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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。 1 聲壓級的測量機理 人耳的聽(tīng)閾一般是20m Pa (微帕)，痛閾一般是200Pa（帕），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=20lg(p/p0) dB (1) 其中，基準量p0為20mPa。當p=p0時(shí)，Lp=0dB，而當p=200Pa時(shí)，LP=140dB。 用聲級計可以測量聲壓級，采用1kHz純音輸入0.2秒到0.25秒或0.5秒以上，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40方（phon）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）。表1給出倍頻帶中心頻率與A聲級的校正量之間的關(guān)系。 表1 倍頻帶中心頻率與A聲級校正量的關(guān)系
2 硬件電路構成 環(huán)境噪聲測量?jì)x的硬件結構原理框圖見(jiàn)圖1所示。 圖1 硬件原理框圖 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50～14000Hz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。由運放LM324構成三級放大電路，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10～10000Hz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引腳接入由NE555構成的定時(shí)器輸出的100kHz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，即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4.572cm(1.8英寸)高亮度LED數碼管顯示，適當控制譯碼器使能端，使兩數碼管輪流發(fā)光實(shí)現動(dòng)態(tài)顯示，降低功耗。 3 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100kHz時(shí)鐘計數達0.5秒后，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。
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。 4 結束語(yǔ) 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1dB，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。 |
