以89C51单片机为核心的低成本便携式数字显示环境噪声测量仪设计
1 引 言
环境噪声监测，是人类提高生活质量，加强环境保护的一个重要环节，在各大城市的繁华街区和居民区，已有大型环境噪声显示器竖立街头。但目前国内的便携式噪声测试仪，多为价格昂贵的进口专用设备，除卫生、计量等环保专业部门拥有外，无法作为民用品推广普及。本文介绍一种以89c51单片机为核心，采用v／f转换技术构成的低成本、便携式数字显示环境噪声测量仪。该仪器工作稳定、性能良好，经校验定标后能满足一般民用需要，可广泛应用于工矿企业、机关、学校等需要对环境噪声进行测量和控制的场合。
2 声压级的测量机理 人耳的听阈一般是20μpa，痛阈一般是200 pa，其间相差107倍，这样宽广的声压范围很不易测量，而且人耳对声压的相对变化的分辨具有非线性特征。因此，声学中常用声压级lp来反映声压的变化，将声压p的声压级表示成
lp＝20 lg（p／p0）（db）（附）
其中：基准量p0为20μpa。当p＝p0时，lp＝0 db，而当p＝200 pa时，lp＝140 db。
用声级计可以测量声压级，采用1 khz纯音输入0．2 s到0．25 s或0．5 s以上，即可得到真实声压级或平均声压级。考虑到人耳对不同频率的响度感觉，在噪声测量中，常取40phon等响曲线的反曲线对声压级进行计权校正，即用 a计权网络测得a声级，写成db（a）。附表给出倍频带中心频率与a声级的校正量之间的关系：
3 硬件电路构成 环境噪声测量仪的硬件结构原理见图1：
图1 硬件原理图
环境噪声经高灵敏度、无指向性驻极体传声器转换成电信号。所用传声器频率特性在50～14 000 hz范围内不均匀度小于1．5 db，加防风罩、防雨罩后可用于室外测量。三级放大电路由运放lm324构成，精心调整相关外围元件参数，可使其幅频特性与a计权曲线相近。d1、c1、r1组成峰值检波网络，其输出直流电平反映了噪声声压的大小。
由lm331构成电压／频率转换电路，输出的频率信号变成ttl电平送给单片机的p3．4引脚，作为t0的计数脉冲。该转换电路线性良好，抗干扰能力强，输出频率范围在10～10 000 hz以上，其变化比达103，优于普通8位并行a／d转换器，有利于提高系统的测量范围。图1中，rs可用来调节增益偏差，改变输出频率。
系统的核心部分是at89c51单片机，其指令系统与mcs－51完全兼容，且片内带4kb的e2prom，可以方便地构成一个最小测量系统。其p3．5引脚接由ne555构成的定时器输出的100 khz方波，通过t1中断去控制t0定时计数。从t0端输入的计数脉冲频率，也反映了所测声压的大小。经软件处理后，噪声声压级显示值由p1口输出，经 74ls248译码再驱动两位1．8 in高亮度led数码管显示，适当控制译码器灭灯端，使两数码管轮流发光实现动态显示，降低功耗。
4 软件设计 环境噪声测量系统的软件采用模块化设计，由主程序、中断服务程序、查表子程序和显示子程序组成。各程序模块的流程图如图2所示：
主程序处于循环工作状态，主要完成定时／计数器和中断系统的初始化，并循环调用查表和显示子程序。每当t1对外接100 khz时钟计数达0．5 s后，申请中断，cpu响应中断后即读取th0、tl0两寄存器中的计数值，并重新初始化t0、t1，以便检测下一次的数据。
图2 软件流程图
值得指出的是，查表程序实现了计数值向声压级的转换。由式（1）知声压每增加12．2％，声压级增加1db，因此t0计数值每增加12．2％，声压级增加1db．在e2prom 中定义一张表格，每三个字节为一组数据，其中前两个字节为计数值，后一个字节为压缩bcd码表示的声压级值。调试时，参照精密声级计，读出某声压级所对应的计数值，从而确定表格中两参数的对应关系，当程序固化后，还可通过硬件电路对其进行调整。下面给出定义该表格的伪指令格式：
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”两个数据经译码后分别显示下限标记“［”和上限标记“］”，表示超出测量范围。
为了提高系统的抗干扰能力，除了在硬件上采取了相应的措施外，软件上采用了冗余设计法即重复重要的指令，未用空间设置空操作指令，以防止程序跳飞而死机。
5 结束语 最后用国营江西红声器材厂生产的nd－2型精密声级计对系统进行校验，测量误差小于1 db，测量范围在40～96 db之间，已满足一般环境下噪声的测量要求。
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2 声压级的测量机理 人耳的听阈一般是20μpa，痛阈一般是200 pa，其间相差107倍，这样宽广的声压范围很不易测量，而且人耳对声压的相对变化的分辨具有非线性特征。因此，声学中常用声压级lp来反映声压的变化，将声压p的声压级表示成
lp＝20 lg（p／p0）（db）（附）
其中：基准量p0为20μpa。当p＝p0时，lp＝0 db，而当p＝200 pa时，lp＝140 db。
用声级计可以测量声压级，采用1 khz纯音输入0．2 s到0．25 s或0．5 s以上，即可得到真实声压级或平均声压级。考虑到人耳对不同频率的响度感觉，在噪声测量中，常取40phon等响曲线的反曲线对声压级进行计权校正，即用 a计权网络测得a声级，写成db（a）。附表给出倍频带中心频率与a声级的校正量之间的关系：
3 硬件电路构成 环境噪声测量仪的硬件结构原理见图1：
图1 硬件原理图
环境噪声经高灵敏度、无指向性驻极体传声器转换成电信号。所用传声器频率特性在50～14 000 hz范围内不均匀度小于1．5 db，加防风罩、防雨罩后可用于室外测量。三级放大电路由运放lm324构成，精心调整相关外围元件参数，可使其幅频特性与a计权曲线相近。d1、c1、r1组成峰值检波网络，其输出直流电平反映了噪声声压的大小。
由lm331构成电压／频率转换电路，输出的频率信号变成ttl电平送给单片机的p3．4引脚，作为t0的计数脉冲。该转换电路线性良好，抗干扰能力强，输出频率范围在10～10 000 hz以上，其变化比达103，优于普通8位并行a／d转换器，有利于提高系统的测量范围。图1中，rs可用来调节增益偏差，改变输出频率。
系统的核心部分是at89c51单片机，其指令系统与mcs－51完全兼容，且片内带4kb的e2prom，可以方便地构成一个最小测量系统。其p3．5引脚接由ne555构成的定时器输出的100 khz方波，通过t1中断去控制t0定时计数。从t0端输入的计数脉冲频率，也反映了所测声压的大小。经软件处理后，噪声声压级显示值由p1口输出，经 74ls248译码再驱动两位1．8 in高亮度led数码管显示，适当控制译码器灭灯端，使两数码管轮流发光实现动态显示，降低功耗。
4 软件设计 环境噪声测量系统的软件采用模块化设计，由主程序、中断服务程序、查表子程序和显示子程序组成。各程序模块的流程图如图2所示：
主程序处于循环工作状态，主要完成定时／计数器和中断系统的初始化，并循环调用查表和显示子程序。每当t1对外接100 khz时钟计数达0．5 s后，申请中断，cpu响应中断后即读取th0、tl0两寄存器中的计数值，并重新初始化t0、t1，以便检测下一次的数据。
图2 软件流程图
值得指出的是，查表程序实现了计数值向声压级的转换。由式（1）知声压每增加12．2％，声压级增加1db，因此t0计数值每增加12．2％，声压级增加1db．在e2prom 中定义一张表格，每三个字节为一组数据，其中前两个字节为计数值，后一个字节为压缩bcd码表示的声压级值。调试时，参照精密声级计，读出某声压级所对应的计数值，从而确定表格中两参数的对应关系，当程序固化后，还可通过硬件电路对其进行调整。下面给出定义该表格的伪指令格式：
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”两个数据经译码后分别显示下限标记“［”和上限标记“］”，表示超出测量范围。
为了提高系统的抗干扰能力，除了在硬件上采取了相应的措施外，软件上采用了冗余设计法即重复重要的指令，未用空间设置空操作指令，以防止程序跳飞而死机。
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