基于at89c51單片機的噪聲測量儀設計【畢業(yè)設計】

1、<p>　　本科畢業(yè)設計(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　基于AT89C51單片機的噪聲測量儀設計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子信息工程 &

2、lt;/p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p

3、>　　本文介紹了基于AT89C51單片機設計的噪聲測試系統(tǒng)，該噪聲測量儀采用的是一般的AT89C51單片機，具有集成度高、處理功能強、可靠性高、系統(tǒng)結構簡單、價格低廉、易于使用等特點。文中給出了該系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計，以及仿真的過程以及結果。本系統(tǒng)具有測量精度高，操作方便，實用性強的特點。本系統(tǒng)總體設計包括放大電路中反饋電路的形式和特點的選擇，V/F變換芯片的選擇，最終得出可用性的系統(tǒng)方案?；贏T89C51單片機設計的噪聲測

4、試裝置中主要是由傳感器來收集噪聲，該傳感器采用駐極體麥克風，麥克風收集到的電流信號經放大器放大成電壓信號，電壓信號經過V/F變換電路轉換成頻率信號，該頻率信號經過P3.7引腳輸入給單片機處理，最后由單片機來對數據進行處理和輸出，輸出傳給LED數碼管顯示處理的數據值。</p><p>　　關鍵詞： 噪聲測量，放大器，AT89C51單片機，V/F變換</p><p>　　Noise Measu

5、rement Instrument Design Based on AT89C51</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This paper introduces the design that noise measurement system based on AT89C51.This noise measurement ins

6、trument uses general AT89C51.The features are integration, high and strong processing functions, high reliability, simple system structure, inexpensive and easy to use. This paper gives the system hardware design and sof

7、tware design, and the simulation process and the result. This system has the characteristic that high accuracy, easy operation and strong practical applicability. This system</p><p>　　Keywords: noise measure

8、ment, magnifier, AT89C51, V/F conversion</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要 Ⅲ</p><p>　　Abstract

9、 Ⅳ</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題的來源1</p><p>　　1.2 課題的意義1</p><p>　　1.3 國內外發(fā)展現(xiàn)狀2</p>

10、<p>　　1.4 課題研究的主要內容3</p><p>　　2 方案設計與總體設計4</p><p>　　2.1 方案設計4</p><p><b>　　2.2方案論證4</b></p><p><b>　　2.3總體設計5</b></p><p>　

11、　2.3.1總體方案設計5</p><p>　　2.3.2 系統(tǒng)硬件設計5</p><p>　　2.3.3 系統(tǒng)軟件設計5</p><p>　　2.3.4 系統(tǒng)調試6</p><p>　　2.3.5 系統(tǒng)完善和升級6</p><p><b>　　3 硬件設計7</b></p>

12、;<p>　　3.1 傳感器部分7</p><p>　　3.1.1 駐極體話筒的工作原理7</p><p>　　3.1.2 駐極體話筒與電路的接法7</p><p>　　3.2 放大電路的設計計算8</p><p>　　3.2.1 LM324放大器8</p><p>　　3.2.2 運算放大器的

13、負反饋電路10</p><p>　　3.3 V/F變換電路的設計12</p><p>　　3.3.1 電壓-頻率變換器芯片LM33112</p><p>　　3.3.2 LM331壓頻變換器的原理15</p><p>　　3.3.3 輸入電壓和輸出頻率的關系16</p><p>　　3.4 單片機部分17&

14、lt;/p><p>　　3.4.1復位電路和晶振電路17</p><p>　　3.5 數碼管顯示電路19</p><p>　　3.6 串口驅動電路21</p><p><b>　　4 軟件設計22</b></p><p>　　4.1 總流程圖22</p><p>　　

15、4.2 各子模塊說明24</p><p>　　4.2.1 上位機模塊24</p><p>　　4.2.2 下位機模塊25</p><p><b>　　5 結論28</b></p><p><b>　　參考文獻29</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。

16、</p><p><b>　　附錄31</b></p><p>　　附錄圖1 電路圖131</p><p>　　附錄圖2 電路圖232</p><p>　　附錄3 部分代碼33</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>&l

17、t;b>　　1.1 課題的來源</b></p><p>　　人在較強噪聲環(huán)境下暴露一定時間后會出現(xiàn)聽力下降。研究表明，長期接觸80dB以上的噪聲，聽力就有可能受損害，在大于85dB的環(huán)境中工作20年，將有10%的人出現(xiàn)耳聾，大于90dB，耳聾的比例將超過20%。人從高噪聲的環(huán)境會到安靜場所停留一段時間，聽力還能恢復，叫暫時性聽閥偏移[1]，也叫聽覺疲勞，但長年累月地在強噪聲環(huán)境中工作，長期不斷地

18、收到高強噪聲刺激，聽覺就不能復原了，內耳感覺器官會發(fā)生器質性病變，導致所謂噪聲性耳聾貨永久性聽力損失。</p><p>　　噪聲影響睡眠，影響交談和通訊，影響工作，分散人的注意力，使人容易疲勞，反應遲鈍，影響工作效率。因此為了防止噪聲污染的蔓延影響人們的生活，就得有效地對人們周圍的噪聲進行檢測，檢測完后才能根據實際情況對噪聲進行必要的處理，使人們能夠正常地進行日常活動，防止噪聲影響到居民。</p>

19、<p><b>　　1.2 課題的意義</b></p><p>　　短時間處于高噪聲環(huán)境中，雙耳難受、頭痛、不舒服，過一段時間適應了，但這以后， 雙耳嗡鳴。休息幾小時后，聽力會逐漸恢復。如果長期在高噪聲環(huán)境下工作， 日積月累，內耳器官會發(fā)生器質性病變，聽覺疲勞不能恢復，成為永久性聽閾偏移。噪聲作用于人的中樞神經系統(tǒng)，引起頭痛、腦脹、耳鳴、失眠、全身無力、為神經官能癥，引起消化不良，

20、食欲不振、惡心嘔吐、導致腸胃病和潰瘍病，引起心跳加快，心律不齊，血壓升高，動脈硬化，冠心病，內分泌功能影響，胎兒正常發(fā)育的影響，及胎兒聽覺器官影響，機場噪聲無論大小，對兒童健康都有不良影響，引起兒童的血壓升高和緊張荷爾蒙凝聚度顯著上升[2]。噪聲引起儀器設備振動，高噪聲超過135dB時，會使電子儀器發(fā)生故障；超過150dB時， 元器件可能損壞。在特強噪聲作用下，會使材料或結構產生疲勞而斷裂，聲疲勞現(xiàn)象。</p><p

21、>　　因此檢測到噪聲強度之后，有效地對噪聲進行控制和處理，有助于人們恢復正常地生活狀態(tài)，使人們回到正常地生產和活動中來。</p><p>　　1.3 國內外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　常用的V/F變換器ADVFC32是Analog Devices公司的一種通用型集成電路V/F變換器，也可作為F/V變換器使用，它采用雙列直插式結構。它的原理與電荷平衡式V/F變換器是一樣的。由于電路中

22、采用單獨數字地的集電極開路式輸出，因此，易于與標準DTL/TTL/CMOS邏輯電路接口。</p><p>　　普通聲級計具備性能穩(wěn)定、使用簡單、價格低廉、攜帶方便等優(yōu)點，在環(huán)境、交通噪聲、機械和電氣噪聲等的測量方面都能得到廣泛應用，如中國主要的聲學測量儀器生產基地紅聲器材廠生產的HS5633/B和ND10普通聲級計。</p><p>　　CEM（香港）公司推出的DT-8851和DT-885

23、2型普通聲級計；隸屬于德國思百吉集團公司的丹麥B&K公司生產的B&K 2240和2239型聲級計。這些聲級計都滿足國際電工委員會（IEC）651號聲級計標準中對作為一般用途聲級計的要求，具有A,C頻率計全網絡[3]。</p><p>　　精密型聲級計較普通型不僅具有更高的精度和噪聲控制要求，而且融入了很多先進技術，一般配合帶通濾波器使用，進行倍頻程或1/3倍頻程頻譜分析。杭州愛華公司（杭州愛華電子

24、研究所）生產的AWA5661型精密聲級計是一種袖珍式、高精度的聲學測量儀，加上AWA5721或AWA5722濾波器可以進行倍頻程或1/3倍頻程頻譜分析。</p><p>　　紅聲企業(yè)生產的HS5660和HS5660B/C型精密聲級計，都符合IEC對1級聲級計的要求，可以與HS5721型1/1倍頻程濾波器或HS5731型1/3倍頻程濾波器構成一個操作簡便的額便攜式頻譜分析儀。</p><p>

25、;　　還有日本理音公司ROINCO.LTD推出的NL-21/NL-31型聲級計和B&K2238型系列的1級精密聲級計在環(huán)境監(jiān)測、建筑及室內噪音測量中均得到了廣泛應用。但后者功能更強大，內存更大，能保存500組測量數據；而前者只能保存100組測量數據。B&K2238型還可配合基本型、增強型、數據記錄、頻譜分析型4種不同的軟件，以滿足各種不同噪聲測量的需求。</p><p>　　國外多家公司已經研發(fā)出

26、新一代的實時分析儀器，其性能優(yōu)越，功能完善但價格比較昂貴。</p><p>　　中國噪聲控制技術研究起步比較晚，與發(fā)達國家相比差距較大，特別在計算機技術隊噪聲測量和產品優(yōu)化設計方面比較薄弱。但近20年來發(fā)展比較快，從事噪聲測量儀器生產的公司引進國外先進技術，根據需要自主研發(fā)，生產出一系列新的噪聲測量產品。一些國內企業(yè)紛紛退出了具有國際領先水平的實時分析儀，打破了國外在此類產品的市場壟斷[4]。</p>

27、<p>　　1.4 課題研究的主要內容</p><p>　　環(huán)境噪聲經傳感器轉換成電信號。傳感器加上保護措施比如防風防雨設備之后可用于室外測量。電壓／頻率轉換電路，輸出的頻率信號變成TTL電平送給單片機。系統(tǒng)的核心部分是AT89C51單片機。經軟件處理后，噪聲聲壓級顯示值輸出，經74LS248譯碼再驅動兩位LED數碼管顯示，適當控制譯碼器滅燈端，使兩數碼管輪流發(fā)光實現(xiàn)動態(tài)顯示。 此外，可利用單片機的

28、內部存儲器來存儲最近一個月的歷史記錄，可以讀取觀看并且可以清除歷史記錄。</p><p>　　2 方案設計與總體設計</p><p><b>　　2.1 方案設計</b></p><p>　　整個系統(tǒng)的大致原理框圖如下：</p><p>　　圖2-1 設備總體設計方案</p><p><b&

29、gt;　　2.2方案論證</b></p><p>　　傳感器可由用駐極體麥克風，駐極體麥克風有一個內部的場效應晶體管，可對聲音信號進行前置放大。麥克風輸出的信號經過一個由電位計構成的高靈敏度音量控制器，然后傳到放大器的輸入端進行放大。駐極體電容傳聲器在膜片與后極板之間填充駐極體，用駐極體的電壓代替外加的直流極化電壓。使用方便，但性能比一般的電容傳聲器差。</p><p>　　C

30、PU為AT89C51單片機芯片，對測量值進行計算、處理。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器。</p><p>　　該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高

31、且價廉的方案[5]。</p><p>　　聲級計要求有較大的測量范圍，為了保證顯示精度，檢波器和指示器量程范圍一般都很小，這就需要采用衰減器。為了提高信噪比，將衰減器分為輸入衰減器和輸出衰減器[6]。輸入衰減器放在第一組放大器前面，作用是將接受的強信號衰減，不使輸入放大器過載。</p><p>　　由于輸入衰減器不能降低第一組放大器所產生的噪聲，信噪比指標不好，而輸出衰減器接在第一組放大器

32、和第二組放大器之間，獲得的信噪比指標好，所以使用時輸出衰減器盡量處在最大衰減位置。</p><p><b>　　2.3總體設計 </b></p><p>　　2.3.1總體方案設計</p><p>　　在這一階段，需要考察實際應用環(huán)境的需要，確定系統(tǒng)的整體設計方案。首先是可行性分析，確定能否使用單片機系統(tǒng)達到需要的設計目標，達到目標需要的經濟成

33、本是否超出可接受的范圍。</p><p>　　其次是對系統(tǒng)各項功能的劃分，確認軟件和硬件的分工問題。經過這一階段的設計，應該已經有比較成型的系統(tǒng)設計框架。對軟硬件系統(tǒng)的分工有較明確的方案，這樣才可以開始進行系統(tǒng)的硬件設計工作。</p><p>　　2.3.2 系統(tǒng)硬件設計</p><p>　　系統(tǒng)硬件設計階段，需要對各個模塊的硬件部分進行具體設計。這部分包括單片機系

34、統(tǒng)的設計，外圍模塊的選擇，I/O口的分配，單片機與外圍模塊，單片機與其他CPU之間的通信方式的選擇，模擬輸入輸出通道電路設計等方面。</p><p>　　當具體的硬件系統(tǒng)功能框圖完成后，可以繪制電路的原理圖，然后是硬件系統(tǒng)的PCB印刷電路版圖。</p><p>　　2.3.3 系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　一個完整的單片機系統(tǒng)只有硬件還不能工作，必須有軟件來控制

35、整個系統(tǒng)的運行。單片機的軟件部分的主要任務包括系統(tǒng)的初始化、各模塊參數的設置、中斷請求管理、定時器關機、外圍模塊讀寫、功能算法實現(xiàn)、可靠性和抗干擾設計等方面。</p><p>　　2.3.4 系統(tǒng)調試</p><p>　　檢測硬件方面的設計錯誤，發(fā)現(xiàn)問題后如果能夠補救，可以使用飛線等手段修改硬件設計，如果出現(xiàn)無法解決的錯誤，就裝好推倒整個硬件設計。</p><p>

36、　　2.3.5 系統(tǒng)完善和升級</p><p>　　當確定硬件和軟件調試沒有問題后，可能還需要根據調試過程中積累的經驗重新設計PCB版圖，有時需要反復很多次才能達到預期的設計要求。</p><p>　　最后還需要對整個產品進行進一步的優(yōu)化和組合，并在可允許的情況下為系統(tǒng)預留升級和功能擴展的接口[7]。</p><p><b>　　3 硬件設計</b&

37、gt;</p><p><b>　　3.1 傳感器部分</b></p><p>　　3.1.1 駐極體話筒的工作原理</p><p>　　駐極體話筒具有體積小，頻率范圍寬，高保真和成本低的特點，目前，已在通訊設備，家用電器等電子產品中有著廣泛的應用。</p><p>　　話筒的基本結構由一片單面涂有金屬的駐極體薄膜與一個

38、上面有若干小孔的金屬電極（背稱為背電極）構成[7]。駐極體面與背電極相對，中間有一個極小的空氣隙，形成一個以空氣隙和駐極體作絕緣介質，以背電極和駐極體上的金屬層作為兩個電極構成一個平板電容器。電容的兩極之間有輸出電極。</p><p>　　由于駐極體的薄膜上分布有自由電荷，當聲波引起駐極體薄膜振動而產生位移時，改變了電容兩極板之間的距離，從而引起電容的容量發(fā)生變化，由于駐極體上的電荷數始終保持恒定，根據公式：&l

39、t;/p><p>　　Q=CU （3-1）</p><p>　　所以當C變化時必然引起電容器兩端電壓U的變化，從而輸出電信號，實現(xiàn)聲電的轉換。</p><p>　　3.1.2 駐極體話筒與電路的接法</p><p>　　由于駐極體麥克風實際電容器的電容量很小，輸出的電信號極其微弱，輸出阻抗極高，可達

40、數百兆歐以上，因此它不能直接與放大電路相連接，必須連接阻抗變換器。</p><p>　　通常用一個專用的場效應管和一個二極管復合組成阻抗變換器。一般采用二段輸出方式，該方式是將場效應管接成漏極輸出電路，類似晶體三極管的共射極放大電路，只需兩根引出線，漏極D與電源極之間接一漏極電阻R，信號由漏極輸出有一定的電壓增益，因而話筒的靈敏度比較高，但動態(tài)范圍比較小，目前市售的駐極體話筒大多是這種方式連接。駐極體話筒必須滿足

41、一定的偏置條件才能正常工作[8]。如圖所示：</p><p><b>　　圖3-1</b></p><p>　　3.2 放大電路的設計計算</p><p>　　3.2.1 LM324放大器</p><p>　　LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外

42、，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。</p><p>　　兩個信號輸入端中，Vi-為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同[9]。LM324的引腳排列見圖3-2 。</p><p>

43、;<b>　　圖3-2</b></p><p><b>　　圖 3-3</b></p><p>　　由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應用在各種電路中。</p><p>　　3.2.2 運算放大器的負反饋電路</p><p>　　圖3-4

44、是反相比例運算電路。從反饋類型來看，反饋電路自輸出端引出而接到反相輸入端。設輸入電壓μi為正，則輸出電壓μo為負。此時反相輸入端的電位高于輸出端的電位．輸入電流i1和反饋電流if的實際方向即如圖中所示．差值電流</p><p>　　id=i1-if （3-2）</p><p>　　即if削弱了凈輸入電流(差值電流)，故為負反饋。</p&g

45、t;<p><b>　　反饋電流</b></p><p>　　if=-(uo/RF) （3-3）</p><p>　　取自輸出電壓(即負載電壓) uo,并與之成正比，故為電壓反饋[10]。反饋信號與輸入信號在輸人端以電流的形式作比較,兩者并聯(lián)，故為并聯(lián)反饋[11]。</p><p>

46、　　因此,反相比例運算電路是引入并聯(lián)電壓負反饋的電路。由前面討論可知，電壓負反饋的作用是穩(wěn)定輸出電壓，并聯(lián)反饋電路則降低輸入電阻。</p><p><b>　　反饋系數F由定義式</b></p><p>　　F=XF/XO （3-4）</p><p>　　得出：其中XF為反饋電流，所以反饋系數

47、</p><p>　　F=if/uo≈-1/RF （3-5）</p><p>　　可見，反饋系數具有電導（電阻的倒數）的量綱，稱為互導反饋系數。</p><p><b>　　圖3-4</b></p><p>　　由于麥克風輸出的是電流信號，而V/F變換電路用到的是電壓，所以采

48、用電流控制電壓的負反饋，即電壓并聯(lián)負反饋[12]。如圖3-5所示</p><p><b>　　圖3-5</b></p><p>　　參照圖3-5，根據虛短可得VF=0，根據虛斷得，</p><p>　　iF=iI=(Uo-Ui)/R2 （3-6）</p><p>&

49、lt;b>　　所以</b></p><p>　　Uo=R2*iI （3-7）</p><p>　　由于LM331輸入電壓范圍為0-10V，所以放大器的輸出電壓得在這個范圍內。所以電阻R2的取值為1K，以滿足輸出電壓的要求。</p><p>　　3.3 V/F變換電路的設計 </p

50、><p>　　3.3.1 電壓-頻率變換器芯片LM331</p><p>　　LM331是美國 NS 公司生產的性能價格比較高的集成芯片。</p><p>　　LM331可用作精密的頻率電壓(F/V)轉換器, A/D 轉換器,線性頻率調制解調,長時間積分器以及其他相關的器件[13]。</p><p>　　LM331的動態(tài)范圍寬,可達100dB，線

51、性度好,最大非線性失真小于0.01%,工作頻率低到 0.1Hz 時尚有較好的線性。變換精度高,數字分辨率可達 12位。外接電路簡單,只需接入幾個外部元件就可方便構成 V/F 或 F/V 等變換電路,并且容易保證轉換精度。</p><p>　　可以通過選擇邏輯電流和外接電阻,靈活改變輸出脈沖的邏輯電平,以適配TTL,DTL 和CMOS等不同的邏輯電路LM331可采用雙電源或單電源供電,可工作在4.0～40V之間,輸

52、出可高達40V,而且可以防止Vcc短路[14]。</p><p>　　LM331為雙列直插式8 腳芯片LM331內部有</p><p><b>　　(a)輸入比較電路</b></p><p><b>　　(b)定時比較電路</b></p><p>　　(c)R-S 觸發(fā)電路</p>&

53、lt;p><b>　　(d)復零晶體管</b></p><p><b>　　(e)輸出驅動管</b></p><p><b>　　(f)能隙基準電路</b></p><p>　　(g)精密電流源電路</p><p><b>　　(h)電流開關</b>

54、</p><p>　　(i)輸出保護點路等部分</p><p>　　輸出管采用集電極開路形式,因此可以通過選擇邏輯電流和外接電阻,靈活改變輸出脈沖的邏輯電平,從而適應 TTL,DTL 和 CMOS 等不同的邏輯電路。此外, LM331可采用單/雙電源供電,電源電壓為+15V，輸入電壓范圍為：0-10V，輸出頻率為10Hz-11kHz[15]。</p><p>　　引

55、腳1(PIN1)為電流源輸出端,在f0(PIN3)輸出邏輯低電平時,電流源IR輸出對電容CL充電</p><p>　　引腳 2(PIN2)為增益調整, 改變RS的值可調節(jié)電路轉換增益的大小</p><p>　　引腳3(PIN3)為頻率輸出端,為邏輯低電平,脈沖寬度由Rt 和Ct 決定</p><p>　　引腳 4(PIN4)為電源地</p><p

56、>　　引腳 5(PIN5)為定時比較器正相輸入端</p><p>　　引腳 6(PIN6)為輸入比較器反相輸入端</p><p>　　引腳 7(PIN7)為輸入比較器正相輸入端</p><p>　　引腳 8(PIN8)為電源正端</p><p>　　LM331頻率電壓轉換器V/F變換和F/V變換采用集成塊LM331,LM331是美國NS

57、公司生產的性能價格比較高的集成芯片,可用作精密頻率電壓轉換器用。</p><p>　　LM331采用了新的溫度補償能隙基準電路,在整個工作溫度范圍內和低到4V電源電壓下都有極高的精度。</p><p>　　同時它動態(tài)范圍寬,可達100dB。線性度好,最大非線性失真小于0.01%，工作頻率低到0.1Hz時尚有較好的線性。變換精度高,數字分辨率可達12位。外接電路簡單,只需接入幾個外部元件就可

58、方便構成V/F或F/V等變換電路,并且容易保證轉換精度[16]。</p><p><b>　　圖3-6</b></p><p>　　圖3-6是由LM331組成的電壓頻率變換電路, LM331內部由輸入比較器,定時比較器,R-S 觸發(fā)器,輸出驅動, 復零晶體管,能隙基準電路和電流開關等部分組成。輸出驅動管采用集電極開路形式,因而可以通過選擇邏輯電流和外接電阻,靈活改變輸

59、出脈沖的邏輯電平,以適配 TTL,DTL 和 CMOS 等不同的邏輯電路。</p><p>　　當輸入端 Vi+輸入一正電壓時,輸入比較器輸出高電平,使 R-S 觸發(fā)器置位,輸出高電平,輸出驅動管導通, 輸出端 f0 為邏輯低電平,同時電源 Vcc 也通過電阻 R2 對電容 C2 充電。當電容 C2 兩端充電電壓大于Vcc 的2/3 時,定時比較器輸出一高電平,使 R-S 觸發(fā)器復位,輸出低電平,輸出驅動管截止,

60、輸出端 f0 為邏輯高電平,同時,復零晶體管導通,電容 C2 通過復零晶體管迅速放電。電子開關使電容 C3 對電阻 R3 放電.當電容 C3 放電 電壓等于輸入電壓 Vi 時,輸入比較器再次輸出高電平,使 R-S 觸發(fā)器置位,如此反復循環(huán),構成自激振蕩。</p><p>　　輸出脈沖頻率 f0 與輸入電壓 Vi 成正比,從而實現(xiàn)了電壓-頻率變換[17]。其輸入電壓和輸出頻率的關系為：</p><

61、;p>　　fo=(Vi×R4)/(2.09×R3×R2×C2) （3-8）</p><p>　　由式知電阻R2,R3,R4,和 C2 直接影響轉換結果f0,因此對元件的精度要有一定的要求,可根據轉換精度適當選擇。電阻R1和電容C1組成低通濾波器,可減少輸入電壓中的干擾脈沖, 有利于提高轉換精度[18]。同樣,由LM331也可構成頻率-電壓

62、轉換電路。</p><p>　　3.3.2 LM331壓頻變換器的原理</p><p>　　當輸入端Vi+輸入正電壓時,輸入比較器輸出高電平,使R-S 觸發(fā)器置位,Q輸出高電平,輸出驅動管導通,輸出端f0為邏輯低電平,同時,電流開關打向右邊,電流源對電容C2充電.此時由于復零晶體管截止,電源通過電阻R2對電容C2充電。當電容C2兩端充電電壓大于Vcc的2/3時,定時比較器輸出高電平,使R-

63、S觸發(fā)器復位,Q輸出低電平,輸出驅動管截止,輸出端f0為邏輯高電平,同時,復零晶體管導通,電容C2通過復零晶體管迅速放電。</p><p>　　電流開關打向左邊,電容C3對電阻R3放電.當電容C3放電電壓等于輸入電壓Vi時,輸入比較器再次輸出高電平,使 R-S 觸發(fā)器置位,如此反復循環(huán),構成自激振蕩[19]。</p><p>　　電阻 R5,R3,R2和電容C2直接影響轉換結果f0,因此對

64、元件的精度要有一定的要求,可根據轉換精度適當選擇。電容C1對轉換結果雖然沒有直接的影響,但是應選擇漏電流小的電容器。電阻R1和電容C1組成低通濾波器,可減少輸入電壓中的干擾脈沖,有利于提高轉換精度。</p><p>　　根據前面的分析,電容C2的充電時間由定時電路R3,C3決定,充電電流的大小由電流源決定,輸入脈沖的頻率越高,電容C2上積累的電荷就越多輸出電壓就越高,實現(xiàn)了頻率-電壓的變換。電容C1的選擇不宜太小

65、,要保證輸入脈沖經微分后有足夠的幅度來觸發(fā)輸入比較器,但電容C1小些有利于提高轉換電路的抗干擾能力。電阻 R1和電容C1組成低通濾波器。電容C1大些,輸出電壓的紋波會小一點,電容C1小些,當輸入脈沖頻率變化時,輸出響應會快一點。</p><p>　　3.3.3 輸入電壓和輸出頻率的關系</p><p>　　實際電路圖如圖3-7所示</p><p>　　輸入電壓范圍為

66、0-10V，輸出頻率為10Hz-11kHz</p><p>　　其輸入電壓和輸出頻率的關系為：</p><p>　　fo=(Vi×R9)/(2.09×R4×R3×C5) （3-9）</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　fo=(V

67、i*12k）/(2.09*6.8k*100k*0.01uF)=Vi*0.84435≈Vi*0.8 （3-10）</p><p><b>　　圖3-7</b></p><p><b>　　3.4 單片機部分</b></p><p>　　3.4.1復位電路和晶振電路</p><p>　　總電路如圖3-

68、8所示</p><p><b>　　圖3-8</b></p><p><b>　?。?）復位電路</b></p><p>　　給單片機加電時，需要對單片機進行一次復位操作，復位操作將單片機的工作環(huán)境置成初始狀態(tài)，并從程序的開始進行運行。</p><p>　　根據單片機的管腳定義，上電復位是通過給單片

69、機的RESET腳發(fā)一個瞬時高電平來完成。上電的瞬間，按下按鍵，電流有一個突發(fā)的向上的尖峰脈沖，因此電流能通過電容到達單片機的復位端口，RESET對單片機進行復位。尖峰過后，電流平穩(wěn)，電容C1阻止電流的通過，這樣可以防止對單片機反復進行復位，電阻R10是用于給C4放電的，并將管腳拉低，防止RESET端口上持續(xù)高電平。</p><p><b>　　如圖3-9所示</b></p>&

70、lt;p><b>　　圖3-9</b></p><p><b>　?。?）振蕩電路</b></p><p>　　圖中的振蕩電路與單片機內部的時鐘振蕩器一起組成完整的時鐘頻率發(fā)生電路。XTAL1為單片機內部時鐘振蕩器的輸入端，XTAL2為單片機內部時鐘振蕩器的輸出端，XTAL為晶振，起到選擇振蕩頻率的作用。</p><p&

71、gt;　　選用的時鐘頻率為11.092MHz。C5，C6為振蕩補償電容，起到放寬起振頻率，讓時鐘容易起振的作用[20]。</p><p><b>　　如圖3-10所示</b></p><p><b>　　圖3-10</b></p><p>　　3.5 數碼管顯示電路</p><p><b>

72、;　?。?）動態(tài)顯示</b></p><p>　　動態(tài)顯示要CPU時刻對顯示器件進行數據刷新，顯示數據有閃爍感，占用CPU時間多。</p><p>　　動態(tài)掃描顯示接口是單片機中應用最廣泛的一種顯示方式，其接口電路是把所有LED數碼管的8個筆畫段a-g、dp的同名端連在一起，而每一個數碼管的公共端COM各自獨立地受I/O控制，CPU向字段輸出口送字型碼時，所有數碼管接收到相同的

73、字型碼，但究竟是哪個數碼管亮，則取決于COM端，而這一端是由I/O控制的，可以自行決定顯示哪一位。</p><p>　　動態(tài)掃描就是指采用分時的方法，輪流控制各個數碼管的COM端，使各個數碼管輪流點亮，在輪流點亮的掃描過程中，各位數碼管的點亮時間是極為短暫的，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象以及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數據，不會有閃爍感。&

74、lt;/p><p><b>　?。?）共陽和共陰</b></p><p>　　數碼管分為共陰和共陽兩種，八個發(fā)光二極管的陽極都連接在一起為共陽極LED數碼管，八個發(fā)光二極管的陰極都連接在一起的為共陰極LED數碼管[21]。</p><p>　　對于共陰極LED數碼管，當公共陰極接地，（為零電平），而陽極各段為高電平時，點亮數碼管。</p>

75、;<p>　　對于共陽極LED數碼管，當公共陽極接高電平，陰極各段為零電平時，點亮數碼管。</p><p><b>　?。?）實際電路</b></p><p>　　本設計中使用的是模擬譯碼，即用三極管的導通與截止來實現(xiàn)譯碼，所有發(fā)光二極管為共陽接法，P3口作為數碼管的選通線，當給P3口相應位置低電平時，連接著P3口相應位的三極管導通，即相應的數碼管選通。

76、P1口作為數碼管的數據線，從P1口輸出相應的字型碼即可顯示數字。</p><p>　　本系統(tǒng)中P1口作為字型碼輸出口，P1.0-P1.6分別與各數碼管的筆畫段a-g連接，電阻R15-R21為P0口得輸出上拉電阻，阻值定為10KΩ，作用是使數碼管的默認狀態(tài)為不點亮。</p><p>　　電阻R22-28起限流作用，對數碼管進行保護。如果沒有加這個電阻，數碼管有可能因電流較大而被燒壞。<

77、/p><p>　　顯示的小數點的位置是固定的，因此讓顯示個位數的數碼管的小數點一直亮著，其他的數碼管的小數點均滅掉。</p><p><b>　　圖3-11</b></p><p>　　3.6 串口驅動電路</p><p>　　單片機支持串口通信，它提供的是CMOS電平的串口數據，但PC機進行串口通信時其COM口出來的信號是

78、RS-232協(xié)議的串口數據電平，同時由于串口數據傳輸距離較遠，需要加驅動電路，因此需要在兩者之間加轉換芯片[22]。電路圖如圖3-12所示</p><p><b>　　圖3-12</b></p><p><b>　　4 軟件設計</b></p><p><b>　　4.1 總流程圖</b></p

79、><p><b>　　圖4-1</b></p><p><b>　　圖4-2</b></p><p><b>　?。?）定時器</b></p><p>　　同時啟動頻率計數器和定時器，頻率計數器把V/F轉換器輸出的頻率信號作為計數脈沖，進行定時計數，當定時結束時，定時器產生的輸出信

80、號使頻率計數器停止計數，這樣計數器的計數值與V/F轉換器輸出的脈沖頻率信號之間的關系為：</p><p>　　f=D/T （4-1）</p><p>　　上式中，D是計數的值，T是計數時間，是已知的?？梢娭灰懒薉值，再除以計數的時間T，就可求出V/F轉換器的輸出頻率，從而知道輸入電壓V，這樣就實現(xiàn)了A/D轉換，定時器/

81、計數器可用單片機內部的定時器/計數器，也可使用外部擴展的定時器/計數器，用單片機把計數值取入內存即可進行數據處理[24]。</p><p>　　（2） 頻率與dB的換算</p><p>　　電路中的基準電壓Vo=5uV相當于0dB，在此基礎上進行換算與校準即可得到相應的dB數，計算公式為：</p><p>　　Lp=20lg（V/Vo）

82、 （4-2）</p><p>　　4.2 各子模塊說明</p><p>　　4.2.1 上位機模塊</p><p>　　上位機程序主要完成與下位機的串口通信，顯示并存儲下位機采集到得頻率數據，并將下位機送來的頻率數據經過計算。上位機需要時刻監(jiān)控下位機的工作狀態(tài)，若下位機運行不正常活通信線路發(fā)生故障，應能及時進行告警提示。</p>

83、<p>　　在本系統(tǒng)中，下位機每隔2s想上位機發(fā)送一次采集到的頻率數據，若下位機正常，上位機應該在3s內收到下位機傳送來的數據，實現(xiàn)方法是設置一個3s的定時器，若3s時間內收到一組數據，則重置定時器，若定時器在規(guī)定時間內還未收到下位機傳送來的新數據，則發(fā)告警信息[25]。流程圖如圖4-3所示：</p><p><b>　　圖4-3</b></p><p>

84、　　4.2.2 下位機模塊</p><p>　　下位機主要完成從LM331上采集數據，將采集的數據在數碼管上顯示，同時將采集的數據傳送到上位機。因此，下位機部分分為初始化模塊，數據采集模塊，數據通信模塊，數碼管顯示模塊四部分。</p><p>　　（1）初始化模塊 </p><p>　　主要完成的工作有單片機I/O管腳的定義，如之前的單元電路圖所示，P1.

85、1-P1.7作為普通的I/O來使用，主要用來控制LED數碼管的7個管腳，P3.0與P3.1定義串口通信，P3.2-P3.5作為普通的I/O口，用來選通四個數碼管，分別控制數碼管代表的十位，個位，兩個小數位，P3.7用來讀取傳感器的數據。</p><p>　　設置內部的兩個定時器T0和T1，T0定時時間為50ms，主要用來進行LED數碼管顯示，T1定時時間為3s，主要用來讀取頻率的數據，想上位機傳送數據和接收上位機

86、的指令。</p><p>　　串口通信的初始化，主要設置串口允許發(fā)送和接收，設置波特率寄存器低位字節(jié)和高位字節(jié)和設置數據的傳送格式[25]。</p><p>　?。?）頻率數據采集模塊</p><p>　　采取每3s讀取一次頻率值，因此采用定時中斷的方式，中斷通過單片機內部的定時器T1產生，每2s定時中斷一次，執(zhí)行一次讀頻率數據的中斷服務程序，</p>

87、<p><b>　　（3）數據通信模塊</b></p><p>　　主要完成數據的發(fā)送和接收，串口數據的發(fā)送主要是完成每隔3s向上位機傳送一次采集到的頻率數據，采用和數據采集模塊同一個定時器T1</p><p>　　串口發(fā)送流程圖如圖4-4所示：</p><p><b>　　圖4-4</b></p>

88、<p>　　串口接收流程圖如圖圖4-5所示</p><p><b>　　圖4-5</b></p><p><b>　?。?）數碼顯示模塊</b></p><p>　　從硬件電路可得，P1.1-P1.7主要用來控制數碼管的7個管腳，輸出字型碼，P3.2-P3.5用來選通四個數碼管，用來選通四個數碼管，分別控制數

89、碼管代表的十位，個位，兩個小數位。</p><p>　　數碼管顯示程序采用中斷的方式，中斷時通過單片機內部的定時器T0產生的。中斷服務程序的流程圖如圖4-6所示</p><p><b>　　5 結論</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用AT89C51單片機，基本實現(xiàn)了實時測量噪聲的功能。本系統(tǒng)設計簡便，直接將麥克風收集到的信號經過放大和轉換變

90、成頻率信號之后輸入單片機進行處理，處理得結果直接顯示到數碼管上面。實用性較強，操作比較簡單。本系統(tǒng)的不足之處就是沒有那么多復雜的功能，有可能線路部分的設計不夠合理，可能會引起數據的變化。</p><p>　　通過這次畢業(yè)設計，我把大學四年學的基本課程都復習了一遍，比如說單片機，模擬電子電路等。使我在單片機的工作原理，各部件功能，各模塊之間的聯(lián)系都加深了一遍。讓我在以后的應用過程中更加熟練。通過對模電的復習，我對三

91、極管的放大原理和控制原理，場效應管的放大原理，以及系統(tǒng)中用到的芯片工作原理都有了很深的理解。為以后成為技術性人才打下了基礎。在這段設計時間內，袁老師給我了很大的幫助，從剛開始的選題，到中間的開題報告，文獻綜述，外文翻譯，還有最后的畢業(yè)設計，他都盡心盡責，每兩個禮拜開一次會，全權監(jiān)督我們幾個人的畢業(yè)設計進展工作，防止我們偷懶，實時監(jiān)督我們，這也是我們能夠順利完成畢業(yè)設計的最大的因素了。</p><p>　　本系統(tǒng)雖

92、然簡單，但是由于功能不全面，只能實現(xiàn)簡單的功能，相信通過以后更深入的學習，能夠加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性。</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　[1] 潘仲麟,翟國慶.噪聲控制技術[M].北京：化學工業(yè)出版社,2006：27</p><p>　　[2] 求是科技.單片機通信技術與工程實踐[M].北京：人民郵電出

93、版社,2005:前言 </p><p>　　[3] 周新祥.噪聲控制技術及其新進展[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2007:42</p><p>　　[4] 林土勝.單片機技術及工程實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社,2010：35</p><p>　　[5] 王君.單片機原理及控制技術[M].北京：機械工業(yè)出版社,2010：24</p><p>

94、;　　[6] 先鋒工作室.單片機程序設計實例[M].北京：清華大學出版社,2003:161</p><p>　　[7] 陳圣林,侯成晶.圖解傳感器技術及應用電路[M].北京：中國電力出版社,2009:2</p><p>　　[8] 謝宜仁.單片機實用技術問答[M].北京：人民郵電出版社,2003:329</p><p>　　[9] 楊和平,楊芳,謝飛. 單片機原理與

95、應用[M].北京：機械工業(yè)出版社,2008:209</p><p>　　[10] 張克明.MCS-51單片機實用教程[M].北京：科學出版社,2010 ：200</p><p>　　[11] 康華光.電子技術基礎模擬部分[M].北京：高等教育出版社.2004:315</p><p>　　[12] 宋彩利,孫友倉,吳宏崎. 單片機原理與C51編程[M].西安：西安交通

96、大學出版社,2008：184</p><p>　　[13] 唐穎.單片機原理與應用及C51程序設計[M].北京：北京大學出版社,2008：56</p><p>　　[14] 柳淳,徐瑋.單片機開發(fā)應用技能與技巧[M].北京：中國電力出版社,2008：127</p><p>　　[15] 豈興明,唐杰,趙沛,矯津毅,常春藤.51單片機編程基礎與開發(fā)實例詳解[M].北京

97、：人民郵電出版社,2008：119</p><p>　　[16] 江志紅.51單片機技術應用系統(tǒng)開發(fā)案例精選[M].北京：清華大學出版社,2008：64</p><p>　　[17] 楊欣,王玉鳳,劉湘黔,張延強. 51單片機應用實例詳解[M].北京：清華大學出版社,2010：81</p><p>　　[18] 陳守林.電子技術實訓與制作[M].北京：科學出版社,2

98、005：90</p><p>　　[19] 趙淑苑,王憲偉.電子技術實驗與課程設計[M].北京：清華大學出版社,2006：前言</p><p>　　[20] 中山升. 日常電子小制作[M].北京：科學出版社,2005：146</p><p>　　[21] 那彥.畢業(yè)設計寶典[M].西安：西安電子科技大學出版社,2008：251</p><p>

99、;　　[22] 潘曉寧,朱耀東. 單片機程序設計實踐教程[M].北京：清華大學出版社,2009：159 </p><p>　　[23] 王秋爽,曾昭龍. 單片機開發(fā)基礎與經典設計實例[M].北京：機械工業(yè)出版社,2008：123</p><p>　　[24] 張毅剛.單片機原理及應用[M].北京：高等教育出版社.2009：287</p><p>　　[25] 李明.

100、C語言程序設計教程[M].北京：上海交通大學出版社.2008：157</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　附錄圖1 電路圖1</b></p><p><b>　　附錄圖2 電路圖2</b></p><p><b>　　附錄3 部分代碼

101、</b></p><p>　　#include<reg51.h></p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　#define ulong unsigned long</p><

102、p>　　code tab[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,//段碼0x80,0x90,0xff};</p><p>　　void display(ulong cp);</p><p>　　code wei[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f};//位碼</p><

103、;p>　　ulong tmp,ff;</p><p>　　uint count;</p><p>　　bit start;</p><p>　　ulong count_f(ulong f);</p><p>　　/*****************************************************</p>

104、;<p>　　函數名：Init（）</p><p><b>　　參數：無</b></p><p><b>　　返回值：無</b></p><p>　　功能：初始化定時/計數器0為計數模式1，定時/計數器1為定時器模式1。定時時間為50ms，開啟定時器中斷1，并啟動定時器1，開啟總中斷。</p>

105、<p>　　*****************************************************/</p><p>　　void Init(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TMOD=0x15;//T0 計數 T1定時</p><p>　　EA=1；/

106、/開總中斷</p><p><b>　　TH0=0；//</b></p><p><b>　　TL0=0;</b></p><p>　　TR0=1;//開計數器T0</p><p>　　TH1=0x4c;//50ms</p><p><b>　　TL1=0x00;&

107、lt;/b></p><p>　　ET1=1;//T1中斷允許</p><p>　　TR1=1;//開定時器T1</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*****************************************************</p><p

108、>　　函數名:delay(unsigned char t)</p><p>　　參數：短延時時間長度</p><p><b>　　返回值：無</b></p><p>　　功能：實現(xiàn)數碼管顯示時的短延時</p><p>　　***********************************************

109、******/</p><p>　　void delay(uchar t)//短延時</p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(;t>0;t--);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void main()</p

110、><p><b>　　{</b></p><p>　　ulong db=0;</p><p><b>　　Init();</b></p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p&

111、gt;<p>　　db=count_f(ff);</p><p>　　display(db);</p><p><b>　　if(start)</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　start=0;</b></p>

112、<p><b>　　P2=0xff;</b></p><p><b>　　tmp=TH0;</b></p><p><b>　　tmp<<=8;</b></p><p><b>　　tmp+=TL0;</b></p><p>　　

113、ff=tmp*20/count;</p><p><b>　　count=0;</b></p><p><b>　　TH0=0;</b></p><p><b>　　TL0=0;</b></p><p><b>　　TH1=0x00;</b></p&

114、gt;<p><b>　　TR0=1;</b></p><p><b>　　TR1=1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b>&l

115、t;/p><p>　　/*****************************************************</p><p>　　函數名：display(unsigned long cp)</p><p>　　參數：unsigned long cp</p><p><b>　　返回值：無</b><

116、/p><p>　　功能：將參數cp顯示在數碼管上，并顯示單位”db”</p><p>　　*****************************************************/</p><p>　　void display(ulong cp)</p><p><b>　　{</b></p>

117、<p>　　static uchar num=0;</p><p><b>　　P2=0xff;</b></p><p>　　switch(num)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　case 0:P0=0x83; break;</p><p

118、>　　case 1:P0=0xa1; break;</p><p>　　case 2:P0=0xff; break;</p><p>　　case 3:P0=tab[cp%10]; break;</p><p>　　case 4:P0=(tab[cp/10%10]&0x7f);break;</p><p>　　case 5:P0

119、=tab[cp/100];break;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　P2=wei[num];</p><p><b>　　num++;</b></p><p><b>　　num%=7;</b></p><p>　　del