電子測量技術(shù)聲級計的設(shè)計說明

1、電子測量技術(shù)課程設(shè)計報告課題：聲級計的設(shè)計班級 電子3071 學(xué)號 3072107110學(xué)生專業(yè)電子信息工程系別電子與電氣工程學(xué)院指導(dǎo)教師電子測量課程設(shè)計指導(dǎo)小組工學(xué)院電子信息工程系2010年6月設(shè)計目的:1.1培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的正確設(shè)計思想，訓(xùn)練綜合運用已經(jīng)學(xué)過的理論和 生產(chǎn)實際知識去分析和解決工程實際問題的能力。1.2學(xué)習(xí)較復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計的一般方法， 提高基于模擬、數(shù)字電路等知識解 決電子信息方面常見實際問題的能力，由學(xué)生自行設(shè)計、自行制作和自行調(diào)試。1.3進行基本技能訓(xùn)練，如基本儀器儀表的使用，常用元器件的識別、測量、熟 練運用的能力，掌握設(shè)計資料、手冊、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)以及使用仿真軟件

2、、實驗設(shè)備進 行調(diào)試和數(shù)據(jù)處理等。1.4培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力設(shè)計要求:1、測量圍:20 150dB;2、測量結(jié)果以3位數(shù)碼顯示；3、畫出總體設(shè)計電路圖；4、提交格式上符合要求，容完整的設(shè)計報告;三、設(shè)計容3.1總框架圖圖1再級計設(shè)計總框團聲壓級的測量機理人耳的聽閾一般是20mPa （微帕）,痛閾一般是200Pa（帕），其間相 差107倍，這樣寬廣的聲壓圍很不易測量，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/ po） dB （1）其中,基準(zhǔn)量po為20m Pa。當(dāng)p=po時,Lp=0dB,而當(dāng)p=200

3、 Pa時丄P=140dB用聲級計可以測量聲壓級,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行計權(quán)校正,即用A計 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)系倍頻帶中心頻率（Hz）31.563125250500A聲級校正量（dB）-39.4-26.2 -16.1-8.6 -3.2倍頻帶中心頻率（Hz）1k2k4k8k16kA聲級校正量（dB）01.21.0-1.1 -6.6表

4、1總體設(shè)計思路及方法說明環(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。由運放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,輸出的頻率信號變成TTL電平送給單片機的 P3.4引腳，作為T0的計數(shù)脈沖。系統(tǒng)的核心部分是80C51單片機,其P3.5引腳 接入由NE555構(gòu)成的定時器輸出的100kHz方波,通過T1中斷去控制T0定時計數(shù)。 從T0端輸入的計數(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)CC

5、4511譯碼再驅(qū)動三位LED數(shù)碼管顯示,適當(dāng)控制譯 碼器使能端，使三數(shù)碼管實現(xiàn)動態(tài)顯示，降低功耗。四、單元電路設(shè)計4.1駐極體傳聲器駐極體傳聲器有兩塊金屬極板，其中一塊表面涂有駐極體薄膜（多數(shù)為聚全 氟乙丙烯）并將其接地，另一極板接在場效應(yīng)晶體管的柵極上，柵極與源極之間 接有一個二極管。當(dāng)駐極體膜片本身帶有電荷，表面電荷地電量為Q,板極間地電容量為C,則在極頭上產(chǎn)生地電壓 U=Q/C，當(dāng)受到振動或受到氣流地摩擦?xí)r， 由于振動使兩極板間的距離改變， 即電容C改變，而電量Q不變，就會引起電壓 的變化，電壓變化的大小，反映了外界聲壓的強弱，這種電壓變化頻率反映了外 界聲音的頻率，這就是駐極體傳聲器地

6、工作原理。由于這種傳聲器也是電容式結(jié)構(gòu)，信號阻很大，為了將聲音產(chǎn)生的電壓信號 引出來并加以放大，其輸出端也必須使用場效應(yīng)晶體管。4.2集成四運放LM324LM324是四運放集成電路，它的部包含四組形式完全相同的運算放大器，除 電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器，LM324的引腳排列可用下 圖表示。S 2運算敢丸器和LM戲4的引腳挫列本設(shè)計中用LM324作相交流放大器。同相交流放大器的特點是輸入阻抗高。 其中 的R1、R2組成1/2V+分壓電路,通過R3對運放進行偏置。電路的電壓放大倍數(shù) Av也僅由外接電阻決定：Av=1+Rf/R4,電路輸入電阻為R3, R4的阻值圍為幾千 歐姆到幾

7、十千歐姆。4.3 NE555構(gòu)成的方波輸出電路本設(shè)計中用NE555構(gòu)成定時器輸出100KHZ勺方波，接入80C51單片機的P3.5 引腳，通過T1中斷去控制T0定時計數(shù)。圖4為NE555構(gòu)成的100KHZ方波產(chǎn)生 電路。圖中，電路利用D2 D3單向?qū)щ娞匦詫㈦娙萜?C充、放電回路分開，可 以通過選取不同的RA和RB的值來調(diào)節(jié)振蕩器輸出波形的占空比：q=RA/(RA+RB) 因而，振蕩頻率為：f=1.43/(RA+RB)C。|vccriRAD遼乙0圖4 NE555構(gòu)成的方波輸出電路4.4 LM331頻率電壓轉(zhuǎn)換器圖5是由LM331組成的電壓頻率變換電路，輸出的頻率信號變成 TTL電平 送給單片機

8、的P3.4引腳，作為TO的計數(shù)脈沖。該轉(zhuǎn)換電路線性良好,抗干擾能力 強,輸出頻率圍在1010000Hz以上，其變化比達103,優(yōu)于普通8位并行A/D轉(zhuǎn)換 器,有利于提高系統(tǒng)的測量圍。LM331部由輸入比較器、定時比較器、R S觸發(fā)器、輸出驅(qū)動、復(fù)零晶體 管、能隙基準(zhǔn)電路和電流開關(guān)等部分組成。輸出驅(qū)動管采用集電極開路形式，因而可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配 TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。當(dāng)輸入端 Vi +輸入一正電壓時，輸入比 較器輸出高電平，使R S觸發(fā)器置位，輸出高電平，輸出驅(qū)動管導(dǎo)通，輸出端 f0為邏輯低電平，同時電源Vcc也通過電阻R2對電

9、容C2充電。當(dāng)電容C2兩 端充電電壓大于Vcc的2/3時，定時比較器輸出一高電平，使R-S觸發(fā)器復(fù)位， 輸出低電平，輸出驅(qū)動管截止，輸出端 f0為邏輯高電平，同時，復(fù)零晶體管導(dǎo) 通，電容C2通過復(fù)零晶體管迅速放電；電子開關(guān)使電容C3對電阻R3放電。當(dāng)電容C3放電，電壓等于輸入電壓 Vi時，輸入比較器再次輸出高電平，使 R S觸發(fā)器置位，如此反復(fù)循環(huán)，構(gòu)成自激振蕩。輸出脈沖頻率 f0與輸入電壓 Vi成正比，從而實現(xiàn)了電壓一頻率變換。其輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系為：fo=(Vin X R4)/(2.09 X R3X R2X C2)由式知電阻R2 R3 R4和C2直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果fO ,因此對元件的精

10、度要有一定的要求，可根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當(dāng)選擇。電阻R1和電容C1組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉(zhuǎn)換精度。4.5用80C51單片機設(shè)計軟件部分環(huán)境噪聲測量系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計，由主程序、中斷服務(wù)程序、查表 子程序和顯示子程序組成。主程序處于循環(huán)工作狀態(tài)，主要完成定時/計數(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時鐘計數(shù)達0.5秒后,申請中 斷,CPU響應(yīng)中斷后即讀取THO TL0兩寄存器中的計數(shù)值,并重新初始化T0、T1, 以便檢測下一次的數(shù)據(jù)。各程序模塊的流程圖如圖 6所示。< J主程序中斷入口重新初始化TOT1桿|斷返回廠

11、i=rhl取表中取字節(jié)數(shù)專!<55>(TH0XTLa)r>查表孑程序入口置磺首地扯fc）奩義子程序< I）中斷服務(wù)程序*置掃ggg允許高位顯示送顯親值交抉顯示位|顯示子程序圖6軟件龍程圖得指出的是，查表程序?qū)崿F(xiàn)了計數(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TO計數(shù)值每增加12.2%,聲壓級增加1dB。在E2PROM 中定義一表格,每三個字節(jié)為一組數(shù)據(jù)，其中前兩個字節(jié)為計數(shù)值，后一個字節(jié)為 壓縮BCD碼表示的聲壓級值。調(diào)試時,參照精密聲級計，讀出某聲壓級所對應(yīng)的計 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

12、進行調(diào)整。下面給出定義該表格的偽指令格式。TAB: DB 1BH,0A0H,0BBH,;05H, 83H, 83H,04H,0EAH, 82H,04H, 61H, 81H,03H,0E7H, 80H,03H, 7AH, 79H,03H, 19H, 78H,02H,0C3H, 77H,02H, 76H, 76H,00H, 00H,0AAH ;其中,“oaah、“obbh兩個數(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。4.6 CC

13、4511譯碼驅(qū)動電路七段譯碼驅(qū)動器本設(shè)計中采用CC4511BCD碼（鎖存/七段譯碼/驅(qū)動器）來驅(qū)動共陰數(shù)碼管。 圖7為CC4511引腳排列。其中，A, B, C, D是四個輸入端和ag是七個輸出 端，它還具有輸入BCD碼鎖存、燈測試和熄滅顯示控制功能，它們分別由鎖存端 LE、燈測試端LT、熄滅控制端/BI來控制。16L311CC4511BI LE Aa AO GNDAl A2圖7 CC4511引腳排列圖實驗時只要接通+5V電源和將十進制數(shù)的BCD碼接到譯碼器的相應(yīng)輸入端即 可顯示0 9的數(shù)字。四位數(shù)碼管可接受四組BCD碼輸入。CC4511與數(shù)碼管的連接如圖8所示。 此電路中只使用CC4511的

14、譯碼功能，故將3、4腳接電源，5、8腳接地，從單 片機P0端口輸出的電平分別接入 CC4511的 A B C D端，經(jīng)過譯碼后輸出七 位編碼。由CC4511的驅(qū)動和輸出的數(shù)碼點亮對應(yīng)的段，顯示相應(yīng)的數(shù)值。Vc10*3t15 _=一iAJK?AIlDLTKiulaI1圖8 CC4511與數(shù)碼管的連接七段發(fā)光二極管數(shù)碼管一個LED數(shù)碼管可用來顯示一位09十進制數(shù)。LED數(shù)碼管要顯示BCD碼 所表示的十進制數(shù)字就需要有一個專門的譯碼器，該譯碼器不但要完成譯碼功 能，還要有相當(dāng)?shù)尿?qū)動能力。f g a b圖9 (b)共陰數(shù)碼管引腳IILUOiZ7Z11 11zzabed e f g圖9(a) (b)為共

15、陰管電路和共陰數(shù)碼管引出腳功能圖圖9 (a)共陰管電路五. 設(shè)計總結(jié)本次課程設(shè)計，在老師布置課題并講解了基本原理后， 兩個星期以來我查閱 了許多有關(guān)此設(shè)計的資料，并通過與同學(xué)交流經(jīng)驗和自學(xué)，以及向老師請教等方 式，最終基本完成了此次課程設(shè)計。 通過這次電子課程設(shè)計，對以前所學(xué)的電子 電路知識既是鞏固又是發(fā)展，進一步理解并加深了對所學(xué)的電子技術(shù)的認識。學(xué)會了在實踐中運用理論，用理論來指導(dǎo)實踐，培養(yǎng)了理論聯(lián)系實際的正確設(shè)計思 想。通過對課題的設(shè)計，訓(xùn)練了運用所學(xué)的理論知識去思考問題并聯(lián)系理論實際 解決問題的能力，提高了邏輯思維的能力。同時通過此次設(shè)計，學(xué)會了較復(fù)雜的 電子系統(tǒng)設(shè)計的一般方法，進一步

16、掌握了分析與設(shè)計一般電子電路的方法， 并增 強了獨立的思考問題和解決問題的能力。 同時進行基本的技能訓(xùn)練，學(xué)會了基本 儀器的使用及基本電子元器件的識別與測量， 進一步了解了一些重要的也是基本的電子元器件的部工作原理，深刻領(lǐng)會了該元器件的工作方式和工作環(huán)境。 總之, 通過這次電子課程設(shè)計，培養(yǎng)了實際運用理論的能力，懂得理論聯(lián)系實際去處理 問題，也培養(yǎng)了吃苦耐勞的精神，為以后更好的的學(xué)習(xí)和工作打下了結(jié)實的基礎(chǔ)， 對于我們來說是一次難得的實踐機遇，也是一個寶貴的精神財富。六. 總圖W9UJ!RSTALE 西PI 口 P1.1 "i 2 PI3 Fit P|? 叭占 P17IQOMU AJUkUI msknzW3RDS «34*.DI fa».DEKUfW-Di1FZEWJ F