基于89C51单片机的环境噪声测量仪

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
倍频带中心频率（Hz）
31.5
63
125
250
500
A声级校正量（dB）
－39.4
－26.2
－16.1
－8.6
－3.2
倍频带中心频率（Hz）
1k
2k
4k
8k
16k
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。


　　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：DB 1BH，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。
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