基于單片機(jī)的環(huán)境噪聲監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的環(huán)境噪聲監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)【摘要】噪聲對人體健康有著嚴(yán)重的危害，因此減少噪聲危害已成為當(dāng)前一項(xiàng)重要的任務(wù)。環(huán)境噪聲監(jiān)測，是人類提高生活質(zhì)量，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。凡是妨礙人們正常休息、學(xué)習(xí)和工作的聲音，以及對人們要聽的聲音產(chǎn)生干擾的聲音都叫做噪聲。從這個(gè)意義上來說，噪音的來源很多，如，街道上的汽車聲、安靜的圖書館里的說話聲、建筑工地的機(jī)器聲、以及鄰居電視機(jī)過大的聲音，都是噪聲。本文詳細(xì)介紹了噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的測量原理和系統(tǒng)組成，包括：噪聲信號的轉(zhuǎn)換、放大、V/F轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集和顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。外界噪聲信號通過傳聲器轉(zhuǎn)換成音頻信號，電信號經(jīng)過放大和V/ F 變換輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)

2、換成相應(yīng)的噪聲分貝值通過LED 顯示，從而實(shí)現(xiàn)噪聲的實(shí)時(shí)監(jiān)測。該系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)簡單，精確度高，可用于實(shí)際進(jìn)行噪聲的實(shí)時(shí)監(jiān)測等特點(diǎn)?！娟P(guān)鍵詞】運(yùn)算放大器 V/F轉(zhuǎn)換器 單片機(jī) LEDDesign of an environment noise instrument on the basis of single chip computerAbstractThe 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

3、 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 sy

4、stem,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 Micoyos input signa

5、l. Then the SCM will change it into a noise DB value, which will be displayed on LED. This system is simple 0and has high precision, so it is always used in monitoring the urban noise real-time.Key wordsamplifier V/ F converter Single Chip Computer LED目 錄第1章 引言11.1課題產(chǎn)生的背景11.2 有關(guān)噪聲的基礎(chǔ)知識21.3 噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)

6、現(xiàn)狀71.4 本課題的主要任務(wù)及意義7第2章 噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)92.1 噪聲監(jiān)測系統(tǒng)任務(wù)分析92.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案92.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案10第3章 噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)123.1 傳聲器123.2 信號放大器143.3 交直流轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)163.4 電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)173.5 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)203.6 顯示及指示電路的設(shè)計(jì)26第4章 噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)294.1 噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案294.2 系統(tǒng)內(nèi)部RAM的分配314.3 中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)314.4 查表子程序354.5 顯示子程序364.6 指示范圍子程序37第5章 系統(tǒng)調(diào)試與分析395.1 調(diào)

7、試分析的一般過程395.2 硬件調(diào)試395.3 軟件調(diào)試405.4 噪聲監(jiān)測器的系統(tǒng)調(diào)試415.5 調(diào)試故障及原因分析415.6 測試結(jié)果分析42結(jié) 論43社會經(jīng)濟(jì)效益分析44參考文獻(xiàn)45致 謝46II信息工程學(xué)院 基于單片機(jī)的環(huán)境噪聲監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)第1章 引言1.1課題產(chǎn)生的背景噪聲即噪音，是一類引起人煩躁、或音量過強(qiáng)而危害人體健康的聲音。噪音的波形是雜亂無章的。從環(huán)境保護(hù)的角度看，凡是影響人們正常學(xué)習(xí)、工作和休息的聲音，凡是人們在某些場合“不需要的聲音”，都統(tǒng)稱為噪聲。如機(jī)器的轟鳴聲，各種交通工具的馬達(dá)聲、鳴笛聲，人的嘈雜聲及各種突發(fā)的聲響等，均稱為噪聲。噪聲污染屬于感覺公害，它與人們的主觀

8、意愿有關(guān)，與人們的生活狀態(tài)有關(guān)，因而它具有與其他公害不同的特點(diǎn)。噪音污染主要來源于交通運(yùn)輸、車輛鳴笛、工業(yè)噪音、建筑施工、社會噪音如音樂廳、高音喇叭、早市和人的大聲說話等。 環(huán)境噪聲監(jiān)測是人類提高生活質(zhì)量，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在各大城市的繁華街區(qū)和居民區(qū)，已有大型環(huán)境噪聲顯示器豎立街頭。但目前國內(nèi)的便攜式噪聲測試儀，多為價(jià)格昂貴的進(jìn)口專用設(shè)備，除衛(wèi)生、計(jì)量等環(huán)保專業(yè)部門擁有外，無法作為民用品推廣普及。本文介紹一種以89C52單片機(jī)為核心，采用V/F轉(zhuǎn)換技術(shù)構(gòu)成的低成本、便攜式數(shù)字顯示環(huán)境噪聲測量儀。該儀器工作穩(wěn)定、性能良好，經(jīng)校驗(yàn)定標(biāo)后能滿足一般民用需要，可廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、機(jī)關(guān)學(xué)校

9、等需要對環(huán)境噪聲進(jìn)行測量和控制的場合。噪聲測量一般有如下幾個(gè)方面的目的：測量聲壓級以了解噪聲對環(huán)境的污染情況，檢驗(yàn)噪聲是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；進(jìn)行噪聲信號的頻譜分析，以了解噪聲的頻率結(jié)構(gòu)；測量噪聲源的聲功率或聲功率級，以客觀了解噪聲源特性。按測量環(huán)境來分，噪聲測量分實(shí)驗(yàn)室測量和現(xiàn)場測量兩種。所謂噪聲的實(shí)驗(yàn)室測量是指將被測對象放在消聲室或混響室中測量，其測量的精度比較高。但由于條件的限制，大多情況下只能進(jìn)行現(xiàn)場測量。為了更客觀地表示儀器設(shè)備的噪聲源特性，往往需要測量噪聲源的聲功率級。因?yàn)樵谝欢ǖ墓ぷ鳡顟B(tài)下，儀器的聲功率級是一個(gè)恒量，它不象聲壓級隨距離的改變而改變。但聲功率級是不能直接測出的，它是在特定

10、條件下，由測得的聲壓級計(jì)算而得到的。此處僅對常用的自由場法作一簡單的介紹。設(shè)是以噪聲源為中心，r為半徑的球面S上數(shù)個(gè)測點(diǎn)測出的平均聲壓級。r應(yīng)選擇得足夠大，一般為被測對象尺寸的兩倍。設(shè)參考面積S0為1，則在自由場中的聲功率級為(1-1)如儀器放在堅(jiān)硬的地面上，此時(shí)聲源以半球面輻射。于是式（1-1）化為(1-2)式中，為非標(biāo)準(zhǔn)氣壓和溫度狀態(tài)時(shí)的修正量；按下式求得：(1-3)式中，為個(gè)測點(diǎn)平均聲壓；為第個(gè)測點(diǎn)的聲壓；為基準(zhǔn)聲壓。為了滿足自由場條件，此時(shí)，距離聲源為和兩點(diǎn)處的聲壓級應(yīng)滿足下列關(guān)系：(1-4)當(dāng)時(shí)，即在自由場中距離加倍，噪聲級減少6dB，據(jù)此，可以判斷聲場是否為自由場。本文所述的測量系

11、統(tǒng)主要是考慮人耳對噪聲的主觀評價(jià)。因此采用聲功率級測量，即外界噪聲信號通過傳聲器轉(zhuǎn)換成音頻信號，經(jīng)過放大和V/ F 變換輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的DB 值通過LED 顯示，從而實(shí)現(xiàn)噪聲的實(shí)時(shí)監(jiān)測。1.2 有關(guān)噪聲的基礎(chǔ)知識一、 振動與聲振動與聲是緊密相連的，不同的聲音就是不同的振動方式，聲源體發(fā)生振動會引起四周空氣振蕩，這種振蕩方式就是聲波。聲音是以聲波的形式進(jìn)行傳遞和存在的。聲波借助空氣向四面八方傳播。聲波在傳播中遇到障礙物時(shí)，它的能量一部分會被障礙物吸收，另一部分會被反射回來。若在一個(gè)封閉的室內(nèi)，產(chǎn)生的反射聲波會被周圍的墻壁、天花板和其它障礙物所吸收和反射，形成一系列逐漸衰減的反

12、射聲波。聲波是一種機(jī)械波，具有縱波一般的波動特性，例如，反射、折射、繞射、干涉等。機(jī)械振動常常引起聲波輻射，物體振動時(shí)激勵(lì)著它周圍的空氣質(zhì)點(diǎn)振動。由于空氣具有可壓縮性，在質(zhì)點(diǎn)的相互作用下，振動物體周圍的空氣就交替地產(chǎn)生壓縮與膨脹，并且逐漸向外傳播而形成聲波。聲音三要素是：響度、音高、音色。（一）響度響度，又稱聲強(qiáng)或音量，它表示的是聲音能量的強(qiáng)弱程度，主要取決于聲波振幅的大小。聲音的響度一般用聲壓或聲強(qiáng)來計(jì)量，聲壓的單位為帕(Pa)，它與基準(zhǔn)聲壓比值的對數(shù)值稱為聲壓級，單位是分貝(dB)。響度是聽覺的基礎(chǔ)。正常人聽覺的強(qiáng)度范圍為0dB140dB。固然，超出人耳的可聽頻率范圍(即頻域)的聲音，即使

13、響度再大，人耳也聽不出來。但在人耳的可聽頻域內(nèi)，若聲音弱到或強(qiáng)到一定程度，人耳同樣是聽不到的。當(dāng)聲音減弱到人耳剛剛可以聽見時(shí)，此時(shí)的聲音強(qiáng)度稱為“聽閾”。而當(dāng)聲音增強(qiáng)到使人耳感到疼痛時(shí)，這個(gè)閾值稱為“痛閾”。（二）音高也稱音調(diào)，表示人耳對聲音調(diào)子高低的主觀感受?？陀^上音高大小主要取決于聲波基頻的高低，頻率高則音調(diào)高，反之則低，單位用赫茲(Hz)表示。人耳對響度的感覺有一個(gè)從聞閾到痛閾的范圍。人耳對頻率的感覺同樣有一個(gè)從最低可聽頻率20Hz到最高可聽頻率20kHz的范圍。音高與頻率之間的變化并非線性關(guān)系，除了頻率之外，音高還與聲音的響度及波形有關(guān)。音高的變化與兩個(gè)頻率相對變化的對數(shù)成正比。 （三

14、）音色音色又稱音品，由聲音波形的諧波頻譜和包絡(luò)決定。聲音波形的基頻所產(chǎn)生的聽得最清楚的音稱為基音，各次諧波的微小振動所產(chǎn)生的聲音稱泛音。單一頻率的音稱為純音，具有諧波的音稱為復(fù)音。聲音波形各次諧波的比例和隨時(shí)間的衰減大小決定了各種聲源的音色特征，其包絡(luò)是每個(gè)周期波峰間的連線，包絡(luò)的陡緩影響聲音強(qiáng)度的瞬態(tài)特性。另外，表征聲音的其它物理特性還有：音值，又稱音長，是由振動持續(xù)時(shí)間的長短決定的。持續(xù)的時(shí)間長，音則長；反之則短。從以上主觀描述聲音的三個(gè)主要特征看，人耳的聽覺特性并非完全線性。聲音傳到人的耳內(nèi)經(jīng)處理后，除了基音外，還會產(chǎn)生各種諧音及它們的和音和差音，并不是所有這些成分都能被感覺。人耳對聲音

15、具有接收、選擇、分析、判斷響度、音高和音品的功能。根據(jù)聲音的物理特性還可以分為音質(zhì)、音長、音強(qiáng)和音高四個(gè)要素。二、 聲波方程聲波方程是根據(jù)聲波動過程的物理性質(zhì)，應(yīng)用物理學(xué)中三個(gè)基本定律，即牛頓第二定律、質(zhì)量守恒定律以及描述壓強(qiáng)、體積和溫度等狀態(tài)參數(shù)關(guān)系的物態(tài)方程，建立的聲壓隨空間位置和時(shí)間變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在理想媒質(zhì)中，波動方程為：(1-5)式中聲壓（）；拉普拉斯算子。由聲源輻射的聲波在同一時(shí)刻相位相同各點(diǎn)的軌跡叫波陣面，也稱波前。波陣面為平面的聲波稱為平面波，即同一時(shí)刻振動相位相同的質(zhì)點(diǎn)在同一無限延伸的平面上。當(dāng)一個(gè)點(diǎn)聲源在無反射物的空間中輻射聲波時(shí)，在距離聲源足夠遠(yuǎn)處的聲波，可以認(rèn)為是平面

16、波。平面波是聲波中最簡單的一種。在實(shí)際工作中，為了簡化運(yùn)算，經(jīng)常將聲波作近似處理，距離聲源較遠(yuǎn)的聲波都可以近似地按平面波處理。設(shè)X軸是聲波傳播的方向，在原點(diǎn)X=0處的平面上各點(diǎn)的振動狀態(tài)為： ，聲速為C，則時(shí)間t后，聲波向前傳播了距離x=ct。在距離x處的振動可寫為：(1-6)分別對位移x，時(shí)間t求二次偏導(dǎo)數(shù)得式（1-7），此方程即為平面波沿x軸方向傳播的波動方程：(1-7)三、 聲壓級測量機(jī)理人耳的聽閾一般是20uPa(微帕)，痛閾一般是200Pa（帕），其間相差107倍，這樣寬廣的聲壓范圍很不易測量，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，

17、將聲壓P的聲壓級表示成(1-8)其中，基準(zhǔn)量P0為20uPa。當(dāng)P= P0時(shí)，LP=0dB，而當(dāng)P=200 Pa時(shí)，LP=140dB。用聲級計(jì)可以測量聲壓級，聲級計(jì)一般由傳聲器、前置放大器、衰減器、放大器、計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)、檢波器、指示表頭和電源等組成，其原理方框圖如圖1-1所示。圖1-1 聲級計(jì)原理方框圖1-傳聲器，2-前置放大器，3-輸入衰減器，4-輸入放大器，5-計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)6-輸出衰減器，7-輸出放大器，8-檢波器 9-表頭為適應(yīng)測量現(xiàn)場的需要，聲級計(jì)一般都備有三腳支架，以便視需要將聲級計(jì)固定在三腳支架上。聲級計(jì)面板上一般還備有一些插孔。這些插孔如果與便攜式倍頻濾波器相聯(lián)，可組成小型現(xiàn)場使用的簡易

18、頻譜分析系統(tǒng)，如果與錄音機(jī)組合，則可把現(xiàn)場噪聲錄制在磁帶上貯存下來，以便待以后再進(jìn)行更祥細(xì)的研究，如果與示波器組合，則可觀察到聲壓變化的波形，并可用照相機(jī)將波形攝制下來，還可以把分析儀、記錄儀等儀器與聲級計(jì)組合、配套使用，這要根據(jù)測試條件和測試要求而定。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(shí)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(jìn)行計(jì)權(quán)校正，即用A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)測得A聲級，寫成dB（A）。表1-1給出倍頻帶中心頻率與A聲級的校正量之間的關(guān)系。表1-1 倍頻帶中心頻率與A聲級校正量的關(guān)系倍頻帶中心頻

19、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）01.21.0-1.1-6.6四、 噪聲簡介（一）噪聲概念物理學(xué)定義：噪聲是發(fā)聲體做無規(guī)則振動時(shí)發(fā)出的聲音。生理學(xué)定義：凡是妨礙人們正常休息、學(xué)習(xí)和工作的聲音，以及對人們要聽的聲音產(chǎn)生干擾的聲音。從這個(gè)意義上來說，噪聲的來源很多。街道上的汽車聲、安靜的圖書館里的說話聲、建筑工地的機(jī)器聲、以及鄰居電視機(jī)過大的聲音，都是噪聲?？傮w講，噪音是物體振動產(chǎn)生。（二）噪聲對人的危害隨著工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、城市建筑的發(fā)展，以及人口密度的增加，

20、家庭設(shè)施（音響、空調(diào)、電視機(jī)等）的增多，環(huán)境噪聲日益嚴(yán)重，它已成為污染人類社會環(huán)境的一大公害。噪聲具有局部性、暫時(shí)性和多發(fā)性的特點(diǎn)。噪聲不僅會影響聽力，而且還對人的心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，所以有人稱噪聲為“致人死命的慢性毒藥”。噪聲給人帶來生理上和心理上的危害主要有以下幾方面： 干擾休息和睡眠、影響工作效率。 損傷聽覺、視覺器官； 對人體的生理影響：損害心血管，對女性生理機(jī)能的損害，噪聲還可以引起如神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂、精神障礙、內(nèi)分泌紊亂甚至事故率升高。（三）防治噪聲污染的一些辦法 營造隔音林； 將噪聲污染嚴(yán)重的企業(yè)搬離市區(qū)； 源頭處預(yù)防，傳播過程消減 。（四）噪聲的利用噪

21、聲一向?yàn)槿藗兯鶇拹?，但是，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們也能利用噪聲造福人類。雖然噪音是世界四大公害之一，但它還是有用處的。利用噪聲除草；利用噪聲發(fā)電；利用噪聲來制冷；利用噪聲除塵；利用噪聲克敵；利用噪聲診??；利用噪聲有源消聲。（五）人對不同聲強(qiáng)的感覺無法忍受：150dB130dB；感到疼痛：130dB110dB；較靜：70dB50dB；安靜：50dB30dB；極靜：30dB10dB；無聲：0dB。1.3 噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)現(xiàn)狀隨著噪聲污染的日趨嚴(yán)重，噪聲監(jiān)測技術(shù)的研究及設(shè)備的開發(fā)也得到迅速發(fā)展，世界發(fā)達(dá)國家的噪聲監(jiān)測設(shè)備的產(chǎn)值平均以10-15%的速度增加，我國在93年噪聲振動監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)值已達(dá)到

22、6.2億元，“八五”期間用于噪聲治理的工程費(fèi)用達(dá)到9.2億元，上述產(chǎn)值尚不包括配套的噪聲振動監(jiān)測設(shè)備，預(yù)計(jì)我國配套的噪聲振動監(jiān)測設(shè)備20億左右。高速運(yùn)輸系統(tǒng)和工具等一些新出現(xiàn)的噪聲源和計(jì)算機(jī)、數(shù)字處理、新材料等技術(shù)發(fā)展使噪聲監(jiān)測技術(shù)、設(shè)備的研究與發(fā)展面臨挑戰(zhàn)，又提供了機(jī)遇。噪聲監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備已開始進(jìn)入規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和配套化階段。噪聲監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備的研究和開發(fā)已取得很大進(jìn)展但應(yīng)看到仍有一些技術(shù)不夠成熟，需進(jìn)一步研究的問題仍然很多。聲級計(jì)是一種能夠把工業(yè)噪聲、生活噪聲和車輛噪聲等，按人耳聽覺特性近似地測定其噪聲級的儀器。噪聲級是指用聲級計(jì)測得的并經(jīng)過聽感修正的聲壓級（dB）或響度級（方）。

23、根據(jù)聲級計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)條件下測量1000Hz純音所表現(xiàn)出的精度，六十年代國際上把聲級計(jì)分為兩類，一類叫精密聲級計(jì)，一類叫普通聲級計(jì)。我國也采用這種分法。70年代以來有些國家推行四類分法，即分為0型、1型、2型和3型。它們的精度分別為±0.46、±0.76、±1.00和±1.5dB。根據(jù)聲級計(jì)所用電源的不同，還可將聲級計(jì)分為交流式聲級計(jì)和用干電池的電池式聲級計(jì)兩類。電池式聲級計(jì)也稱為便攜式聲級計(jì)，這種儀器體積小、重量輕、現(xiàn)場使用方便。1.4 本課題的主要任務(wù)及意義一、 設(shè)計(jì)任務(wù)查閱資料，了解課題背景，了解環(huán)境噪聲的特點(diǎn)。學(xué)習(xí)、掌握聲壓計(jì)的測量機(jī)理、傳聲器測量基本

24、原理。合理選擇噪聲測量傳感器，掌握其測量原理及應(yīng)用。學(xué)習(xí)單片機(jī)原理，熟悉單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件編程。進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì)，做出開題報(bào)告。進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，包括傳聲器測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。審查后，焊接或在面包板上搭接電路。編寫程序，仿真調(diào)試。仿真調(diào)試通過后，固化程序，脫離開發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行環(huán)境模擬，測試系統(tǒng)，完成系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。二、 課題意義噪聲是日常生活中常見的物理現(xiàn)象。在大多數(shù)情況下，噪聲是有害的。噪聲在生理和心理上也會危害人類的健康，因而已被列入需要控制的危害之一。但噪聲也有可以被利用的一面。無論是利用噪聲還是防止噪聲，都必須確定其量值。在長期的科學(xué)研究和工程實(shí)踐中已逐步形成了

25、一門較完整的噪聲工程學(xué)科，可供進(jìn)行理論計(jì)算和分析。但這些畢竟還是建立在簡化和近似的數(shù)學(xué)模型上，還必須用試驗(yàn)和測量技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。隨著現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對各種儀器設(shè)備提出了低噪聲的要求，需要進(jìn)行噪聲的分析與設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，改進(jìn)設(shè)計(jì)?？傊?，噪聲的測量不僅在噪聲研究領(lǐng)域里占有重要的地位，而且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、建筑工程、地球物探、生物醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域。三、 論文內(nèi)容安排本文對噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的各個(gè)不同部分分別進(jìn)行了介紹。首先在第1章緒論中簡要地介紹研究噪聲監(jiān)測的意義以及有關(guān)于噪聲的一些的基礎(chǔ)知識。第2章是噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，主要包括硬件和軟件設(shè)計(jì)兩部分。第3章是噪聲監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)

26、計(jì)，本章主要介紹了傳聲器、功率放大器、交直流轉(zhuǎn)換電路、V/F轉(zhuǎn)換電路以及數(shù)據(jù)的采集，處理和顯示部分的設(shè)計(jì)。第4章是噪聲監(jiān)測的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，本章主要介紹單片機(jī)編程以及主程序設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示等功能。第5章是系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析，說明了硬件調(diào)試、軟件調(diào)試及軟硬聯(lián)調(diào)的過程，并介紹了調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題和解決的辦法。第2章 噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)2.1 噪聲監(jiān)測系統(tǒng)任務(wù)分析本設(shè)計(jì)的任務(wù)是要完成基于單片機(jī)的環(huán)境噪聲監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它主要是設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心、采用V/F轉(zhuǎn)換技術(shù)的便攜式環(huán)境噪聲測量儀，實(shí)現(xiàn)環(huán)境噪聲的實(shí)時(shí)測量和LED數(shù)字顯示，給出噪聲水平的大致指示?；诒敬稳蝿?wù)，該設(shè)計(jì)方案由硬

27、件和軟件兩部分組成。噪聲測量儀的硬件電路系統(tǒng)，包括噪聲信號的轉(zhuǎn)換、放大、交直流轉(zhuǎn)換與電壓、頻率轉(zhuǎn)換電路以及單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路、LED顯示電路等。軟件部分主要是用單片機(jī)語言編程，實(shí)現(xiàn)對信號的采集、轉(zhuǎn)換及顯示。在遵循軟硬件相結(jié)合的原則下，先進(jìn)行硬件電路的計(jì)，再進(jìn)行軟件編程，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，并對各模塊進(jìn)行調(diào)試，最后進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試和故障的排除。2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。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。放大電路由運(yùn)放LM386構(gòu)成，精心調(diào)整相關(guān)外圍元件參數(shù)，可使其輸出幅頻特性滿足測量要求的電壓信號。通過V/F轉(zhuǎn)換器后，輸出頻率信號變?yōu)門TL電平送

28、給單片機(jī)的P3.4引腳，經(jīng)軟件處理后，噪聲聲壓級顯示值由P1口輸出，驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示。噪聲傳感器聲噪聲放大器器交直流轉(zhuǎn)換V/F轉(zhuǎn)換電路單片機(jī)LED顯示圖2-1 噪聲監(jiān)測儀硬件結(jié)構(gòu)框圖傳聲器是將聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，是噪聲測量系統(tǒng)中的一個(gè)主要環(huán)節(jié)。功率放大器的作用相當(dāng)于揚(yáng)聲器的音量調(diào)節(jié)器。音頻功率放大電路的作用主要是將信號處理器發(fā)送過來的信號功率放大，使其信號的功率達(dá)到設(shè)計(jì)要求。此方案中的V/F轉(zhuǎn)換電路主要是由LM331構(gòu)成的電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路。LM331使用了新型溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)和4伏電源電壓下都有較高精度。LM331可得到只有價(jià)格高的V/F轉(zhuǎn)換器才有的高

29、水平精度溫度。由LM331構(gòu)成的電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路，輸出的頻率信號變成TTL電平送給單片機(jī)的P3.4引腳，作為T0的計(jì)數(shù)脈沖。該轉(zhuǎn)換電路線性良好，抗干擾能力強(qiáng)，輸出頻率范圍在10100kHz以上，優(yōu)于普通8位并行A/D轉(zhuǎn)換器，有利于提高系統(tǒng)的測量范圍。89C52單片機(jī)是本設(shè)計(jì)的核心部分。LM331直接與單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器連接，這種方式簡單。LED顯示器是由發(fā)光二極管構(gòu)成的，常用的LED顯示器為8段，每一段對應(yīng)一個(gè)發(fā)光二極管。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種顯示方式。此設(shè)計(jì)中用的是動態(tài)顯示方式。2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 環(huán)境噪聲測量系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由

30、主程序、中斷服務(wù)程序、查表子程序和顯示子程序組成。各程序模塊的流程圖如圖2-2所示。在圖中xi表示讀取的計(jì)數(shù)值，i從0開始。主程序處于循環(huán)工作狀態(tài)，主要完成定時(shí)/計(jì)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。值得指出的是，查表程序?qū)崿F(xiàn)了計(jì)數(shù)值向聲壓級的轉(zhuǎn)換。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，除了需要在硬件上采取相應(yīng)的措施外，軟件上采用冗余設(shè)計(jì)法即重復(fù)重要的指令，未用空間設(shè)置操作指令，以防止程序跳飛而死機(jī)。開始定時(shí)/記數(shù)器初始化中斷系統(tǒng)初始化調(diào)用查表子程序調(diào)用顯示子程序（a）主程序中斷入口關(guān)T0、T1讀計(jì)數(shù)器重新初始化T0、T1開T0、T1中斷返回(b)中斷服務(wù)程序查表子程序入口取表中雙字節(jié)數(shù)x

31、ixi>(TH0)(TL0)置表首地址i=i+1數(shù)值顯示返回NY(c)查表子程序顯示子程序入口置表掃描次數(shù)允許高位顯示送顯示值延時(shí)交換顯示位掃描結(jié)束嗎?返回NY(d)顯示子程序圖2-2 噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的軟件流程圖第3章 噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)硬件電路主要由七個(gè)部分組成：傳聲器、音頻放大器、交直流轉(zhuǎn)換、V/F轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)采集處理和LED顯示以及測量范圍的指示電路。聲波發(fā)射系統(tǒng)用來發(fā)射非單一頻率的寬頻噪聲信號；接收系統(tǒng)接收經(jīng)揚(yáng)聲器發(fā)出的噪聲音頻信號；信號處理系統(tǒng)是對接收器接收到的信號進(jìn)行調(diào)理，輸入到計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。3.1 傳聲器傳聲器（Microphone）又稱話筒，俗稱“麥克風(fēng)”

32、。傳聲器是將聲波轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號的傳感器。傳聲器包括聲波接收器和力-電換能器兩個(gè)部分。由聲音造成的空氣壓力使傳感器的振動膜振動，進(jìn)而經(jīng)變換器將此機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)換成電參量的變化，是噪聲測量系統(tǒng)中的一個(gè)主要環(huán)節(jié)。根據(jù)膜片感受聲壓的情況不同，傳聲器可分為三類：聲強(qiáng)式傳聲器，其膜片的一面感受聲壓；差壓式傳聲器，其膜片的兩面均感受聲壓，引起膜片振動的力取決于膜片兩面差壓的大??；壓強(qiáng)和差壓組合式傳聲器。在噪聲測量中常用的是壓強(qiáng)式傳聲器。若按照膜片振動轉(zhuǎn)換成電能的方式來分，傳聲器可分為：電容式傳聲器，它利用電場耦合的方式將膜片的振動轉(zhuǎn)換成電量；壓電式傳聲器，通過聲壓使晶體產(chǎn)生電荷；動圈式傳聲器，利用磁場耦合的方

33、式將膜片的振動轉(zhuǎn)換成電量。傳聲器按結(jié)構(gòu)不同，可分為動圈式、晶體式、鋁帶式、電容式、炭粒式、立體聲話筒等多種；按產(chǎn)生電壓的作用原理不同，可分為恒速式和恒幅式兩類；按輸出阻抗可分為高阻式和低阻式。各種傳聲器的主要技術(shù)特性和適用性見表3-1。表3-1 傳聲器的主要技術(shù)特性和適用性主要技術(shù)特性和適用性傳聲器類型電容式壓電式動圈式頻率響應(yīng)聲壓級在±2dB時(shí)，頻率響應(yīng)一般為20-7000Hz，亦有達(dá)20-18000Hz的還較平直不很平直靈敏度0.3-50Mv/Pa較高較低動態(tài)范圍（dB）較高者：20-146較低者：90-184較窄較窄工作環(huán)境要求溫度-50-150相對濕度：<90%因溫度變

34、化，準(zhǔn)確度影響較大能在高溫下工作，但易受磁場干擾適用性適用于精密聲級計(jì)，能與各種帶通濾波器配合使用，必須配用前置放大器適用于普通聲級計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低適用于普通聲級計(jì)，多用于頻率響應(yīng)，靈敏度、指向性要求低的實(shí)驗(yàn)室測量恒速式傳聲器的輸出電壓正比于其運(yùn)動元件的速度。當(dāng)入射聲波強(qiáng)度不隨話音頻率變化時(shí)，則運(yùn)動元件的運(yùn)動速度在運(yùn)用頻帶內(nèi)恒定不變。這類傳聲器，常見的有動圈式傳聲器和鋁帶式傳聲器。恒幅式傳聲器的輸出電壓正比于運(yùn)動元件的位移幅度。當(dāng)入射聲波強(qiáng)度不變時(shí)，該運(yùn)動元件的位移幅度在運(yùn)用頻帶內(nèi)不變，其產(chǎn)生的電動勢不變。這類傳聲器，常見的有晶體傳聲器和電容傳聲器。下面分別作簡要介紹：動圈式：膜片受聲波沖

35、擊、帶動線圈在磁場中運(yùn)動產(chǎn)生電流輸出。優(yōu)點(diǎn)：耐用，音色豐滿。缺點(diǎn)：近講效應(yīng)。（近講效應(yīng)：話筒離音源越近，拾取的音量就越大，反之越小，動圈式話筒與口形接近，其音量提升的同時(shí)低頻成份也隨之大大提高。調(diào)音臺低切功能）。鋁帶式：采用一根很輕的波紋形鋁合金金屬帶，懸于磁場，在兩磁極之間，聲波使金屬帶震動，做切割磁力線運(yùn)動而產(chǎn)生電流輸出。優(yōu)點(diǎn)：阻抗低，聲音清晰高。缺點(diǎn)：怕風(fēng)，只限室內(nèi)使用。電容式：由膜片和在其后的固定極板構(gòu)成一個(gè)電容器，膜片受振引起電容器的容量發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出電壓。優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動性好，瞬態(tài)特性好，頻率響應(yīng)很寬。缺點(diǎn)：需外供電源。晶體式：通信設(shè)備常用到的傳聲器類型一般是晶體式傳聲器。晶體式傳聲

36、器又稱壓電式傳聲器，它是利用晶體的壓電效應(yīng)制成的，化工材料酒石酸鉀鈉和鈦酸鋇晶體都有較強(qiáng)的壓電效應(yīng)。當(dāng)晶體的兩面受到壓力時(shí)，在兩面間出現(xiàn)正負(fù)電荷，產(chǎn)生某一方向的電動勢：當(dāng)受到相反方向的應(yīng)力時(shí)，晶體兩面則產(chǎn)生與受壓力相反的電荷和電動勢。當(dāng)晶體受到交變聲波的作用時(shí)，便產(chǎn)生音頻電動勢。晶體式傳聲器按結(jié)構(gòu)的不同可分為膜片式和聲電池式兩種。膜片式傳聲器價(jià)格低廉、輸出電壓高，使用方便，考慮元器件的性價(jià)比和應(yīng)用功能選用的是膜片式晶體傳聲器。膜片式傳聲器實(shí)物外形如圖3-1所示。圖3-1 膜片式傳聲器實(shí)物外形圖3.2 信號放大器LM386是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品。為使

37、外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20倍。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至200。輸入端以地為參考，同時(shí)輸出端被自動偏置到電源電壓的一半，在6V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24mW,使得LM386特別適用于電池供電的場合。功率放大器的作用相當(dāng)于揚(yáng)聲器的音量調(diào)節(jié)器。音頻功率放大電路的作用主要是將信號處理器發(fā)送過來的信號功率放大，使其信號的功率達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對該部分電路的要求是輸出功率大。在電路設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行對比，通過比較發(fā)現(xiàn)LM386集成電路使用簡單，基本沒有外圍器件，而且它還有體積小、電源范圍寬、外接元件少、電壓增益可調(diào)整、頻率響應(yīng)好、輸出功率大、總諧波失真小

38、等優(yōu)點(diǎn)。因此選用LM386來組成音頻功率放大電路。LM386 被廣泛地應(yīng)用在錄音機(jī)和收音機(jī)音頻放大、室內(nèi)對講機(jī)、紅外線、超聲波、小型馬達(dá)驅(qū)動器等電路中。LM386的引腳圖如圖3-2所示。圖3-2 LM386引腳圖其中LM386的內(nèi)部方塊圖如圖3-3所示。圖3-3 LM386的內(nèi)部方塊圖LM386的特性有以下幾點(diǎn)：1靜態(tài)功耗低，約為4mA,可用于電池供電。 2工作電壓范圍寬，4-12V 或5-18V。3外圍元件少。 4電壓增益可調(diào)，20-200倍。 5低失真度。20倍的音頻放大器如圖3-4所示。由于傳聲器輸出的電信號比較弱，只有毫伏級，為了使數(shù)據(jù)采集卡能很好的采集到相應(yīng)數(shù)據(jù)，必須經(jīng)過電壓放大器進(jìn)

39、行電壓放大，采用LM386芯片電壓增益200倍的接法，即在1和8引腳間接10uF的電容，如圖3-5所示。圖3-4 20倍的音頻放大器圖3-5 200倍的電壓放大器3.3 交直流轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)一、 有效值檢測電路AD536所謂真有效值即為“真正有效值”之意，英文縮寫為“TRMS”，有的文獻(xiàn)也稱為真正有效值。普通數(shù)字直流電壓表自然只能測量直流電壓，欲需測量交流電壓必須增加AC/DC轉(zhuǎn)換電路，一般的交流電壓表為降低成本和簡化電路，均使用簡易的平均值響應(yīng)交流/直流轉(zhuǎn)換器。常用的平均值響應(yīng)AC/DC轉(zhuǎn)換器是運(yùn)算放大器和二極管組成的半波（或全波）線性整流電路，這種電路具有線性度好、準(zhǔn)確度高、電路簡單、成本

40、低廉等優(yōu)點(diǎn)。但是這種電路是按照正弦波平均值與有效值的關(guān)系(VRMS=1.111Vp)來定義的，因此這類電表只能測量正弦波電壓。平均值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換的電壓表只能測量無失真的正弦波電壓，對于正弦波失真的交流電壓，這類電表測量就會引起誤差，更不能測量方波、矩形波、三角波、鋸齒波、梯形波、階梯波等非正弦波，利用真有效值數(shù)字儀表可準(zhǔn)確測量各種波形的有效值，滿足現(xiàn)代電子測量之需要。交流電壓的有效值的表達(dá)式的定義如下：(3-1)近似公式： (3-2)我們對式（3-1）進(jìn)行變換，兩邊平方，并令 (3-3)就得到真有效值電壓的另一種表達(dá)式(3-4)從（3-4）式即得，對輸入電壓依次進(jìn)行“取絕對值平方/除法取平均

41、值”運(yùn)算，也能得到交流電壓的有效值，而且這公式更有使用價(jià)值。舉例說明：假如要測量的電壓變化范圍是0.1V10V，平方后U2=10mV100V，這就要求平方器具有相當(dāng)大的動態(tài)范圍是（10000：1），這樣的平方電路誤差就可能超過1mV，要平方器能輸出100V的電壓，技術(shù)上是難以實(shí)現(xiàn)的。如果使用式（3-4）的既便于設(shè)計(jì)電路，也能保證了準(zhǔn)確度。目前大多數(shù)的集成單片真有效值/直流轉(zhuǎn)換器均采用式（3-4）的原理而設(shè)計(jì)。真有效值儀表的的核心器件是TRMS/DC轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)在市場上這類單片的集成芯片很多，真有效值儀表普遍使用了這類集成電路。單片集成電路具有集成度高、功能完善，外圍元件少，電路連接簡單、電性能指

42、標(biāo)容易保證等諸多優(yōu)點(diǎn)，這類芯片能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)測量各種電壓波形的有效值，無須考慮波形參數(shù)和失真，這些性能是平均值儀表無法比擬的。可見，通過測量信號的有效值即可知信號的峰值信息，從而可知振動的峰值。且輸出的直流信號便于單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。在此系統(tǒng)中采用有效值檢測電路AD536測量信號的有效值，經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理可得振動的振幅。二、 AD536輔助電路的設(shè)計(jì)圖3-6是由AD536構(gòu)成真有效值TRMS/DC轉(zhuǎn)換電路，AD536內(nèi)含有源整流器（絕對值電路），平方/除法電路，鏡像電流源及緩沖放大器。圖中的R2和R3為偏置電阻，兩電阻的公共連接端接到AD536的COM，由于AD536的COM內(nèi)部為

43、CMOS電路，阻抗較高，流經(jīng)COM端的電流僅為數(shù)uA。C1為輸入隔直電容，CAV為平均電容，它與內(nèi)部的電阻r（25K）構(gòu)成低通濾波器，以獲得平均值電壓，有效值電壓通過AD536的第6腳輸出。0 圖3-6 AD536構(gòu)成真有效值電壓表由于電路采用了隔直電容，所以這樣的電路僅適合于測量交流電，不能測量直流或變化緩慢的電壓。AD536的滿量程電壓為7V，如果使用的AD轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍不匹配，應(yīng)設(shè)一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路。3.4 電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)電壓/頻率變換采用集成塊LM331，LM331是美國NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時(shí)間

44、積分器及其他相關(guān)器件。LM331采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0V電源電壓下都有極高的精度。LM331的動態(tài)范圍寬，可達(dá)100dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01，工作頻率低到0.1Hz時(shí)尚有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；外接電路簡單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。一、 電壓-頻率轉(zhuǎn)換芯片LM331LM331/331A是一種非常理想的精密電壓/頻率轉(zhuǎn)換器，可用于制作簡潔、低成本的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，特長積分周期的數(shù)字積分器，線性頻率調(diào)制與解調(diào)及其它各種功能電路。當(dāng)作為壓/頻轉(zhuǎn)換器使用時(shí)，其輸出脈沖鏈

45、的頻率精確地與輸入端施加的電壓成比例變化，體現(xiàn)了壓/頻轉(zhuǎn)換器的特有的優(yōu)勢?？奢p松應(yīng)用于所有的標(biāo)準(zhǔn)壓/頻轉(zhuǎn)換場合。更值得一提的是，LM331/331A達(dá)到的精度-溫度穩(wěn)定性很高。其它同等級別溫度穩(wěn)定性的壓/頻轉(zhuǎn)換模塊成本要高的多。另外，LM331/331A也適用于低工作電壓的數(shù)字系統(tǒng)，在微處理器控制系統(tǒng)中作為低成本的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。此外。用這種轉(zhuǎn)換方式和光電偶合器時(shí)連接相當(dāng)方便。由于LM331/331A內(nèi)含溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源，所以4.0V電壓供電的情況下，就可在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)高精確的工作。內(nèi)部精密計(jì)時(shí)器電路在很低偏置電流的情況下，也不會降低對100kHz電壓/頻率轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)。LM331/331

46、A的輸出可驅(qū)動三個(gè)TTL負(fù)載，其輸出端可承受高達(dá)40V的電壓沖擊。主要特點(diǎn)： 具有最大0.01的線性度； 改進(jìn)的電壓/頻率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用性能； 雙電源或單電源供電； 工作電壓：5V； 數(shù)字脈沖輸出端電平與所有5V的標(biāo)準(zhǔn)邏輯電路兼容； 出色的溫度穩(wěn)定性，溫漂小于±50ppm/； 低功耗：15mW典型值（5V工作電壓）； 動態(tài)范圍寬，在100kHz的頻率范圍下，最小為100dB； 滿量程頻率范圍寬：1Hz100kHz； 低成本。LM331可用作精密的頻率電壓（F/V）轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時(shí)間積分器以及其他相關(guān)的器件。LM331為雙列直插式8腳芯片，其引腳如圖3-7所示。

47、LM331內(nèi)部有（1）輸入比較電路、（2）定時(shí)比較電路、（3）R-S觸發(fā)電路、（4）復(fù)零晶體管、（5）輸出驅(qū)動管、（6）能隙基準(zhǔn)電路、（7）精密電流源電路、（8）電流開關(guān)、（9）輸出保護(hù)點(diǎn)路等部分。輸出管采用集電極開路形式，因此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，從而適應(yīng)TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。此外，LM331可采用單/雙電源供電，電壓范圍為440V，輸出也高達(dá)40V。IR（PIN1）為電流源輸出端，在f0（PIN3）輸出邏輯低電平時(shí)，電流源IR輸出對電容CL充電。引腳2（PIN2）為增益調(diào)整，改變RS的值可調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換增益的大小。f0（PIN3）為頻

48、率輸出端，為邏輯低電平，脈沖寬度由Rt和Ct決定。引腳4（PIN4）為電源地。引腳5（PIN5）為定時(shí)比較器正相輸入端。引腳6（PIN6）為輸入比較器反相輸入端。引腳7（PIN7）為輸入比較器正相輸入端。引腳8（PIN8）為電源正端。圖3-7 LM331邏輯框圖二、 電壓-頻率變換電路圖3-8是由LM331組成的電壓頻率變換電路，LM331內(nèi)部由輸入比較器、定時(shí)比較器、RS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

49、一正電壓時(shí)，輸入比較器輸出高電平，使RS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(shí)電源Vcc也通過電阻R2對電容C2充電。當(dāng)電容C2兩端充電電壓大于Vcc的2/3時(shí)，定時(shí)比較器輸出一高電平，使RS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(shí)，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(shí)，輸入比較器再次輸出高電平，使RS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(shí)現(xiàn)了電壓頻率變換。其輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系為：f0=(Vin×

50、;R4)/(2.09×R3×R2×C2) ，由式知電阻R2、R3、R4、和C2直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果f0，因此對元件的精度要有一定的要求，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。圖3-8 電壓頻率變換電路3.5 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一、 單片機(jī)的選擇單片機(jī)自從問世以來，它一直是工業(yè)檢測、控制應(yīng)用的主角。市場上常用的單片機(jī)有Intel公司的MCS-51系列，日本松下公司的MN6800系列等。其中，MCS-51由于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)具有體積小，可靠性高，功能強(qiáng)，價(jià)格低等特點(diǎn)，很容易形成產(chǎn)品而更受青睞。803

51、1單片機(jī)片內(nèi)不帶程序存儲器ROM，使用時(shí)需外接程序存儲器和一片邏輯電路74LS373，外接的程序存儲器多為EPROM的2764系列。用戶若想對寫入到EPROM中的程序進(jìn)行修改，必須先用一種特殊的紫外線燈將其照射擦除，之后再可寫入。寫入到外接程序存儲器的程序代碼沒什么保密性可言。8051單片機(jī)片內(nèi)有4K ROM，無須外接存儲器和74LS373，更能體現(xiàn)“單片”的簡練。但是編的程序無法燒寫到其ROM中，只有將程序交芯片廠代為燒寫，并是一次性的，今后都不能改寫其內(nèi)容。8751單片機(jī)與8051單片機(jī)基本一樣，但8751單片機(jī)片內(nèi)有4K的EPROM，用戶可以將自己編寫的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)的EPROM中進(jìn)行現(xiàn)

52、場實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用，EPROM的改寫同樣需要用紫外線照射一定時(shí)間擦除后再燒寫。89C51單片機(jī)為EPROM型，在實(shí)際電路中可以直接互換8051單片機(jī)或8751單片機(jī)，不但和8051單片機(jī)指令，管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲器是FLASH工藝的。 圖3-9 89C52管腳圖89C52是由北京集成電路中心（BIDC）設(shè)計(jì)，由美國的Atmel公司生產(chǎn)八位單片機(jī)。它是一種低功耗高性能的具有8K字節(jié)可電氣燒錄及可擦除的程序ROM的八位CMOS單片機(jī)。該器件是用高密度、非易丟失存儲技術(shù)制造并且與國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)80C51單片機(jī)指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。綜上所述，從使用方便與簡化電路以及其性價(jià)比等角度來考慮，8

53、9C52比較合適的。本系統(tǒng)采用CPU為89C52的單片機(jī)，89C52本身帶有8K的內(nèi)存儲器，可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬次以上，比以往慣用的8031CPU外加EPROM為核心的單片機(jī)系統(tǒng)在硬件上具有更加簡單、方便等優(yōu)點(diǎn)，而且完全兼容MCS-51系列單片機(jī)的所有功能。89C52管腳圖如圖3-9所示。下面介紹89C52的主要管腳功能如下：VCC（40）：電源+5V；VSS（20）：接地；P0口（32-39）：雙向I/O口，既可作低8位地址和8位數(shù)據(jù)總線使用，也可作普通I/O口；P3口（10-17）：多用途端口，既可作普通I/O口，也可按每位定義的第二功能操作；P2口（21-28）：既可作

54、高8位地址總線，也可作普通I/O口；P1口（1-8）： 準(zhǔn)雙向通用I/O口；RST（9）：復(fù)位信號輸入端；ALE/PROG：地址鎖存信號輸出端；PSEN：內(nèi)外程序存儲器選擇線；XTAL1（19）和XTAL2（18）：外接石英晶體振蕩器。由于本課題的需要用到單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器和定時(shí)器，所以在這里有必要介紹定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作原理。首先，先看看定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)圖3-10：圖3-10 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)原理圖從上面定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)圖中可以看出，16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器分別由兩個(gè)8位專用寄存器組成，即：T0由TH0和TL0構(gòu)成；T1由TH1和TL1構(gòu)成。其訪問地址依次為8AH-8DH。每個(gè)寄存器

55、均可單獨(dú)訪問。這些寄存器是用于存放定時(shí)或計(jì)數(shù)初值的。此外，其內(nèi)部還有一個(gè)8位的定時(shí)器方式寄存器TMOD和一個(gè)8位的定時(shí)控制寄存器TCON。這些寄存器之間是通過內(nèi)部總線和控制邏輯電路連接起來的。TMOD主要是用于選定定時(shí)器的工作方式；TCON主要是用于控制定時(shí)器的啟動停止，此外TCON還可以保存T0、T1的溢出和中斷標(biāo)志。當(dāng)定時(shí)器工作在計(jì)數(shù)方式時(shí)，外部事件通過引腳T0（P3.4）或T1（P3.5）輸入。當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為計(jì)數(shù)工作方式時(shí)，通過引腳T0和T1對外部信號計(jì)數(shù)，外部脈沖的上升沿將觸發(fā)計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2期間采樣引腳輸入電平。若一個(gè)機(jī)器周期采樣值為0，下一個(gè)機(jī)器周期采樣值為

56、1，則計(jì)數(shù)器加1。此后的機(jī)器周期S3P1期間，新的計(jì)數(shù)值裝入計(jì)數(shù)器。所以檢測一個(gè)由0至1的跳變需要兩個(gè)機(jī)器周期，由于本課題所利用的是計(jì)數(shù)器T0、定時(shí)器T1，并且是工作在工作方式1。所以以下重點(diǎn)介紹工作方式1的特點(diǎn)。工作方式1是16位的計(jì)數(shù)器，由TLX作為高8位和THX作為低八位。由于計(jì)數(shù)器為16位，其計(jì)數(shù)范圍最大。當(dāng)啟動TX前，TLX和THX裝入計(jì)數(shù)初值，當(dāng)TLX計(jì)滿后，向THX進(jìn)位，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到0FFFF后，再計(jì)一個(gè)數(shù)，則計(jì)數(shù)器產(chǎn)生溢出中斷，向CPU請求中斷，在中斷程序時(shí)THX和TLX需重新裝入初值，以便中斷返回后重新開始計(jì)數(shù)。所以，工作方式1是一種需重裝初值的計(jì)數(shù)器。由于這種方式，計(jì)數(shù)范圍大，所以在計(jì)較大數(shù)據(jù)時(shí)可采用這種工作方式。鑒于本課題的實(shí)際情況在此課題T0用來對外部脈沖計(jì)數(shù)，而T1用來做內(nèi)部定時(shí)器，即每個(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，可以用來實(shí)現(xiàn)等待計(jì)時(shí)功