基于89C51单片机的环境噪声测量仪

1　引　言　
　
　　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。
          2　声压级的测量机理

　　人耳的听阈一般是20μPa，痛阈一般是200 Pa，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＝20 lg（p／p0）　　（dB）（附）
          其中：基准量p0为20μPa。当p＝p0时，Lp＝0 dB，而当p＝200 Pa时，Lp＝140 dB。

　　用声级计可以测量声压级，采用1 kHz纯音输入0．2 s到0．25 s或0．5 s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40phon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）。附表给出倍频带中心频率与A声级的校正量之间的关系：
      
   
       3　硬件电路构成　　

        环境噪声测量仪的硬件结构原理见图1：　
　
   　　                                           图1　硬件原理图
   　　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50～14 000 Hz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。三级放大电路由运放LM324构成，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10～10 000 Hz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引脚接由NE555构成的定时器输出的100 kHz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，也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1．8 in高亮度LED数码管显示，适当控制译码器灭灯端，使两数码管轮流发光实现动态显示，降低功耗。
          4　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100 kHz时钟计数达0．5 s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。
   
   
                                                                   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：

　　TAB：DB1BH，0A0H，0BBH，　　；表格上限∶　　　　　　　　　　　　　　　
     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，　　；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。
          5　结束语

　　最后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1 dB，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给予了很多指导意见，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。［M］北京：科学出版社，1983
   ［2］　何立民。单片机应用文集（1）。［M］北京航空航天大学出版社。1991
   ［3］　周泽存。检测技术。［M］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。［M］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。［M］北京：高等教育出版社。1992