第十届广东省大学生物理实验设计大赛次声波监测装置.pdf

次声波监测装置 1 16 第十届广东省大学生物理 实验设计大赛 次声波监测装置 队员 吴敦为队员 吴敦为 黄彬黄彬 黎永兴黎永兴 指导老师 余光正指导老师 余光正 次声波监测装置 2 16 摘要 摘要 设计一个环境次声监测装置 实现对环境中频率为 1 20HZ 的次声波进行探测 并将所测的次声波的参数在 12864 液晶屏幕上显 示出来 通过次声传感器将环境中的次声波转换为电信号 并将电信 号经过处理后送入 A D 转换芯片及频率测量模块 实现模拟量和数字 量的转换 将转换得到的数字信号送入单片机进行处理即可得到次声 波的声强和频率 关键词 关键词 次声监测装置 次声波 A D 转换 单片机 声强 频率 Abstract Abstract Design an environment infrasound monitoring devices on the environment to achieve a frequency of 1 20HZ detection sub sonic and sub sonic measured parameters in the digital tube display Infrasound sensors will be adopted in the environment of infrasonic waves converted into electrical signals and electrical signals into the A D conversion chip for analog and digital conversion will be fitted for the digital signal to be processed into single chip microcomputer that is available at the sound intensity and sound frequency Keywords Keywords environment infrasound monitoring Infrasound A D conversion single chip microcomputer sound intensity sound frequency 次声波监测装置 3 16 目录 1 1 方案论证与比较方案论证与比较 4 4 2 2 系统设计系统设计 6 6 2 1 总体设计 6 2 2 单元电路设计 7 2 2 1 声电转换电路 7 2 2 2 低通滤波放大模块 8 2 2 3 A D 转换及信号整形模块 9 2 2 4 稳压电源电路 10 2 2 5 单片机接口电路及人机界面 11 3 3 软件设计软件设计 1 13 3 4 4 结论结论 1 14 4 参考文献 参考文献 1515 附录 附录 1515 附 1 元器件明细表 15 附 2 总体电路原理图 16 次声波监测装置 4 16 1 方案方案设计设计与比较与比较 方案一方案一 采用压强式传声器将次声源产生的声波信号转换为力信号 假 设压强式传声器的面积为S 接收时对声场扰动不大 而膜片上声压 是均匀分布的 则振膜上就产生合力 F P0 p P0 S Ps 其中P0 为周围大气静压强 在此力的作用下 传声器的振膜产生振动 通过 力电换能器 振动转换为输出电信号 因此 测量出这个输出电信号 就可以求出声场中对应的声压 将转换后的电压经过一个低通滤波放 大电路进行放大后输入 16 位的 A D 转换器 将模拟电压信号转换为 数字信号 最后将数字信号送入单片机进行处理 由单片机进行计算 之后得到被测信号的声强和频率 最后将得到的数据输送到液晶显示 器上显示出来 方案二 方案二 采用电容式次声波传声器将次声源产生的声波信号直接转换为电信 号 由电容式传声器的工作原理可知 当声音传入时 振膜随声波的 运动发生振动 此时振膜与固定点极间的电容量也随声音而发生变 化 继而引起了输出电压的变化 将电压变化的信号输入到低通滤波 放大电路进行放大及滤波处理后输入到 16 位的 A D 转换器 将模拟 电压信号转换为数字信号 最后将数字信号送入单片机 单片机采集 次声波监测装置 5 16 到数字信号后与设置好的校准信号进行比较 通过计算得出声强值 将电信号进过比较器转换为方波信号 利用单片机的外部中断可以计 算出声波的频率 最后将声强值与频率值送入 12864 液晶显示屏显示 出来 方案比较 方案比较 方案一采用的是压强式传声器 当声波是垂直射到振膜上时 测 量到得数据是比较精确的 但是如果声波是斜射入到振膜 则作用在 振膜各部分声压的振幅和相位也不相同 此时振膜受到的合力就不再 是方案一中的公式了 而是力在面积上的积分函数 在这种情况下测 量得到的数据就会发生较大的误差 并且该误差在经过放大电路后会 被进一步放大 使得最后得到的测量数据误差更大甚至是错误的 在 方案二中采用了电容式传声器 除了具有较稳定的工作状态外 还具 有使用方便的特点 只需经过一步转换就可以将声信号转换为电信 号 避免了繁杂的信号转换 减小了信号在转换的过程中产生的误差 利用校准的方式得到声强值能够避免复杂的软件计算 普通单片机的 浮点运算能力不强 需要较多的机器周期才能完成 提高单片机处 理数据的速度 次声波监测装置 6 16 声信号 计算及对比 2 系统设计系统设计 2 1 总体设计 本设计的总体流程图如下图所示 次声源 利用电容式次声波传声器将次声源输出的声波信号转换为电压 信号 将电压小信号经过一个低通放大电路将电压放大到接近 ADC 的满量程电压值 通过这种方式能够有效地解决量化误差对实际测量 信号的影响 从而提高测量精确度及充分利用量化动态范围 经过滤 波后能够得到稳定的波形 通过 16 位的高精度 高速度 A D 转换器 将模拟信号转换为数字信号 接着只要将转换后的数字信号送入单片 机进行简单的数据处理 就能得到次声源所产生的次声波的声强和频 率了 最后将得到的次声波参数送入 12864 显示对应的数值 电容式次声波 传声器 低通放大电路 滤波电路 电压信号 采集信号 16 位高精度高速 A D 转换器 数字信号 单片机进行数据 处理 12864 液晶屏显 示 次声波监测装置 7 16 2 2 单元电路设计 2 2 1 2 2 1 声电转换电路声电转换电路 利用电容式次声波传感器将次声源发出的声波信号转换为电压信号 电容器是电子技术中一种基本的元件 它是一种能储存电荷的元件 当两块金属板相对放置 并保证二者绝缘时 如果先给它们加上一定 的电压 U 然后断开电源 此时两板上就能储存一定的电荷 Q 两板间加上的电压越大 储存的电荷就越多 Q U 维持一个恒量 这个恒量反映着这两板之间储存电荷的能力 被称为 电容量 C 电容量的大小与两板的面积大小 中间的绝缘介质 两板间的距离都 有关系 其中与两板间距离 d 的关系是 当两板间距离 d 越大 C 越小 反之 C 越大 正式这一点造就了电容式传声器 左图为电容式传声器原理图左图为电容式传声器原理图 图中虚线框住的部分是电 容器 它由振膜和底极组成 其中振膜是由轻质的塑料膜 镀金而成 底极由金属制成 它们处于一个极化电源的供电状态中 电容器的两端与负载电阻相 连 这个负载电阻很大 一般在 1 10 9欧姆左右 这样 电压能加 载在电容器上 而电容器上的电荷却很难运动 这一组器件最后与放 大器相连 放大器也是一种非常高输入阻抗的放大电路 驻极体式传 声器是利用能够永远保持电荷的物质来制成电容器的两极 如 荧光 次声波监测装置 8 16 碳 聚四氟乙烯等物质 在紫外线的处理后 就会象永磁体一样永久 带上电荷 这样的材料制成的电容 就无须外加电源 由于省去了电 源 传声器体积可以做得很小 造价也低了很多 电容式和动圈式传 声器是工作中使用最多的两种传声器 下面对它们的性能进行比较 电容式传声器与动圈式传声器性能的比较电容式传声器与动圈式传声器性能的比较 电容式传声器 动圈式传声器 机械强度较差 使用寿命短 使用 相对麻烦 价格高 牢固 抗机械冲击 不易被摔 坏 工作 稳定 寿命长 使用方便 频率响应好 音色清脆 灵敏度高 信噪比 高 失真小 灵敏度低 频率响应较好 音 色浑厚 通过两者的对比及对本次大赛的分析 我们决定采用驻极体电容式传 声器 2 2 2 2 2 2 低通滤波放大模块 由于从传感器输出的电压信号的电压幅值比较低 信号比较微 弱 不利于采集 同时会造成量化误差 降低量化动态范围 所以需 要将电压小信号进行放大 电路原理图如下图所示 将电压小信号经 过一个低通放大电路进行信号放大 为了降低放大电路的噪声干扰 在放大电路的后面我们加多了 4 阶低通滤波电路 次声波监测装置 9 16 2 2 2 2 3 3 A DA D 转换及信号整形模块转换及信号整形模块 由于设计中要求测量的动态范围为 108dB 所以必须采用分辨率 至少为 16 位的 A D 转换器 A D 转换电路如下图所示 采用的是美 信公司生产的 MAX1162 MAX1162 是一款低功耗 16 位模数转换器 ADC 采用逐次逼近型 ADC 结构 具有自动关断 1 1 s 快速唤醒 和兼容于 SPI QSPI MICROWIRE 的高速接口 MAX1162 工作于 5V 单模拟电源 并且具有独立的数字电源引脚 允许芯片直接和 2 7V 至 5 25V 的数字逻辑接口 在最大采样速度 200ksps 下 MAX1162 仅 吸取 2 5mA 电流 在 200ksps 最大值 采样速度下 功耗仅 12 5mW AVDD DVDD 5V 信号可以通过滑动电阻 R9 改变电压基线的位置 再将该信号与该基线电压经过电压比较器即可得到同等频率的方波 信号 最后将方波信号送入单片机进行处理即可得到次声波的频率 值 次声波监测装置 10 16 2 2 2 2 4 4 稳压电源电路稳压电源电路 本次设计中由于采用了集成运放和 A D 转换器 所以需要为电 路提供高精度的参考电压 为了降低测量误差 本次设计决定采用了 LM1117 低压差线性调节器作为集成运放及 A D 转换器的稳压电源 对这两个模块进行单独供电 减小由于电压抖动对芯片工作造成的影 响 LM1117 提供电流限制和热保护 电路包含 1 个齐纳调节的带隙 参考电压以确保输出电压的精度在 1 以内 而整个系统的总电源 是利用变压器将 220V 降到 9V 以及 5V 其中 9V 为运放提供工 作电压 5V 为加法器 比较器及单片机模块提供工作电压 稳压 电源的设计电路如下图所示 次声波监测装置 11 16 220V 12V ADC 模数转换电路基准电压 2 2 2 2 5 5 单片机接口电路单片机接口电路及人机界面及人机界面 本次设计采用的是 ATMEGA32 单片机 外接 16MHZ 的晶振 是 51 单片机运行速度的 16 倍 具有处理速度快 功耗低 工作稳定 片内存储空间大 内置 EEPROM 等优点 能够满足本设计作品的要求 单片机的外围电路及人机操作界面接口如下图所示 单片机接口电路 次声波监测装置 12 16 人机操作界面 次声波监测装置 13 16 3 3 软件设计软件设计 否 是 输入完成 否 接通电源 开机 仪器初始化 菜单 确 定 按 键 被按下 按下 打开定时器中断 定时采样 比较采样最大值及 信号频率 次声波测量 仪器校准 设计人员 返 回 按 键 被按下 按下 选择校准的 分贝值 输入电压值 设计人员信 息 次声波监测装置 14 16 给仪器接通电源之后 仪器开机显示欢迎语句之后进入主菜单 主菜单中有三个选项 包括 声波测量 仪器校准 队员信息 第一次使用仪器时需对仪器进行校准 选择第二项进入校准菜单 校 准菜单中设置了 3 个选项 分别为 00 分贝电压设置 20 分贝电 压设置 90 分贝电压设置 令声源发出标准声强的声波信号后 按 OK 键选择对应一项进入设置 此时 屏幕上半部分显示当前声 强值对应的电压峰峰值 通过观察得出稳定电压值之后按下 SET 按键进入设置界面 输入对应的电压值即实现对应声强与电压关系的 设置 依次设置好电压之后仪器校准完成 按下 CE 键返回主菜单 此时只要选择菜单第一项就可以测出当前环境下次声波的频率及对 应的声强 4 4 结论结论 以上是本次设计的完整资料 该仪器利用了驻极体传声器的基本 工作原理 配合相应的电路模块实现了对次声波频率及声强的测量 由于采用的是比较普通的传声器 成本较低 但是所测出的信号的稳 定性也较低 对环境噪声的抗干扰能力也比较弱 但测出的数据基本 上是正确的 在真实信号值附近摆动 当环境越安静时 测出的数据 也就越稳定 同时本仪器还具有校准功能 在不同环境中可以通过 校准方式使其正常工作 适用性比较好 次声波监测装置 15 16 参考文献 参考文献 Maxim 公司 MAX1162 数据手册 MAX1162 PDF Maxim 公司 2002 Sitronix 公司 ST7920 数据手册 ST7920 PDF Sitronix 公司 2001 ATMEL 公司