1、电子测量技术课程设计报告课题：声级计的设计班级 电子 3071 学号 3072107110 学生姓名 张 熙 锋 专业 电子信息工程 系别 电子与电气工程学院 指导教师 电子测量课程设计指导小组 淮阴工学院电子信息工程系2010 年 6 月 班级：电子 3071 姓名：张熙锋 学号：3072107110 课题：声级计的设计 1一、 设计目的：1.1 培养学生理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和 生产实际知识 去分析和解决工程实际问题的能力。1.2 学习较复杂的电子系统设计的一般方法，提高基于模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自
2、行调试。1.3 进行基本技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。1.4 培养学生的创新能力。二、 设计要求：1、测量范围：20150dB；2、测量结果以 3 位数码显示；3、画出总体设计电路图；4、提交格式上符合要求，内容完整的设计报告；三、 设计内容3.1 总框架图3.1.1 声压级的测量机理班级：电子 3071 姓名：张熙锋 学号：3072107110 课题：声级计的设计 2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
3、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
4、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 500A 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 16kA 声级校正量（dB） 0 1.2 1.0 -1.1 -6.6表 13.1.2总体设计思路及方法说明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。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。
5、 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。 系统的核心部分是 80C51 单片机,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 CC4511 译码再驱动三位 LED 数码管显示,适当控制译码器使能端,使三数码管实现动态显示,降低功耗。班级：电子 3071 姓名：张熙锋 学号：3072107110 课题：声级计的设计 34、单元电路设
6、计4.1 驻极体传声器驻极体传声器有两块金属极板，其中一块表面涂有驻极体薄膜（多数为聚全氟乙丙烯）并将其接地，另一极板接在场效应晶体管的栅极上，栅极与源极之间接有一个二极管。当驻极体膜片本身带有电荷，表面电荷地电量为 Q，板极间地电容量为 C，则在极头上产生地电压 U=Q/C，当受到振动或受到气流地摩擦时，由于振动使两极板间的距离改变，即电容 C 改变，而电量 Q 不变，就会引起电压的变化，电压变化的大小，反映了外界声压的强弱，这种电压变化频率反映了外界声音的频率，这就是驻极体传声器地工作原理。 由于这种传声器也是电容式结构，信号内阻很大，为了将声音产生的电压信号引出来并加以放大，其输出端也必
7、须使用场效应晶体管。4.2 集成四运放 LM324 LM324 是四运放集成电路,它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器, 除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器，LM324 的 引脚排列可用下图表示。本设计中用 LM324 作相交流放大器。同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的 R1、R2 组成 1/2V+分压电路,通过 R3 对运放进行偏置。电路的电压放大倍数 Av 也仅由外接电阻决定：Av=1+Rf/R4,电路输入电阻为 R3。R4 的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。班级：电子 3071 姓名：张熙锋 学号：3072107110 课题：声级计的设计 44.3 NE555 构
8、成的方波输出电路本设计中用 NE555 构成定时器输出 100KHZ 的方波，接入 80C51 单片机的P3.5 引脚，通过 T1 中断去控制 T0 定时计数。图 4 为 NE555 构成的 100KHZ 方波产生电路。图中，电路利用 D2、D3 单向导电特性将电容器 C 充、放电回路分开，可以通过选取不同的 RA 和 RB 的值来调节振荡器输出波形的占空比：q=RA/(RA+RB)。因而，振荡频率为：f=1.43/(RA+RB)C。班级：电子 3071 姓名：张熙锋 学号：3072107110 课题：声级计的设计 5图 4 NE555 构成的方波输出电路4.4 LM331 频率电压转换器图
9、5 是由 LM331 组成的电压频率变换电路，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 1010000Hz 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。LM331 内部由输入比较器、定时比较器、RS 触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配 TTL、DTL 和 CMOS 等不同的逻辑电路。当输入端 Vi输入一正电压时，输入比较器输出高电
10、平，使 RS 触发器置位，输出高电平，输出驱动管导通，输出端 f0 为逻辑低电平，同时电源 Vcc 也通过电阻 R2 对电容 C2 充电。当电容 C2 两端充电电压大于 Vcc 的 2/3 时，定时比较器输出一高电平，使 RS 触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端 f0 为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容 C2 通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容 C3 对电阻 R3 放电。当电容 C3 放电，电压等于输入电压 Vi 时，输入比较器再次输出高电平，使 RS 触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率f0 与输入电压 Vi 成正比，从而实现了电压频率变换。其输入电压和
11、输出频率的关系为：班级：电子 3071 姓名：张熙锋 学号：3072107110 课题：声级计的设计 6fo=(VinR4)/(2.09R3R2C2)由式知电阻 R2、R3、R4、和 C2 直接影响转换结果 f0，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电阻 R1 和电容 C1 组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。4.5 用 80C51 单片机设计软件部分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。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
12、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。各程序模块的流程图如图 6 所示。班级：电子 3071 姓名：张熙锋 学号：3072107110 课题：声级计的设计 7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
13、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, ; 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 ;班级：电子 3071 姓名：张熙锋 学号：3072107110 课题：声级计的设计 8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“
14、”,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。4.6 CC4511 译码驱动电路4.6.1 七段译码驱动器本设计中采用 CC4511 BCD 码（锁存/ 七段译码/ 驱动器）来驱动共阴数码管。图 7 为 CC4511 引脚排列。其中，A，B，C，D 是四个输入端和 a是七个输出端，它还具有输入 BCD 码锁存、灯测试和熄灭显示控制功能，它们分别由锁存端 LE、灯测试端 LT、熄灭控制端/BI 来控制。图 7 CC4511 引脚排列图实验时只要接通+5V 电源和将十进制数的 B
15、CD 码接到译码器的相应输入端即可显示 09 的数字。四位数码管可接受四组 BCD 码输入。CC4511 与数码管的连接如图 8 所示。图 8 CC4511 与数码管的连接班级：电子 3071 姓名：张熙锋 学号：3072107110 课题：声级计的设计 9此电路中只使用 CC4511 的译码功能，故将 3、4 脚接电源，5、8 脚接地，从单片机 P0 端口输出的电平分别接入 CC4511 的 A、B、C、D 端，经过译码后输出七位编码。由 CC4511 的驱动和输出的数码点亮对应的段，显示相应的数值。4.6.2 七段发光二极管数码管一个 LED 数码管可用来显示一位 09 十进制数。LED
16、数码管要显示 BCD 码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力。图 9（a）(b)为共阴管电路和共阴数码管引出脚功能图。图 9（a）共阴管电路 图 9（b）共阴数码管引脚五.设计总结本次课程设计，在陈老师布置课题并讲解了基本原理后，两个星期以来我查阅了许多有关此设计的资料，并通过与同学交流经验和自学，以及向老师请教等方式，最终基本完成了此次课程设计。通过这次电子课程设计，对以前所学的电子电路知识既是巩固又是发展，进一步理解并加深了对所学的电子技术的认识。学会了在实践中运用理论，用理论来指导实践，培养了理论联系实际的正确设计思想。通过对课题的设计，训练了运用所学的理论知识去思考问题并联系理论实际解决问题的能力，提高了逻辑思维的能力。同时通过此次设计，学会了较复杂的电子系统设计的一般方法，进一步掌握了分析与设计一般电子电路的方法，并增强了独立的思考问题和解决问题的能力。同时进行基本的技能训练，学会了基本仪器的使用及基本电子元器件的识别与测量，进一步了解
