基于單片機(jī)的環(huán)境噪聲檢測(cè)儀畢業(yè)論文

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p>　　基于單片機(jī)的環(huán)境噪聲檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)</p><p>　　所 在 學(xué) 院 機(jī)械與工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造與自動(dòng)化

2、 </p><p>　　年 級(jí) </p><p>　　學(xué)生姓名、學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師姓名、職稱 </p>

3、<p>　　完 成 日 期 二〇一二年五月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著社會(huì)發(fā)展水平的提高，噪聲的危害日益突現(xiàn)，對(duì)環(huán)境噪聲的實(shí)時(shí)檢測(cè)越來(lái)越得到人們的重視。環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)，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)。</p><p>　　本文詳細(xì)

4、介紹了噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量原理和系統(tǒng)組成，包括：噪聲信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)傳聲器變換成音頻信號(hào)，電信號(hào)通過(guò)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)的噪聲分貝值通過(guò)LED 顯示，從而實(shí)現(xiàn)噪聲的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。</p><p>　　該系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，精確度高，適用于實(shí)際進(jìn)行噪聲的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：運(yùn)算放大器，

5、噪聲，單片機(jī)，LED</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the improvement of social development, harm of noise more emergent, real-time detection of environmental noise and get people's

6、attention. Environmental noise monitoring, which is improving the quality of life, strengthen environmental protection an important part .</p><p>　　In the paper, the measurement principle and the system cons

7、titution are introduced in detail, including: the noise signal converting system, signal magnifying system, V/F converting system, data collection and indication system. This paper introduces the ways to convert the real

8、-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 Micoyo’s input signal. Then the SCM will change it into

9、 </p><p>　　This system is simple 0and has high precision, so it is always used in monitoring the urban noise real-time.</p><p>　　Key words：operational amplifier，noise，Single Chip Micoyo， LED<

10、/p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1引言1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.1.1 噪聲污染的危害1</p><p>　　1.1.2 噪聲污染的現(xiàn)狀2</p><p>　　1

11、.1.3 噪聲簡(jiǎn)介2</p><p>　　1.2 噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3 主要任務(wù)及意義4</p><p>　　1.3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)4</p><p>　　1.3.2 課題的意義5</p><p>　　1.3.3 論文內(nèi)容安排5</p><p>　　2

12、噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.1 噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析6</p><p>　　2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)8</p><p>　　3 噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.1 傳聲器10</p><p>　　3.2 信

13、號(hào)放大器11</p><p>　　3.3 交直流轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.3.1 真有效值13</p><p>　　3.3.2 AD536 芯片14</p><p>　　3.4 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.4.1 單片機(jī)的選擇15</p><p>

14、;　　3.4.2 89C52的簡(jiǎn)介15</p><p>　　3.5 顯示及指示電路的設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.5.1 顯示電路的設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.5.2 指示電路的設(shè)計(jì)18</p><p>　　4 噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.1 程序系統(tǒng)框圖19</p&

15、gt;<p>　　4.2 系統(tǒng)內(nèi)部RAM的分配21</p><p>　　4.3 中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.3.1 T0中斷子程序的設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.3.2 T1中斷子程序的設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.4 查表子程序25</p><p>　　4.5 顯示

16、子程序26</p><p>　　4.6 指示子程序27</p><p>　　5 系統(tǒng)調(diào)試與分析29</p><p>　　5.1 調(diào)試步驟29</p><p>　　5.2 硬件調(diào)試29</p><p>　　5.3 軟件調(diào)試30</p><p>　　5.4 噪聲監(jiān)測(cè)器的系統(tǒng)調(diào)試31&l

17、t;/p><p>　　5.5 調(diào)試故障及原因分析32</p><p>　　5.6 測(cè)試結(jié)果分析32</p><p><b>　　結(jié)論34</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　致 謝36</b>&l

18、t;/p><p>　　附錄Ⅰ 噪聲監(jiān)測(cè)儀硬件系統(tǒng)原理圖37</p><p>　　附錄Ⅱ 噪聲監(jiān)測(cè)儀軟件程序38</p><p>　　附錄Ⅲ 噪聲監(jiān)測(cè)儀元器件清單47</p><p><b>　　1 引言</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b><

19、/p><p>　　1.1.1 噪聲污染的危害</p><p>　　噪聲是指一類引起人煩躁、或音量過(guò)強(qiáng)而危害人體健康的聲音。 從物理學(xué)角度來(lái)說(shuō)，噪聲是指是發(fā)聲體做無(wú)規(guī)則振動(dòng)時(shí)所發(fā)出的聲音。噪聲與人們的主觀意愿和生活狀態(tài)有關(guān)，有時(shí)是一種主觀的感受。所以，只從物理學(xué)角度判斷一個(gè)聲音是不是屬于噪聲是不完善的，它還包括起著關(guān)鍵性的作用的主觀上的因素。從生理和心理等角度來(lái)說(shuō)，凡是人們所不需要的一切聲音，

20、都可稱之為噪聲。當(dāng)噪聲對(duì)周圍人或環(huán)境造成不良影響時(shí)，就會(huì)形成噪聲污染。工業(yè)革命以來(lái)，各種機(jī)械設(shè)備的創(chuàng)造和使用，給人類帶來(lái)了進(jìn)步，但同時(shí)也產(chǎn)生了越來(lái)越多的噪聲污染。目前，噪聲已成為污染人類社會(huì)環(huán)境的一大公害，嚴(yán)重危害到了人們的身心健康，被人稱為“致人死命的慢性毒藥”。噪聲對(duì)人體的危害具體可歸為以下幾方那個(gè)面： </p><p>　　（1）對(duì)視覺和聽覺會(huì)造成一的影響。噪聲對(duì)聽覺造成損傷時(shí)，那時(shí)噪音強(qiáng)度超過(guò)100分貝。

21、輕度耳鳴是輕度聽覺損傷表現(xiàn)，還有可能影響語(yǔ)言聽力，致使學(xué)習(xí)、工作、生活中感到聽覺不適。如果某一次收到強(qiáng)烈的噪音，會(huì)產(chǎn)生暫時(shí)性的兩耳全聾的同時(shí)，還會(huì)感到劇烈耳鳴、眩暈。頭痛、頭暈、多夢(mèng)、記憶力減退，發(fā)生營(yíng)養(yǎng)障礙性疾病，心律不齊等，都是噪聲對(duì)人體的危害。尤其對(duì)嬰幼兒、青少年和孕婦的不良影響更加嚴(yán)重。</p><p>　?。?）睡眠和工作的影響。人在睡覺時(shí)， 40－50 分貝較輕的噪聲也可以使人從熟睡狀態(tài)變到半熟睡狀態(tài)

22、。人要想得到充分的休息必須進(jìn)入熟睡狀態(tài)，而這時(shí)的大腦活動(dòng)緩慢而有規(guī)律。否則就不能很好的休息。從而影響到工作和學(xué)習(xí)，久而久之，人就會(huì)得神經(jīng)衰弱癥。 </p><p>　　（3）對(duì)人體的生理影響。加速心臟衰老和增加心肌梗塞發(fā)病率也是噪聲的危害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，使血壓上升也與長(zhǎng)期接觸噪聲有關(guān)，因?yàn)轶w內(nèi)腎上腺分泌增加。長(zhǎng)期生活在平均 70 分貝噪聲中的人，能導(dǎo)致心肌梗塞發(fā)病率增加 30％左右。其中長(zhǎng)期生活在火車道旁的居民就是如此

23、。調(diào)查1100名紡織工人，對(duì)高血壓的進(jìn)行了研究，其發(fā)病率為 7.2％，如果接觸達(dá) 100 分貝的噪聲，其發(fā)病率達(dá)15.2％。噪聲還可引起如神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂、精神障礙、內(nèi)分泌紊亂。如果長(zhǎng)期生活在高噪聲的環(huán)境里，人易導(dǎo)致頭暈、頭痛、多夢(mèng)、全身乏力、記憶力減退以及恐懼、甚至精神錯(cuò)亂。在日本曾經(jīng)有過(guò)自殺的案例，就是因?yàn)榛疖囋肼暤拇碳1]。</p><p>　　1.1.2 噪聲污染的現(xiàn)狀</p><p

24、>　　隨著社會(huì)發(fā)展的工業(yè)化水平越來(lái)越高 ,噪聲污染日趨嚴(yán)重，已成為三大環(huán)境污染之一。在我國(guó)城市環(huán)境噪聲污染已經(jīng)成為干擾人們正常生活的主要環(huán)境問(wèn)題之一。目前，社會(huì)生活噪聲、工業(yè)噪聲、交通噪聲、建筑施工噪聲構(gòu)成城市環(huán)境噪聲來(lái)源，分別占47%、8%-10%、30%、5%左右。近十年來(lái)，噪聲總體水平在我國(guó)重點(diǎn)城市道路交通居高不下，已有一半以上的城市交通干線兩側(cè)噪聲平均值超過(guò) 70dB(A)。道路交通噪聲污染每年的經(jīng)濟(jì)損失約216億，僅北京

25、市每年因道路交通噪聲污染導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失就達(dá) 15-20 億元。據(jù)調(diào)查，全國(guó)對(duì)噪聲污染的不滿程度逐年增加，并且一直是各類環(huán)境污染投訴的第一位。所以，為了給人們營(yíng)造一個(gè)健康的居住環(huán)境，對(duì)噪聲的實(shí)時(shí)測(cè)試報(bào)警就顯得十分的重要。</p><p>　　1.1.3 噪聲簡(jiǎn)介</p><p><b>　　1．噪聲概念</b></p><p>　　物理學(xué)定義：一

26、切不規(guī)則的或隨機(jī)的聲信號(hào)或電信號(hào)都可稱之為噪聲。</p><p>　　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(duì)人們要聽的聲音產(chǎn)生干擾的聲音。</p><p>　　從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，噪聲的來(lái)源很多。社會(huì)，生活，交通，工業(yè)，建筑，都有噪聲。</p><p>　　總體講，噪音是物體振動(dòng)產(chǎn)生[2]。</p><p><b>

27、;　　2．噪聲對(duì)人的危害</b></p><p>　　隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以及人口密度的急劇增加，家庭設(shè)施的增多，環(huán)境噪聲逐漸增加，是污染人類社會(huì)環(huán)境的公害之一。有一種說(shuō)法叫噪聲為“致人死命的慢性殺手”。因?yàn)樵肼晫?duì)聽力、心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)都會(huì)有不利影響，其中局部性、暫時(shí)性和多發(fā)性是噪聲的特點(diǎn)。以下幾方面體現(xiàn)了噪聲給人帶來(lái)生理上和心理上的危害：</p><p>　　

28、① 干擾休息、睡眠；使工作效率降低。</p><p>　　② 損傷聽覺、視覺器官：強(qiáng)的噪聲會(huì)引起耳部的不適，如耳鳴、耳痛、聽力損傷；噪聲對(duì)視力也有一定的損害。</p><p>　?、?對(duì)人體的生理影響：損害心血管；對(duì)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。</p><p><b>　　3．噪聲的利用</b>&

29、lt;/p><p>　　噪聲一向?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。如利用噪聲除草、發(fā)電、制冷、除塵、克敵、診病等。</p><p>　　1.2 噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　噪聲監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)和設(shè)備的研究和開發(fā)已取得很

30、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(wèn)題仍然很多。</p><p>　　聲級(jí)計(jì)一般包括傳聲器、放大器、衰減器、計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)、檢波器、指示表頭和電源等組成。為使傳聲器與衰減器匹配，需傳聲器將聲音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)前置放大器變換阻抗來(lái)完成。噪聲聲級(jí)的數(shù)值檢測(cè)方法，首先是放大器將輸出信號(hào)加到計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率計(jì)權(quán)(或外接濾波器)，然后經(jīng)衰減器及放大器將信號(hào)放大到一定的幅值，送到有效值檢波器進(jìn)行檢波，最后在

31、指示表頭上給出。A、B、C 三種計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)組成聲級(jí)計(jì)中的頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。A 網(wǎng)絡(luò)能使電信號(hào)的中、低頻段有較大的衰減，它是模擬人耳對(duì)等響曲線中40 方純音的響應(yīng)，其曲線形狀與 340 方的等響曲線相反。而B網(wǎng)絡(luò)使電信號(hào)的低頻段有一定的衰減，它主要模擬人耳對(duì)70 方純音的響應(yīng)。C 網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是接近平直的響應(yīng)。聲級(jí)即聲級(jí)計(jì)經(jīng)過(guò)頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)測(cè)得的聲壓級(jí)，由于使用的計(jì)權(quán)網(wǎng)的區(qū)別，分別稱為 A 聲級(jí)、B 聲級(jí)和 C 聲級(jí)，單位記作 dB(A)、dB(B

32、)和 dB(C)。在實(shí)際的測(cè)量中，A 計(jì)權(quán)聲級(jí)最能反應(yīng)噪聲對(duì)人吵鬧的主觀感覺和人耳聽力損傷的影響，用戶最多用的是 A 計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。此外，聲級(jí)計(jì)還可以外接濾波器和記錄儀，對(duì)噪聲進(jìn)行頻譜分析。</p><p>　　根據(jù)聲級(jí)計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)量1000Hz純音所表現(xiàn)出的精度，六十年代國(guó)際上把聲級(jí)計(jì)分為兩類，精密聲級(jí)計(jì)和通聲級(jí)計(jì)。我國(guó)也采用這種分法。70年代以來(lái)有些國(guó)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

33、別為±0.46、±0.76、±1.00和±1.5dB。依據(jù)聲級(jí)計(jì)所用電源的不同，聲級(jí)計(jì)還分為交流式聲級(jí)計(jì)和用干電池的電池式聲級(jí)計(jì)兩類。其中式聲級(jí)計(jì)也稱為便攜式聲級(jí)計(jì)，這種儀器體積小、重量輕、現(xiàn)場(chǎng)使用方便。其原理方框圖如圖1所示。其中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。</p><p>

34、;　　圖1 聲級(jí)計(jì)原理方框圖</p><p>　　為適應(yīng)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的需要，聲級(jí)計(jì)一般都備有三腳支架，以便視需要將聲級(jí)計(jì)固定在三腳支架上[3]。</p><p>　　1.3 主要任務(wù)及意義</p><p>　　1.3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)</p><p>　　查閱相關(guān)資料，了解課題背景、環(huán)境噪聲的特點(diǎn)。學(xué)習(xí)、掌握聲壓計(jì)的測(cè)量機(jī)理、傳聲器測(cè)量基本原理。合

35、理選擇噪聲測(cè)量傳感器，掌握其測(cè)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。完成系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，包括傳聲器測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。檢查后，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(guò)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(cè)試系統(tǒng)，完成系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。</p><p>　　1.3.2 課題的意義</p><p>

36、;　　噪聲是指不需要的聲音。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，噪聲污染已成為主要公害之一。控制噪聲、保護(hù)環(huán)境已成為人們的共識(shí)。其中，噪聲測(cè)量是重要的一環(huán)，具有舉足輕重的地位。</p><p>　　及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握城市噪聲現(xiàn)狀，分析期變化趨勢(shì)和規(guī)律；了解各類噪聲尖的污染程度和范圍，為城市噪聲管理、治理和科學(xué)研究提供系統(tǒng)的噪聲檢測(cè)資料。</p><p>　　無(wú)論是利用噪聲還是防止噪聲，都必須確定其量值。在長(zhǎng)

37、期的科學(xué)研究和工程實(shí)踐中已逐步形成了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近似的數(shù)學(xué)模型上，還必須用測(cè)量技術(shù)和試驗(yàn)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(duì)很多儀器設(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(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，完善設(shè)計(jì)。總之，噪聲的測(cè)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。</p><p>

38、　　1.3.3 論文內(nèi)容安排</p><p>　　本文按噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)造的不同部分分別進(jìn)行了介紹。第1章緒論中簡(jiǎn)要地介紹研究噪聲的危害以及一些基礎(chǔ)知識(shí)。第2章是噪聲監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)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、處理和顯示部分的設(shè)計(jì)。第4章是噪聲監(jiān)測(cè)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。

39、第5章是系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析，介紹了硬件調(diào)試、軟件調(diào)試及軟硬聯(lián)調(diào)的過(guò)程，并說(shuō)明了調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題和處理的方法。</p><p>　　2 噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析</p><p>　　本次設(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(cè)儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(cè)量?jī)x，實(shí)現(xiàn)環(huán)境噪

40、聲的實(shí)時(shí)測(cè)量和LED數(shù)字顯示，給出噪聲水平的相關(guān)數(shù)據(jù)。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的方案由硬件和軟件兩部分組成。噪聲測(cè)量?jī)x的硬件電路系統(tǒng)，包括噪聲信號(hào)的轉(zhuǎn)換、放大、交直流轉(zhuǎn)換與電壓、單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路以及LED顯示電路等。軟件部分主要是用單片機(jī)語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換及顯示。在符合軟硬件相適應(yīng)的前提下，要先進(jìn)行硬件電路的設(shè)計(jì)，再進(jìn)行軟件編程，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，并對(duì)各模塊進(jìn)行調(diào)試，最后進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試和

41、故障的排除。</p><p>　　2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　首先要對(duì)用戶需求進(jìn)行分析，努力使設(shè)計(jì)要求滿足用戶需求。還要對(duì)產(chǎn)品的安全性、可靠性、成本等要素進(jìn)行性價(jià)比分析以便于完成具體的硬件設(shè)計(jì)。</p><p>　　硬件實(shí)現(xiàn)及硬件調(diào)試過(guò)程是在可行性得到驗(yàn)證通過(guò)后進(jìn)行，剩下工作就是在器件選型過(guò)程當(dāng)中，不但要考慮各式器件的供貨方式、器件的功耗以及器件之間可

42、能會(huì)產(chǎn)生的影響，還要對(duì)供貨周期及產(chǎn)品技術(shù)支持等因素進(jìn)行關(guān)注。</p><p>　　硬件實(shí)現(xiàn)中包括原理圖設(shè)計(jì)和印制電路板設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的圖形化表示，設(shè)計(jì)思路在軟件工具中的抽象實(shí)現(xiàn)組成原理圖，具體器件的實(shí)現(xiàn)方式是印制電路板設(shè)計(jì)，離實(shí)物只欠印制電路板的制作過(guò)程。為更好的保證信號(hào)完整性以及考慮電磁干擾和電磁兼容性，對(duì)布線工藝，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)需要掌握，。</p><p>　　遵循系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求

43、，確定控制系統(tǒng)包括硬件和軟件系統(tǒng)兩部分。其中硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。環(huán)境噪聲經(jīng)由高靈敏度、無(wú)指向性駐極體傳聲器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。放大電路由運(yùn)放LM386構(gòu)成，認(rèn)真調(diào)整一些外圍元件參數(shù)，使輸出幅頻特性符合測(cè)量要求的電壓信號(hào)。通過(guò)V/F轉(zhuǎn)換器后，輸出頻率信號(hào)變?yōu)門TL電平送給單片機(jī)的P3.4引腳，經(jīng)軟件處理之后，噪聲聲壓級(jí)顯示值由P1口輸出，驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示。</p><p>　　圖2 噪聲監(jiān)測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu)框圖&

44、lt;/p><p>　　傳聲器是將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件，是噪聲測(cè)量系統(tǒng)中的一個(gè)主要環(huán)節(jié)。按傳聲器的指向特性分類，分無(wú)指向性、雙指向性和單指向性（包括心形和鉗形指向性）3大類；按換能方式分類，分電動(dòng)式、電容式和壓電式等；按傳聲方式分類，分有線傳聲器和無(wú)線傳聲器兩類；按聲波接收的原理分類，分聲壓式和壓差式。</p><p>　　功率放大器簡(jiǎn)稱功放，可以說(shuō)是各類音響器材中最大的一個(gè)家族

45、了，其作用主要是將音源器材輸入的較微弱信號(hào)進(jìn)行放大后，產(chǎn)生足夠大的電流去推動(dòng)揚(yáng)聲器進(jìn)行聲音的重放。音頻功率放大電路的作用主要是將信號(hào)處理器發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)功率放大，使其信號(hào)的功率滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　此方案中的V/F轉(zhuǎn)換電路主要是由LM331組成的電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路。LM331采用了新型溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)和4伏電源電壓下都有很高精度。LM331可得到只有價(jià)格較高的V/F轉(zhuǎn)換器才

46、有的高水平精度。由LM331構(gòu)成的電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路，輸出的頻率信號(hào)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。此轉(zhuǎn)換電路線性良好，抗干擾能力強(qiáng)，輸出頻率范圍在10—100kHz以上，比普通8位并行A/D轉(zhuǎn)換器優(yōu)越，有助于提高系統(tǒng)的測(cè)量范圍。</p><p>　　89C52單片機(jī)是本次設(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，這種方式方便易行。</p><p>

47、;　　LED顯示器是一種通過(guò)控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來(lái)顯示文字、圖形、圖像、動(dòng)畫、行情、視頻、錄像信號(hào)等各種信息的顯示屏幕。普通的LED顯示器為8段，每一段對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)光二極管。這種顯示器有共陽(yáng)極和共陰極兩種。LED顯示器分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種顯示方式。此設(shè)計(jì)中用的是動(dòng)態(tài)顯示方式[4]。</p><p>　　2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　環(huán)境噪聲測(cè)量系統(tǒng)的軟件是采

48、用模塊化的設(shè)計(jì)，由主程序、中斷服務(wù)程序、查表子程序和顯示子程序四部分組成。其流程圖如圖3所示。在圖中xi表示讀取的計(jì)數(shù)值，其中i從0開始。</p><p>　　主程序在完成定時(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時(shí)處于循環(huán)工作狀態(tài)。需要指出的是，查表程序程序?qū)崿F(xiàn)了計(jì)數(shù)值向聲壓級(jí)的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，不僅要在硬件上采取相應(yīng)的措施，在軟

49、件上也需要采用冗余設(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)[5]。</p><p>　　圖3 噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件流程圖</p><p>　　3 噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　聲學(xué)測(cè)距系統(tǒng)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(cè)量范圍的指示電路。硬件是整個(gè)系統(tǒng)

50、運(yùn)作的基石，良好的硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的保障。硬件設(shè)計(jì)同時(shí)思考軟件設(shè)計(jì)上的方便，使各部分電路有機(jī)結(jié)合，確保各模塊功能的實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　3.1 傳聲器</b></p><p>　　傳聲器（Microphone）又稱話筒，俗稱“麥克風(fēng)”。傳聲器是將聲波轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號(hào)的能量?jī)x器設(shè)備，其原理就是用變換器將由聲壓引起振動(dòng)膜的振動(dòng)變成電參數(shù)的變化。傳聲

51、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(dòng)膜振動(dòng)，從而經(jīng)變換器將此機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電參量的變化，是噪聲測(cè)量系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。</p><p>　　在噪聲檢測(cè)系統(tǒng)中，傳聲器起著十分重要的作用。雖然傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的電容傳聲器具有頻率范圍寬，頻率響應(yīng)平直，靈敏度變化小，長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。但是它具有內(nèi)阻高，需要用阻抗變換器與后面的衰減器和放大器匹配，需要加極化電壓等缺點(diǎn)。而采用駐極

52、體傳聲器不再需要提供極化電壓，即可以在聲級(jí)測(cè)量?jī)x器上省去直流變換器， 又對(duì)簡(jiǎn)化電源和電路的設(shè)計(jì)有重要作用。而想降低聲級(jí)測(cè)量?jī)x器的本底噪聲，更需要電源和電路設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化。</p><p>　　根據(jù)換能原理，傳聲器可分為: 動(dòng)圈式傳聲器 、電容式傳聲器、駐極體式傳聲器、電壓式傳聲器、帶式傳聲器等。本次設(shè)計(jì)需要體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電聲性能好、價(jià)格低等特點(diǎn)，而駐極體傳聲器兼?zhèn)溥@些優(yōu)點(diǎn)，因此次設(shè)計(jì)中采用了駐極體傳聲器。 它由一

53、片單面涂有駐極體薄膜的金屬層和一片上面有若干小孔的金屬電極（即背電極）組成。金屬層與背電極相對(duì)，中間有一個(gè)極小的空氣隙，這樣就形成了一個(gè)以空氣隙和駐極體作為絕緣介質(zhì)，以金屬層和背電極作為兩個(gè)電極的平板電容器。駐極體薄膜上生產(chǎn)時(shí)注入了一定的永久電荷(Q)，由于沒有放電回路，這個(gè)電荷是不變的。由于駐極體上的電荷數(shù) Q 始終保持恒定，根據(jù)電荷的公式：Q＝C×U，反之 U＝Q/C，因此當(dāng) C 變化時(shí)一定會(huì)引起電容器兩端電壓 U 的改變

54、，從而輸出了電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了聲音與電流之間的轉(zhuǎn)換。而實(shí)際的駐極體傳聲器的內(nèi)部電路更加復(fù)雜一些。駐極體膜片與金屬極板之間的電容量比較小，一般為幾十皮法。因而它的輸出阻抗值很高，約幾十兆歐以上。而這樣高的阻抗是不能直接與音頻放大器相匹配的，因此在它與放大器之間必須連接阻抗變換器。通常用一個(gè)專用的場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)二極管復(fù)合組成阻抗變換器。</p><p>　　根據(jù)引出端不同，駐極體傳聲器可分為二端輸出式和三端輸出式兩種，二

55、端輸出方式類似晶體三極管的共發(fā)射極放大電路，是將場(chǎng)效應(yīng)管接成漏極輸出電路。只需兩根引出線，接一個(gè)漏極電阻 R在漏極 D 與電源正極之間，信號(hào)由漏極輸出有一定的電壓增益，所以傳聲器的動(dòng)態(tài)范圍比較小，但靈敏度比較高。三端輸出方式和晶體三極管的射極輸出電路類似，是將場(chǎng)效應(yīng)管接成源極輸出方式，是有三根引線。漏極 D 接電源正極，源極 S 與地之間接電阻 R 來(lái)提供源極電壓，信號(hào)由源極經(jīng)電容 C 輸出。源極輸出的輸出阻抗小 2 千歐，電路比較穩(wěn)定

56、，動(dòng)態(tài)范圍大，但輸出信號(hào)比漏極輸出小。但是無(wú)論采取何種接法，駐極體傳聲器必須滿足一定的偏置條件才能正常工作，即保證其內(nèi)置的場(chǎng)效應(yīng)管一直處于放大狀態(tài)。 在本單元中采用的是二端輸出的駐極體傳聲器，采用負(fù)極接地、漏極 D 輸出的連接方式。漏極 D 端加約 9V 的電壓，使其內(nèi)部的場(chǎng)效應(yīng)管處于放大狀態(tài)， 因?yàn)樵?9V 電壓下該傳聲器的敏感度高。在 VCC =9V 的電壓驅(qū)動(dòng)下 ,動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到 -2～+2V [6]。</p>&

57、lt;p><b>　　3.2 信號(hào)放大器</b></p><p>　　LM386是由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品等。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，就可以把電壓增益調(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(dòng)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,促使LM386特別適用于電池供電的場(chǎng)合。</p&g

58、t;<p>　　功率放大器簡(jiǎn)稱功放，其作用主要是將音源器材輸入的較微弱信號(hào)進(jìn)行放大后，產(chǎn)生足夠大的電流去推動(dòng)揚(yáng)聲器進(jìn)行聲音的重放。音頻功率放大電路的作用主要是將信號(hào)處理器發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)功率放大，使其信號(hào)的功率滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)LM386集成電路使用簡(jiǎn)單，有很少的外圍器件，而且它還有許多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、電源范圍寬、外接元件少、電壓增益可調(diào)整、頻率響應(yīng)

59、好、輸出功率大、總諧波失真小等。因此選用LM386來(lái)組成音頻功率放大電路。LM386 已經(jīng)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(duì)講機(jī)、紅外線、超聲波、小型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器等電路中[7]。</p><p>　　LM386的引腳圖如圖4所示。</p><p>　　圖4 LM386引腳圖</p><p>　　其中LM386的內(nèi)部方塊圖如圖5所示。</p>

60、<p>　　圖5 LM386的內(nèi)部方塊圖</p><p>　　3.3 交直流轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1 真有效值</p><p>　　所謂真有效值即為“真正有效值”之意，英文縮寫為“TRMS”， 只有真有效值儀表才能給出正確的測(cè)量值，才能正確確定電纜、母線和斷路器的額定值。欲需測(cè)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

61、降低成本和簡(jiǎn)化電路，均使用簡(jiǎn)易的平均值響應(yīng)交流/直流轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　真有效值儀表的的核心器件是TRMS/DC轉(zhuǎn)換器。目前此類單片的集成芯片很普遍，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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，此類芯片能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)測(cè)量各種電壓波形的有效值，無(wú)須考慮波形參數(shù)和失真，這些性能是平均值儀表無(wú)法比擬的。</p><p>　　平均

62、值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換的電壓表只能用于測(cè)量無(wú)失真的正弦波電壓，對(duì)于正弦波失真的交流電壓，這類電表測(cè)量就會(huì)產(chǎn)生誤差，更不能準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量出各種波形的有效值，達(dá)到現(xiàn)代電子測(cè)量之要求。交流電壓的有效值的表達(dá)式的定義如下：</p><p><b>　　公式1近似公式：</b></p><p>　　公式2

63、 </p><p>　　我們對(duì)式（3.1）進(jìn)行變化，兩邊平方，并令 </p><p>　　公式3就可以得到真有效值電壓的另一種表達(dá)式</p><p>　　公式4從公式4可知，對(duì)輸入電壓依次進(jìn)行“取絕對(duì)值→平方/除法→取平均值”運(yùn)算，也可以得到交流電壓的有效值，而且這公式更具有使用價(jià)值。舉例說(shuō)明：假如要測(cè)量的電壓變化范圍是0.1V—10V，平

64、方后得U2=10mV—100V，這就需要具有相當(dāng)大的動(dòng)態(tài)范圍（10000：1）的平方器。這樣的平方電路誤差就有可能超過(guò)1mV，要平方器能輸出100V的電壓，技術(shù)上是不能實(shí)現(xiàn)的。如果使用式公式4既便于設(shè)計(jì)電路，又能保證了準(zhǔn)確度。目前大多數(shù)的集成單片真有效值/直流轉(zhuǎn)換器均采用式公式4的原理而設(shè)計(jì)。通過(guò)測(cè)量信號(hào)的有效值（可知信號(hào)的峰值信息），從而可知振動(dòng)的峰值。且輸出的直流信號(hào)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(cè)電路AD

65、536測(cè)量信號(hào)的有效值，經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)處理可得振動(dòng)的振幅。</p><p>　　3.3.2 AD536 芯片</p><p>　　AD536A是美國(guó) AD 公司推出的真有效值轉(zhuǎn)直流值（RMS-DC）的單片集成電路，它能計(jì)算復(fù)雜輸入信號(hào)的有效值并給出一個(gè)與之等效的直流輸出電平。它內(nèi) 部含有峰值因數(shù)補(bǔ)償電路,在峰值因數(shù)達(dá)到 7 時(shí)轉(zhuǎn)換誤差僅為 1%。 AD536A 的頻帶 很寬, 當(dāng)信號(hào)電

66、壓大于 100mV 時(shí)，這個(gè)電路的帶寬使測(cè)量能力達(dá)到 300KHZ 僅有3dB 的誤差。利用外部提供的參考電壓,用戶能方便設(shè)置 0dB 電平,使其可以對(duì)應(yīng)于從 0.1V 到 2V 之間的任何有效值。此外，在 AD536A 的內(nèi)部有輸入和輸出保護(hù)電路，輸入電路能承受高于電源電壓的過(guò)載電壓，輸出電路具有短路保護(hù)功能。</p><p>　　AD536A 內(nèi)部主要包括：一個(gè)絕對(duì)值電壓/電流（V/I）轉(zhuǎn)換器、一個(gè)平方器/除

67、法器、 低通濾波器、精密電流鏡和一個(gè)輸出緩沖器（具有10V滿量程輸入范圍）[8]。</p><p>　　3.4 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.4.1 單片機(jī)的選擇</p><p>　　基于功能實(shí)現(xiàn)和程序設(shè)計(jì)的考慮，本次設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)需要滿足以下幾個(gè) 條件：(1)可以反復(fù)燒錄程序，因?yàn)樵诔绦蛘{(diào)試設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)程序不斷地進(jìn)行修改；(2)有足夠的RAM，在

68、噪聲測(cè)試中需要?jiǎng)討B(tài)保存所測(cè)到的噪聲數(shù)據(jù)；(3)價(jià)格便宜，出于制造成本的考慮單片機(jī)的價(jià)格不能太高。</p><p>　　單片機(jī)自從問(wèn)世以來(lái)，它一直在工業(yè)檢測(cè)、控制的應(yīng)用中起著重要作用。市場(chǎng)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)格低等優(yōu)點(diǎn)，很容易形成產(chǎn)品而倍受青睞。</p><p>

69、;　　89C51單片機(jī)為EPROM型，在實(shí)際電路中可以與8051單片機(jī)或8751單片機(jī)直接互換，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(chǔ)器還是FLASH工藝。</p><p>　　89S52是北京集成電路中心（BIDC）設(shè)計(jì)的，由美國(guó)的Atmel公司生產(chǎn)的八位單片機(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(chǔ)技術(shù)制造

70、并且與國(guó)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。從使用方便與簡(jiǎn)化電路以及其性價(jià)比等角度來(lái)考慮，89S52比較合適的[9]。</p><p><b>　　89S52的簡(jiǎn)介</b></p><p>　　單片機(jī)包含CPU、 RAM 、ROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等，還有數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。 CPU（Central Processi

71、ng Unit）：是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，其處理器是 8 位數(shù)據(jù)寬度，能處理8 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，CPU 主要負(fù)責(zé)控制、指揮 和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，能完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。 RAM（Random Access Memory）：89S51 內(nèi)部有 8 位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和 專用寄存器單元各128個(gè)。 程序存儲(chǔ)器 ROM（Read Only Memory）：89S51 共有 4096 個(gè) 8 位掩膜 ROM，用于存放

72、用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 定時(shí)/計(jì)數(shù)器：89S51 有兩個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器并且都是16 位，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷，用于控制程序轉(zhuǎn)向。I/O口：89S51 共有4 組8 位 I/O 口(P0、 P1、P2 或 P3)，作用是對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸。中斷系統(tǒng)：89S51 具備較完善的中斷功能，有兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有 2 級(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇。</p><p>　　

73、本系統(tǒng)采用CPU為89C52的單片機(jī)，89C52本身帶有的內(nèi)存儲(chǔ)器是8K，可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦數(shù)達(dá)幾萬(wàn)次以上， 89C52管腳圖如圖6所示[10]。</p><p>　　下面簡(jiǎn)單介紹89C52的主要管腳功能如下：</p><p>　　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

74、（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(hào)輸入端；ALE/PROG：地址鎖存信號(hào)輸出端；PSEN：內(nèi)外程序存儲(chǔ)器選擇線；XTAL1（19）和XTAL2（18）：外接石英晶體振蕩器。</p><p>　　3.5 顯示及指示電路的設(shè)計(jì)</p>

75、<p>　　3.5.1 顯示電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用LED共陰極4封裝型顯示器顯示。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)常用的輸出器件是LED顯示器。它是由若干個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫點(diǎn)亮?？刂撇煌慕M合的二極管導(dǎo)通就能顯示出各種字符。它的結(jié)構(gòu)和外型圖如圖7所示：</p><p>　　圖7 共陰型數(shù)碼管結(jié)構(gòu)和外型圖</p><

76、;p>　　本次設(shè)計(jì)用4位8段LED動(dòng)態(tài)顯示電路。段碼線和位選線分別占用一個(gè)8位I/O口和一個(gè)4位I/O口。因?yàn)楦魑坏亩未a線并聯(lián)，8位I/O口輸出的段碼對(duì)各個(gè)顯示位來(lái)說(shuō)是相同的。所以，在相同時(shí)刻，如果各位的位選線同時(shí)處于選通狀態(tài)，4位LED將會(huì)顯示相同的字符。而如果要各位LED能夠同時(shí)顯示出與本位相應(yīng)的顯示字符，就必須采用動(dòng)態(tài)顯示方式。在同一時(shí)刻，4位LED中只有選通的那一位顯示出字符，而其他三位則是熄滅的。類似，在下一時(shí)刻，其它各

77、位的位選線均處于關(guān)閉狀態(tài)，僅僅讓下一位的位選線處于選通狀態(tài)，在段碼線上輸出將要顯示字符的段碼，既同一時(shí)刻，只有選同位顯示出相應(yīng)的字符，而其余各位是熄滅的。如此繼續(xù)下去，就可以滿足要求。這些字符在不同時(shí)刻出現(xiàn)，而在同一時(shí)刻，卻只有一位顯示，其余各位熄滅，而“多位同時(shí)亮”的假象是因?yàn)長(zhǎng)ED顯示器的余光和人眼的“視覺暫留”作用，只要每位顯示間隔足夠短，就可以造成[11]。</p><p>　　3.5.2 指示電路的設(shè)計(jì)

78、</p><p>　　本次設(shè)計(jì)主要是考慮到人耳對(duì)噪聲的主觀評(píng)價(jià)，對(duì)于不同分貝的聲音，人產(chǎn)生的感覺是不相同的，因此用三個(gè)發(fā)光二極管來(lái)指示聲壓級(jí)的范圍，指示電路的設(shè)計(jì)如圖8，圖左邊的三個(gè)端口分別連接AT89c52的P1.0、P1.1和P1.2口，通過(guò)單片機(jī)編程來(lái)控制聲壓級(jí)的指示范圍。</p><p><b>　　圖8 指示電路</b></p><p&

79、gt;　　4 噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　智能儀器的研制開發(fā)是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程。為完成儀器的功能，實(shí)現(xiàn)儀器的指標(biāo)，提高研制效率，并能取得一定的研制效益，應(yīng)遵循正確的設(shè)計(jì)原則、按照科學(xué)的研制步驟來(lái)開發(fā)智能儀器。</p><p>　　儀器可靠性是最突出也是最重要的，應(yīng)采取各種措施提高儀器的可靠性，從而保證儀器能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，不僅易于編程和調(diào)試，也

80、可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。在滿足性能指標(biāo)的前提下，應(yīng)盡可能采用簡(jiǎn)單成熟的方案，意味著元器件少，開發(fā)、調(diào)試、生產(chǎn)方便，可靠性高。總之，設(shè)計(jì)的程序應(yīng)該達(dá)到可讀性，可理解性，可維護(hù)性，有效性，可修改性。</p><p>　　4.1 程序系統(tǒng)框圖</p><p>　　在單片機(jī)系統(tǒng)的程序的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)就如同整個(gè)系統(tǒng)的交通樞紐，而程序就是組成交通樞紐的大道，各個(gè)部分的模塊化的程序就是整個(gè)系

81、統(tǒng)的組成部份。軟件編寫的是否合理，語(yǔ)句運(yùn)用的是否簡(jiǎn)潔直接影響單片機(jī)的工作效率?，F(xiàn)就此次設(shè)計(jì)的軟件部分作簡(jiǎn)要介紹，如圖4-1所示為軟件總體流程圖。其中子程序包括：中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)、查表子程序、顯示子程序、指示子程序。由于要實(shí)現(xiàn)功能多，所以采用模塊化的設(shè)計(jì)，下面就其主要部分分別介紹。</p><p>　　中斷服務(wù)程序主要完成的功能是：T0中斷子程序是將電壓/頻率轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)入計(jì)數(shù)器的T0口，之后計(jì)數(shù)器開始

82、計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到一定數(shù)目之后，計(jì)數(shù)器就會(huì)產(chǎn)生溢出中斷。</p><p>　　查表子程序：將進(jìn)入單片機(jī)的脈沖信號(hào)與實(shí)際要顯示值之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，經(jīng)過(guò)軟件編程查表顯示所需要的值。</p><p>　　顯示子程序：將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果送到顯示器顯示。</p><p>　　指示子程序：對(duì)顯示結(jié)果范圍的一個(gè)指示。</p><p>　　噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件總體

83、流程圖如圖9所示[12]。</p><p>　　圖9 單片機(jī)軟件系統(tǒng)方案框圖</p><p>　　4.2 系統(tǒng)內(nèi)部RAM的分配</p><p>　　在編寫程序之前，要對(duì)系統(tǒng)占用的RAM進(jìn)行合理的安排和分區(qū)，這樣才有實(shí)用性，不容易在軟件上出錯(cuò)。內(nèi)部RAM分配情況如表4.1所示。</p><p>　　表4.1 系統(tǒng)RAM區(qū)分配表</p&

84、gt;<p>　　4.3 中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工作過(guò)程中其主要的功能是由芯片中的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器來(lái)完成的。單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0由特殊功能寄存器TH0、TH1構(gòu)成，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1由特殊功能寄存器TH1、TL1構(gòu)成。</p><p>　　特殊功能寄存器TMOD用于選擇定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0/T1的工作模式和工作方式。特殊功能寄存器TCON用于

85、控制TO、T1的啟動(dòng)和停止數(shù)，同時(shí)包含了T0、T1的狀態(tài)。TMOD、TCON這兩個(gè)寄存器的內(nèi)容由軟件設(shè)置。單片機(jī)復(fù)位時(shí)，兩個(gè)寄存器的所有位都被清0。</p><p>　　在此系統(tǒng)中，T0作為計(jì)數(shù)器，T1作為定時(shí)器，中斷服務(wù)程序流程圖如圖10所示[13]。</p><p>　　圖10 中斷服務(wù)程序流程圖</p><p>　　4.3.1 T0中斷子程序的設(shè)計(jì)</

86、p><p>　　計(jì)數(shù)功能是對(duì)外來(lái)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。芯片有T0(P3.4)和T1(P3.5)兩個(gè)輸入引腳，分別是這兩個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖輸入端。當(dāng)輸入的信號(hào)發(fā)生由1至0的負(fù)跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器上的值就會(huì)增加1。在所有機(jī)器周期的S5P2期間，其采樣來(lái)自于外部輸入引腳。例如如果在第一個(gè)機(jī)器周期采樣的值是1，在下一個(gè)機(jī)器周期采樣的值是0，則在再下一個(gè)機(jī)器周期S3P1的期間，計(jì)數(shù)器的值加1。由于去確認(rèn)一次負(fù)跳變要花兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)振蕩

87、周期），所以外部輸入的計(jì)數(shù)脈沖的最高頻率為振蕩器頻率的1/24。</p><p>　　由于本設(shè)計(jì)采用T0計(jì)數(shù)器，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)產(chǎn)生中斷，所以需要編寫中斷子程序。本設(shè)計(jì)把T0作為計(jì)數(shù)器，用方式1計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)1秒之后，就會(huì)產(chǎn)生中斷，而計(jì)數(shù)器T0的溢出中斷TF0作為外部中斷請(qǐng)求的標(biāo)志，于是，CPU暫時(shí)終止當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，這時(shí)除了硬件會(huì)自動(dòng)把斷點(diǎn)地址（16位程序計(jì)數(shù)器PC的值）壓入堆棧之外，還要保護(hù)有關(guān)

88、工作寄存器、累加器、標(biāo)志位等信息，在完成中斷服務(wù)程序后，恢復(fù)有關(guān)的工作寄存器、累加器、標(biāo)志位內(nèi)容，最后執(zhí)行中斷返回指令，從堆棧中自動(dòng)彈出斷點(diǎn)地址到PC，繼續(xù)執(zhí)行被中斷的程序，如圖11所示為中斷子程序流程圖[14]。</p><p>　　圖11 T0中斷服務(wù)程序流程圖</p><p>　　4.3.2 T1中斷子程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　通過(guò)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)定

89、時(shí)功能，但此時(shí)的計(jì)數(shù)脈沖是單片機(jī)內(nèi)部的，既每個(gè)機(jī)器周期計(jì)數(shù)器加1。因?yàn)?2個(gè)振蕩脈沖周期才為一個(gè)機(jī)器周期，所以振蕩頻率為計(jì)數(shù)頻率的12倍。但若單片機(jī)是采用6MHz晶體，則計(jì)數(shù)頻率為0.5MHz。這樣就可以根據(jù)定時(shí)時(shí)間的要求計(jì)算出計(jì)數(shù)器的初值。因此本設(shè)計(jì)中T1的初值為，即X=15536=3CB0H，因此TH1=3CH，TL1=B0H。</p><p>　　定時(shí)功能：用T1做定時(shí)1秒，每滿1秒，就會(huì)讀計(jì)數(shù)器的內(nèi)容。具

90、體的T1中斷子程序軟件流程圖見圖12[15]。</p><p>　　圖12 T1中斷服務(wù)程序</p><p><b>　　4.4 查表子程序</b></p><p>　　在聲學(xué)中常使用聲壓級(jí)LP來(lái)反映聲壓的變化，將聲壓P聲壓級(jí)表示成</p><p><b>　　公式5</b></p>

91、<p>　　其中，基準(zhǔn)量p0為20m Pa。當(dāng)p=p0時(shí)，Lp=0dB，而當(dāng)p=200 Pa時(shí)，LP=140dB。</p><p>　　需要指出的是，查表程序?qū)崿F(xiàn)了計(jì)數(shù)值向聲壓級(jí)的轉(zhuǎn)換。由式（4.1）知聲壓每增加12.2%，聲壓級(jí)增加1dB，因此T0計(jì)數(shù)值每增加12.2%，聲壓級(jí)增加1dB。在E2PROM中定義一張表格，每四個(gè)字節(jié)為一組數(shù)據(jù)，其中前兩個(gè)字節(jié)為計(jì)數(shù)值，后兩個(gè)字節(jié)為壓縮BCD碼表示的聲壓級(jí)

92、值。由于設(shè)計(jì)要求聲壓級(jí)的測(cè)量范圍為40~96db,所以給表格設(shè)定了上下限。下面給出定義該表格的偽指令格式。</p><p>　　TAB:DB 1BH,0AH,0BH,0BH</p><p>　　DB 18H,9DH,09H,06H；表格上限</p><p><b>　　...</b></p><p>　　DB 05H,8

93、3H,08H,03H</p><p>　　DB 05H,00H,08H,03H</p><p>　　DB 04H,0EAH,08H,02H</p><p>　　DB 04H,61H,08H,01H</p><p>　　DB 04H,00H,08H,01H</p><p>　　DB 03H,0E7H,08H,00H<

94、;/p><p><b>　　…</b></p><p>　　DB 00H,0BH,04H,01H</p><p>　　DB 00H,0AH,04H,,00H；表格下限</p><p>　　DB 00H,00H,0AH,0AH </p><p>　　查表子程序流程圖如圖13所示。</p>

95、<p>　　圖13 查表子程序流程圖</p><p><b>　　4.5 顯示子程序</b></p><p>　　按照一般城市內(nèi)噪聲等級(jí)、測(cè)量方法和標(biāo)準(zhǔn)，顯示只需四位就可以滿足要求，顯示格式為：× × d b。</p><p>　　數(shù)據(jù)處理完之后，顯示子程序就開始工作，由于LED顯示為段碼的顯示，所以處理后的十進(jìn)

96、制數(shù)要首先取段碼，然后送顯示單元。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的顯緩單元是5CH-5FH，用兩個(gè)四位LED顯示，首先把要顯示的數(shù)據(jù)存入顯緩單元，然后取段碼，再把段碼送到指定的位上，用R5進(jìn)行位的選擇，顯示程序流程圖如圖14所示。</p><p>　　圖14 顯示子程序流程圖</p><p><b>　　4.6 指示子程序</b></p&

97、gt;<p>　　本噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用三個(gè)不同顏色的發(fā)光二極管（分別為黃、紅、綠色），指示所測(cè)噪聲處于不同的聲壓級(jí)范圍。此指示程序的作用是：當(dāng)聲壓級(jí)為40-59db時(shí)，黃色燈點(diǎn)亮；當(dāng)聲壓級(jí)為60-79db時(shí)，紅色燈點(diǎn)亮；當(dāng)聲壓級(jí)為80-96db時(shí)，綠色燈點(diǎn)亮。具體的流程圖如圖15所示[16]。</p><p>　　圖15 指示子程序流程圖</p><p><b>　

98、　5 系統(tǒng)調(diào)試與分析</b></p><p>　　系統(tǒng)的硬件、軟件獨(dú)調(diào)和系統(tǒng)調(diào)試是系統(tǒng)最后的步驟也是系統(tǒng)特別重要的環(huán)節(jié)，任何系統(tǒng)在焊接完成后都要進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)試，成功之后才能說(shuō)明這硬件是可靠的，之后才能進(jìn)行軟件調(diào)試。因?yàn)檫@樣才能給下一步進(jìn)行的軟件調(diào)試提供一個(gè)真確的環(huán)境，排除一些不必要的硬件錯(cuò)誤的干擾。本章詳細(xì)的介紹了計(jì)價(jià)器的硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和軟硬聯(lián)調(diào)的過(guò)程，并對(duì)調(diào)試結(jié)果進(jìn)行了介紹和分析。硬件調(diào)試和軟件

99、調(diào)試是不能分開的，只有將軟硬件結(jié)合起來(lái)才能算是完成了一個(gè)系統(tǒng)。</p><p><b>　　5.1 調(diào)試步驟</b></p><p>　　1. 用直觀法檢查電路焊接是否正確，元器件極性是否正確。插上芯片，接上電源，用 電壓法檢查各芯片、各引腳電壓是否正常。</p><p>　　2. 用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量各引腳之間是否連接正常，把其打到二極管檔位，用

100、兩支表筆分別接觸需要測(cè)量的引腳，如果萬(wàn)用表發(fā)出聲音，則兩引腳連接正常；如果萬(wàn)用表不響，則表示兩點(diǎn)之間沒有連上。</p><p>　　3. 使用 Keil uVision2 編寫程序，通過(guò) acr_fighter 將程序下載到單片機(jī)開發(fā)板上的 AT89S51 芯片內(nèi)。</p><p>　　4. 連接好各硬件電路，觀察各端口是否定義正確，數(shù)碼管是否顯示正常。把程序下載到單片機(jī)內(nèi)，觀察是否正確運(yùn)

101、行工作，以及測(cè)量的結(jié)果和實(shí)際是否相符合。</p><p><b>　　5.2 硬件調(diào)試</b></p><p>　　硬件調(diào)試是非常重要的，下面是在硬件調(diào)試過(guò)程中需要注意的問(wèn)題。</p><p>　　1.調(diào)試好電源以保證系統(tǒng)的可靠供電；正確使用示波器、萬(wàn)用表、信號(hào)發(fā)生器等工具，以提高工作效率；</p><p>　　2.要分

102、模塊調(diào)試，以便于摸清模塊間的問(wèn)題，提高效率；</p><p>　　3.對(duì)于復(fù)雜的接口，只從硬件角度調(diào)試是不完善，要結(jié)合軟件進(jìn)行調(diào)試，這樣會(huì)達(dá)到更佳的效果；</p><p>　　4.復(fù)位不可靠，會(huì)造成各單元未進(jìn)入預(yù)期狀態(tài)出現(xiàn)問(wèn)題；</p><p>　　5.焊接不良會(huì)引發(fā)的各種問(wèn)題，如方向錯(cuò)焊、虛焊、錯(cuò)焊等；</p><p>　　6.通信故障，主

103、要是由時(shí)序不匹配引發(fā)的。如時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)邏輯單元后產(chǎn)生時(shí)延，與讀／寫信號(hào)時(shí)序搭配不上導(dǎo)致讀／寫錯(cuò)誤；</p><p>　　上述這些分析方法能給調(diào)試帶來(lái)有益幫助，要想使調(diào)試工作變得更加順利必須熟悉掌握正確的調(diào)試方法。除此之外具備較好的焊接技術(shù)，這樣對(duì)硬件調(diào)試會(huì)有事半功倍的效果。</p><p>　　當(dāng)然，在實(shí)際的硬件調(diào)試時(shí)，還會(huì)碰到一些一時(shí)找不到原因的問(wèn)題，這時(shí)要放松心態(tài)，增加自信，找出各種可

104、能的原因，過(guò)程是艱辛的，但這對(duì)于提高自己的分析解決問(wèn)題的能力是很有幫助的[17]。</p><p><b>　　5.3 軟件調(diào)試</b></p><p>　　軟件的調(diào)試是利用偉福軟件，模塊化調(diào)試，通過(guò)觀察存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)的變化，查找并解決程序的語(yǔ)法和邏輯錯(cuò)誤，具體的調(diào)試步驟如下：</p><p>　?。?）在單片機(jī)專用 WAVE（偉幅）軟件上編寫程

105、序。 </p><p>　?。?）在單片機(jī)專用 ISIS 軟件上繪制系統(tǒng)原理圖。 </p><p>　　（3）程序的首地址應(yīng)使目標(biāo)可以直接運(yùn)行，即從 0000H 開始。在主程序的開始部分必須設(shè)置一個(gè)合適的棧底。程序放置的地址需連續(xù)且靠前，不要在中間留下大量的空間地址，以使目標(biāo)機(jī)可以使用較少的硬件資源。 </p><p>　?。?）然后把自己編好的程序放在ISIS 軟

106、件原本繪制好的系統(tǒng)原理圖中來(lái)運(yùn)行，看自己編制的程序能不能運(yùn)行。如果還有錯(cuò)就把程序改過(guò)直到在 ISIS上能達(dá)到自己要的效果。</p><p>　　在檢測(cè)完程序無(wú)誤的情況下，在Proteus環(huán)境下將單片機(jī)與顯示電路連接號(hào)，將程序裝入單片機(jī)，給單片機(jī)的T0口一個(gè)脈沖信號(hào)，運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)，如下表2為軟件運(yùn)行的結(jié)果[18]。</p><p>　　表2 在Proetus環(huán)境下軟件運(yùn)行結(jié)果</p&

107、gt;<p>　　從表2中可以看出，測(cè)試結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　5.4 噪聲監(jiān)測(cè)器的系統(tǒng)調(diào)試</p><p>　　系統(tǒng)調(diào)試是利用偉福仿真器及其自帶軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)模擬仿真系統(tǒng)。偉福調(diào)試軟件功能較強(qiáng)，包含許多功能，如單步、斷點(diǎn)、跟蹤、檢查和修改等。偉福仿真器的仿真頭代替89C52芯片，插在硬件電路板的原來(lái)插89C52芯片的插座上，就可以進(jìn)行軟硬件調(diào)試了。本次設(shè)計(jì)的

108、聯(lián)調(diào)采用先分塊聯(lián)調(diào)，再總體聯(lián)調(diào)的方法。下面介紹本設(shè)計(jì)的軟硬件聯(lián)調(diào)的過(guò)程。</p><p>　　先用偉福仿真器調(diào)試顯示電路部分，調(diào)入預(yù)先編制好的顯示程序，檢查程序和硬件是否對(duì)應(yīng)上。顯示電路顯示的數(shù)據(jù)和編程所要顯示的數(shù)據(jù)一致，顯示電路聯(lián)調(diào)成功。</p><p>　　當(dāng)偉福仿真器的仿真頭代替89C52芯片，插在硬件電路板的原來(lái)插89C52芯片的插座上，時(shí)鐘芯片電路在軟件的啟動(dòng)下開始工作，在偉福軟