环境噪声监测系统技术设计报告
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环境噪声监测系统技术设计报告
一、操作流程设计
本设备主要实现环境噪声监测功能，有体积小便于携带、检测范围适中、灵敏度高、使用方便快捷等特点，所以要求装置操作流程简单，通俗易懂。此装置有三个按键，其中一个实现一键启动、一键关闭；另外两个按键可设置阈值上下限。实现操作简单的特点。
二、机器外观设计
在如今的信息时代潮流下，设计外观软件甚多，我们采用的是soidwork建模，采用装配体等的形式，将环境噪声监测系统的外观设计完毕，运用三视图功能以及孔径功能设置为三个按键，实现一键启动、一键关闭；可设置阈值上下限功能一应俱全，整体上观察将会给整个实验，以及结果的准确性能更加的高。
三、技术实现主要部分设计
1、 STC89C52单片机
本系统要求所选用的微处理器需满足高效、可靠性好和价格便宜等特点，因此在现有单片机的条件下，我们需要选择可以符合空气净化装置总体设计的微处理器，那么作为系统的控制模块，我们不仅要想到它可以满足的功能，也要使器件的价格控制到更平民化，在这种情况下设计的产品才能够得到大部分人民的喜爱。面对各式各样的微处理器芯片，并不是性能越强、价格越贵的就是最好的，而要根据需要选择，本文设计的空气净化装置功能相对简单，无需采用太高档的单片机产品，STC89C52单片机价格更便宜，功能简单，高效、功能齐全等，所以作为本系统的微处理器。
STC89C52是美国STC公司最新推出的一种新型51内核的单片机。芯片内包含Flash程序存储器、SRAM、UART、SPI、A\D、PWM等。该器件的基本功能与普通的51单片机完全兼容，是高速低功耗的新一代单片机。
STC89C52具有如下特性：
内置标准51内核，机器周期：增强型为6时某某，普通型为12时某某;
工作频率范围：0~40MHZ，相当于普通8051的0~80MHZ;
STC89C5xRC对应Flash空间：4KB\8KB\15KB;
内部存储器(RAM)：512B;
定时器\计数器：3个16位；
通用异步通信口(UART)1个；
中断源：8个；
通用I\O口：32\36个；
工作电压：3.8~5.5V；
外形封装：40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等;
STC89C52单片机引脚配置如图2所示
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图 3 STC89C52单片机引脚配置图
2、传声器
传声器（Microphone）又称话筒，俗称“麦克风”。传声器是将声波转换为相应电信号的传感器。传声器包括声波接收器和力-电换能器两个部分。由声音造成的空气压力使传感器的振动膜振动，进而经变换器将此机械运动转换成电参量的变化，是噪声测量系统中的一个主要环节。
根据膜片感受声压的情况不同，传声器可分为三类：声强式传声器，其膜片的一面感受声压；差压式传声器，其膜片的两面均感受声压，引起膜片振动的力取决于膜片两面差压的大小；压强和差压组合式传声器。在噪声测量中常用的是压强式传声器。若按照膜片振动转换成电能的方式来分，传声器可分为：电容式传声器，它利用电场耦合的方式将膜片的振动转换成电量；压电式传声器，通过声压使晶体产生电荷；动圈式传声器，利用磁场耦合的方式将膜片的振动转换成电量。
传声器按结构不同，可分为动圈式、晶体式、铝带式、电容式、炭粒式、立体声话筒等多种；按产生电压的作用原理不同，可分为恒速式和恒幅式两类；按输出阻抗可分为高阻式和低阻式。
本系统采用电容式驻极体咪头，具有体懭小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线活筒及声控等申某某。属于最常用的申容话筒。由于输入与输出阻抗很高，所以要在这种话筒外X蚰诿恢靡桓龀⌒XXXXX苣衬澄杩棺黄鳎俗ぜ迳耆菔交巴苍诠ぷ魇毙枰绷鞴ぷ鞯缪埂?/p>
3、 信号放大器
LM386是美国国家半***生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。外围元件最少，电压增益内置为20倍。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地为参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。
功率放大器的作用相当于扬声器的音量调节器。音频功率放大电路的作用主要是将信号处理器发送过来的信号功率放大，使其信号的功率达到设计要求。对该部分电路的要求是输出功率大。在电路设计过程中进行对比，通过比较发现LM386集成电路使用简单，基本没有外围器件，而且它还有体积小、电源范围宽、外接元件少、电压增益可调整、频率响应好、输出功率大、总谐波失真小等优点。因此选用LM386来组成音频功率放大电路。LM386 被广泛地应用在录音机和收音机音频放大、室Qg对讲机、红外线、超声波、小型马达驱动器等电路中。
LM386的引脚图如图4所示。
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图4 LM386引脚图
其中LM386的内部方块图如图5所示。
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图5 LM386的内部方块图
LM386的特性有以下几点：
（1） 静态功耗低，约为4mA,可用于电池供电。
（2） 工作电压范围宽，4-12V 或5-18V。
（3） 外围元件少。
（4） 电压增益可调，20-200倍。
（5） 低失真度。
20倍的音频放大器如图6所示。由于传声器输出的电信号比较弱，只有毫伏级，为了使数据采集卡能很好的采集到相应数据，必须经过电压放大器进行电压放大，采用LM386芯片电压增益200倍的接法，即在1和8引脚间接10uF的电容，如图7所示
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图6 20倍的音频放大器
4、 交直流转换电路的设计
4.1 有效值检测电路AD536
所谓真有效值，有的文献也称为真普通数字直流电压表自然只能测量直流电压，欲需测量交流电压必须增加AC/DC转换电路，一般的交流电压表为降低成本和简化电路，均使用简易的平均值响应交流/直流转换器。常用的平均值响应AC/DC转换器是运算放大器和二极管组成的半波或全波线性整流电路，这种电路具有线性度好、电路简单、成本低廉等优点。但是这种电路是按照正弦波平均值与有效值的关系(VRMS=1.111Vp)来定义的，因此这类电表只能测量正弦波电压。
平均值AC/DC转换的电压表智能测量无失真的正弦波电压，对于正弦波失真的交流电压，这类电表测量就会引起误差，更不能测量方某某、矩形波、三角波、锯齿波、梯形波、阶梯波等非正弦波，利用真有效值数字仪表可准确测量各种波形的有效值，满足现代电子测量之需要。交流电压的有效值的表达式的定义如下：
/ 近似公式： /
（3.2）我们对式（3.1）进行变换，两边平方，并令
/ （3.3）
就得到真有效值电压的另一种表达式
/ （3.4)
从式即得，对输入电压依次进行“取绝对值→平方/除法→取平均值”运算，也能得到交流电压的有效值，而且这公式更有使用价值。举例说明：假如要测量的电压变化范围是0.1V—10V，平方后U2=10mV—100V，这就要求平方器具有相当大的动态范围是（10000：1），这样的平方电路误差就可能超过1mV，要平方器能输出100V的电压，技术上是难以实现。如果使用式3.4的既便于设计电路，也能保证了准确度。目前大多数的集成单片真有效值/直流转换器均采用式3.4的原理而设计。真有效值仪表的的核心器件是TRMS/DC转换器。市场上这类集成芯片很多，真有效值仪表普遍使用了这类集成电路。单片集成电路具有集成度高、功能完善，电路连接简单、等诸多优点，这类芯片能准确、实时测量各种电压波形的有效值，无须考虑波形参数和失真，这些性能是平均值仪表无法比拟的。可见通过测量信号的有效值即可知信号的峰值信息，从而可知振动的峰值。且输出的直流信号便于单片机进行数据采集和数据处理。在此系统中采用有效值检测电路AD536测量信号的有效值，经过一系列的数据处理可得振动的振幅。
4.2 AD536辅助电路的设计
图7是由AD536构成真有效值TRMS/DC转换电路，AD536内含有源整流器（绝对值电路），平方/除法电路，镜像电流源及缓冲放大器。图中的R2和R3为偏置电阻，两电阻的公共连接端接到AD536的COM，由于AD536的COM内部为CMOS电路，阻抗较高，流经COM端的电流仅为数uA。C1为输入隔直电容，CAV为平均电容，它与内部的电阻r（25KΩ）构成低通滤波器，以获得平均值电压，有效值电压通过AD536的第6脚输出。
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图7 AD536构成真有效值电压表
由于电路采用了隔直电容，所以这样的电路仅适合于测量交流电，不能测量直流或变化缓慢的电压。AD536的满量程电压为7V，如果使用的AD转换器输入电压范围不匹配，应设一个电压转换电路。
5 电压-频率转换电路的设计
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图8 LM331组成的电压频率变换电路
图8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、R－S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，输入比较器输出高某某，使R－S触发器置位，输出高某某，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某某，使R－S触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端f0为逻辑高某某，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某某，使R－S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=(Vin×R4)/(2.09×R3×R2×C2)? 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9为LM331构成的V/F转换电路。
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图9 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、R－S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4.0～40V之间，输出可高达40V，而且可以防止Vcc短路。
6 1602液晶显示模块
1602液晶也称为1602字符液晶，如图9所示它是一种目前应用比较广泛的专门用于显示字母、数字、符号的点阵液晶，它具备十分全面的显示功能，支持32个字符(16列和2行)的同时显示。对于其他显示工具，它的优势十分明显：它具有更小的体积方便安装，更低的功耗，使得其使用寿命更长更能节能环保，显示内容更加丰富多样，而且成本价格低，没有购买压力。综上所述，它可以用为本系统的显示模块。
7、软件设计与实现分析
频率与声压级检测算法
由于在电路中已经检出频率信号，只要经CPU换算即可得到频率的大小，计算公式如下： f=n/t
电路中的基准电压v0=5uV相当与0dB(已经校准)，在此基础上，进行换算与校准即可得到相应的dB数，计算公式如下： Lp=20lg(v/v0)。
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图10 主程序流程图
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图 11 中断流程图
四、通用设计软件
Keil C51是一款兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。
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