89C51單片機在環(huán)境噪聲測量儀中的應用

環(huán)境噪聲監(jiān)測，是人類提高生活質(zhì)量，加強環(huán)境保護的一個重要環(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，多為價格昂貴的進口專用設備，除衛(wèi)生、計量等環(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89C51單片機為核心，采用V/F轉換技術構成的低成本、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)校驗定標后能滿足一般民用需要，可廣泛應用于工礦企業(yè)、機關學校等需要對環(huán)境噪聲進行測量和控制的場合。

1 聲壓級的測量機理

人耳的聽閾一般是20m Pa (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/p0) dB (1)

其中，基準量p0為20mPa。當p=p0時，Lp=0dB，而當p=200Pa時，LP=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校正，即用A計權網(wǎng)絡測得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系。

表1 倍頻帶中心頻率與A聲級校正量的關系

2 硬件電路構成

環(huán)境噪聲測量儀的硬件結構原理框圖見圖1所示。

圖1 硬件原理框圖

環(huán)境噪聲經(jīng)高靈敏度、無指向性駐極體傳聲器轉換成電信號。所用傳聲器頻率特性在50～14000Hz范圍內(nèi)不均勻度小于1.5

dB，加防風罩、防雨罩后可用于室外測量。由運放LM324構成三級放大電路，精心調(diào)整相關外圍元件參數(shù)，可使其幅頻特性與A計權曲線相近。D1、C1、R1組成峰值檢波網(wǎng)絡，其輸出直流電平反映了噪聲聲壓的大小。

由LM331構成電壓/頻率轉換電路，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。該轉換電路線性良好，抗干擾能力強，輸出頻率范圍在10～10000Hz以上，其變化比達103，優(yōu)于普通8位并行A/D轉換器，有利于提高系統(tǒng)的測量范圍。圖1中，Rs可用來調(diào)節(jié)增益偏差，改變輸出頻率。

系統(tǒng)的核心部分是AT89C51單片機，其指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容，且片內(nèi)帶4kb的E2PROM，可以方便地構成一個最小測量系統(tǒng)。其P3.5引腳接入由NE555構成的定時器輸出的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)74LS248譯碼再驅(qū)動兩位4.572cm(1.8英寸)高亮度LED數(shù)碼管顯示，適當控制譯碼器使能端，使兩數(shù)碼管輪流發(fā)光實現(xiàn)動態(tài)顯示，降低功耗。

3 軟件設計

環(huán)境噪聲測量系統(tǒng)的軟件采用模塊化設計，由主程序、中斷服務程序、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所示。

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T1對外接100kHz時鐘計數(shù)達0.5秒后，申請中斷，CPU響應中斷后即讀取TH0、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)。

圖2 軟件流程圖