單片機(jī)課程設(shè)計（論文）基于AT89C51的噪音檢測自適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計

1、 摘要本文以at89s52 單片機(jī)為控制核心,通過播音判斷電路尋找廣播間歇時段,實時采集噪聲環(huán)境內(nèi)的噪音信號,根據(jù)a/ d 轉(zhuǎn)換后的噪音電平值計算出復(fù)雜環(huán)境下噪聲信號的平均功率;根據(jù)噪聲信號的功率大小自適應(yīng)地控制大廳環(huán)境內(nèi)的廣播音量,實現(xiàn)了復(fù)雜噪聲環(huán)境下自適應(yīng)音量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)計簡單,性能良好,價格低廉。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)實現(xiàn)了預(yù)期功能,自適應(yīng)效果良好,性價比較高,具有良好的推廣價值。關(guān)鍵詞: 語音判斷;噪音采集;自適應(yīng)音量控制;at89s52 單片機(jī)abstractan adaptive volume cont rol at89s52 mcu system based on

2、noise collection is int roduced. by looking forbroadcasting intermittent period using the voice judge circuit ,complicated noise signal at hall environment is sampledreal2time. through a / d conversion and calculation ,the average power of noise signal can be measured. according tothe average power

3、of noise signal ,an adaptive volume cont rol system at complicated noise environment is designed. thedesign of hardware and sof tware is simple and cost performance is good. experimental result s show that the wholesystem can adaptive adjust s volume according to the environment noise signal , and i

4、t s engineering value is good.keywords : voice detection ;noise sampling ;adaptive volume cont rol ;at89s52一. 緒 論1.課題背景和意義1.噪音能夠給人帶來生理上和心理上的危害主要有以下幾方面:a.損害聽力b.噪音損害視力c.有害于人的心血管d.影響人的神經(jīng)系統(tǒng), 使人急躁、易怒e.影響睡眠, 造成疲倦。因此噪聲對環(huán)境的監(jiān)測與控制在對人的身體健康和身心健康方面有著重要的作用，加強對環(huán)境噪音的檢測與控制顯得尤其重要。2.隨著傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，為智能噪音測控系統(tǒng)測

5、控功能的完善、測控精度的提高和抗干擾能力的增強等提供了條件。同時由于單片機(jī)具有集成度高、功能強、體積小、價格低、抗干擾能力等優(yōu)于一般cpu的優(yōu)點，因此，在要求較高控制精度和較低成本的工業(yè)測控系統(tǒng)中，往往采用單片機(jī)作為數(shù)字控制器取代模擬控制器。2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀a.我國的發(fā)展?fàn)顩r我國環(huán)境噪聲自動連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)要求已納人國家標(biāo)準(zhǔn), 國家環(huán)?？偩趾蛧屹|(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局在年頒布修改的聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及測量方法, 在測量儀器中增加環(huán)境噪聲連續(xù)自動監(jiān)測儀器, 并要符合有關(guān)規(guī)定。北京、上海、廣州等大城市目前已安裝丹麥公司生產(chǎn)的環(huán)境噪聲連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)。國產(chǎn)的環(huán)境噪聲續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)已有產(chǎn)品。 目前我國環(huán)

6、境監(jiān)測部門的噪聲監(jiān)測儀器大部分都采用具有單片機(jī)處理功能的積分統(tǒng)計聲級計, 屬便攜式儀器, 這些聲級計靈敏度隨氣壓、溫濕度而變化,影響測量精度, 需要經(jīng)常校準(zhǔn), 聲級計的關(guān)鍵部件傳聲器和整機(jī)不能在戶外長期全天候的工作, 并需避雨雪、潮濕、風(fēng)沙, 否則聲級計的測量精度明顯下降, 測量誤差會很大甚至停止工作。b.國外的發(fā)展?fàn)顩r 發(fā)達(dá)國家已生產(chǎn)出全天候的長年能在戶外進(jìn)行測量的噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng), 可進(jìn)行實時監(jiān)測, 監(jiān)測結(jié)可包括每小時、晝間、夜間或其它任意時段的等效級、統(tǒng)計聲級等, 能存儲噪聲超標(biāo)事件發(fā)生的錄音,以便事后識別噪聲源的性質(zhì)。 國外環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的應(yīng)急監(jiān)測儀器體積小、重量輕、分析速度

7、快、操作簡便、種類繁多, 有些儀器的性能指標(biāo)接近或達(dá)到實驗室儀器的水平, 而能源和溶劑的消耗卻大大減少。國外環(huán)境常規(guī)污染物如、等的便攜式儀器早已成熟, 便攜式氣相色譜作為現(xiàn)場分析儀器也已使用多年, 最近又出現(xiàn)了聲表面波檢測器, 又稱“ 電子鼻” , 它與快速色譜技術(shù)聯(lián)用, 可以對氣體樣品進(jìn)行快速的采集和分析, 樣品前處理設(shè)施也正在逐漸趨于小型化, 并用于野外分析, 例如英國等使用超臨界萃取儀現(xiàn)場萃取了土壤中的多環(huán)芳烴, 其提取效率可達(dá)索式萃取的。美國的等也使用了同樣的應(yīng)急方法。3.總論在車站、碼頭、機(jī)場等公共大廳環(huán)境內(nèi)均安裝有公共廣播系統(tǒng),主要用于廣播班次、通知等信息。然而大廳內(nèi)的噪音是各種不

8、同頻率和強度聲音的無規(guī)則的組合,情況是復(fù)雜多變的,如旅客的嘈雜聲、機(jī)車的啟動、進(jìn)站等大強度噪音均會對大廳廣播造成干擾,導(dǎo)致旅客聽不清廣播信息。如果長時間開大廣播音量則會引起聽覺不適。如果手動實時進(jìn)行音量調(diào)節(jié)也不太現(xiàn)實。通常,廣播語音信號是間斷的,而背景噪音在時間上多少是連續(xù)的;且聲音信號具有較寬的頻帶,但能量主要集中在800 hz 以下,因此,采用電容駐極式無指向性mic ,可以線性地將此頻段的聲波轉(zhuǎn)換為電平信號。根據(jù)這些特點,本文以at89s52單片機(jī)為控制核心,通過在播音停頓間隙時刻采集噪音信號,經(jīng)過a/ d 轉(zhuǎn)換后計算噪音平均功率;然后根據(jù)噪音功率大小,設(shè)計并實現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)節(jié)廣播音量控制

9、系統(tǒng)。二 硬件設(shè)計方案1系統(tǒng)組成與工作原理 系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。系統(tǒng)采用at89s51單片機(jī)作為控制核心。大廳內(nèi)的噪音信號被mic 采集后,經(jīng)過放大、半波整流,濾波變成直流脈動電壓信號,然后通過a/ d 轉(zhuǎn)換形成數(shù)字噪音電平存入at89s52 以備計算。取自大廳廣播功放輸出的播音信號經(jīng)過放大限幅、整流濾波后,再與設(shè)定值進(jìn)行二值比較,通過比較判斷出此時是否處于播音間隙。cpu 只在播音間隙時段啟動a/ d 轉(zhuǎn)換,也就是在這個時段大廳內(nèi)只有噪音,沒有播音,這樣就避免了mic 將大廳播音也當(dāng)做環(huán)境噪音采入,保證了兩類音源的準(zhǔn)確區(qū)分。如圖2 所示。cpu 將采集到的最近100個噪音電平值進(jìn)行計算

10、,得到平均噪音功率值,然后根據(jù)不同時刻的噪音平均功率大小控制繼電器,切換不同的衰減電阻接入到揚聲器回路,最終實現(xiàn)音量的實時控制。2系統(tǒng)組成框圖ad轉(zhuǎn)換整 流濾 波放大電 路micat89c51功率輸出放大限 幅二值比較整 流濾 波 衰減電阻切換揚聲器 圖1. 系統(tǒng)框圖3噪音檢測電路由電容駐極式無指向性mic 將噪音聲波轉(zhuǎn)換為電壓信號后,進(jìn)入運放ne5532進(jìn)行信號放大。運放使用12 v 直流電源,配合調(diào)節(jié)r13改變放大增益,使線性放大后的交流信號在- 6 + 6 v之間。放大后的信號經(jīng)過d11 、r17 組成的半波整流電路,檢出0 + 6 v 的直流脈沖信號,再經(jīng)c14 濾除高次諧波后得到相對

11、平滑的直流波動電平。r17 與c14 組成的rc 時間常數(shù)約為0. 1 s ,能夠較快的反映出噪音信號的直流平均電壓, 保證了噪聲檢測的實時性。同時0+ 6 v 的直流電壓將覆蓋adc0809 的0 + 5 v 的a/ d轉(zhuǎn)換區(qū)域,基本滿足了轉(zhuǎn)換的電平需求。噪聲檢測部分電路4播音判斷電路 播音判斷電路如圖4 所示,該電路為cpu 采集噪音值提供時間依據(jù)。從播音功放輸出口取出音頻信號,首先經(jīng)過運放ne5532 放大限幅,然后通過由d21 、r24 、c23 組成的半波整流濾波電路。與噪音檢測電路相似,完成對播音信號的直流轉(zhuǎn)換。lm393 構(gòu)成二值判決電路,調(diào)節(jié)r25 確定翻轉(zhuǎn)電平。當(dāng)lm393

12、的“ + ”腳電位高于“ - ”腳電位時,lm393 輸出高電平;反之,輸出低電平。這樣,當(dāng)播音直流信號大于此判決閾值時,lm393 輸出高電平即認(rèn)為此時正在播音;當(dāng)播音直流信號于此閾值時,lm393 輸出低電平即認(rèn)為此時沒有播音,可以通知cpu 采集噪音值。播音判斷電路部分電路圖5a/ d 接口與cpu控制電路 a/ d 接口與cpu 控制電路如圖5 所示。本系統(tǒng)a/ d圖5 a/ d 接口與cpu 控制電路轉(zhuǎn)換采用adc0809; 74ls02 或非門為adc0809 提供選通邏輯;at89s52 的al e 引腳為adc0809 提供時鐘信號;考慮到只有一路噪音模擬信號需要轉(zhuǎn)換, 故將a

13、dc0809 的3 根地址線接地,即選擇通道0 的信號轉(zhuǎn)換;轉(zhuǎn)換結(jié)果送到at89s52 的p0 口。lm393 的輸出接入at89s52 的p3. 2 口,cpu 通過查詢此端口判斷是否可以啟動a/ d 轉(zhuǎn)換。a t89s52 的p1. 5 、p1. 6 端口用于輸出控制信號,控制繼電器的通斷,進(jìn)而切換不同電阻接入揚聲器回路。a/ d 接口與cpu控制電路綜上所述，噪聲監(jiān)測的完整電路圖如下：三 軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件采用c 語言編寫, 對單片機(jī)進(jìn)行編程實現(xiàn)各項功能。為了方便程序調(diào)試和提高可靠性,軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計方法,主要包括初始化程序、主程序、定時中斷服務(wù)程序、各子程序模塊等。主程序完成

14、系統(tǒng)初始化,查詢各種狀態(tài),打開多路轉(zhuǎn)換開關(guān)控制相應(yīng)操作等功能。1. 程序流程框圖2. 程序源碼#include#include#define _nop() _nop_() sbit d18b20=p37;sbit k1=p15;unsigned char flag;unsigned char u,d=; void tempdelay (unsigned char us) while(us-);void init18b20 (void) d18b20=1; _nop_(); d18b20=0; tempdelay(80); _nop_(); d18b20=1; tempdelay(14); _n

15、op_(); _nop_(); _nop_(); if(d18b20=0) flag = 1; else flag = 0; tempdelay(20); _nop_(); _nop_(); d18b20 = 1;void writebyte (unsigned char wr) unsigned char idata i; for (i=0;i= 1; unsigned char readbyte (void) unsigned char idata i; for(i=0;i= 1; d18b20 = 1; if(d18b20=1) u |= 0x80; tempdelay (2); _no

16、p_(); return(u);main() unsigned char a,b,c,j; while(1) init18b20(); writebyte(0xcc); writebyte(0x44); init18b20(); writebyte(0xcc); writebyte(0xbe); a=readbyte(); b=readbyte(); a=a4; b=b30) k1=0; else k1=1; for(j=0;j250;j+) p0=dc/10; p2=0xe3; tempdelay(100); p0=dc%10; p2=0xe7; tempdelay(100); 四 軟件綜合

17、調(diào)試1.系統(tǒng)調(diào)試工具keil c51 keil c51 仿真器是一款利用keil c51 的ide 集成開發(fā)環(huán)境作為仿真環(huán)境的廉價仿真器，是利用sst公司具有iap功能的單片機(jī)sst89c58制作而成，主要是利用了sst89c58的iap功能，所謂iap功能是in application program 的英文縮寫，是在應(yīng)用編程的意思，通俗一點講就是：它可以通過串口將用戶的程序下載到單片機(jī)中，可以通過串口對單片機(jī)進(jìn)行編程。它之所以具有這種功能，實際上它有兩塊程序flash區(qū)，其中一塊flash中運行的程序可以更改另外的一塊程序flash區(qū)中的程序，正是利用這一特性才用它作成了仿真器，我們把仿真

18、器的監(jiān)控程序事先燒入sst89c58，監(jiān)控程序通過sst89c58的串口和pc通訊，當(dāng)使用keil c51的ide環(huán)境仿真時，用戶的程序通過串口被監(jiān)控程序?qū)懭雈lash程序區(qū)中，當(dāng)用戶設(shè)置斷點等操作仿真程序時，flash程序中的用戶程序也在相應(yīng)的更改，從而實現(xiàn)了仿真功能 。調(diào)試的主要方法 ：1. 啟動keil c51 2. 新建一個工程。project菜單new project ，選擇好我們要保存的文件夾后，鍵入frist 保存。接著彈出cpu類型選擇框，我們選擇最常用的at89c51,按確定。3. 在工程中加入文件。新建一個文件，文件菜單filenew，我們再選擇：文件菜單filesave

19、as? （另存為）彈出 對話框后，我們文件名框中鍵入first.c（注意文件后綴名是 .c）保存。c文件建好啦?，F(xiàn)在我們把文件加入到工程中去。 點擊target 1前面的+號，右鍵單擊source group 1選擇add files to group ，source group 1，選擇添加 add。編譯運行，檢查程序是否有錯誤。2. proteus proteus是一款eda軟件，該軟件具有模擬電路仿真，數(shù)字電路仿真，單片機(jī)以及外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真，rs-232動態(tài)仿真，i2c調(diào)試器，spi調(diào)試器，鍵盤和lcd系統(tǒng)的仿真，以及各種虛擬儀器，如示波器，邏輯分析儀，信號發(fā)生器等。該軟件目前

20、支持的單片機(jī)類型有：68000系列、8051系列、avr系列、pic12系列、pic16系列、pic18系列、z80系列、hc11系列、arm以及各種外圍芯片。該軟件還支持大量的存儲器和外圍芯片，所以，該軟件是一款集單片機(jī)和spice分析于一身的仿真軟件。調(diào)試方法：首先用keil軟件將c編譯成hex文件，打開keil軟件，新建一個文檔，輸入c程序，保存成c格式文件，然后新建工程，連接單片機(jī)為at89c51，選擇options for target，選擇output子菜單，在create hex fi前打鉤，debug子菜單中，settings選擇proteusvsm simulator，use

21、前打鉤，再次運行文件，成功后在目錄下會生成hex文件，打開proteus軟件，或直接點擊dsn文件，雙擊單片機(jī)模板，點擊文件夾式樣的圖標(biāo)選擇對應(yīng)的hex驅(qū)動文件，然后點擊開始，進(jìn)行調(diào)試3.實驗結(jié)果單片機(jī)系統(tǒng)上電后,進(jìn)入初始化程序,完成片內(nèi)各模塊的設(shè)置、清存儲單元內(nèi)容、端口設(shè)定等初始化工作。然后進(jìn)入主程序,當(dāng)查詢到p3. 2 端口狀態(tài)為低即播音間歇期時啟動a/ d 轉(zhuǎn)換。在采集到100 個噪音電平后計算出這100 個電平的平均功率 7 。根據(jù)功率值的大小,通過p1. 5 、p1. 6 端口,切換接入揚聲器回路的衰減電阻。具體阻值大小根據(jù)現(xiàn)場試驗確定?？偟膩碚f,如果噪音大,則串入電阻小,揚聲器音量

22、增大; 如果噪音小,則串入電阻大,揚聲器音量減小。模糊音量控制規(guī)則如表1 所示 8 。程序中同時打開10 秒定時中斷,讓當(dāng)前的控制狀態(tài)保持10 s 。如果這10 s 內(nèi)有更大的噪音出現(xiàn)則馬上切換到新的狀態(tài)且再保持10 s ;如果這10 s 內(nèi)沒有更大的噪音出現(xiàn)則當(dāng)前狀態(tài)一直保持到10 s 結(jié)束,然后再根據(jù)新的噪音切換到新的狀態(tài)。如此循環(huán)往復(fù)。軟件上這樣處理的優(yōu)點是音量的調(diào)節(jié)不會過于頻繁,既照顧了聽覺上的自然感,又能及時響應(yīng)突發(fā)大噪音的變化,實現(xiàn)了調(diào)節(jié)的實時性。系統(tǒng)實驗中,通過利用收音機(jī)在電臺盲區(qū)所發(fā)出的噪音來模擬環(huán)境噪聲,通過mic 采集后送入本系統(tǒng);利用cd機(jī)播放一段沒有背景音樂的間斷語言信

23、號,通過功放放大后接入本系統(tǒng);然后本系統(tǒng)將經(jīng)過衰減理的語音功率信號接入揚聲器。系統(tǒng)實物如圖7 所示。實驗中采用dt2815 噪音計測量聲強,收音機(jī)距離噪音計0. 5 m ,揚聲器距離噪音計3 m ,實驗者與噪音計處在同一位置。首先設(shè)定一個噪聲音量大小,噪音計測出相應(yīng)的分貝值;然后打開功放調(diào)節(jié)語音音量至能夠清晰聽到為止,接著關(guān)掉收音機(jī),噪音計測出此時的語音分貝值。這樣經(jīng)過多次試驗,即可得到噪聲大小與廣播音量的對應(yīng)關(guān)系。通過這種對應(yīng)關(guān)系和功放的最大輸出音量,就可確定圖5 中r31 和r32 的切換狀態(tài)。具體如表2 所示。最后同時打開收音機(jī)、功放和本系統(tǒng),并且實時調(diào)整收音機(jī)的噪音大小即可實現(xiàn)表2 所

24、示的音量變化。由于每一組噪音采集和計算的時間不超過0. 3 s ,播音間隔時間一般不小于0. 4 s ,因此系統(tǒng)的實時性較好;而且本系統(tǒng)采用突發(fā)大噪聲的延時控制算法,聽覺上感覺音量的過渡變化比較自然。實驗結(jié)果調(diào)試圖：五 心得體會初次看到本次的課程設(shè)計的題目時，感覺設(shè)計的難度不大，但是由于是第一次運用單片機(jī)設(shè)計，在設(shè)計過程中又遇到了種種困難，又感覺到要完成此次設(shè)計還需要花費很大的時間和精力。但是經(jīng)過本組同學(xué)的共同努力，運用科學(xué)的分析方法，最終順利完成了本次單片機(jī)課程設(shè)計。經(jīng)過兩個星期的實習(xí)，過程曲折可謂一語難盡。在此期間我也失落過，也曾一度熱情高漲。從開始時滿富盛激情到最后汗水背后的復(fù)雜心情，點點滴滴無不令我回味無長。生活也是這樣，汗水預(yù)示著結(jié)果也見證著收獲。勞動是人類生存生活永恒不變的話題。通過實習(xí)，我才真正領(lǐng)略到“艱苦奮斗”這一詞的真正含義，我才意識到老一輩設(shè)計員為我們的社會付出。我想說，設(shè)計確實有些辛苦，但苦中也有樂，在如今物欲很流的世界，很少有