基于单片机的噪声测试仪的设计与制作

目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
1 绪论 (1)
1.1 课题的背景及意义 (1)
1.2 噪声 (1)
1.3 噪声的危害和利用 (2)
1.3.1 噪声对听力的损伤 (2)
1.3.2 噪声对正常生活和工作的干扰 (2)
1.3.3 噪声的利用 (3)
1.3.4 人对不同声强的感觉 (3)
1.4 响度级和响度 (3)
1.5 噪声测试仪的发展及前景 (5)
1.5.1 噪声测试仪的发展 (5)
1.5.2 噪声测试仪的前景 (5)
1.6 课题的主要任务及意义 (6)
1.6.1 设计任务 (6)
1.6.2 课题意义 (6)
1.6.3 论文内容安排 (6)
2 噪声测试仪的总体方案设计 (8)
2.1 噪声测试仪的任务分析和功能要求 (8)
2.2 软件设计方案 (8)
3 硬件电路系统设计 (10)
3.1 传声器 (10)
3.2 信号前置放大器 (11)
3.3 交直流转换电路的设计 (12)
3.3.1 有效值检测电路AD536 (12)
3.3.2 AD536外围电路的设计 (13)
3.4 V/F转换器 (14)
3.5 单片机 (15)
3.5.1 89S51单片机的简介 (16)
3.5.2 单片机最小系统 (17)
3.6 显示电路的设计 (19)
4 总电路软件设计 (21)
4.1 频率与声压级检测算法 (21)
4.2 程序系统框图 (21)
4.3 中断服务程序的设计 (23)
5 安装与调试 (24)
5.1 调试设备 (25)
5.2 调试步骤 (25)
结束语 (25)
致谢 (25)
参考文献 (25)
附录 (25)
基于单片机的噪声测试仪的设计与制作
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LCD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；LCD
THE DESIGN AND MANUFACTURE OF
NOISE-MEASURING INSTRUMENT BASED
ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTER
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 microcomputer’s input signal. Then the SCM will change it into a noise DB value, which will be displayed on LCD.
This system is simple and has high precision, so it is always used in monitoring the urban noise real-time.
KEYWORDS Operational Amplifier;V/F Converter;Single Chip Microcomputer;
LCD
1 绪论
1.1 课题的背景及意义
随着社会的进步，科技的发展，人们在享受科技成果的同时还遭受着各种各样的噪声的干扰。

无论是交通运输、城市建筑还是工业生产都伴随着大量的噪音污染。

随着人口密度的急剧增大，家用电器的普及，环境噪声变得越来越严重，它对人的危害也日益显著，成为严重危害人类社会环境重要污染源之一，因此环境噪声污染成为现代人类不得不面临和急需解决的问题。

噪声特点是多发性和暂时性，它不仅影响人的听力、睡眠，更加影响人的情绪和神经系统。

在生理上，噪声干扰休息睡眠、影响工作效率、损伤听觉器官，引起耳部的不适，导致耳鸣、耳痛。

在心理上，噪声可以引起神经系统功能的紊乱和人的烦躁情绪。

通过噪声测试仪可以测量噪声的大小，根据测得值可以知道能否对人们造成损伤，从而可以更好地避免噪声的伤害或者更好地利用噪声，例如：在工厂里可以通过测试噪声大小，若超过一定值，我们可以将噪声源独立于一个空间中或者给工人戴上耳塞。

噪声在一些方面也可以加以利用，通过噪声测试仪测量噪声大小，可以更加方便噪声的避免和利用。

1.2 噪声
噪声也是属于声音，它的产生机理和声音一样。

是由物体的机械振动产生的。

无论是固体、液体还是气体，只要产生振动均可以称作声源。

声音的强弱，可以通过声压p来表示，声音大小的单位为Pa（帕），因为声压的有效值直接与声音的能量有关，所以声压一般是指声压的有效值。

有效值的定义为瞬时声压平方在一段时间内平均数的平方根。

声压变化范围很广，而且由于人耳朵对声音强弱反应的特性，所以可以用对数方法将声压分为百十个级，称之为声压级，方便声压的计算。

因此，此设计测量声音的范围为30-90dB。

声压级定义为：声压与参考声压之比的对数乘以20，单位为分贝（dB）
Lp = 20lg P/Po
式中：p为声压（Pa），p0=2×10-5Pa是参考声压，它是人耳刚刚可以听到声音的声压。

基准量P0为20m Pa。

当P= P0时，LP=0dB，而当P=200Pa时，LP=140dB。

1.3 噪声的危害和利用
1.3.1 噪声对听力的损伤
噪声对人的危害很大，在不知不觉中伤害着人类。

短时间处于高噪声环境中，使人双耳难受、头痛、不舒服，过一段时间适应了，但是在这之后，双耳嗡鸣，听力一般损失15dB左右。

休息几小时后，听力才会逐渐恢复，这叫暂时性听力损伤（听阈偏移、听觉疲劳），听觉器官并未受到器质性损害。

如果经常工作在高噪声环境下，长时间下来，会使耳器官会发生器质性病变，听觉疲劳不能恢复，成为永久性听阈偏移，这就是噪声性耳聋。

如何确定为耳聋？ISO规定在500、1000、2000Hz三个倍频程内听阈提高的平均值在25dB以上时，即认为听力受到损伤，又叫轻度噪声性耳聋。

噪声性耳聋与噪声强度、频率以及作用时间的长短有关。

强度越大，频率越高，作用时间越长，噪声性耳聋发病率就越高。

工人在85dB（A）环境下工作15年，发病率为5%。

90dB为14%。

105dB则达50%以上。

如达到120dB，即使短时间也会造成永久性听力损伤。

当达到140dB时，听觉器官会发生急性创伤，致使鼓膜破裂出血，双耳突然失听，这是一次性使人耳聋的恶性噪声性耳聋。

噪声性耳聋分两种情况：一是机械传导性耳聋，由外耳道阻塞、耳鼓或听觉系统损坏或功能降低引起。

二是神经感觉性耳聋，由耳蜗中听觉神经功能衰退引起，也可由传导神经和大脑听觉中枢功能的降低引起。

噪声性耳聋两个特征：一是有长时间积累的过程，一开始感觉不明显，容易被忽视；二是不能治愈。

1.3.2 噪声对正常生活和工作的干扰
（1）影响睡眠。

40dB（A）连续噪声使10%的人睡眠受到影响，70dB（A）影响50%。

突发噪声40dB（A），可使10%的人惊醒，60dB可使70%的人惊醒。

我国大城市的交通噪声（70~85dB）、火车噪声（75dB）、飞机噪声（95~120dB）、工厂噪声（60~70dB）、建筑施工噪声（80~90dB），均会影响居民的睡眠。

（2）影响交谈和通讯。

通常谈话声不大于70dB，大声可达85dB，当噪声级与谈话声级相接近时，正常交谈会受到干扰。

噪声级比谈话声级高10dB以上时，谈话声安全被掩蔽。

一般65dB噪声就会干扰普通谈话。

如果噪声级超过90dB，大喊大叫也听不清。

（3）影响工作。

分散人的注意力，使人容易疲劳，反应迟钝，影响工作效率，增高工作差错率。

上课时受噪声干扰，使教师提高嗓门，增加劳累，学生分散注意力，
影响教学效果。

1.3.3 噪声的利用
噪声虽然一向为人们所厌恶。

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。

1.3.4 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
1.4 响度级和响度
声压和声强都是客观的物理量，声压越高，声音越强；声压越低，声音越弱，但是用它们不能完全反映人耳对声音的感觉特性。

人耳对声音的感觉，不仅和声压有关，也和频率有关。

一般人耳对高频率声音感觉灵敏，对低频率声音感觉迟钝，声压级相同而频率不同的声音听起来可能不一样响。

为了既考虑到声音的物理量效应，又考虑到声音对人耳听觉的生理效应，把声音的强度和频率用一个量统一起来，人们仿照声压级引出了一个叫响度级的概念。

使用等响度实验方法，可以得到一组不同频率、不同声压级的等响度曲线。

实验时用1000Hz的某一强度（例如40dB）的声音为基准，用人耳试听的办法与其它频率（例如100Hz）声音进行比较，调节此声音的声压级，使它与1000Hz声音听起来响度相同，记下此频率的声压级[1]（例如50dB）。

再用其它
频率试验并记下它们与1000Hz声音响度相等的声压级，将这些数据画在坐标上，就得到一条与1000Hz、40dB声压级等响的曲线。

这条曲线用1000Hz时的声压级数值来表示它们的响度级值，单位为方，这里就是40方。

同样以1000Hz其它声压级的声音为基准，进行不同频率的响度比较，可以得出其它的等响度曲线。

经过大量试验得到的并由国际标准化组织（ISO）推荐为标准的等响度曲线：
图1-1 频率与声压级的关系图
从图中可以看出：
（1）当响度级比较低时，低频段等响度曲线弯曲变化较大，也就是不同频率的响度级（方值）与声压级（dB值）关系很大，例如同样40方响度级，对1000Hz声音来说声压级是40dB，对100Hz声音是50dB，对40Hz声音是70dB，对20Hz声音是90dB。

（2）当响度级高于100方时，等响度曲线变得比较平坦，也就是声音的响度级主要取决于声压级，与频率关系不是很大。

（3）人耳对高频声音，特别是3000~4000Hz的声音最敏感，而对低频声音则频率越低越不敏感。

声压级只能反映人感觉对声音强度的影响，不能反映声音频率对响度感觉的影
响。

计权声压级就是用一定频率计权网络测量得到的声压级，计权声压级简称声级。

一般设置A，B和C三种计权网络，其中A计权网络是模拟人耳对40方纯音的响度，当声音信号通过时，其低、中频段（1000Hz以下）都会有较大的衰减变化。

B计权网络是模拟人耳对70方纯音的响度，它对信号的低频段有一定衰减。

而C计权网络是模拟人耳对100方纯音的响度，在整个频率范围内有近乎平直的响应。

利用具有一定频率计权网络和时间计权的声学测量仪器对声音进行声压级测量，所得到的读数称计权声压，简称声级，单位为dB。

声压级可以通过使用声级计来测量得到，采用将频率为1kHz的纯音信号输入0.2秒到0.25秒或0.5秒以上，就可以得到真实声压级或平均声压级。

由于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
31.5 63 125 250 500 1k 2k 4k 8k 16k
倍频带中心频率
（Hz）
A声级校正量
－39.4 -26.2 -16.1 -8.6 -3.2 0 1.2 1.0 -1.1 -6.6 （dB）
1.5 噪声测试仪的发展及前景
1.5.1 噪声测试仪的发展
随着社会的不断进步和发展，人类使用先进科技方便生活的同时，也制造了干扰人类生活的噪声。

随着噪声污染的加重，人们迫切地需要一种能够测量环境噪声的仪器，然后才能更加完善的减少和避免噪声的危害。

在这期间，产生出噪音检测仪、噪声测量仪之后又设计出根据ISO定义噪声大小的声级计，以及现在最常用的实时噪声测试仪。

这种实时噪声测试仪在交通地带随处可见，我们很容易的从上面读出当前时间噪声的大小。

1.5.2 噪声测试仪的前景
随着噪声测试仪的不断发展，出现了不同形式的噪声测试仪。

有LED显示和LCD 液晶显示，显示形式简便的同时，电路也不断简化，功能也越来越齐全。

由于噪声的产生会越来越多，噪声的危害也随之越来越大，人类对噪声一方面需要消除，另一方
面需要加以利用。

无论是哪一种形式，噪声测试是必须的。

噪声大小的测量将是决定其选择方式的重要标准。

因此，未来的噪声测试仪将会使用的越来越多，也会增加其消除噪声的功能，使其具有测量噪声和防止噪声危害的功能。

1.6 课题的主要任务及意义
1.6.1 设计任务
查阅资料，了解课题的背景，了解声压和声压强关系，了解环境噪声的特点，提出设计思路。

学习、了解声压计的测量原理、传声器测量基本原理。

选择适合的噪声传感器，掌握其工作原理及使用方法。

学习相关芯片的外围电路和工作原理，查看使用到的芯片的外围电路，正确连接电路。

学习单片机开发系统硬件原理图和PCB的设计资料及软件源程序，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。

确定后开始做出仿真电路图，使用单片机编程知识修改完善程序，加载程序仿真看是否能完成所需功能，然后对应加以修改。

制作PCB，焊接元器件，用单片机开发板固化程序，脱离开发环境后运行调试。

1.6.2 课题意义
噪声在日常生活中随处可见。

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。

1.6.3 论文内容安排
本论文按照噪声测试仪不同部分的构造分别进行了介绍。

首先在第1章绪论中简单地介绍研究噪声测试仪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，软件设计方案和硬件设计方案。

本章主要介绍硬件设计框图和软
件设计思路。

第3章是总电路设计分析。

本章主要介绍硬件电路选用芯片及其外围连接电路。

第4章是噪声监测的具体系统软件设计，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。

2 噪声测试仪的总体方案设计
2.1 噪声测试仪的任务分析和功能要求
噪声测试仪的结构设计如图2-1所示。

其中,当外部声音信号传输入到传声器,并通过放大器将输入的微弱音频信号转换为一信号电平(电压信号)，即麦克风的工作原理 ,转换后的电压信号经过交直流转化输入到V/F转换器，将信号转换成对应的具有一定频率的脉冲信号,以便单片机接收。

由于单片机内部有定时计数功能，所以可以通过计算测出对应频率。

单片机根据输入的脉冲信号即频率，进行处理,并经量纲转换出所对应的dB值,最后在单片机控制下的LCD实时显示出来[2]。

图2-1 噪声测量结构的框图
基于本次设计任务，该设计方案由硬件和软件两部分组成。

噪声测量仪的硬件电路系统，包括噪声信号的接收、信号的放大、交直流转换、电压、频率转换电路以及单片机系统的硬件电路、LCD显示电路等。

软件部分主要是用单片机语言编程，实现对信号的采集、转换及显示。

在遵循软硬件相结合的原则下，先进行硬件电路的设计，再进行软件编程，进行模块化设计，并对各模块进行调试，最后进行软硬件联合调试和故障的排除[3]。

2.2 软件设计方案
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。

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。

中断是指计算机在执行某一程序的过程中，由于计算机系统内、外的某种原因而必须终止原程序的执行，转去完成相应的处理程序，待处理结束之后再返回继续执行被终止原程序的过程。

本次软件中断程序是定义在1s时中断一次，方便频率的计算。

单片机首先接收到中断请求信号，之后完成中断，通过读出计数器的值来确定频率。

再对计数器和定时器进行初始化，开定时计数器，返回中断，完成中断过程。

查表子程序是定义频率分贝对应值后，将测得频率通过和自查表中的频率比较来显示出对应频率值。

显示子程序是通过循环扫描自查表中的值，来确定要显示的声音分贝值。

将对应的值用LCD显示。

3 硬件电路系统设计
按照系统设计功能的要求，初步确定整个系统由硬件系统和软件系统两部分组成。

环境噪声经膜片式晶体传声器转换成电信号。

前置放大电路由运放LM386构成，通过调整芯片相关外围元件参数，可以使其输出满足测量要求的电压信号。

通过V/F转换器后，输出频率信号变为TTL电平送给单片机的P3.4引脚，经软件处理后，噪声值由P0输出，用LCD动态显示出来。

使用所学Protel[4]相关知识，完成电路板设计制作，简化硬件制作实现。

3.1 传声器
传声器是将声音信号转换成电信号的传感器设备，是噪声测量系统中的一个主要环节。

传声器又叫做话筒，即“麦克风”。

声音传声器由声音接收器和力-电换能器两个部分组成。

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，这是噪声测量系统中的一个主要环节。

若按照膜片振动转换成电能的方式来分，声音传声器可分为：电容式传声器，它的原理是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，是通过声压使晶体产生电荷；动圈式传声器，是利用磁场耦合的方式将膜片的振动转换成电量。

根据膜片感受声压的方式的不同，声音传声器可分为三类：压强式传声器，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压差的大小；压强和压差组合式传声器。

在噪声测量中常用的压强式传声器。

用于接收外部声音信号,并输出一微弱的音频信号。

实际就相当于一个麦克风。

晶体式传声器按结构的不同可分为膜片式和声电池式两种。

膜片式传声器价格低廉、输出电压高，使用方便，考虑元器件的性价比和应用功能选用的是膜片式晶体传声器。

膜片式传声器实物外形如图3-1所示
图3-1 膜片式传声器实物外形图
3.2 信号前置放大器
LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。

它的外围电路元器件很少，内置的电压增益为20倍。

如果在芯片1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可以任意调节电压增益值，最大电压增益值为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中的可以调节声音大小的器件。

音频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、室內对讲机、红外线、超声波、小型马达驱动器等电路中。

LM386的引脚图如图3-2所示。

图3-2 LM386引脚理图
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。

因为声音传声器输出的电压信号非常微弱，只有毫伏级，为了能更好的采集到信号数据，必须经过电压放大器来进行电压放大，采用LM386[5]芯片电压增益200倍的
图3-3 200倍的电压放大器
3.3 交直流转换电路的设计
3.3.1 有效值检测电路AD536
所谓真有效值即为“真正有效值”之意，英文缩写为“TRMS”，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、准确度高、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[6]。

平均值AC/DC转换的电压表只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，更不能测量方波、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：
⎰=T RMS
dt t u T V 02)(1 (3-3-1)
近似公式： 2u V RMS =
(3-3-2) 我们对式子进行变换，两边平方，并令
⎰==T VE u A u dt t u T 0222)(1 (3-3-3)
就得到真有效值电压的另一种表达式
RMS VE RMS VE RMS RMS V u A V u A V u V 222/=== (3-3-4)
从（3-3-4）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，技术上是难以实现的。

如果使用式（3-3-4）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（3-3-4）的原理而设计。

真有效值仪表的核心器件是TRMS/DC 转换器。

现在市场上这类单片的集成芯片很多，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，外围元件少，电路连接简单、电性能指标容易保证等诸多优点，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[7]。

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。

当信号频率很高时，其真有效值为信号最大幅值。

3.3.2 AD536外围电路的设计
图3-4是由AD536构成真有效值TRMS/DC 转换电路，AD536内含有源整流器。