1 引言 環(huán)境噪聲監測,是人類(lèi)提高生活質(zhì)量,加強環(huán)境保護的一個(gè)重要環(huán)節,在各大城市的繁華街區和居民區,已有大型環(huán)境噪聲顯示器豎立街頭。但目前國內的便攜式噪聲測試儀,多為價(jià)格昂貴的進(jìn)口專(zhuān)用設備,除衛生、計量等環(huán)保專(zhuān)業(yè)部門(mén)擁有外,無(wú)法作為民用品推廣普及。本文介紹一種以89C51單片機為核心,采用V/F轉換技術(shù)構成的低成本、便攜式數字顯示環(huán)境噪聲測量?jì)x。該儀器工作穩定、性能良好,經(jīng)校驗定標后能滿(mǎn)足一般民用需要,可廣泛應用于工礦企業(yè)、機關(guān)、學(xué)校等需要對環(huán)境噪聲進(jìn)行測量和控制的場(chǎng)合。 2 聲壓級的測量機理 人耳的聽(tīng)閾一般是20μPa,痛閾一般是200 Pa,其間相差107倍,這樣寬廣的聲壓范圍很不易測量,而且人耳對聲壓的相對變化的分辨具有非線(xiàn)性特征。因此,聲學(xué)中常用聲壓級Lp來(lái)反映聲壓的變化,將聲壓p的聲壓級表示成 Lp=20 lg(p/p0) 。╠B)(附) 其中:基準量p0為20μPa。當p=p0時(shí),Lp=0 dB,而當p=200 Pa時(shí),Lp=140 dB。 用聲級計可以測量聲壓級,采用1 kHz純音輸入0.2 s到0.25 s或0.5 s以上,即可得到真實(shí)聲壓級或平均聲壓級?紤]到人耳對不同頻率的響度感覺(jué),在噪聲測量中,常取40phon等響曲線(xiàn)的反曲線(xiàn)對聲壓級進(jìn)行計權校正,即用 A計權網(wǎng)絡(luò )測得A聲級,寫(xiě)成dB(A)。附表給出倍頻帶中心頻率與A聲級的校正量之間的關(guān)系: 3 硬件電路構成 環(huán)境噪聲測量?jì)x的硬件結構原理見(jiàn)圖1: 圖1 硬件原理圖 環(huán)境噪聲經(jīng)高靈敏度、無(wú)指向性駐極體傳聲器轉換成電信號。所用傳聲器頻率特性在50~14 000 Hz范圍內不均勻度小于1.5 dB,加防風(fēng)罩、防雨罩后可用于室外測量。三級放大電路由運放LM324構成,精心調整相關(guān)外圍元件參數,可使其幅頻特性與A計權曲線(xiàn)相近。D1、C1、R1組成峰值檢波網(wǎng)絡(luò ),其輸出直流電平反映了噪聲聲壓的大小。 由LM331構成電壓/頻率轉換電路,輸出的頻率信號變成TTL電平送給單片機的P3.4引腳,作為T(mén)0的計數脈沖。該轉換電路線(xiàn)性良好,抗干擾能力強,輸出頻率范圍在10~10 000 Hz以上,其變化比達103,優(yōu)于普通8位并行A/D轉換器,有利于提高系統的測量范圍。圖1中,Rs可用來(lái)調節增益偏差,改變輸出頻率。 系統的核心部分是AT89C51單片機,其指令系統與MCS-51完全兼容,且片內帶4kB的E2PROM,可以方便地構成一個(gè)最小測量系統。其P3.5引腳接由NE555構成的定時(shí)器輸出的100 kHz方波,通過(guò)T1中斷去控制T0定時(shí)計數。從T0端輸入的計數脈沖頻率,也反映了所測聲壓的大小。經(jīng)軟件處理后,噪聲聲壓級顯示值由P1口輸出,經(jīng) 74LS248譯碼再驅動(dòng)兩位1.8 in高亮度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(shí)現動(dòng)態(tài)顯示,降低功耗。 4 軟件設計 環(huán)境噪聲測量系統的軟件采用模塊化設計,由主程序、中斷服務(wù)程序、查表子程序和顯示子程序組成。各程序模塊的流程圖如圖2所示: 主程序處于循環(huán)工作狀態(tài),主要完成定時(shí)/計數器和中斷系統的初始化,并循環(huán)調用查表和顯示子程序。每當T1對外接100 kHz時(shí)鐘計數達0.5 s后,申請中斷,CPU響應中斷后即讀取TH0、TL0兩寄存器中的計數值,并重新初始化T0、T1,以便檢測下一次的數據。 圖2 軟件流程圖 值得指出的是,查表程序實(shí)現了計數值向聲壓級的轉換。由式(1)知聲壓每增加12.2%,聲壓級增加1dB,因此T0計數值每增加12.2%,聲壓級增加1dB.在E2PROM 中定義一張表格,每三個(gè)字節為一組數據,其中前兩個(gè)字節為計數值,后一個(gè)字節為壓縮BCD碼表示的聲壓級值。調試時(shí),參照精密聲級計,讀出某聲壓級所對應的計數值,從而確定表格中兩參數的對應關(guān)系,當程序固化后,還可通過(guò)硬件電路對其進(jìn)行調整。下面給出定義該表格的偽指令格式: TAB:DB1BH,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”兩個(gè)數據經(jīng)譯碼后分別顯示下限標記“[”和上限標記“]”,表示超出測量范圍。 為了提高系統的抗干擾能力,除了在硬件上采取了相應的措施外,軟件上采用了冗余設計法即重復重要的指令,未用空間設置空操作指令,以防止程序跳飛而死機。 5 結束語(yǔ) 最后用國營(yíng)江西紅聲器材廠(chǎng)生產(chǎn)的ND-2型精密聲級計對系統進(jìn)行校驗,測量誤差小于1 dB,測量范圍在40~96 dB之間,已滿(mǎn)足一般環(huán)境下噪聲的測量要求。 |