1、毕业设计开题报告 电子信息工程 基于 89C51 单片机的噪声测量仪设计 一、前言 设计的目的： 用 51 单片机为硬件基础，采用传感器接收环境的噪声信号 ,经过放大和电压频率变换后作为单片机的输入信号，经过单片机的处理之后驱动 LED 显示相应的数值，以显示相应的噪声值。 设计的意义： 噪声污染是当今世界公认的环境问题。从 20 世纪 50 年代起，工业、运输业迅猛发展，噪声污染日益严重。在城市化的今天，城市快速道，高架复合道路、轨道交通、大型健身娱乐场所、空调系统等相继出现，几乎人人受到了噪声的影响。据统计，环保部门收到的污 染投诉觉到多数是噪声。从技术上来说，任何噪声问题几乎都是可以解决
2、的，但是还需要考虑经济上和实际工作中的可行性 1。 因此将噪声控制在一定范围内就很有必要，比如在居民区将噪声控制好，不影响居民的正常生活。所以就得依靠一定的检测装置来对该区域的噪声强度进行检测，来确定是否该控制噪声，顺便提供相应的措施来减少噪声。 设计的噪声测试装置中主要是由传感器来检测噪声，该传感器又主要为声级计或者是麦克风，转换成一定物理量后经过 V/F 变换输入给单片机处理，最后由单片机来对数据进行处理和输出，输出由 LED 数码管操作。 相关 概念 : （ 1） 噪声评价标准和方法 对于噪声的评价，除了评价量这个重要因素外，还需要有作为评价基础的标准，我知道，噪声对于人体及其周围环境的
3、影响是多方面的。噪声必须加以适当的控制，以保护人体的健康，使人们的学习、工作、生活有一个适宜的声环境。为此，各个国家和国际标准化组织制定了一系列环境噪声标准 2。 在噪声的物理评价中，声压和声压级是衡量声音强度的量。声压级越高，声音越强；声压级越低，声音越弱。但人耳对声音的感觉不仅和声压有关，还和声音频率、声音随时间的变化有关，人耳对高频声音敏感，对低频声音感觉迟钝。声压级相 同（即声能量相同）但频率不同的声音，人耳听起来却不一样 3。 城市区域环境噪声标准 项目 田园郊区住宅区 城市住宅区 有商业住宅区 商业区 有工业住宅区 工业区 备注 中国 55dB 55 dB 60 dB 60 dB
4、65 dB 65 dB 夜间 -10 dB （ 2） 声级计 声级计也称噪声级，它是用来测量噪声的声压级和计权声级的仪器，它适用于环境噪声，各种机器（如风机、空压机、内燃机、电动机）噪声的测量，也可用于建筑声学、电声学的测量。如果把电容器传声器换成加速度计，可以用来测量振动的加速度、速度和振幅。 声级计还可以与倍频程和 1/3 倍配合进行噪声频谱分析 4。 声级计主要由传声器、放大器、衰减器、计权网络、电表电路及电源等部分组成。 （ 3） 传声器 传声器也称话筒或麦克风，它是将声能转换成电能的原件。它是将声音信号转换成电信号的传感器。声级计上使用的传声器要求频率范围宽，频率响应应当平直，失真小
5、，动态范围大，尤其稳定性要好。 （ 4） 单片机 从 1971 年美国德州仪器（ Texas Instrument）公司首次推出 TMS-1000 单片机（ 4位机）至今，单片机技术已经成长为计算机技术领域中的一个非常重要的分支。在不断 地发展和完善中，单片机技术已经建立了自己的技术特征、发展道路和独特的应用环境。按照单片机的生产技术水平，单片机的发展过程可以分为 4 位机、 8 位机、 16 位机和 32 位机 4 个阶段 5。 单片机是微型计算机中的一种，它在一块芯片上集成了计算机的所有基本功能部件，包括中央处理器 CPU、随机读写存储器 RAM、只读存储器 ROM、 I/O 接口电路、定
6、时 /计数器和串行通信接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相组合，就可以成为一个完整的单片机控制系统 6。 (5)V/F 变换 V/F 变换就是电压频率变换，是 A/D 转换的另一种形式，其作用就是把模拟量变成频率。V/F 变换具有精度高、性能好和输出单值等特点，随着半导体技术的发展， V/F 变换器的性能不断提高，成本快速下降 7。 （ 5） 传感器 传感器相当于人体的感觉器官，它能将各种非电量（如机械量、化学量、生物量及光学量等）转换成电量。从而实现非电量的电测技术。在自动控制系统中，检测室实现自动控制的首要环节，没有对被控对象的精确检测，就不可能实现精确控制。目前传感器涉
7、及的领域主要有现代工业生产、基础学科研究、宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、医学诊断、智能建筑、汽车、家用 电器、生物工程等 8。 （ 6） 拾音器 拾音器是把声音或音乐等声能转换成电信号的设备。通常使用的音器是以人类能够听到的可听频率为转换对象的。拾音器按照原理和结构可以分为很多种，特性也各不相同。主要有电容式拾音器、动圈式拾音器和应用压电元件做成的晶体拾音器等 9。 二、主题 （阐明有关主题的背景、现状和发展方向，以及对这些问题的评述） 人在较强噪声环境下暴露一定时间后会出现听力下降。研究表明，长期接触 80dB 以上的噪声，听力就有可能受损害，在大于 85dB 的环境中工作 20
8、年，将有 10%的人出现耳聋，大于 90dB，耳聋 的比例将超过 20%10。人从高噪声的环境会到安静场所停留一段时间，听力还能恢复，叫暂时性听阀偏移，也叫听觉疲劳，但长年累月地在强噪声环境中工作，长期不断地收到高强噪声刺激，听觉就不能复原了，内耳感觉器官会发生器质性病变，导致所谓噪声性耳聋货永久性听力损失 11。 噪声影响听力主要是听力损失，就是在 500Hz、 1000Hz 和 2000Hz 三个频率上听阀较标准值升高的平均数。听力损失 10-25dB 尚能完全恢复，听力损失 25dB 以上，经数小时或数十小时尚能复原，则为暂时性耳聋；不能完全恢复的，即为永久性耳聋， 听力损失 15-25
9、dB还是接近正常， 25-40dB 则是轻度耳聋；这时 1.5m 外谈话就会有些困难。 40-65dB 听力损失是中等耳聋， 1.5m 外大声讲话都听不清。 65dB 以上则是中耳聋，大声喊叫听起来都有困难。据统计，当今世界上有 7000 多万耳聋者，其中相当部分是噪声所致。专家研究证明，家庭室内噪声是造成儿童耳聋的主要原因 12。 在一般房间，开窗时室外噪声传入房间可降低 10dB，所以城市噪声（在建筑物前 1m 测量）如果是 50-70dB，夜晚降低 10dB，就可以满足白天工作、夜晚睡眠的需要。如果城市噪声达到 70-90dB（如在繁华市街上），则必须采取措施才能满足需求（例如用较好的门
10、窗） 13。 我国根据中华人民共和国环境保护法，在进行大量的调查研究的基础上，于 1982年颁布了城市区域环境噪声标准（ GB3096-82），将城市按不同社会功能划分为 6 类区域，规定了各类区域的环境噪声标准值，在总结十年的执行情况后，按社会功能将城市划分为五类区， 1993 年该标准经修改后重新颁布（ GB3096-93），如下表 类别 区域 昼间 /dB 夜间 /dB 0 特殊安静区（疗养院、高级别墅区） 50 40 1 居住、文教 机关区 55 45 2 居住、商业、工业混杂区 60 50 3 工业区 65 55 4 交通干线道路两侧区域 70 55 该标准还规定，位于郊区和乡村的疗
11、养院、高级别墅区、高级宾馆区等按严于 0 类标准5dB 执行；乡村居住环境可参照 1 类标准执行；穿越城区的内河航道两侧区域，穿越城城区的铁路主次干线两侧的背景噪声 (指不通过列车时的噪声水平 )限值按 4 类标准执行；夜间突发的噪声，其最大值不超过标准值的 15dB14。 随着计算机技术的发展，单片机的应用和越来越广泛，在工业控制、数据采集以及仪器仪表自动化等许 多领域都起着十分重要的作用。但在实际应用中，在要求响应速度快、实时性强、控制量多的应用场合，单个单片机往往难以胜任，这时使用多个单片机结合 PC 机组成分布式系统是一个比较好的解决方案。这样单片机的数据通信技术就变的十分的重要。从某
12、种程度上说，掌握了单片机的数据通信技术也就是掌握了单片机的核心应用技术 15。 普通微机的 CPU 主要面向数据处理，因此其发展主要集中在提高 CPU 的数据处理能力、计算速度和精度上，如现今微机中的 CPU 均支持浮点运算，使用流水线作业、多级高速缓冲（ Cache）等技术。 CPU 的主频达到 2-3GHz 以上，字长普遍为 32 位。单片机主要面向智能控制、实时数据，在这些方面，对数据处理能力要求比较简单，因此与微机相比，单片机的数据处理能力相对较差，计算速度和计算精度也低一些。如现在的主流单片机对数仍不支持浮点运算、 CPU 使用串行工作方式、频率多小于 100MHz。在中、小规模的应
13、用场合中广泛采用 8 位单片机，在相对较复杂的应用领域使用 16 位单片机， 32 位单片机的应用相对较少，但随着新技术的发展， 32 位单片机的应用会愈加广泛 16。 V/F 变换器与微机接口具有下列优点： 1.接口简单，每一路模拟信号只占 用微型机的一位 I/O 线。 2.引入输入方式灵活。它既可以作为 I/O 输入，也可以中断方式输入，还可以用计数器计数，从而能满足各种不同系统的要求。 3.具有较强的抗干扰特性。这一方面因为 V/F 变换器本身是一个对输入信号不断积分的过程，因为对噪声有一定的平滑作用；另一方面也是由于其输出相当于一位数字量，所以便于采用光电隔离技术。 4.易于远距离传输
14、。 V/F 变换器产生的是一个串行信号，因此在进行远距离传输时无需进行并 -串、串 -并调制和解调。特别是与光导纤维技术结合起来，可构成一个不受电磁场干扰的远距离传输系统 17。 常用的 V/F 变换器为 ADVFC32 是 Analog Devices 公司的一种通用型集成电路 V/F 变换器，也可作为 F/V 变换器使用，它采用双列直插式结构。它的原理与电荷平衡式 V/F 变换器是一样的。由于电路中采用单独数字地的集电极开路式输出，因此，易于与标准DTL/TTL/CMOS 逻辑电路接口 18。 三、总结 （将有关主题进行扼要总结，提出自己的见解并对其发展方向做一定的展望） 噪声污染不同于大
15、气、水体和固体废弃物污染，属于物理性污染，它的本质是一种机械波，是振动形式及其能量的传播，不具有位置的累积性，噪 声源停止运行，污染立即消失，没有残余污染物。但是，由于声源和暴露人群的广泛存在，以及工业、交通运输业和城市建设的快速发展，噪声已成为国内外影响最大的公害之一 19。 一个完整的单片机系统的设计师相当复杂的。单片机系统本身就是一个硬件和软件结合非常紧密的系统。要求设计者具有硬件设计和软件设计方面的综合能力，以及对单片机和各种外围设备的接口电路、驱动电路的应用能力 20。 设计方法： 1.总体方案设计 在这一阶段，需要考察实际应用环境的需要，确定系统的整体设计方案。首先是可行性分析，确
16、定能否使用单片机系统达 到需要的设计目标，达到目标需要的经济成本是否超出可接受的范围。其次是对系统各项功能的划分，确认软件和硬件的分工问题。经过这一阶段的设计，应该已经有比较成型的系统设计框架。对软硬件系统的分工有较明确的方案，这样才可以开始进行系统的硬件设计工作。 2.系统硬件设计 系统硬件设计阶段，需要对各个模块的硬件部分进行具体设计。这部分包括单片机系统的设计，外围模块的选择， I/O 口的分配，单片机与外围模块，单片机与其他 CPU 之间的通信方式的选择，模拟输入输出通道电路设计等方面。 当具体的硬件系统功能框图完成后，可以绘制电 路的原理图，然后是硬件系统的 PCB印刷电路版图。 3
17、.系统软件设计 一个完整的单片机系统只有硬件还不能工作，必须有软件来控制整个系统的运行。单片机的软件部分的主要任务包括系统的初始化、各模块参数的设置、中断请求管理、定时器关机、外围模块读写、功能算法实现、可靠性和抗干扰设计等方面。 4.系统调试 检测硬件方面的设计错误，发现问题后如果能够补救，可以使用飞线等手段修改硬件设计，如果出现无法解决的错误，就装好推倒整个硬件设计。 5.系统完善和升级 当确定硬件和软件调试没有问题后，可能还需要根据调试过程中积累的经 验重新设计PCB 版图，有时需要反复很多次才能达到预期的设计要求。最后还需要对整个产品进行进一步的优化和组合，并在可允许的情况下为系统预留
18、升级和功能扩展的借口 21。 总而言之，噪声测量仪虽然市面上很多，很多街道区域都已经安装上，能够检测噪声了，但是随之而来的还是有很多问题。还有很多可以改进的地方，比如能不能在检测噪声的基础上添加上其他功能，例如防盗报警功能，视频检测功能等等。随着不断的改进与应用，这个机器一定会给人们的生活带来更大的便捷。 四、参考文献 （根据文中参阅和引用的先后次序按序编排） 1 噪声 控制技术 潘仲麟 翟国庆 2006 年 4 月第 1 版： 1 2 噪声控制技术 潘仲麟 翟国庆 2006 年 4 月第 1 版： 43 3 噪声污染控制技术 张弛 中国环境科学出版社 2007 年 6 月第 1 版： 42
19、4 噪声控制技术及其新进展 周新祥 冶金工业出版社 2007 年 7 月第 1 版： 42 5 单片机通信技术与工程实践 求是科技 人民邮电出版社 2005 年 1 月第 1 版： 2 6 单片机通信技术与工程实践 求是科技 人民邮电出版社 2005 年 1 月第 1 版： 1 7 单片机程序设计实例 先锋工作室 清华大学出版社 2003 年 1 月第 1 版： 161 8 图解传感器技术及应用电路 陈圣林 侯成晶 中国电力出版社 2009 年 8 月第 1 版： 2 9 单片机实用技术问答 谢宜仁 人民邮电出版社 2003 年 2 月第 1 版： 329 10 噪声控制技术 潘仲麟 翟国庆
20、2006 年 4 月第 1 版： 27 11 噪声控制技术 潘仲麟 翟国庆 2006 年 4 月第 1 版： 27 12 噪声控制技术 潘仲麟 翟国庆 2006 年 4 月第 1 版： 27 13 噪声控制技术 潘仲麟 翟国庆 2006 年 4 月第 1 版： 29 14 噪声控制技术 潘仲麟 翟 国庆 2006 年 4 月第 1 版： 43 15 单片机通信技术与工程实践 求是科技 人民邮电出版社 2005 年 1 月第 1 版 :前言 16 单片机通信技术与工程实践 求是科技 人民邮电出版社 2005 年 1 月第 1 版 :1 17 单片机程序设计实例 先锋工作室 清华大学出版社 2003 年 1 月第 1 版： 161 18 单片机程序设计实例 先锋工作室 清华大学出版社 2003 年 1 月第 1 版： 163 19 噪声污染控制技术 张弛 中国环境科学出版社 2007 年 6 月第 1 版：前言 20 单片机原理与应用 杨和平，杨芳， 谢飞 机械工业出版社 2008 年 5 月第 1 版： 208 21 单片机原理与应用 杨和平，杨芳，谢飞 机械工业出版社 2008 年 5 月第 1 版： 209
