基于89C51單片機(jī)的環(huán)境噪聲測量儀

摘 要

介紹了一種用單片機(jī)構(gòu)成環(huán)境噪聲測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，給出了相關(guān)硬件框圖和軟件流程圖。經(jīng)校正測量誤差小于1dB，測量范圍為40~96dB，可用于一般環(huán)境下的噪聲測量。

關(guān)鍵詞 單片機(jī)    環(huán)境噪聲    聲壓級     測量

環(huán)境噪聲監(jiān)測，是人類提高生活質(zhì)量，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在各大城市的繁華街區(qū)和居民區(qū)，已有大型環(huán)境噪聲顯示器豎立街頭。但目前國內(nèi)的便攜式噪聲測試儀，多為價(jià)格昂貴的進(jìn)口專用設(shè)備，除衛(wèi)生、計(jì)量等環(huán)保專業(yè)部門擁有外，無法作為民用品推廣普及。本文介紹一種以89C51單片機(jī)為核心，采用V/F轉(zhuǎn)換技術(shù)構(gòu)成的低成本、便攜式數(shù)字顯示環(huán)境噪聲測量儀。該儀器工作穩(wěn)定、性能良好，經(jīng)校驗(yàn)定標(biāo)后能滿足一般民用需要，可廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、機(jī)關(guān)學(xué)校等需要對環(huán)境噪聲進(jìn)行測量和控制的場合。

1 聲壓級的測量機(jī)理

人耳的聽閾一般是20m Pa (微帕)，痛閾一般是200Pa（帕），其間相差107倍，這樣寬廣的聲壓范圍很不易測量，而且人耳對聲壓的相對變化的分辨具有非線性特征。因此，聲學(xué)中常用聲壓級LP來反映聲壓的變化，將聲壓p的聲壓級表示成

LP=20lg(p/p0) dB   (1)

其中，基準(zhǔn)量p0為20mPa。當(dāng)p=p0時(shí)，Lp=0dB，而當(dāng)p=200Pa時(shí)，LP=140dB。

用聲級計(jì)可以測量聲壓級，采用1kHz純音輸入0.2秒到0.25秒或0.5秒以上，即可得到真實(shí)聲壓級或平均聲壓級?？紤]到人耳對不同頻率的響度感覺，在噪聲測量中，常取40方（phon）等響曲線的反曲線對聲壓級進(jìn)行計(jì)權(quán)校正，即用A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)測得A聲級，寫成dB（A）。表1給出倍頻帶中心頻率與A聲級的校正量之間的關(guān)系。

表1 倍頻帶中心頻率與A聲級校正量的關(guān)系

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2 硬件電路構(gòu)成

環(huán)境噪聲測量儀的硬件結(jié)構(gòu)原理框圖見圖1所示。

圖1 硬件原理框圖

環(huán)境噪聲經(jīng)高靈敏度、無指向性駐極體傳聲器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。所用傳聲器頻率特性在50～14000Hz范圍內(nèi)不均勻度小于1.5

dB，加防風(fēng)罩、防雨罩后可用于室外測量。由運(yùn)放LM324構(gòu)成三級放大電路，精心調(diào)整相關(guān)外圍元件參數(shù)，可使其幅頻特性與A計(jì)權(quán)曲線相近。D1、C1、R1組成峰值檢波網(wǎng)絡(luò)，其輸出直流電平反映了噪聲聲壓的大小。

由LM331構(gòu)成電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路，輸出的頻率信號(hào)變成TTL電平送給單片機(jī)的P3.4引腳，作為T0的計(jì)數(shù)脈沖。該轉(zhuǎn)換電路線性良好，抗干擾能力強(qiáng)，輸出頻率范圍在10～10000Hz以上，其變化比達(dá)103，優(yōu)于普通8位并行A/D轉(zhuǎn)換器，有利于提高系統(tǒng)的測量范圍。圖1中，Rs可用來調(diào)節(jié)增益偏差，改變輸出頻率。

系統(tǒng)的核心部分是AT89C51單片機(jī)，其指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容，且片內(nèi)帶4kb的E2PROM，可以方便地構(gòu)成一個(gè)最小測量系統(tǒng)。其P3.5引腳接入由NE555構(gòu)成的定時(shí)器輸出的100kHz方波，通過T1中斷去控制T0定時(shí)計(jì)數(shù)。從T0端輸入的計(jì)數(shù)脈沖頻率，即反映了所測聲壓的大小。經(jīng)軟件處理后，噪聲聲壓級顯示值由P1口輸出，經(jīng)74LS248譯碼再驅(qū)動(dòng)兩位4.572cm(1.8英寸)高亮度LED數(shù)碼管顯示，適當(dāng)控制譯碼器使能端，使兩數(shù)碼管輪流發(fā)光實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，降低功耗。

3 軟件設(shè)計(jì)

環(huán)境噪聲測量系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、中斷服務(wù)程序、查表子程序和顯示子程序組成。各程序模塊的流程圖如圖2所示。

主程序處于循環(huán)工作狀態(tài)，主要完成定時(shí)/計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)的初始化，并循環(huán)調(diào)用查表和顯示子程序。每當(dāng)T1對外接100kHz時(shí)鐘計(jì)數(shù)達(dá)0.5秒后，申請中斷，CPU響應(yīng)中斷后即讀取TH0、TL0兩寄存器中的計(jì)數(shù)值，并重新初始化T0、T1，以便檢測下一次的數(shù)據(jù)。

圖2 軟件流程圖

值得指出的是，查表程序?qū)崿F(xiàn)了計(jì)數(shù)值向聲壓級的轉(zhuǎn)換。由式（1）知聲壓每增加12.2%，聲壓級增加1dB，因此T0計(jì)數(shù)值每增加12.2%，聲壓級增加1dB。在E2PROM中定義一張表格，每三個(gè)字節(jié)為一組數(shù)據(jù)，其中前兩個(gè)字節(jié)為計(jì)數(shù)值，后一個(gè)字節(jié)為壓縮BCD碼表示的聲壓級值。調(diào)試時(shí)，參照精密聲級計(jì)，讀出某聲壓級所對應(yīng)的計(jì)數(shù)值，從而確定表格中兩參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)程序固化后，還可通過硬件電路對其進(jìn)行調(diào)整。下面給出定義該表格的偽指令格式。

其中,“0AAH”、“0BBH”兩個(gè)數(shù)據(jù)經(jīng)譯碼后分別顯示下限標(biāo)記“[”和上限標(biāo)記“]”，表示超出測量范圍。

為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，除了在硬件上采取了相應(yīng)的措施外，軟件上采用了冗余設(shè)計(jì)法即重復(fù)重要的指令，未用空間設(shè)置空操作指令，以防止程序跳飛而死機(jī)。

4 結(jié)束語

用國營江西紅聲器材廠生產(chǎn)的ND-2型精密聲級計(jì)對系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)，測量誤差小于1dB，測量范圍在40～96

dB之間，已滿足一般環(huán)境下噪聲的測量要求。