单片机；噪音检测；红外检测；报警装置

PAGEPAGEI哈尔滨工业大学毕业设计（论文）I-摘要在我们生活中，噪音总是无处不在，它对我们的生活会造成一定的影响，而大部分是人为原因造成的，例如大声打电话，使用噪音大的设备，这些都会对我们的生活和工作产生影响，同时也会影响人们的情绪和身心健康，因此，人们希望通过某些装置来检测噪音，并减小噪音，实现对人员的控制和噪音的控制。为了满足特定的需求，利用单片机技术和传感器技术实现一种智能检测噪音的系统，最大程度的为人们带来舒适的环境。本课题研究一种基于单片机的噪音检测报警控制系统，首先通过红外探测器检测是否有人进入到噪音控制区域，如果有人进入，则系统启动噪音检测模式一，通过噪音检测装置对进入区域的人进行噪音检测，如果发出较大的噪音，则通过报警装置提醒进入区域的人减小声音，同时显示出当前哪个区域有人员进入，工作人员可以通过显示器来知道噪音比较大的区域，及时的做出调整，并将各个噪音检测点通过无线连接起来，形成一个小型的噪音检测网络，而且所有检测点的数据都会汇聚监控主机上，通过显示器可以将重要的信息显示出来，这样一来，即节省了人力又降低了噪音污染。关键词：单片机；噪音检测；红外检测；报警装置AbstractNoiseisalwaysubiquitousinourlife,anditwillhaveacertainimpactonourlife,butmostofitiscausedbyhumanfactors,suchasloudtelephonecalls,theuseofnoisyequipment,whichwillhaveanimpactonourlifeandwork,butalsoaffectpeople'semotionalandphysicalandmentalhealth.Therefore,peoplehopetodetectnoisethroughsomedevices.Andreducenoise,toachievethecontrolofpersonnelandnoisecontrol.Inordertomeetthespecificneeds,akindofintelligentnoisedetectionsystemisrealizedbyusingsingle-chipcomputertechnologyandsensortechnology,whichcanbringpeopleacomfortableenvironmenttothegreatestextent.Thispaperstudiesanoisedetectionandalarmcontrolsystembasedonsinglechipcomputer.First,theinfrareddetectorisusedtodetectwhethersomeonehasenteredthenoisecontrolarea.Ifsomeonehasentered,thesystemstartsthenoisedetectionmode1.Thenoisedetectiondeviceisusedtodetectthenoiseofthepeopleenteringthearea.Ifalargernoiseisemitted,thepeopleenteringtheareaareremindedbythealarmdevice.Reducevoice,andshowwhichareaiscurrentlyoccupiedbypeople.Workerscanknowthenoisyareathroughthedisplay,maketimelyadjustments,andconnecteachnoisedetectionpointthroughwirelessconnectiontoformasmallnoisedetectionnetwork.Moreover,allthedataofthedetectionpointswillbegatheredonthemonitoringhost,throughthedisplaycanbeimportant.Theinformationisdisplayed,whichsavesmanpowerandreducesnoisepollution.Keywords：SingleChipMicrocomputer;NoiseDetection;InfraredDetection;AlarmDevice

目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1课题背景及意义 11.2国内外研究现状 21.3课题的设计目标 21.4课题研究的主要内容 3第2章系统设计与方案论证 52.1系统总体方案设计 52.2主控芯片的选择 62.3传感器的选择 72.3.1噪音检测传感器的选择 72.3.2人员检测传感器的选择 82.4转换芯片的选择 92.5显示模块的选择 102.6通信模块的选择 112.7系统电源的选择 12本章小结 12第3章系统硬件电路设计 133.1最小系统电路设计 133.2传感器电路设计 143.2.1噪音检测传感器的选择 143.2.2红外检测电路设计 153.3信号转换电路设计 163.4显示电路设计 163.5通信电路设计 173.6辅助电路设计 183.6.1报警电路设计 183.6.2按键电路设计 183.6.3电源电路设计 19本章小结 20第4章系统的软件设计 214.1系统主程序设计 214.2A/D噪音采集程序设计 224.3按键检测子程序设计 234.4显示子程序设计 244.5报警子程序设计 25本章小结 25第5章系统实物调试 265.1硬件调试 265.2软件调试 27本章小结 28结论 29致谢 30参考文献 31附录一电路图 32第1章绪论1.1课题背景及意义近些年我国的科技水平和工业水平都得到了提高，但是，污染的治理能力无法跟上进步的步伐，导致环境污染严重，水污染，光污染，噪音污染都伴随在我们的生活中，且噪音污染对我们的工作和学习会产生很大的影响，噪音污染也日益严重，绿化的减少，车辆和各种设备的增加，都会导致噪音的增加，并且噪音污染也已经成为我们生活中常见的污染源，噪声成为干扰人们日常生活的问题之一，根据相关人员的调查，我国对噪音污染的不满度逐年增加，并且对噪音污染的投诉是众多污染投诉中的最多的，因为噪音污染太常见的，以至于我们的身边随时都会有噪声污染，在图书馆里的大声喧哗，建筑工地的作业，机器设备发出的运行声音等等，这些都是影响我们生活的噪音源，因此，噪音污染是伴随我们身边且随时会发生的。为了我们的生活能够更健康更舒适，对噪音污染的治理就亟待解决。噪音污染与其他的环境污染相比区别很大，首先噪音污染并没有实际的有害物质，不会通过空气进行传播，其次，噪音的污染是短暂的，噪音的圆头停止发出噪音，则噪音污染就会停止，噪音污染要想从源头治理难度很大，一般情况下噪音的产生是伴随着生产或者生活而来的，如果停止噪声源也意味着停止生产，这样将会对发展带来不利的影响，因此，尽量的降低噪声对我们生活和工作的影响就十分重要，通过特定的装置来检测噪声的大小。我们大部分的时间都会待在办公室、图书馆和学校的课堂，这些地方需要保持安静，否则会影响人们的状态，通常30～40分贝是较理想的安静环境，超过50分贝会影响休息，70分贝会影响正常的工作和学习，如果长时间处于80分贝的环境中，噪音会影响人们的听力，从而引发大脑内的神经衰弱，高血压等，超过150分贝，则会导致双耳短暂的没有听力，严重的会导致耳膜破裂，因此，要保证这些区域的正常运行，要将噪音保持在30-50分贝，因此光凭借原则治理是无法取得成效的，需要通过结合现代的科技，通过装置来对噪音进行检测和控制，而且噪音的测量和控制也逐渐的收到重视，为此设计一种简单便携的噪音信号采集装置，实现对噪音监控的目的，自动噪音监测采集点将监测数据和采集设备运行情况、现场噪音数据的实时采集，现场检测的噪音数据通过智能终端内部的程序设定可以直接发出报警提示，通过这种主动的方式实现随时随地汇报现场噪音信息，有力控制噪音的违规事件的发生，达到净化城市声环境的目的。1.2国内外研究现状国外对噪音的研究比较早，在工业化进程中，国外的工业化程度更高，虽面临的噪音问题更严重，因此他们研制出噪音检测系统，通过这种装置可以实时的对噪音进行检测，这种装置可以在白天对环境的噪声进行检测，还可以对夜间的噪声进行检测，并将噪声的强度检测出来，因此检测到的噪声数据都是连续的，而且检测的十分精准。随着检测技术的发展，噪音检测技术的成熟，一些研究人员将噪音的研究分为多个方向，其中包括不固定噪音自动检测系统前提下，实现噪音的准确定位，提高系统的检测精度以及响应时间，另一个方向是早噪音中获取更多的有用数据来及支持噪音分析，例如21世纪初，KenjiFuji团队对各种类型的噪音源进行分析模型的建立，并在这一套模型的基础上，利用噪音自动检测系统测得的数据就能判断出产生这些噪音的声源类型，这对防治噪音污染有重要意义。JinYongJeon等人使用多重回归分析方法，建立了把多种不同类型的单个声源结合在一起综合评定噪音强弱的模型。另一研究方向是如何降低噪音自动检测的成本，SilviaSantini等人正在研究是否可以使用普通手机的听筒来对环境噪音进行自动检测。整合目前的研究成果，他们得出的结论是，通过编写一些在手机上可以应用的噪音处理软件，便可以把手机听筒作为噪音检测的终端，且效果并不比专业声级计差。这项研究成果如能投产，将大大促进噪音自动检测事业的发展。至今为止，我国在噪音自动检测方面的研究主要集中在研究城市噪音的组成；如何优化噪音自动检测系统的结构；如何合理安排噪音自动检测系统各检测点的设定；如何用最少的时间有效测定噪音值；如何整合处理噪音检测系统所测得的数据。我国初步建立了一套完整的环境噪音检测系统，具备了对环境噪音进行常规监测的能力，但与发达国家相比存在一定差距，2005年兆华电子研制出CRY系列噪声检测仪可以实现对环境噪音的检测，祥瑞检测中心研发的噪音检测装置等。1.3课题的设计目标本课题主要研究以噪音传感器和红外传感器为核心的噪音报警系统，保证一些区域不被噪音所污染。在一些区域，噪音会影响人们的正常工作和学习，但是无法实现对噪音的有效控制，如果投入人力进行管制，效果不好而且成本较高，如果使用噪音检测装置就可以实现对噪音的检测，同时有效的降低噪音的影响，通过装置实现噪音的自动检测和报警控制，实现对检测区域降低噪音的作用，因此将单片机，噪音传感器，红外传感器等结合，实现噪音检测报警的目的。首先红外传感器利用人体所发出的法外波来判断当前区域是否有人，如果有人择对该区域进行噪音的检测。利用热释电红外传感器的特性来建立噪音检测报警系统，通过其对某些区域进行监控，当个有人入侵这个区域的时候，热释电红外传感器会接收到红外线波，然后触发内部的转换电路，转换电路将一个高电平发送给上位机，上位机接收到高电平后，就会认为当前区域有人进入，然后在控制噪音传感器对噪音进行实时的检测，传统的噪音监控系统比较复杂，而本系统通过无线将各个子监控节点连接起来，形成一个有效、大面积的噪音检测报警网络，并通过一监控终端对这些检测节点连接起来，实现对各个区域的总体把控，很大程度上节约成本，同时还可以及时的反馈各个监控区域的情况，通过这个系统可以节省很多的人力，操作人员通过上位机的显示器可以直观的了解各个区域的实时状况，通过总线的方式可以很大程度上的增加传输距离，增强可靠性，因此本系统更适合对某些区域的噪音监测。1.4课题研究的主要内容本课题研究的基本内容是设计一个适用于办公环境的噪音检测系统，完成对办公环境中噪音强度的测量，通常这种环境的分贝不超过80db为舒适值。本系统能够实现的基本功能包括：噪音测量，无线传输，人员检测，显示噪音值，超限报警等。为了实现对噪音强度的测量和传输，本系统包括发送端和接收端两个部分，以下将分别介绍这两个子系统应该完成的任务和所能够实现的功能。发送端使用噪音传感器对办公环境中的某个区域噪音强度进行不间断测量，将噪音强度转化为一个能够代表其大小的电量值，经放大器电路放大以便进行后期处理，再使用AD转化器对噪音传感器所采集的模拟量转换成数字量，并将数字量发送给单片机，单片机将该数字量通过无线传输模块传输给上位机，上位机的液晶显示器将显示噪音强度并实现与人的交互，无线传输模块将单片机送来的一组一组代表噪音强度的数据通过无线的方式发送出去。接收端不间断的检测和接收来自发送端的信号，经过处理后将代表噪音强度的数值传送给接收端的单片机，单片机首先判断其大小是否超过预定值，若超过便启动报警器，并将其值在液晶显示器上显示，若没有超过，便只显示而不报警，系统包括以下几点功能。（1）通过噪音传感器测量噪音强度，通过放大点电路放大模拟信号，并通过AD进行转换、输出范围为0~5V的模拟电压值代表噪音强度；（2）通过红外传感器检测某区域是否有人，如果有人进行噪音检测，如果超过设定的80db报警值则发出报警；（3）通过LORA无线传输模块实现多对一的数据传输，各个节点向汇聚节点发送区域数据；（4）监控终端将各检测区域的噪音数据显示出来，并通过报警提示管理员哪些区域噪音较大。第2章系统设计与方案论证通过系统的设计方案与论证选择适合于噪音检测报警系统的传感器，转换电路，以及系统中所使用的各类模块等，通过方案论证进行器件和模块的选型，实现对系统的初步组建。2.1系统总体方案设计系统通过器件和模块的组合实现对办公环境噪音的检测，噪音检测系统主要由噪音传感器检测装置、远程监测终端2个部分构成。将噪音检测报警系统安装在办公区域内，例如会议室、办公室等，在这些地方安装多个噪音检测点，可以帮助减少办公室噪音污染，提高人们的工作效率以及工作环境。本系统包括发送端和接收端两部分，发送端子系统包括噪音数据采集模块、人体红外检测模块、单片机控制模块、数据发送模块；接收端子系统包括单片机控制模块、液晶显示模块、报警模块、数据接收模块。前端的噪音通过噪音传感器和放大电路的噪音传感器模块完成对噪音值的测量，前端的噪音监测装置对区域的噪音强度进行检测，当区域噪音强度超出预定值时，启动报警器，如果有人进入监测区域，系统会通过人体红外装置识别出来，并启动对环境的监测，如果进入到此区域的人大声喧哗或者制造噪音，超过指定的分贝，系统就会发出报警，提醒人员保持安静。噪音监测装置分布于各个区域，同时各个装置还可以通过无线的方式将数据发送到监控端，监控端对各个区域进行检测，并在显示器上划分出检测装置对应的区域，一旦某区域超过设定，则显示器上该区域的显示变成红色。系统硬件结构框图如图1所示。图1系统硬件结构框图噪音检测报警系统的主控部分是由单片机组成的，AT89S51最小系统由电源，单片机，晶振电路，复位电路等组成，实现数据的处理和控制，主机在系统中的主要作用是处理传感器数据，然后通过无线模块发送给远程终端，在系统中，前端发送来的数据有噪音数据，人员数据两种数据，例如当系统检测到区域3出现了噪音超标，则远程监测终端就可以通过液晶来知道区域3的状态，如果在所监控的区域有人员进入，则系统会开启对该区噪音的检测，如果噪音超标，单片机则通过报警装置进行报警，然后通过液晶显示当前报警的区域，噪音测量电路由模拟量输出的传感器组成，它的信号无法直接传递给单片机，需要进行转换在发送给单片机，并将噪音强度显示出来。在本次设计中，噪音传感器置于前端，检测到有人进入到此区域后开始噪音检测，噪音传感器采用驻极体进行噪音的手机，但是驻极体输出的信号为模拟信号，因此需要通过A/D转换芯片进行转换，驻极体、放大电路、A/D转换电路共同组成噪音模块，通过这种装置，实现了特定区域的噪音监测。2.2主控芯片的选择方案一：采用AT89S51单片机作为主控芯片。它常用于简单的嵌入式系统中，可以满足大部分中低端设备的要求，它有2个内部定时器，一个串口，可以存256K字节的程序，还有复用功能的IO口，在众多产品中脱颖而出，相对其他系列的单片机而言，51单片机的运行稳定，性价比高，开发难度小。方案二：采用MEGA168单片机。这种单片机是8位的单片机，而且芯片内配置8位寄存器，相对于其他类型的单片机来讲，性价比很高，内部有32个通用寄存器，16K的flash，可以通过ISP的方式下载程序，操作简单，同时AVR单片机的处理能力也增强了很多，但是相对来讲，开发的周期较。方案三：采用DSP单片机，DSP单片机又称为数字信号处理器，是数字信号进行处理和运算的一种单片机，它的功能十分强大，可以进行浮点运算等，它还可以实现数字滤波，傅里叶变换等操作，也可以像单片机一样进行IO控制和数据处理显示，但是价格较高，不好掌握。经过方案论证，AT89S51适合于噪音检测系统，AT89S51单片机比较常用，其稳定性得到了肯定，而本设计中需要将传感器布置多个区域，需要很多的节点，因此从成本和维护的角度来考虑，51单片机更适合本系统，开发难度也较小，可以实现本课题的所有要求。1.芯片介绍：AT89S51单片机内部的存储器有4K字节的空间，而且可编程、擦除，电压低、性能好，采用CMOS电平，是现在流行的8位微处理器。它的内部的只读存储器连续擦除后，只能擦除100次左右。不同作用的功能电路被集成在8位的CPU内部，而且内部还带有存储器，存储器被嵌入到芯片中。STC89C51是效率很高的8位的微型控制器。这种STC89C51单片机在应用中为很多的嵌入式系统的用户提供了合理、高效，性价比很高的方案。2、芯片主要特性：（1）完全可以兼容51系列单片机各种指令。（2）内部有4KB的FLASH存储器。（3）可以反复擦写程序次数达1000次，内部数据可长时间保留。（4）标准的工作电压：4.0-5.5V之间均可以。（5）完全的静态稳定工作的频率范围：0HZ-33MHz。（6）内部有128×8B的RAM，4×8个I/O口，T0和T1两个16位的定时器/计数器，而且内部还带有5个中断。（7）空闲工作状态和掉电工作状态：单片机使用的是内部的振荡器和时钟计数电路。2.3传感器的选择系统包含两种传感器，一种是用于检测人员的红外传感器，一种适用于检测噪音的传感器，根据系统的功能和性能进行方案论证，选择合适的传感器。2.3.1噪音检测传感器的选择方案一：采用HS5628型积分声级计，它是一种基本的噪音测量仪，可以将声音信号转换成电信号，可以对不同频率的声音进行采集，而且声级计对传感器的要求不高，但是动态范围比较小，一般内部不带滤波电路，但是灵敏度较高，采集信号速度快。方案二：采用电容驻极式无指向性MIC，驻极体由声电转换和阻抗变换两部分组成。声电转换通过驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层金属薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。在驻极体话筒中，有一只场效应管做预放大。方案三：采用BR-ZS3噪音监测仪，噪音监测仪可以对噪音进行收集，由传声器将声音转换成电信号，再由前置放大器变换阻抗，使传声器与衰减器匹配。放大器将输出信号加到网络，然后将信号放大，送到有效值检波器。通过方案论证，我们选择电容驻极式无指向性MIC作为系统的噪音检测传感器，电容驻极式MIC的灵敏度高，检测半径大，可以很好的对声音进行收集，但是它的输出信号为模拟信号，需要对信号进行转换，然后通过单片机对信号进行转换，得到实际的噪音信号，电容驻极式MIC需要通过滤波电路进行信号的整形，通过整形电路输出变化的直流电压到转换芯片。2.3.2人员检测传感器的选择方案一：采用超声波传感器检测人员，它的优点是可以对任何物体进行检测，超声波传感器是利用超声波来进行检测的，它可以通过发射端打出超声波，超声波撞到物体后反弹回来，接收模块在对超声波进行接收，然后单片机根据前后两次的时间差来计算距离，这种方法比较适合对距离的测量，如果用在系统中对人员进行监控略显不足。方案二：采用SR602人体红外传感器，人体红外传感器是利用人体所发出的红外线光来进行检测，这种传感器采用了先进的红外探头，可以直接检测红外光波，到人进入奥它的检测范围后，它的电平就会发生翻转，向单片机发送电平信号，它的可靠性强，功耗低，便于安装。方案三：通过光电对管来检测，在需要检测的区域安装光电对管，当人经过时，会挡住光电对管，这时就认为有一个人经过，但是相对而言，这种方式的效率过低，还会因为人员密度大导致检测结果不准确。根据方案论证，我们选择用人体红外传感器，它的检测范围大，准确性好，价格便宜，通过系统的单片机直接相连就可以接收到数据，十分方便。根据方案论证，我们选择用人体红外传感器，它的检测范围大，准确性好，价格便宜，通过系统的单片机直接相连就可以接收到数据，十分方便。1、模块主要性能：（1）工作电压4.8-20V；（2）输出电平高3.3V低0V；（3）延时时间0.5-200秒；（4）感应角度<100度锥角。2.4转换芯片的选择模数转换芯片可以对电容驻极式MIC电路输出的电压进行转换，得到实际的噪音大小，通过方案论证选择适合噪音检测系统的模数转换芯片，实现对噪音模拟量的转换。方案一：使用AD7656，它的输入有两个通道，体积较小，所占用的IO资源比较少，它的输入端口既可以作为单个的模拟量输入，也可以作为差分输入通道，可以识别出毫伏级别的电压，转换速度较快，但是缺点是在一些模拟量较多的系统中，输入端口有些不够用。方案二：使用ADC0809，这种模数转换芯片内部有8个输入端，可以一次的对每个端口进行数据的采集和转换，而且精度可以达到几百毫伏，相对而言，精度较高，通过与单片机进行并行的连接，传输速度快，转换精度高，但是需要在转换前进行采样，电路需要的引脚较多。方案三：ADS7869是12位开关电容逐次逼近A/D转换，每个器件有三个控制输入端，片选，输入/输出时钟以及地址输入端。它有高速的转换，通用的控制能力，具有简化比率转换，刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪音隔离，耐高温等特点。根据噪音检测系统的需求，逐次逼近型A/D转换既照顾了转换速度，又有具有一定的精度，根据系统的需求，ADC0809能满足要求同时节省了单片机的I/O资源，性价比高、操作简单，因此这里选用的是ADC0809模数转换芯片。1.芯片重要参数：（1）芯片工作直流电压为5C；（2）各个通道的输入电压不能大于5V，且不能小于0V，如果不在这范围内需要进行转换；（3）采样的精度可以达到1/256单位电压，输出的数据也在整数之间；（4）最快转换时间为100us；（5）误差小于等于10mV；（6）可以使用外部的2.5V参考。2.芯片引脚分布：（1）OE：芯片选择信号；（2）EOC：控制读取外部转换结果的信号；（3）START：写入控制，ADC转换开始后（OE=0时），如果START的电平由高变低，清除数据：如果START回到高电平，AD转换重新开始；（4）CLOCK：时钟输入或接振荡元件电阻和电容频率约限制在100KHZ～1460KHZ，如果使用电阻电容组成的电路，通过公式可推导出振荡频率是1/（1.1RC）；（5）ALE：低电平时将发出中断请求并发出信号输出；（6）IN0-IN07：引脚是模拟电压的输入端，当输入端是正电压时，VIN(-)接地，若使用差动模拟量输入时，直接连接VIN(+)，VIN(-)两端；（7）GND：电源地；（8）VREF：参考电压输入端；（9）DB0～DB7：为芯片的数字输出端；（10）VCC：电源正。2.5显示模块的选择显示部分是用来显示噪音大小的模块，通过单片机的控制可以实现不同模式和数据的显示，下面对显示模块进行选型。方案一：采用OLED液晶显示屏，这种屏幕体积小，没有视觉死角，可以通过IIC和SPI的方式进行数据的传递，可以显示汉子，字符等信息，动态性能比较好，响应速度快，功耗低，同时还可以通过指令控制OLED的亮度，对比度，开关升压等，操作方便，功能丰富，但是相对来说，大尺寸的OLED价格较贵。方案二：采用LED数码管动态扫描，LED数码管价格适中，通常有单位数码管和多位数码管，颜色也比较多，它的原理是通过单片机来点亮内部的二极管，从而显示数字等信息，它的功耗比较低，单片机可以直接通过IO口来驱动数码管。方案三：采用点阵式数码显示，点阵式数码管是由八行八列发光二级管组成，在很多场合可以看到这种显示方式，可以用多个小点阵组合成一个大的LED显示屏，它的功耗低，价格便宜，在很多的商场和公共场所都能看见，它可以显示汉字，数字等信息，并且有多种的显示模式，性价比较高。数码管更适合显示数字信息，在噪音检测报警系统中，噪音的大小是系统主要的检测物理量，可以用数值表示噪音的大小，因此选择数码管更适合于系统数字量的显示，它内部由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管（a～g）作为7段笔画组成“8”字结构，剩下的1个发光二极管（h或dp）组成小数点。若按规定使某些笔段上的发光二极管发光，就能够显示出所示的“0～9”10个数字和“A～F”6个字母，还能够显示小数点，可用于2进制、10进制以及16进制数字的显示，使用非常广泛。2.6通信模块的选择通讯电路是用来传递数据，发送指令的数据，可以实现对与上位机的信息传递，使系统更加灵活。方案一：采用RS485通信模块，它具有很强的抗共模干扰的能力，通过双绞线与其他设备连接，可以很好地抵抗干扰。通过硬件电路和标准协议的配合，使系统的通讯准确。可与多个单片机构成主从结构，且硬件电路简单，速率快，性价比高。方案二：采用GSM模块进行通信，GSM模块必须使用SIM卡，GSM模块能远距离传输，效果很好，可以直接与手机进行数据的传输和通信，实时的将各种所需数据发送至手机上，同时还可以通过手机对下位进行一些简单的控制，局限性较小且性价比较高。方案三：采用SX1278模块，它是高频段的无线LORA模块，使用串口低速总线，只需要简单的指令就可以控制模块进行数据的发送和接收，实现数据的远程互通，它的优点在于短距离的传输速度快，价格低，可以实现大规模的布局，功耗低，模块集成度高。将噪音检测报警装置实现大面积的覆盖必须要使用高效、便捷的通信方式，通过无线模块可以实现对数据的采集，将各个检测点的数据发送到一个终端中，实现数据的集中监测，非常的方便，同时也可以实现多个检测点对应一个监测点，省去了有线传输的麻烦，方便系统进行各个区域的检测。1.芯片主要特性：（1）使用频段在433MHz之间；（2）发射的功率低；（3）具有定点传输、透明传输和空中唤醒功能；（4）接收灵敏度高达-130dBm，传输距离8000米；（5）自动中继、连续传输；（6）最大发射功率约30dBm（约1W）。2.芯片引脚说明：（1）MD0、MD1：工作状态选择；（2）RXD、TXD：串口输入串口输出；（3）AUX：运行状态指示接口；（4）VCC、GND：模块电源输入端；2.7系统电源的选择电源电路是对系统提供电能的电路，是系统独立的一部分，通常有几个方案可供选择。方案一：采用MP1584EN成品的电源DC-DC模块，这种模块很成熟，可以提供稳定的电压，模块内部还集成了保护电路，可以对设备进行保护，同时这种模块的效率很高，可以提供很稳定的电压。方案二：采用LM78系列线性电源电路，线性电源电路是常见的供电电路，由其在嵌入式系统中，经常为系统提供稳定的电压，它的电路结构简单，稳定，而且有多种型号的芯片，例如LM7815、LM7812、LM7805等等，通过简单的电容和变压器就可以将常用的交流电转换成5V的直流电。方案三：采用LM2930T芯片来进行电压的转换，LM3596的输入电压宽，可以通过电阻来调节输出的电压，再通过电容来进行滤波，输出稳定的电压，相对于其他的稳压芯片，LM3596更加灵活，输入电压和输出电压可调，但是需要的外围器件比较多，对于一些简单的系统来讲，结构越简单，系统越稳定。通过方案论证，我们选用线性电源，这种电源几个便宜，稳定可靠，通过220V市电经过变压器变成9V的交流电，9V的交流电经过整流桥变成9V的直流电，直流电经过极性电容和无极性电容的滤波后输出稳定的9V直流电，直流电经过LM7805后变成5V的直流电，5V直流电用于给设计中的单片机进行供电，这种线性电路可以很好的屏蔽外部干扰，使系统稳定运行。本章小结本章首先介绍了各个电路的方案论证，包括系统方案论证，器件和模块的方案论证，通过方案论证实现系统的选型，其次分析了系统的功能，相较于其它系统而言，本次设计的系统结构简单可靠，最后通过单片机最小系统和外围电路实现了不同信息的显示。第3章系统硬件电路设计系统硬件电路设计主要对系统所用到的外围电路进行设计和调试，包括电路的核心单片机最小系统、数码管显示和传感器电路、按键电路、电源电路等，通过这些电路实现人员检测噪音检测等。3.1最小系统电路设计在噪音检测报警系统中，微处理器控制传感器电路、数码管显示电路等电路实现噪音检测和显示功能，通过对单片机进行编程，实现不同的工作状态，但前提是基于单片机的硬件最小系统上，所以单片机的最小系统是噪音检测报警系统的核心部分，单片机通过连接、控制其他硬件部分的电路来实现设计的目标，也正是通过单片机的控制，才使系统更加智能化，单片机最小系统电路图如图3-1所示。图3-1AT89S51最小系统电路图（1）复位电路：它包括220uF的电解电容和10K的电阻，以及弹性按键组成，电容的作用是对电能进行充放电，当有按键按下时，电路对电容进行充电，并通过电阻进行分流，如果系统复位，需要将复位引脚保持12个机器周期以上的高电平才可以使单片机复位，因此，通过电阻和电容组合成RC振荡电路，当按键按下后，通过振荡电路使RST引脚上能够产生两个机器周期以上的高电平，这样单片机就可以通过按键来实现系统的复位，复位电路如图3-2所示。图3-2复位电路（2）时钟振荡电路：晶振的输入引脚为电路的脉冲信号输入引脚，通过外部的晶振和电容为单片机提供脉冲信号，单片机根据脉冲信号来进行计时等功能，晶振的内部含有振荡器，当晶振上电后，振荡器开始工作，通过电容的充放电的作用下，产生一定周期的脉冲信号，单片机再根据脉冲信号进行工作，通常电容的大小为22PF，晶振的大小为12MHz，通过晶振的频率可以计算出单片机的内部定时器计时一个数字所用的时间，晶振电路如图3-3所示。图3-3时钟振荡电路3.2传感器电路设计3.2.1噪音检测传感器的选择在噪音检测系统中使用电容驻极式无指向性MIC作为噪音的采集装置，MIC的内部的电容小电阻大，需要经过放大电路对信号进行放大，放大器选用三级管8014构成的放大电路，通过MIC和放大电路实现对噪音的检测，电路如图3-4所示。图3-4噪音采集传感器电路图当有声音传入高灵敏度电容式驻极体话筒时，话筒两端的电量发生改变，经过电容器C2和R6的作用加到晶体三级管8014的基极及发射极之间，从而引起三级管8014基极和发射极之间的电压发生变化，最终使三级管8014集电极的电压发生变化，由于三级管的放大作用，所以集电极的电压是基极电压Au倍，最后被放大的信号通过电容器C1加到下一级电路中。3.2.2红外检测电路设计噪音检测系统中人体红外检测电路由人体红外检测模块组成，通过对红外的检测来是判断是否有人入去此区域，它是一种热释电红外的检测装置，这种材料通电后的电压会随着噪音的变化而变化，并采用红外辐射的探头进行辐射检测，并配和算法滤波，提高了擦传感器的稳定性，热释电效应同压电效应类似，在传感器监测范围内噪音有变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷，环境噪音稳定不变时，传感器无输出，当人体进入检测区，因人体噪音与环境噪音有差别，若人体进入检测区后不动，则噪音没有变化，传感器也没有输出了。所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感，在噪音检测系统中检测是否有人进入到检测区域，人体红外检测传感器电路如图3-5所示。图3-5SR602红外传感器电路图3.3信号转换电路设计噪音检测系统中信号转换芯片使用的是ADC0809，它可以将MIC电路发送来的模拟量转换成数字量，它的转换速度快精度高，同时可以采集8路的模拟信号，本次是通过其中一路通道采集MIC电路发出的模拟量，因此未使用的模拟通道不需要外接，内部的寄存器会逐次逼近的进行转换，并通过并行接口发送数据至单片机，单片机只能接收数字量，模数转换电路如图3-6所示。图3-6模数转换电路单片机通过控制A/D转换器的地址选择来选择需要使用的输入引脚，A/D转换器也允许所有的输入通道同时使用，不同时的输入，这样一来，可以节约单片机的引脚，还可以增加模拟量的输入数量，可以高效的提高换速度。单片机控制A/D的地址段，输入二进制数据来选择输入通道，而转换的结果也可以直接与单片机相连接，进行数据的传输。A、B、C端是多路开关的地址选择线之一，当输入低电平时，对电压信号A/D转换。当输入高电平时，对电流信号A/D转换。START是启动引脚,通过输入下降沿启动单片机的内部电路，开始A/D转换。EOC引脚是转换完成输出线,输出一个高电平时代表转换结束。OE为允许输入输出线,输入高电平时把数据送往数据总线，启动A/D转换器可用指令，然后在与单片机相连，最终实现模拟量的转换。3.4显示电路设计噪音分贝的显示使用的是数码管显示电路，4位一体数码管可以显示999到0噪音分贝值，精度可以实现1分贝的动态显示，由于单片机的驱动能力有限，直接驱动数码管会导致数码管显示的亮度很低，因此需要通过驱动电路来增强驱动能力，数码管显示电路如图3-7所示。图3-7数码管显示电路图74HC573是电路的锁存器，单片机将数据锁存在芯片内，当单片机的IO口复用功能时，数码管仍能显示数据，实现动态显示，OE和LE是它的控制端，ULN2803是一个电流放大芯片，内部是有三极管组成的放大电路，可以通过TTL电平和CMOS电平直接连接，目的是为了增强单片机的IO口的驱动能力，然后再与74HC573相连接，驱动数码管数字“8”的每一个小段，数码管的段选控制端与ULN2803的输出端相连接。IN1-IN8是它的输入端，OUT1到OUT8是它的输出端，输出端再与数码管的段选相连接。数码管的D1到D4时数码管的位选控制端，由单片机的IO口直接控制。最后单片机通过程序将数据转化成段选信号，再经过锁存器和驱动器来驱动数码管显示噪音。3.5通信电路设计在噪音检测报警系统中，使用LORA无线通信模块实现数据的远程传递，首先通过配置MD0和MD1来进行模式的配置，然后再通过单片机的串口RXD和TXD进行串口通信，通过串口将噪音数据发送放到模块中进行数据打包，然后在将数据发送出去，当AUX为低电平时，表示模块繁忙；当AUX输出高电平约2ms后，表示此时模块处于空闲状态。当任意区域的节点发送数据时，具有相同地址且相同信道的模块均可同时接收数据。数据以透明方式发送和接收，所发即所收，SX1278无线通信模块电路图如图3-8所示。图3-8SX1278无线模块电路图3.6辅助电路设计3.6.1报警电路设计在噪音检测报警系统中，使用蜂鸣器实现对噪音超标的报警，通过按键来对噪音的分贝阀值进行设定，如果单片机检测到某区域的噪音超过这和设定的分贝，则单片机控制报警器进行报警，报警电路由三极管、蜂鸣器组成，实现对噪音的提示，以便提醒该区域的人员减小声音，保持环境的低噪音，报警电路如图3-9所示。图3-9报警电路图系统采用峰鸣器报警电路，虽然蜂鸣器工作时的电流比较小，只有30mA，但是对于单片机来讲，它的输出能力比较弱，与之连接的IO口的灌电流只有15mA，单片机的IO口电流来驱动蜂鸣器发出的声音会很弱，所以使用晶体管放大电路，增强驱动能力，蜂鸣器导通发出报警。3.6.2按键电路设计键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，通过按键盘可以设置噪音的分贝阀值，如果超过这个阀值则进行报警，这说明按键的作用是很大的，例如当K1按下时，触点闭合单片机的IO口会被拉为低电平，当键松开时，触点断开，单片机的IO口重新恢复高电平。单片机接收到按键的触点信号后作相应的功能处理。因此，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号，按键电路图如图3-10所示。图3-10按键电路图按键电路的一端与单片机的IO口相连接，另一端与GND相连接，其中R2、R3是按键的上拉电阻，按键K1和K2与单片机的IO口相连接，它的功能是设置分贝的上下限，进入到设置模式后，数码管会显示一个数值，这个数值可以通过加减按键来进行设置，通常将分贝设置在80db左右，超过这个数值将影响人们的工作和生活。同时为了不使单片机受到影响，电路中加入了上拉电阻，在按键没有被触发时，单片机的I/O口输入高电平。3.6.3电源电路设计首先，电路采用220V交流电作为总的输入电源，220V交流电经过变压器，键电压转换成12V的交流电，12V的交流电经过整流桥的作用，把12V的交流电转换成12V的直流电，在变成直流电之前，需要经过高低频的滤波电路，使得电源的输出更加稳定，一般选取无极性电容值为0.1uF，极性电容值选取470uF，经过滤波后的12V电压在经过7809芯片，将电压转换成9V直流电，这是因为如果直接将12V电压输入到7805的输入端，会导致7805过热，多余的电能以热的方式发出，因此，需要在12V和5V之间进行降压，降压后的电压在输入到7805的输入端，具体电路如图3-11所示图3-11电源电路图本章小结本章首先对系统的功能进行分析，确认功能后，选择合适的外围电路，包括单片机的最小系统，数码管显示电路，传感器电路、无线通信电路、电源电路，通过各个电路之间的协调配合实现系统的总体功能，单片机最小系统是课题的控制核心，它是用来处理数据和发出控制信号的电路，传感器电路用来显示数据等信息，报警电路用来发出噪音超标报警，最后，系统实现了噪音检测报警系统。

第4章系统的软件设计本章主要针对噪音检测报警系统的软件进行框图设计，通过对系统整体功能的分析来制作程序框图，再根据程序框图来完成C语言程序的设计，最终通过各个子程序的结合，完成整体程序的设计，并烧录到单片机中进行最后的软硬件调试。4.1系统主程序设计在噪音检测报警系统中，单片机烧写程序后对外围电路进行控制，首先系统进行初始化，对各个子函数进行初始的赋值，然后在根据主函数来执行系统中对应的功能，主程序流程图如图4.1所示。图4.1系统主程序流程图噪音检测报警系统初始化完成后，外围硬件电路进入到初始状态，单片机开始执行主函数，通过总线发送控制指令。主函数内单片机首先控制模数转换电路控制MIC传感器对噪音进行采集，然后根据AD芯片发送来的数据量进行计算，得到MIC传感器采集到的噪音值，然后在通过A/D转换器转换成数字量，然后发送给单片机，单片机接收到数据后，将采集到的分贝值与设定的分贝值进行比较，如果数值小于设定的80db分贝值，则单片机进行数据通信，通过IO口发出的电平来控制数码管显示当前的分贝值，如果数值大于设定的80db分贝值，则单片机控制报警电路进行报警，按键是用来设定分贝值范围的，通过扫描单片机的IO口来判断按键是否按下，系统的总体工作流程为单片机首先控制前端的MIC传感器和模数转换电路对噪音进行采集，然后根据采集到的数据进行判断和显示，读取按键设定的80db分贝值，并进行对比，系统传感器启动的前提是检测到有人进入到检测区域，然后在对数据进行对比，通常在办公环境中，不能超过80db，这样就完成了系统的主要功能。4.2A/D噪音采集程序设计ADC0809转换程序通过单片机控制实现模拟量转换，流程图如图4-2所示。图4-2A/D转换程序流程图噪音检测系统接收端到MIC和放大电路采集的模拟量后，单片机控制ADC0809对模拟量进行处理，首先单片机控制AD转换芯片的使能端CS=0，使芯片工作，然后通过控制引脚向AD转换芯片发送命令，AD转换芯片接收到命令后对MIC电路的输出量进行转换，并通过串行总线发送转换完成的数据给单片机，并判断转换是否完成，如果完成，单片机将数据显示出来，并关闭使能端CS=1，如果未完成则重新发送控制指令，并读取数据。在对ADC0809程序设计方面采用子程序调用形式实现数据转换功能，提高了程序的操作性和移植性。4.3按键检测子程序设计按键主要是对噪声的的阀值进行设定，本课题情境下设置为80db，根据系统功能，对按键进行程序设计，程序框图如图4.3所示。图4.3按键检测子程序框图系统初始化完毕后，单片机开始对独立按键进行扫描，当有按键按下后，系统执行相应的程序。首先单片机上电后对I/O口进行扫描，当单片机检测到有某个按键被按下后，读取相应的键值，然后再根据相应的键值执行相应的子函数，执行完子函数后再回到初始状态。在硬件设计上，按键使用的弹性按键，因此，在按下按键的瞬间，单片机会接收到不规则的电平，这种电平会导致单片机的误判，因此需要增加按键的延时去抖程序，保证单片机接收到正确的指令。4.4显示子程序设计数码管在系统中负责实时显示噪音大小数据，用db单位来表示，四位一体的数码管可以显示0-999分贝，其中最后一位显示D，代表噪音的单位，数码管的驱动信号是通过定时器定时发出的，定时器工作的基本原理其实就是给初值，让它不断加1直至减完为止。单片机发送两种号，一种是位选信号，一种是段选信号。位选信号控制单片机对应位置的数码管使能，只有使能的数码管才能被点亮，段选控制数码管的段选，通过读取单片机的IO状态来转换成数据量，然后通过数码管将噪音分贝显示出来，并在单片机的控制下实时的刷新数据，动态的显示当前噪音的大小。显示程序子流程图如图4.4。图4.4显示程序流程图4.5报警子程序设计噪音检测报警系统只有在噪音的数值超过设定阀值时才会报警，根据测试的情况，相应区域的报警装置被激活。报警子程序是通过单片机来进行控制的，首先单片机通过前端的MIC传感器和判断装置进行检测，如果超过系统所设定的阀值或者出现特殊情况，则系统将会控制报警器进行报警，报警子程序流程图如图4.5所示。图4.5报警子程序流程图本章小结本章主要是能通过程序框图对系统的功能进行分析，按照框图为下一步的程序设计做好准备工作，系统主要的部分是噪音的检测和超值报警，因此从硬件上来讲，需要单片机控制来实现外围电路的控制，因此本章完成单片机对外围电路的控制和噪音的检测等程序设计。第5章系统实物调试5.1硬件调试经过系统的器件选型，单片机及外围的硬件电路设计，系统具备了对特定环境的人员检测和噪音的检测、显示和报警。对系统进行调试，首先判断供电电路是否正常，它是系统能否正常工作的前提，因此首先对电源部分进行调试。接上电源，用交流档测量变压器次级输出电压应为9V，然后用直流档测整流器流滤波后的直流电压在9V左右；最后测经7805稳压后的电源电压5V。1.电源电源部分测量完毕后，对单片机的最小系统进行测试，上电后，单片机的各个I/O应该呈现高电平状态，通过万用表进行电压测量，电压应该在4.9-5.1V之间，然后测量复位电路是否发生电平变化，测量这些数据无误后，则单片机最小系统有效。2.噪音传感器电容驻极式无指向性MIC传感器电路是本设计中的关键部分，首先通过万用表检查传感器是否供电，然后通过像单片机中写入一段测试程序进行噪音的检测，通过指示灯表示单片机是否接收到数据，如果指示灯亮了，说明单片机接收到数据，若指示灯没有点亮，说明硬件电路有问题，还需要进行调试。3.数码管将数码管连接到面包板上，通过5V电源连接到4位一体数码管的共阳极，然后在将负极分别接触数码管的段选上，如果数码管上的相应段选亮了，说明数码管的段选和位选有效，可以正常显示数据。4.通信电路将通信连接电源，通过串口进行数据的发送，如果另一端有数据接收说明串口通信和LORA无线模块均能正常工作。5.蜂鸣器将蜂鸣器连接到万用表的二极管档位，如果蜂鸣器发出声音，则蜂鸣器有效。6.按键测量完关键电路后，对电路的按键电路等进行测量，同样是通过万用表进行点评的测量，待所有电路测量完毕后，系统的硬件电路就可以正常工作了。制作硬件电路的时候都需要反复一次次的检查以后才可以上电调试，本设计也是如此，经过反复的测试，本设计开始了如下操作的调试：1.反复多次检查电路，如果发现不对进行改进。2.根据检查过的原理图进行实物的焊接与调试。3.利用万用表检测，每一个节点是否存在漏电与断路的现象。4.接通电路以后第一时间用万用表测量复位电路正确与否，尤其是测试点的电压值。5.在反复多次进行以上四个步骤的检验以后才可以输入程序进行调试。当最小系统调试完成之后，接下来向单片机内下载噪音检测程序，噪音检测通过ADC0809进行，它是模拟式式的传感器，需要中间转换电路，因此需要对传感器传递来的数据进行转换就可以实现噪音的检测，如果系统不能接收到噪音数据，出现这种现象考虑到问题可能有以下几种情况：1．噪音传感器的输出否与转换芯片连接上；2．传感器的正负极是否反接；3．噪音采集子函数是否正常输出变量；接下来对噪音传感器做了具体的分析，用万能表检查，当传感器上电后，信号输出引脚的输出电压接近电源电压，为高电平信号；同样检测单片机接收引脚的时候同样如此，由此可以的断定上拉电阻的阻值过小，经过排查和电阻修改，传感器可以正常工作。5.2软件调试软件调试与系统试机。经过以上几步的测试，说明外围电路都已工作正常，接下来对软件进行调试。这部分的调试是整个系统调试的重点。调试中采用模块程序逐一添加的方法进行，先对系统的数码管部分进行程序设计，通过程序来控制数码管显示数据，调节显示电路的电位器，再配合程序显示出正常的字符，待数码管显示完毕后，在对本设计中的关键部分进行程序设计，通过电容驻极式无指向性MIC传感器对区域的噪音大小进行数据采集，然后再通过单片机接收传感器发来的数据，再将数据转换成实际的噪音值，然后显示在数码管显示器上，通过程序发送指令和数据，