噪声克敌。
⑥利用噪声诊病。
⑦利用噪声有源消声。
5．人对不同声强的感觉
无法忍受：150dB~130dB
感到疼痛：130dB~110dB
很吵：110dB~70dB
较静：70dB~50dB
安静：50dB~30dB
极静：30dB~10dB
无声：0dB
1.3噪声监测系统的研发现状
随着噪声污染的日趋严重，噪声监测技术的研究及设备的开发也得到迅速发展，世界发达国家的噪声监测设备的产值平均以10-15%的速度增加，我国在93年噪声振动监测设备产值已达到6.2亿元，“八五”期间用于噪声治理的工程费用达到9.2亿元，上述产值尚不包括配套的噪声振动监测设备，预计我国配套的噪声振动监测设备20亿左右。高速运输系统和工具等一些新出现的噪声源和计算机、数字处理、新材料等技术发展使噪声监测技术、设备的研究与发展面临挑战，又提供了机遇。噪声监测技术和设备已开始进入规范化、标准化、系列化和配套化阶段。噪声监测技术和设备的研究和开发已取得很大进展但应看到仍有一些技术不够成熟，需进一步研究的问题仍然很多。
声级计是一种能够把工业噪声、生活噪声和车辆噪声等，按人耳听觉特性近似地测定其噪声级的仪器。噪声级是指用声级计测得的并经过听感修正的声压级（dB）或响度级（方）。
根据声级计在标准条件下测量1000Hz纯音所表现出的精度，六十年代国际上把声级计分为两类，一类叫精密声级计，一类叫普通声级计。我国也采用这种分法。
70年代以来有些国家推行四类分法，即分为0型、1型、2型和3型。它们的精度分别为±0.46、±0.76、±1.00和±1.5dB。根据声级计所用电源的不同，还可将声级计分为交流式声级计和用干电池的电池式声级计两类。电池式声级计也称为便携式声级计，这种仪器体积小、重量轻、现场使用方便。声级计一般由传声器、前置放大器、衰减器、放大器、计权网络、检波器、指示表头和电源等组成，其原理方框图如图1.1所示。
图1.1 声级计原理方框图
1-传声器，2-前置放大器，3-输入衰减器，4-输入放大器，5-计权网络
6-输出衰减器，7-输出放大器，8-检波器 9-表头
为适应测量现场的需要，声级计一般都备有三脚支架，以便视需要将声级计固定在三脚支架上。
声级计面板上一般还备有一些插孔。这些插孔如果与便携式倍频带滤波器相联，可组成小型现场使用的简易频谱分析系统，如果与录音机组合，则可把现场噪声录制在磁带上贮存下来，以便待以后再进行更祥细的研究，如果与示波器组合，则可观察到声压变化的波形，并可用照相机将波形摄制下来，还可以把分析仪、记录仪等仪器与声级计组合、配套使用，这要根据测试条件和测试要求而定。
1.4本课题的主要任务及意义
1.4.1 设计任务
查阅资料，了解课题背景，了解环境噪声的特点。学习、掌握声压计的测量机理、传声器测量基本原理。合理选择噪声测量传感器，掌握其测量原理及应用。学习单片机原理，熟悉单片机系统设计和软件编程。进行整体方案设计，做出开题报告。进行系统硬件电路设计，包括传声器测量系统设计、单片机系统硬件设计。审查后，焊接或在面包板上搭接电路。编写程序，仿真调试。仿真调试通过后，固化
程序，脱离开发系统运行。在实验室进行环境模拟，测试系统，完成系统联调。1.4.2 课题意义
噪声是日常生活中常见的物理现象。在大多数情况下，噪声是有害的。噪声在生理和心理上也会危害人类的健康，因而已被列入需要控制的危害之一。但噪声也有可以被利用的一面。
无论是利用噪声还是防止噪声，都必须确定其量值。在长期的科学研究和工程实践中已逐步形成了一门较完整的噪声工程学科，可供进行理论计算和分析。但这些毕竟还是建立在简化和近似的数学模型上，还必须用试验和测量技术进行验证。随着现代工业和现代科学技术的发展，对各种仪器设备提出了低噪声的要求，需要进行噪声的分析与设计，并通过实验来验证，改进设计。总之，噪声的测量不仅在噪声研究领域里占有重要的地位，而且已经广泛应用于机械制造、建筑工程、地球物探、生物医疗等各个领域。
1.4.3 论文内容安排
本文按噪声监测系统构造的不同部分分别进行了介绍。首先在第1章绪论中简要地介绍研究噪声监测的意义以及有关于噪声的一些的基础知识。第2章是噪声监测系统的总体设计，主要包括硬件和软件设计两部分。第3章是噪声监测系统硬件设计，本章主要介绍了传声器、功率放大器、交直流转换电路、V/F转换电路以及数据的采集，处理和显示部分的设计。第4章是噪声监测的系统软件设计，本章主要介绍单片机编程以及主程序设计，数据的采集、处理、显示等功能。第5章是系统调试与结果分析，说明了硬件调试、软件调试及软硬联调的过程，并介绍了调试过程中出现的问题和解决的办法。