文章编号:1005-9490(2000)02-146-149
基于89C 51单片机的环境噪声测量仪
¹
潘启勇,娄维鸿*,邬正义
(常熟高等专科学校物理系. 常熟, 215500)
(*东南大学电子工程系. 南京, 210096) 摘要:介绍了一种用单片机构成环境噪声测量系统的设计方法。
给出了相关硬件框图和软件流程图。
关键词:单片机;环境噪声;声压级;测量
中图分类法:TM 937.4 文献标识码:A
1 引 言
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89C 51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。
2 声压级的测量机理
人耳的听阈一般是20L Pa,痛阈一般是200Pa,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L p 来反映声压的变化,将声压p 的声压级表示成
Lp =20lg(p /p 0) (dB)(附)
其中:基准量p 0为20L Pa 。
当p =p 0时,L p =0dB,而当p =200Pa 时,L p =140dB 。
用声级计可以测量声压级,采用1kHz 纯音输入0.2s 到0.25s 或0.5s 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
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)。
附表给出倍频带中心频率与A 声级的校正量之间的关系:
附表 倍频中心频率与A 声级校正量对应表
倍频带中心频率/Hz
31.5631252505001k 2k 4k 8k 16k A 声级校正量/dB -39.4-26.2-16.1-8.6- 3.20 1.2 1.0- 1.1- 6.6第23卷第2期2000年6月 电 子 器 件Journal of Electron Devices Vol.23,No.2June.2000¹来稿日期:1999-12-27
3 硬件电路构成
环境噪声测量仪的硬件结构原理见图1:
图1 硬件原理图
环境噪声经高灵敏度、无指向性驻极体传声器转换成电信号。
所用传声器频率特性在50～14000Hz 范围内不均匀度小于1.5dB,加防风罩、防雨罩后可用于室外测量。
三级放大电路由运放LM 324构成,精心调整相关外围元件参数,可使其幅频特性与A 计权曲线相近。
D 1、C 1、R 1组成峰值检波网络,其输出直流电平反映了噪声声压的大小。
由LM331构成电压/频率转换电路,输出的频率信号变成T TL 电平送给单片机的P3.4引脚,作为T 0的计数脉冲。
该转换电路线性良好,抗干扰能力强,输出频率范围在10～
10000Hz 以上,其变化比达103,优于普通8位并行A /D 转换器,有利于提高系统的测量范
围。
图1中,R s 可用来调节增益偏差,改变输出频率。
系统的核心部分是AT 89C 51单片机,其指令系统与MCS -51完全兼容,且片内带4kB 的E 2PROM,可以方便地构成一个最小测量系统。
其P3.5引脚接由NE555构成的定时器输出的100kHz 方波,通过T 1中断去控制T 0定时计数。
从T 0端输入的计数脉冲频率,也反映了所测声压的大小。
经软件处理后,噪声声压级显示值由P1口输出,经74LS248译码再驱动两位1.8in 高亮度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,降低功耗。
4 软件设计
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。
各程序模块的流程图如图2所示:
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147第2期 潘启勇、娄维鸿等:基于89C 51单片机的环境噪声测量仪
后即读取T H0、TL0两寄存器中的计数值,并重新初始化T 0、T 1,
以便检测下一次的数据。
图2 软件流程图
值得指出的是,查表程序实现了计数值向声压级的转换。
由式(1)知声压每增加12.2%,声压级增加1dB,因此T0计数值每增加12.2%,声压级增加1dB.在E 2
PROM 中定义一张表格,每三个字节为一组数据,其中前两个字节为计数值,后一个字节为压缩BCD 码表示的声压级值。
调试时,参照精密声级计,读出某声压级所对应的计数值,从而确定表格中两参数的对应关系,当程序固化后,还可通过硬件电路对其进行调整。
下面给出定义该表格的伪指令格式:
TAB:DB 1BH,0A0H,0BBH , ;表格上限
∶
05H,83H ,83H,
04H ,0EAH ,82H ,
04H ,61H ,81H ,
03H,0E7H,80H,
03H,7AH,79H
03H,19H ,78H,
02H ,0C 3H ,77H ,
02H ,76H ,76H ,
∶
00H,00H ,0AAH, ;表格下限
其中,“0AAH ”、“0BBH ”两个数据经译码后分别显示下限标记“[”和上限标记“]”,表示超出测量范围。
为了提高系统的抗干扰能力,除了在硬件上采取了相应的措施外,软件上采用了冗余设计法即重复重要的指令,未用空间设置空操作指令,以防止程序跳飞而死机。
5 结束语
最后用国营江西红声器材厂生产的ND-2型精密声级计对系统进行校验,测量误差小于1dB,测量范围在40～96dB 之间,已满足一般环境下噪声的测量要求。
148
电子器件 第23卷
在仪器制作过程中,常熟高等专科学校物理系汪逸新高级工程师给予了很多指导意见,常熟市卫生防疫站职业卫生科提供了校验仪器,在此表示深深感谢!
参考文献
[1] 马大猷等。
声学手册。
[M ]北京:科学出版社,1983
[2] 何立民。
单片机应用文集(1)。
[M ]北京航空航天大学出版社。
1991
[3] 周泽存。
检测技术。
[M]北京:机械工业出版社。
1993
[4] 杨振江。
A /D 、D /A 转换器接口技术及实用线路。
[M ]西安电子科技大学出版社。
1996
[5] 蔡美琴等。
M CS -51系列单片机系统及其应用。
[M ]北京:高等教育出版社。
1992
An Enviroment Noise Instrument on the basis
of 89C 51Single Chip Computer
P AN Qi -yeng ,LOU Wei -hong *,WU Zheng -yi
(Depar tment o f P h ysics ,Changshn College ,Changshu ,215500)
(*Depa rtment o f Electr onic Eng ineer ing ,S outheaet Ur iver sity ,Na njing 210096)
Abstr act :A design approach for enviroment noise measurement system based on single chip computer is introduced .T he relative hardwar e diagram and software flow chart are also given .
Key wor ds : single chip microcomputer ;ambient noise;sound pr essure lever;
measurement
EEACC : 1265F ,6450F ,7320Z
作者简历:
潘启勇(1971-),本科,常熟高等专科学校教师,曾发表《微机在弱振动光干涉检测实验中的应用》等数篇论文。
1995年获江苏省教委高校仪器制作三等奖。
娄维鸿(1938-),1960年毕业于北京师范大学。
同年在北师大读研究生。
1964年2月分配到东南大学(原南京工学院)工作至今。
电子工程系副教授,主要从事微波技术和电子技术的科研、教学工作。
邬正义,常熟高等专科学校副教授。
1992年在南京航空航天大学电子工程系获硕士学位,曾发表《DMA 方式下实现的中大容量遥测数据的连续采集与实时处理》等论文数篇。
149
第2期 潘启勇、娄维鸿等:基于89C 51单片机的环境噪声测量仪 。