常熟高等专科学校物理系（215500） 潘启勇
东南大学电子工程系（南京210096） 娄维鸿
常熟高等专科学校物理系（215500） 邬正义
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。经校正测量误差小于1dB,测量范围为40~96dB,可用于一般环境下的噪声测量。
关键词 单片机 环境噪声 声压级 测量
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89C51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。
1 声压级的测量机理
人耳的听阈一般是20m Pa (微帕),痛阈一般是200Pa（帕）,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LP来反映声压的变化,将声压p的声压级表示成
LP=20lg(p/p0) dB (1)
其中,基准量p0为20m Pa。当p=p0时,Lp=0dB,而当p=200 Pa时,LP=140dB。
用声级计可以测量声压级,采用1kHz纯音输入0.2秒到0.25秒或0.5秒以上,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方（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）。表1给出倍频带中心频率与A声级的校正量之间的关系。
表1 倍频带中心频率与A声级校正量的关系
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倍频带中心频率（Hz） |
31.5 |
63 |
125 |
250 |
500 |
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A声级校正量（dB） |
－39.4 |
－26.2 |
－16.1 |
－8.6 |
－3.2 |
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倍频带中心频率（Hz） |
1k |
2k |
4k |
8k |
16k |
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A声级校正量（dB） |
0 |
1.2 |
1.0 |
－1.1 |
－6.6 |
2 硬件电路构成
环境噪声测量仪的硬件结构原理框图见图1所示。
图1 硬件原理框图
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1.5 dB,加防风罩、防雨罩后可用于室外测量。由运放LM324构成三级放大电路,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。D1、C1、R1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TTL电平送给单片机的P3.4引脚,作为T0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,Rs可用来调节增益偏差,改变输出频率。
系统的核心部分是AT89C51单片机,其指令系统与MCS-51完全兼容,且片内带4kb的E2PROM,可以方便地构成一个最小测量系统。其P3.5引脚接入由NE555构成的定时器输出的100kHz方波,通过T1中断去控制T0定时计数。从T0端输入的计数脉冲频率,即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4.572cm(1.8英寸)高亮度LED数码管显示,适当控制译码器使能端,使两数码管轮流发光实现动态显示,降低功耗。
3 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,并循环调用查表和显示子程序。每当T1对外接100kHz时钟计数达0.5秒后,申请中断,CPU响应中断后即读取TH0、TL0两寄存器中的计数值,并重新初始化T0、T1,以便检测下一次的数据。
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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E2PROM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。
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TAB：DB 1BH,0A0H,0BBH, ;表格上限 |
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| ． ． ． |
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| 05H, 83H, 83H, | ||
| 04H,0EAH, 82H, | ||
| 04H, 61H, 81H, | ||
| 03H,0E7H, 80H, | ||
| 03H, 7AH, 79H, | ||
| 03H, 19H, 78H, | ||
| 02H,0C3H, 77H, | ||
| 02H, 76H, 76H, | ||
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． |
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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。
4 结束语
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40～96 dB之间,已满足一般环境下噪声的测量要求。
（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提出了很好的指导意见,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. 北京：科学出版社, 1983
2 何立民. 单片机应用文集（1）. 北京：北京航空航天大学出版社, 1991
3 周泽存. 检测技术. 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. 西安：西安电子科技大学出版社, 1996
5 蔡美琴等. MCS-51系列单片机系统及其应用. 北京：高等教育出版社, 1992
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