G2一体化实验板：声音强度检测实验指导书.docx

G2一体化实验板：声音强度检测实验指导书一、 实验目的1. 了解驻极体传声器的工作原理；2. 通过该实验的学习，熟练掌握如何使用单片机中A/D转换器；3. 使用TFT液晶屏显示数据；二、实验设备G2一体化实验板。三、预习要求1. 大体了解G2系列单片机结构和传声器的工作原理；2. 会使用TFT液晶屏进行数据显示；四、 工作原理及相关器件简介 图1.1是该声音强度检测模块的整体组成框图：传声器放大电路 LaunchPadMSP430G2553峰值检波电路供电部分TFT液晶屏显示 图1.1 声音照度检测模块组成框图该功能模块直接利用单片机的Vcc供给系统3.3V电压，省去了较为复杂的外围电源部分，传声器将声音信号转换为电压信号，由于其输出信号很微弱，不利于单片机ADC采集，故需要配合适当的前置放大电路使用，放大后的信号通过峰值检波电路将采集到的信号的峰值检出并输入单片机进行A/D转换和采样。经过单片机的处理后，将检测结果通TFT液晶屏显示出来。这就是该实验模块的工作原理。 1.传声器传声器是将声音信号转换为电信号的能量转换器，俗称话筒（麦克风）。而麦克风主要分为动圈式和驻极体电容式，其中动圈式传声器音质很好，但体积较大，电容式传声器体积小巧，成本低廉，在手机、电话等设备中应用十分广泛。图1.2为常见的两种传声器。 动圈式传声器 驻极体电容式传声器图1.2 传声器基于驻极体电容式传声器的诸多优点和试验模块的本身特点，在本次试验模块设计中首选驻极体电容式传声器。1) 驻极体电容式传声器简介驻极体电容式传声器是用事先已注入电荷而被极化的驻极体代替极化电源的电容传声器。其有两种类型，一种是用驻体高分子薄膜材料做振膜（振模式），此时振膜同时担负着声波接收和极化电压双重任务；另一种是用驻极材料做后极板（背极式），这时它仅起着极化电压的作用。由于驻极体传声器具有体积小、价格低廉、电声性能好、结构简单等特点，被广泛应用于无线话筒、盒式录音机及声控等电路中，从而成为最常用的电容传声器。由于输入输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。图1.3为本次试验模块选用的直插电容式传声器EM-9767P 图1.3 电容式传声器EM-9767P2) 驻极体电容式传声器结构及工作原理驻极体传声器的基本结构是由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极（背称为背电极）构成。驻极体面与背电极相对，中间有一个极小的空气隙，形成 一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极构成一个平板电容器。电容的两极之间有输出电极。图1.4为实际驻极体话筒内部结构。 图1.4 驻极体话筒内部结构由于实际电容器的电容量很小，输出的电信号极为微弱，输出阻抗极高，可达数百兆欧以上。因此，它不能直接与放大电路相连接，必须连接阻抗变换器。通常用一个专用的场效应管和一个二极管复合组成阻抗变换器。内部电气原理如图1.5所示。图1.5 驻极体话筒内部电气原理由于高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷(Q)，而没有放电回路，所以这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此和背极的距离也跟着变化，也就是说极化膜和背极间的电容是随声波变化的。根据公式：Q =CU，则U=Q/C可知, 驻极体总的电荷Q是不变的，所以当极板在声波压力下后退时，两极板间距变大，导致电容C减小，故电压U随电容C的变小而变大，反之当电容量增加时电容两极之间的电压就会成反比的下降。最后通过阻抗非常高的场效应将电容两端的电压取出来，同时进行适当的放大，我们就可以得到和声音对应的电压了。由于场效应管是有源器件，需要一定的偏置和电流才可以工作在放大状态，因此，驻极体话筒都要加一个直流偏置才能工作。这就是驻极体话筒的工作原理。3） EM-9767P传感器的性能参数传声器的类型很多，本设计选用EM-9767P作为传声器，其相关电性能参数为： 基准工作电压（Standard Operation Voltage）：3VDC 阻抗（Impedance）：2.2k （maximum） 灵敏度（Sensitivity）: -52dB2dB (0dB=1V/ubar ,1kHz) 信噪比（S/N Ratio）: 60dB 消耗电流（Current Consumption）：0.5mA (maximum) 频率响应曲线（Frequency Response）：如图1.6所示图1.6 EM-9767P传声器的频响特性曲线2.LMV358运算放大器 本设计选用的运放是TI公司的LMV358低功耗运算放大器，其优点为: 双通道低电压（2.7-5V）版本 rail-to-rail输出摆幅能力 共模输入电压范围宽，包括接地 单位增益频带宽(约 1MHz) 双极性输入与输出，提高了抗噪声性能的阶段和更高的输出电流驱动 低的供应电流（约145uA） 工作温度范围：-40至+125 无交越失真，节省空间包装，适用于任何一种电池供电和便携式电子设备基于以上优点, LMV358运算放大器被广泛的应用于移动电话, 个人数据助理,A/D缓冲区, 便携式测试仪器, 遥控器的红外接收器, 音频应用,硬盘驱动器等。用户可参考其数据手册对其进行详细了解。3声强换算关系经查阅大量资料，声音强度（dB）与该模块的输出电压成对数关系，但具体系数尚不可知。作者本着相对严谨的态度，经过大量对比、matlab曲线拟合，最终得到声音强度的换算公式如下：dB=70+lg(ave2.5/1023) -（式1-1）式1-1中ave为采样电压的平均值，2.5/1023为A/D的分辨率。该曲线关系由matlab显示如下图1.7所示。 图1.7 采样电压与声音强度换算关系曲线五实验步骤1、连接上声音强度测量电路中的两个跳线帽。两个跳线帽对应连接的是单片机的P1.7和P2.4，确保这两个IO口不被其他电路使用，及时断开这两个IO口与其他部分电路连接的跳线帽。2、将LaunchPad正确安装在实验地板上。LaunchPad有USB口一端朝下插入实验底板上LaunchPad插槽。3、连接上电脑上的数据线，打开按键底板上的电源开关S2。4、打开实验程序，单击下载，并