基于89C51单片机的噪声测量仪设计【开题报告】

毕业设计开题报告
电子信息工程
基于89C51单片机的噪声测量仪设计
一、选题的背景和意义
噪声污染是当今世界公认的环境问题。

从20世纪50年代起，工业、运输业迅猛发展，噪声污染日益严重。

在城市化的今天，城市快速道，高架复合道路、轨道交通、大型健身娱乐场所、空调系统等相继出现，几乎人人受到了噪声的影响。

据统计，环保部门收到的污染投诉觉到多数是噪声。

从技术上来说，任何噪声问题几乎都是可以解决的，但是还需要考虑经济上和实际工作中的可行性。

因此将噪声控制在一定范围内就很有必要，比如在居民区将噪声控制好，不影响居民的正常生活。

所以就得依靠一定的检测装置来对该区域的噪声强度进行检测，来确定是否该控制噪声，顺便提供相应的措施来减少噪声。

设计的噪声测试装置中主要是由传感器来检测噪声，该传感器又主要为声级计或者是麦克风，转换成一定物理量后经过V/F变换输入给单片机处理，最后由单片机来对数据进行处理和输出，输出由LED数码管操作。

人在较强噪声环境下暴露一定时间后会出现听力下降。

研究表明，长期接触80dB以上的噪声，听力就有可能受损害，在大于85dB的环境中工作20年，将有10%的人出现耳聋，大于90dB，耳聋的比例将超过20%[1]。

人从高噪声的环境会到安静场所停留一段时间，听力还能恢复，叫暂时性听阀偏移，也叫听觉疲劳，但长年累月地在强噪声环境中工作，长期不断地收到高强噪声刺激，听觉就不能复原了，内耳感觉器官会发生器质性病变，导致所谓噪声性耳聋货永久性听力损失[2]。

噪声影响听力主要是听力损失，就是在500Hz、1000Hz和2000Hz三个频率上听阀较标准值升高的平均数。

听力损失10-25dB尚能完全恢复，听力损失25dB以上，经数小时或数十小时尚能复原，则为暂时性耳聋；不能完全恢复的，即为永久性耳聋，听力损失15-25dB 还是接近正常，25-40dB则是轻度耳聋；这时1.5m外谈话就会有些困难。

40-65dB听力损失是中等耳聋，1.5m外大声讲话都听不清。

65dB以上则是中耳聋，大声喊叫听起来都有困难
[3]。

据统计，当今世界上有7000多万耳聋者，其中相当部分是噪声所致。

专家研究证明，家庭室内噪声是造成儿童耳聋的主要原因。

在一般房间，开窗时室外噪声传入房间可降低10dB，所以城市噪声（在建筑物前1m测量）如果是50-70dB，夜晚降低10dB，就可以满足白天工作、夜晚睡眠的需要[4]。

如果城市噪声达到70-90dB（如在繁华市街上），则必须采取措施才能满足需求（例如用较好的门窗）。

声级计也称噪声级，它是用来测量噪声的声压级和计权声级的仪器，它适用于环境噪声，各种机器（如风机、空压机、内燃机、电动机）噪声的测量，也可用于建筑声学、电声学的测量。

如果把电容器传声器换成加速度计，可以用来测量振动的加速度、速度和振幅。

声级计还可以与倍频程和1/3倍配合进行噪声频谱分析[5]。

声级计主要由传声器、放大器、衰减器、计权网络、电表电路及电源等部分组成。

传声器也称话筒或麦克风，它是将声能转换成电能的原件。

它是将声音信号转换成电信号的传感器。

声级计上使用的传声器要求频率范围宽，频率响应应当平直，失真小，动态范围大，尤其稳定性要好。

从1971年美国德州仪器（Texas Instrument）公司首次推出TMS-1000单片机（4位机）至今，单片机技术已经成长为计算机技术领域中的一个非常重要的分支。

在不断地发展和完善中，单片机技术已经建立了自己的技术特征、发展道路和独特的应用环境。

按照单片机的生产技术水平，单片机的发展过程可以分为4位机、8位机、16位机和32位机4个阶段[6]。

单片机是微型计算机中的一种，它在一块芯片上集成了计算机的所有基本功能部件，包括中央处理器CPU、随机读写存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时/计数器和串行通信接口电路等。

因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相组合，就可以成为一个完整的单片机控制系统[7]。

V/F变换就是电压频率变换，是A/D转换的另一种形式，其作用就是把模拟量变成频率。

V/F变换具有精度高、性能好和输出单值等特点，随着半导体技术的发展，V/F变换器的性能不断提高，成本快速下降[8]。

传感器相当于人体的感觉器官，它能将各种非电量（如机械量、化学量、生物量及光学量等）转换成电量。

从而实现非电量的电测技术。

在自动控制系统中，检测室实现自动控制的首要环节，没有对被控对象的精确检测，就不可能实现精确控制。

目前传感器涉及的领域
主要有现代工业生产、基础学科研究、宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、医学诊断、智能建筑、汽车、家用电器、生物工程等[9]。

拾音器是把声音或音乐等声能转换成电信号的设备。

通常使用的音器是以人类能够听到的可听频率为转换对象的。

拾音器按照原理和结构可以分为很多种，特性也各不相同。

主要有电容式拾音器、动圈式拾音器和应用压电元件做成的晶体拾音器等[10]。

二、相关研究的最新成果及动态
常用的V/F变换器为ADVFC32是Analog Devices公司的一种通用型集成电路V/F变换器，也可作为F/V变换器使用，它采用双列直插式结构。

它的原理与电荷平衡式V/F变换器是一样的[11]。

由于电路中采用单独数字地的集电极开路式输出，因此，易于与标准DTL/TTL/CMOS逻辑电路接口。

普通声级计具备性能稳定、使用简单、价格低廉、携带方便等优点，在环境、交通噪声、机械和电气噪声等的测量方面都能得到广泛应用，如中国主要的声学测量仪器生产基地红声器材厂生产的HS5633/B和ND10普通声级计；此外，CEM（香港）公司推出的DT-8851和DT-8852型普通声级计；隶属于德国思百吉集团公司的丹麦B&K公司生产的B&K 2240和2239型声级计。

这些声级计都满足国际电工委员会（IEC）651号声级计标准中对作为一般用途声级计的要求，具有A,C频率计全网络。

精密型声级计较普通型不仅具有更高的精度和噪声控制要求，而且融入了很多先进技术，一般配合带通滤波器使用，进行倍频程或1/3倍频程频谱分析。

杭州爱华公司（杭州爱华电子研究所）生产的AWA5661型精密声级计是一种袖珍式、高精度的声学测量仪，加上AWA5721或AWA5722滤波器可以进行倍频程或1/3倍频程频谱分析。

红声企业生产的HS5660和HS5660B/C型精密声级计，都符合IEC对1级声级计的要求，可以与HS5721型1/1倍频程滤波器或HS5731型1/3倍频程滤波器构成一个操作简便的额便携式频谱分析仪。

此外还有日本理音公司ROINCO.LTD推出的NL-21/NL-31型声级计和B&K2238型系列的1级精密声级计在环境监测、建筑及室内噪音测量中均得到了广泛应用。

但后者功能更强大，内存更大，能保存500组测量数据；而前者只能保存100组测量数据。

B&K2238型还可配合基本型、增强型、数据记录、频谱分析型4种不同的软件，以满足各种不同噪声测量的需求。

国外多家公司已经研发出新一代的实时分析仪器，其性能优越，功能完善但价格比较昂
贵。

中国噪声控制技术研究起步比较晚，与发达国家相比差距较大，特别在计算机技术队噪声测量和产品优化设计方面比较薄弱。

但近20年来发展比较快，从事噪声测量仪器生产的公司引进国外先进技术，根据需要自主研发，生产出一系列新的噪声测量产品。

一些国内企业纷纷退出了具有国际领先水平的实时分析仪，打破了国外在此类产品的市场垄断。

三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标
1．课题的研究内容
环境噪声经传感器转换成电信号。

传感器加上保护措施比如防风防雨设备之后可用于室外测量。

电压／频率转换电路，输出的频率信号变成TTL电平送给单片机。

系统的核心部分是AT89C51单片机。

经软件处理后，噪声声压级显示值输出，经74LS248译码再驱动两位LED数码管显示，适当控制译码器灭灯端，使两数码管轮流发光实现动态显示。

此外，可利用单片机的内部存储器来存储最近一个月的历史记录，可以读取观看并且可以清除历史记录。

环境噪声经传感器转换成电信号。

传感器加上保护措施比如防风防雨设备之后可用于室外测量。

电压／频率转换电路，输出的频率信号变成TTL电平送给单片机。

系统的核心部分是AT89C51单片机。

经软件处理后，噪声声压级显示值输出，经74LS248译码再驱动两位LED数码管显示，适当控制译码器灭灯端，使两数码管轮流发光实现动态显示。

此外，可利用单片机的内部存储器来存储最近一个月的历史记录，可以读取观看并且可以清除历史记录。

整个系统的大致原理框图如下：
集成放大器LM386的增益为200，它通过对接在引脚1和引脚8之间的外接电容器来设定。

传感器可由用驻极体麦克风，驻极体麦克风有一个内部的场效应晶体管，可对声音信号进行前置放大。

麦克风输出的信号经过一个由电位计构成的高灵敏度音量控制器，然后传到放大器的输入端进行放大。

驻极体电容传声器在膜片与后极板之间填充驻极体，用驻极体的电压代替外加的直流极化电压。

使用方便，但性能比一般的电容传声器差。

A/D变换器将模拟信号变成数字信号，以便进行数字指示或送单片机芯片进行计算处理。

数字指示器以数字形式直接指示被测声级的分贝数，读书更加直观。

CPU为89C51单片机芯片，对测量值进行计算、处理。

声级计要求有较大的测量范围，为了保证显示精度，检波器和指示器量程范围一般都很小，这就需要采用衰减器。

为了提高信噪比，将衰减器分为输入衰减器和输出衰减器。

输入衰减器放在第一组放大器前面，作用是将接受的强信号衰减，不使输入放大器过载。

由于输入衰减器不能降低第一组放大器所产生的噪声，信噪比指标不好，而输出衰减器接在第一组放大器和第二组放大器之间，获得的信噪比指标好，所以使用时输出衰减器尽量处在最大衰减位置。

2.采取的研究方法（技术路线）
（1）总体方案设计
在这一阶段，需要考察实际应用环境的需要，确定系统的整体设计方案。

首先是可行性分析，确定能否使用单片机系统达到需要的设计目标，达到目标需要的经济成本是否超出可接受的范围。

其次是对系统各项功能的划分，确认软件和硬件的分工问题。

经过这一阶段的设计，应该已经有比较成型的系统设计框架。

对软硬件系统的分工有较明确的方案，这样才可以开始进行系统的硬件设计工作。

（2）系统硬件设计
系统硬件设计阶段，需要对各个模块的硬件部分进行具体设计。

这部分包括单片机系统的设计，外围模块的选择，I/O口的分配，单片机与外围模块，单片机与其他CPU之间的通信方式的选择，模拟输入输出通道电路设计等方面。

当具体的硬件系统功能框图完成后，可以绘制电路的原理图，然后是硬件系统的PCB 印刷电路版图。

（3）系统软件设计
一个完整的单片机系统只有硬件还不能工作，必须有软件来控制整个系统的运行。

单片机的软件部分的主要任务包括系统的初始化、各模块参数的设置、中断请求管理、定时器关机、外围模块读写、功能算法实现、可靠性和抗干扰设计等方面。

（4）系统调试
检测硬件方面的设计错误，发现问题后如果能够补救，可以使用飞线等手段修改硬件设计，如果出现无法解决的错误，就装好推倒整个硬件设计。

（5）系统完善和升级
当确定硬件和软件调试没有问题后，可能还需要根据调试过程中积累的经验重新设计PCB版图，有时需要反复很多次才能达到预期的设计要求。

最后还需要对整个产品进行进一步的优化和组合，并在可允许的情况下为系统预留升级和功能扩展的借口[12]。

主要原理框图：
软件大致流程图：
3．研究难点及预期达到的目标
研究难点主要是在电路的调试一块，要把各种元器件按照条件拼搭起来并能实现预定的功能。

还有就是编程一块，编程由于是个长时间的系统工程，所以得早点准备，并且根据要求把相应的功能体现出来。

预期达到的目标就是能够让该检测模块能够检测周围的噪声信息,比如开启仪器并在旁
边敲击某些物件产生噪声，并且能够通过内部电路的计算显示出来根据相关的计算来显示噪声值。

此外还能通过键盘查询最近两个月内或者是一个月内的历史记录以供参考，或者是清楚历史记录等按键，适当的时候可以增加历史记录的保存容量。

总而言之，噪声测量仪虽然市面上很多，很多街道区域都已经安装上，能够检测噪声了，但是随之而来的还是有很多问题。

还有很多可以改进的地方，比如能不能在检测噪声的基础上添加上其他功能，例如防盗报警功能，视频检测功能等等。

随着不断的改进与应用，这个机器一定会给人们的生活带来更大的便捷。

四、研究工作详细进度和安排
2010年12月1日——2010年12月5日：完成毕业设计任务书以及相关调研工作，了解毕业设计涉及到的各种方面的知识。

2010年12月6日——2010年1月5日：查阅相关资料，深入了解所选课题，完成外文翻译，文献综述，开题报告初稿。

2010年1月6日——2010年2月21日：制作毕业设计实物，撰写毕业论文，完成开题报告。

2010年2月22日——2010年5月26日：制作毕业设计实物，参加实习，撰写毕业论文
2010年5月27日开始：参加2011届毕业生论文答辩
五、参考文献
[1][2][3]噪声控制技术潘仲麟翟国庆 2006年4月第1版：27
[4] 单片机通信技术与工程实践求是科技人民邮电出版社 2005年1月第1版:前言
[5] 噪声控制技术及其新进展周新祥冶金工业出版社 2007年7月第1版：42
[6] 单片机通信技术与工程实践求是科技人民邮电出版社 2005年1月第1版：2
[7] 单片机通信技术与工程实践求是科技人民邮电出版社 2005年1月第1版：1
[8] 单片机程序设计实例先锋工作室清华大学出版社 2003年1月第1版：161
[9] 图解传感器技术及应用电路陈圣林侯成晶中国电力出版社 2009年8月第1版：2
[10] 单片机实用技术问答谢宜仁人民邮电出版社 2003年2月第1版：329
[11] 单片机程序设计实例先锋工作室清华大学出版社 2003年1月第1版：163
[12] 单片机原理与应用杨和平，杨芳，谢飞机械工业出版社 2008年5月第1版：209。