基于STC12C5A60S2的智能環(huán)境噪聲檢測系統(tǒng)

章宇翀 劉敬 李向陽

摘要：設(shè)計一種基于STC12C5A60S2單片機作為微控制器，采用干電池供電，以麥克風(fēng)作為信號接收模塊、LM386作為信號放大模塊，通過16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8321進行轉(zhuǎn)換，在LCD12864上顯示，通過LED燈進行報警，并且具有鎖存最大值功能的便攜式噪聲檢測系統(tǒng)。測量范圍為30-130dB，分辨率為0.1dB，采用9V電池供電。利用DS1302時鐘芯片來分辨出白天還是夜晚，根據(jù)相應(yīng)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)進行報警。

關(guān)鍵詞：智能；噪聲；檢測

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）06-0144-03

1 研究的背景和意義

噪聲不但影響人們的睡眠，損傷人們的聽覺，還會引起心臟病、胃潰瘍和高血壓等多種疾病。長期在強噪聲環(huán)境下工作會降低勞動生產(chǎn)率。所以如何防止城市環(huán)境噪聲，已為大家所重視。國內(nèi)外已對環(huán)境噪聲檢測技術(shù)進行多方面的研究。

經(jīng)過多年的研發(fā)和技術(shù)改良，噪聲檢測儀器從指針式人工讀數(shù)聲級計發(fā)展到數(shù)字式聲級計，從最初只能簡單測量瞬時聲級到現(xiàn)在能實現(xiàn)對連續(xù)聲級LEP，脈沖聲級LI，累積百分聲級LN，噪聲暴露級LEP等多個參量的測量[1]。目前我國在噪聲監(jiān)測自動化方面的進程還比較緩慢，自動監(jiān)測系統(tǒng)運用的還不夠廣泛。

在各個喧鬧嘈雜的聲環(huán)境功能區(qū)，已有許多大型環(huán)境噪聲檢測設(shè)備投入使用，實時地監(jiān)測噪聲污染。但目前國內(nèi)的便攜式噪聲檢測設(shè)備，大多數(shù)為昂貴的進口專用設(shè)備。除了一些特殊部門，如衛(wèi)生、計量等環(huán)保專業(yè)部門擁有外，無法普及給大眾使用。所以對低成本、高精度的便攜式數(shù)字顯示環(huán)境噪聲測量儀的研究與設(shè)計有著非凡的意義。

2 系統(tǒng)方案及定標(biāo)方法

2.1整體方案

采用駐極體電容式麥克風(fēng)作為傳聲器接收外界聲音信號，將輸入的微弱音頻信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并通過運算放大器進行放大。放大后的信號經(jīng)峰值檢波電路輸出峰值并由16位的AD芯片轉(zhuǎn)換傳給單片機，根據(jù)輸出的數(shù)字量查表得相應(yīng)的dB值，最后在單片機控制下由LCD實時顯示出來，并由LED燈發(fā)出報警。噪聲測量框圖如圖1所示：

2.2 主要器件選型

2.2.1麥克風(fēng)的選型

麥克風(fēng)內(nèi)部存在一個電容器，它是由振膜，墊片和極板組成的，其中振膜是實現(xiàn)聲→電轉(zhuǎn)換的主要零件，簡單來說就是一個△L→△C→△U的變化，這樣就初步實現(xiàn)了一個聲音信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換。

本設(shè)計選用的麥克風(fēng)靈敏度級為-52dB，靈敏度級公式如下：

頻率響應(yīng)是指麥克風(fēng)接受到不同頻率的聲音時，輸出信號會隨著頻率的變化而發(fā)生放大或衰減。最理想的頻率響應(yīng)為一條水平線，代表輸出信號能真實呈現(xiàn)原始聲音的特性，但這種理想情況不容易實現(xiàn)。由圖2可知，該麥克風(fēng)在100Hz～7KHz左右的響應(yīng)曲線平直，而在7KHz～15KHz左右的范圍內(nèi)約有±3dB的變化。

2.2.2運算放大器LM386

LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、更新內(nèi)鏈增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點的功率放大器，本設(shè)計中用于對傳聲器輸出的電信號進行放大。

2.2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8321

考慮到系統(tǒng)分辨率的要求，本設(shè)計選用16位AD進行AD轉(zhuǎn)換。ADS8321是一款16位的高速低功耗的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，具有同步串行接口和一個差分輸入電路。封裝形式為MSOP-8，超小體積的它被廣泛應(yīng)用在便攜式和電池供電的產(chǎn)品中。

2.3 定標(biāo)方法

本設(shè)計采用的定標(biāo)方法是：如圖3所示，利用信號發(fā)生器給喇叭持續(xù)輸入一個頻率為1KHz（由圖2的頻響曲線可知，在1KHz下，聲壓級與響度級的數(shù)值一致）不變的正弦波，并改變正弦波的幅值來改變聲音的大小。此時本設(shè)計在軟件程序中并未寫入公式，輸出的顯示值為AD值。將本設(shè)計與成品噪聲計放置在離聲源相同距離的地方，并將麥克風(fēng)對著聲源。改變輸入的正弦波的幅值，以10mv為一個單位，記錄下AD輸出的值與噪聲計輸出的dB值，找出AD與dB值之間的關(guān)系。將數(shù)據(jù)進行處理，比如將上一次的AD值到下一次的AD值定義為一個范圍，并求出在此范圍內(nèi)AD值與dB值的線性關(guān)系方程。

麥克風(fēng)輸入的電壓在0～10mv范圍內(nèi)變化，經(jīng)過LM386放大（LM386輸出自動偏置2.5V）后由峰值檢波電路輸出的電壓范圍在2.5～5V范圍內(nèi)變化，對應(yīng)的噪聲強度變化范圍為30～120dB左右。其中的噪聲強度疊加有環(huán)境噪聲大約30dB。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1硬件結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)由以下幾個部分組成：基于單片機STC12C5A60S2的最小系統(tǒng)、按鍵電路、DS1302時鐘芯片、聲音傳感器麥克風(fēng)、集成放大電路LM386、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8321、液晶顯示模塊、LED報警電路和電源電路。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3.3 信號放大模塊

3.4 AD轉(zhuǎn)換模塊

信號經(jīng)LM386放大后接到運放LF347上的2引腳上作為輸入，經(jīng)過峰值檢波電路，將峰值電壓的輸出接至ADS8321的正向輸入端上。其中，+5V的電壓經(jīng)REF5025基準(zhǔn)電壓芯片輸出2.5V接至ADS8321的1引腳上作為輸入?yún)⒖茧妷海诜聪噍斎攵艘步尤?.5V的電壓作為差分輸入，即可得+Full Scale（+滿刻度）對應(yīng)的范圍為 IN+ -IN- =（+VREF-1LSB），則可得IN+=5-1LSB時對應(yīng)的數(shù)字量為0x7FFF，-Full Scale（-滿刻度）對應(yīng)的范圍為IN+ -IN- =（-VREF），則可得IN+=0時對應(yīng)的數(shù)字量為0x8000。峰值檢波電路和ADS8321的接線如圖7所示。

圖中，比較器LF347的反相輸入端與二極管的負(fù)極相連，當(dāng)輸入端LM_IN0的電壓大于輸出端AD_IN0的電壓時，電路接通，電容C40充電，直至輸入電壓的峰值后，將峰值輸出給ADS8321。反之，二極管截止，電容C40經(jīng)電阻R21放電。當(dāng)電容C40放電后電壓降低到比輸入端LM_IN0電壓小時，二極管接通，電容C40充電。如此反復(fù)，使ADS8321采樣到的電壓始終是輸入電壓的峰值[2]。

3.5 電源電路

因為7805穩(wěn)壓芯片需要輸入7～12V的電壓才能穩(wěn)定輸出5V，所以接入5節(jié)電池。其中，D1為一個肖特基二極管，用于防止電源反接[3]。S1為電源鍵，鍵按下，使場效應(yīng)管接通，D2為接通電源的指示燈，經(jīng)電容濾波后接入7805穩(wěn)壓，輸出一個+5V的電壓。

ME7660是一款DC/DC電壓反轉(zhuǎn)專用集成電路，芯片能將輸入為+1.5V到+10V的電壓轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的-1.5V到-10V輸出。只需外接兩個低耗電容，使用方便。本電源電路中，給ME7660輸入+7V的電壓，使其輸出-7V供給峰值檢波電路中的運放使用。電源電路接線如圖8所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件流程由主程序，DS1302子程序，液晶顯示子程序、AD轉(zhuǎn)換子程序、按鍵掃描中斷服務(wù)程序等構(gòu)成。系統(tǒng)首先進行初始化，然后AD轉(zhuǎn)換，顯示出dB值，利用時鐘芯片判斷是否為白天，再判斷是否超過規(guī)定限值，采用國家環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)，以居住區(qū)域為例，白天噪聲標(biāo)準(zhǔn)55dB，夜晚45dB，超過則發(fā)出報警。如圖9所示。

5 系統(tǒng)測試結(jié)果

本設(shè)計的噪聲計的測量范圍為30-130dB，分辨率為0.1dB，采用9V電池供電。將一個喇叭接在信號發(fā)生器上，給喇叭輸入一個1KHz 的正弦波的信號，控制距離或者正弦波幅值為作為變量，記錄下實驗數(shù)據(jù)。保持輸入的正弦波頻率為1KHz，喇叭與噪聲計的距離d=30cm不變，改變正弦波幅值，得到數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可知，本設(shè)計的噪聲計最大引用誤差為0.75%，精度等級為1.0級。

6 總結(jié)及展望

本環(huán)境噪聲檢測儀主要是基于STC12C5A60S2單片機為控制核心的，同時以噪聲監(jiān)測為主的便攜式設(shè)備。通過系統(tǒng)測試，在1KHz的頻率下，本設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)噪聲計最大引用誤差為0.75%，精度等級為1.0級。本設(shè)計中未加入計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，在今后的研究中可加入計權(quán)網(wǎng)絡(luò)來調(diào)理信號[4]，使系統(tǒng)更加完善。

參考文獻：

[1] 屈紅艷.我國的環(huán)境噪聲監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].中國新技術(shù)新品，2009（8）.

[2] 劉洪英，史小軍.帶中斷輸出的實用峰值檢波電路設(shè)計[J].電子器件，2003（3）.

[3] 盧穎，趙山山.東北林業(yè)大學(xué)校園周邊環(huán)境噪聲監(jiān)測及評價研究[J].林業(yè)科技情報，2009.

[4] James H.Chairman Environmental Noise and Measurements[R].88th Meeting：Acoustical Society of America，1974.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】