【《基于STC89C52RC单片机的噪音检测系统设计与实现》9700字（论文）】

PAGE63基于STC89C52RC单片机的噪音检测系统设计与实现摘要：由于近年来我国经济社会的不断进步和我国社会文明的不断提高,城市化的推进很有可能也就是已经逐渐成为未来我国社会发展的一个趋势,但各种环境破坏和严重的环境污染问题已经逐渐成为未来我国社会发展中必须解决的问题。在众多噪音污染类型中,噪音污染是一种常见且具有影响性的污染。噪音对于人们的身体健康有很大危害,因此解决噪音污染问题已成为当务之急之一。噪音检测是提高生活质量和保护环境的重要手段。噪音是一种无形的东西,因此对噪音的检测需要使用有用的设施。噪音检测仪是一种由各种辅助电路、噪音传感器、单片机、显示电路等多种检测装置所构成的能够检测周围环境噪音的装置。详细地介绍了噪音检测控制系统的基本实现、构成和测量原理,主要内容包括了噪音信号的转换、v/f信号的转换、放大、数据采集和显示等控制系统。外部的噪音信号经声波传感器直接转换为内部的音频信号,电信号经v/f转换放大后再直接送入单片机中,然后进行信号处理,转换为形成了相应的噪音db值,由led进行显示,从而可以实现对于噪音的实时检测。该系统操作简单，精度高，可用于实时噪音检测。关键词：放大器，V/F转换，单片机。1绪论1.1引言噪音的危害对人的身体有着潜移默化的影响。长期处在高强度噪音环境中,不止是会造成失眠、导致神经脆弱还甚至给听觉造成损伤、心情不平静等一系列不良后果。120分贝以上的噪声将会让我们的耳朵伤了。另外,噪音也可以通过噪音来提升机体中皮质醇在大脑中的分泌,造成各种心脏病、胃溃疡和高血压等各种慢性疾病出现。在现在的城市噪音是不可避免的。人们的行为举止、施工地、交通工具、机械作业等。关于噪音,虽然有各种各样的法律规定,但是噪音是不能正确定义的。噪音通常是一种不被人们所喜爱的声音,会给聆听了这个的人和大自然造成不安。噪音实际上就是对于影响我们工作、学习、休息等环境的一种影响。而且人们对于噪音会有根据人们的感受和习惯而变化。所以,对于噪音会具有很强的主观性。一般而言,噪音就是指能够直接影响到一个人的讲话和想象的环境中的声音。实际上,噪音对动植物也有不良影响。通过越来越多的研究,鸟类和其他动物可以根据人类的噪音(交通噪音和机械噪音等)来改变生活习惯。因为很多动物可以给植物粉,以植物为食,可以传播种子,所以人类的噪音也会间接影响植物。和谐的音符可以刺激耳内神经的正常运动,相反,不和谐的音符会干扰神经的活动。人的耳膜可以通过声波来振动,而且与内耳螺旋基质膜(或称耳蜗)共同进行振动。基板上的振荡位置应与声波频率相同。高频超声波使得基底薄膜前面端振荡较大。然后,振动频率的信息由神经元向大脑传递。我们把噪音与人区别开来。1.2国内外研究现状在环境保护中,人们一直关注的焦点之一就有噪音污染的调查与控制。噪音的频率和声音大小决定着对人体的危害。0-000赫兹的时候叫次声波就是由于人类在空气中对声音的感知,当时低于这个感知范围的叫次超过声波,而且超过了这个范围。由于一个人的正常耳朵几乎听不到两种特殊的波,它们在自然环境中,对于人体的健康危害很小,几乎都可以忽略不计,且其分贝不高,并且没有被归为属于噪音。而且人体可能会对一些特殊的声音造成不良反应,比如说一张黑板上被手指甲划伤时所听到的一种声音,但具体过程目前尚没有任何一个人能够知道,它的发生频率也还在进行研究当中。因此,噪音的确定还得根据系统的声音大小。现在,国内外经常采用的噪音测定器称为声学中的音阶计。日本rion公司生产的nl-0音阶计不仅满足了现行的iec标准,还满足了iec6167-1新标准的技术要求。nl-0音阶计可以同时测量最大的声级、百分率的声级和一个等价连续的声级,它的最大范围是8-138分贝,很适合用于长时间检测工作环境污染等问题,无需频繁调换测量量程。本装置主要适合在环境质量检测,建筑施工地,工业机器人和室内噪声的测量。1.3应用前景在未来的几年中,应用先进的前景噪声检测技术能够有效的减少污染。在我们的现实生活中,很多人不能充分了解到噪音对环境污染的影响,造成了许多不必要的伤害,因此对这个系统的开发就很需要。它为改善人们的日常生活和环境提供了一种方便快捷的体验,保护了人们的健康。本软件系统的设计使用方便,显示直观,携带方便,可靠性高。与其他类型的产品相比,采用51单片机的生产技术,响应速度快,稳定性好,广泛地应用在商场、学校、车站等各种公共场所。2硬件电路设计2.1硬件电路框图设计通过对单片机噪音检测仪的系统分析和布置,将其功能模块化,减少了重复的软硬件程序,提高了系统开发、运行和维护的效率。目标是满足当前功能需求,保证系统稳定运行;它可以实现灵活配置系统的功能,具有良好的可扩展性,提高了软硬件模块的可重用性。根据要求,噪音检测值应采用LED液晶屏显示。本公司设计的控制芯片采用的是stc89c5系列单片机,硬件集成电路则由声音信号采集模块、放大电路模块、时钟复位模块、模数变频信号转换控制电路模块、lcd显示模块和蜂鸣器报警模块六个部分共同组成。图1设计框图2.2各模块电路设计2.2.1单片机设计单片机硬件电路工作的基本功能是单片机的主要特点,其中就有了复位电路、时钟电路。存储数据和编译程序既是单片机的一项重要功能,也同样包含了单片机编译程序。而程序的源代码也都是被存储到了单片机中。当程序源代码运行到单片机上后,各个引脚都有自己的外围辅助电路,以便于实现该系统的各种功能。该系统可以安全地运行的基本条件都是通过复位电路来保障。因为我们无法确定一个单片机工作的环境,所以也不能保证它们在长期的运行中系统工况的稳定。为了使得单片机的软复位不可能被停止或重新启动时以及当不能正常工作的情况下,复位电路可以让系统再次启动。时钟电路是为了系统能够提供时钟信号。单片机就是把aacpu(串口操作和中断控制)、数据信号存储器、程序数据存储器、中断控制系统、串口、并口等都放在在同一个芯片上的设备。在我们自己的电脑中,cpu、数据存储器、程序存储器以及串口、并接口都是一个个独立的芯片,然后把这些独立芯片都安装在同一个主板上,就成为了我吗薪资所说的PC主板,然后组装成一台电脑,微型控制器的功能只是把这些东西集中放在一个芯片上。本次项目设计中所需要采用的新型宏观单片机组的技术代号是stc89c52,它就是采用了新的第一代新型宏观微晶体管的技术开发而设计出来的,具有低电源功耗、抗干扰、高速运转等特点微型控制器。传统8051微型控制器完全相容于其指令编译器。它们可以分别选取任意6小时/一台机器的运行周期。STC89C52RC单片机的主要工作模式：掉电状态模式：外部的中断能够唤醒它,在返回一个中断后原来的程序将被继续运行,典型的功耗<0.1μa。空闲模式：一般为典型的功耗2mA。正常运行模式：典型的功耗4mA～7mA。（4）本产品主要广泛应用于煤气仪表、便携式装置、水表等动力电池的供电。图2STC89C52RC电路图2.2.2声音采集电路设计系统功能最基础的数据源是由声音传感器（咪头）实现的。在声音传感器软件初始化后,软件控制了声音传感器,声音传感器从模块中采集输出声音信号,由模块中的信号输出放大电路产生模拟信号,随后用模数转换芯片接收得到传输给传送来的噪音db值的模拟信号,生成相应的数字信号,数字信号将被单片机提供给显示屏显示。要想实现系统功能,噪音传感器是基础,所以非常重要。图3声音检测电路2.2.3放大电路设计LM386是一款专门用于生产低压音频消费类电子产品的新型音频放大功率信号放大器,由一家来自欧洲美国多个国家级的半导体技术企业所负责研发和设计生产。内置有源电压电流增益0倍是为了减少周围的外围元件。但是,添加了一个电容器和外部的电阻分别位于8针与1针之间后,电压的增益则被我们可以通过调整达到00以下的任意数字。其输入是以地为基准,输出则自动偏向一半电源的输入。但是当其电源的工作电压限制为6v时,它的静态功耗仅为4mw,非常适宜用作蓄电池来供电。在电路中,功率放大器的位置作用我们可以简单地理解成为扬声器上的音量调节器。设计音频功率放大电路的主要功能之一就是通过放大来自信号处理器的信号功率,这样经过多次信号功率后就足够达到所需的设计要求。在我们所设计的电路时发现,lm386芯片基本不需要额外的外围元件而且操作和使用简单,具有外接元件少、功率范围宽、输出功率大、总谐波失真小、体积小、频率响应好、电压增益可调节等诸多优点,所以,在构成一种音频功率放大器的电路中,我们选择lm386。在我们日常生活中也随处都能看到lm386,比如对讲机、红外线、小型电机驱动器和音频放大器中都有它。图4LM386引脚图图5LM386的内部电路图LM386的主要特点介绍如下：1.耗能低，电流约4mA，可以供电到蓄能池上使用。2.工作状态下的电压范围比较大,可在5-18v或4-1v之间进行工作。3.很好地实现了功能,外围元件少,电路设计简单。4.电压的增益范围可以调节在20-200倍。5.失真度低,音频信号放大后较为稳定。基本放大频率范围为20x。因为咪头的输入和信号都是很微小的，只有毫伏级别，所以为了能够更好的让相应的数据被数据采集卡采集到，必须对电压使用电压放大器进行放大。将一个10uF的电容采用间接连接方式连接在引脚1和引脚8上，即可实现LM386芯片的200倍电压增益，如图7所示。图620倍的音频放大器 图7200倍的电压放大器2.2.4ADC0832转换电路设计ADC0832是一种能够采用一个双通道、8位和高分辨率的的a/d射频转换集成电路的射频芯片,也是由一个美国国家半导体公司负责研发和设计生产。因为它的硬件可靠性和软件兼容度强、性价比高、体积小,所以很多软件工程师和专业单片机的设计爱好者都非常愿意自己动手去进行选择。ADC0832的主要技术功能和基本特点描述如下：8位的图像分辨率； 逐次通道逼近输入a/d信号转换器； 逐次双通道输入a/d信号转换； 电源输入和应用输出资源电压的平均值与它的ttl/cmos完全兼容； 每当电源额外稳定值大约为15v时,输入输出电压波动范围大约在0~5v之间；电源总耗能只有15mw,转化器的持续时间也只有仅仅的3μs,工作频率大约为50khz;多种电源封装设计方法。 ADC0832引脚如图所示，各引脚主要功能以及介绍电路如下：图8ADC0832模数转换电路CS：将该芯片电压选项自动启用,低直流电压水平时候将该芯片选项启用。 CH0：它是模拟信号输入输出信号中的通道0,或者被广泛用作+/-。Ch1：用于模拟一个数据流的输入输出通道1,或者其它适用+/-。 GND：射频芯片配置参考0电位(接地)。 DI：在一个控制数据通道中进行选定,输入一个控制数据信号。 DO：用于进行输入数据的控制输出和输入转换,输出一个输入数据的转换信号。 CLK：定时作为控制芯片的一个时钟信号输入。 VCC：电源输入。工作模式：ADC0832的最高分辨率可以达到256位,一般要求的模拟量转换都是可以实现的。然后再通过利用外部参考电压输出和内部电源输出,能够让模拟电压的输出范围是0~5v之间。独立芯片在处理器控制和多设备连接方面比较方便,它使输入更简单。而对于随机数据传输效果的随机测试则因为是一种用户可直接使用随机双数据方式进行转换输出的测试方法,转换数据速度快,稳定性好,减少了大量的随机数据传输错误。通道信号选择器的功能经由位于di的一个数据接口输入到终端后就更加方便了。图10多路复用器寻址：ADC0832差分复用模式ADC0832的声音原理：当声音采集当前数据时,将模拟量传输到ADC083进行处理。ADC083初始化后,由于ADC083有两个通道,需要选择。在本设计中,选择的数据通道为0,然后读取数据。一个字节是8位,一位位读取。将当前读取的信息转换为数字量,转换为当前电压值。首先进行初始化adc083引脚,adc083_dio=ch;ch=0,选择一个通道0,adc083开始读取数据ad_value_temp=read_adc083(0);读取转换后的数据,从最高位依次输出(d7~d0)for(i=0;i<8;i++)dat<<=1;//左移运算符,例如,C<<是C=C<<,它将C左移位以得到C的值。dat=dat<<1,将dat向左移动一位得到的取值赋给dat;dat|=addo;//在c语言中,|=表示:可以按位或者是后置进行赋值。在C语言中,^=表示:按位异或后赋值。在java和c语言中,&=用来表示:所有按位和数据后置赋予的值,ndat=0//记录do,并且它们可以作为继续从它的d1到d和d7的一个逆序列向数据终端读取(adclk=1;//拉高一个时钟的终端例如_nop_();_nop_();adclk=0;//则可以使用顺序下拉指令时钟以顺序形成一个时钟脉冲点aif(addo==1ndat|=0x80;adcs=1;//顺序拉起一个cs的终端并开始结束数据转换规则adclk=0;//下拉clk端addi=1;//将一个数据终端顺序拉起并开始返回一直到数据初始状态。2.2.5液晶显示电路设计考虑到要显示的数据是分贝，只需要一行或两行显示。我选择了LCD1602液晶显示器。它们是采用工业式的六位字符型自动液晶数字显示器,可以同时自动显示两行多个字符数据,每行分别显示可以同时自动显示16个注音符号、字母或者一个六位数字,正好满足设计的需要。它体积小、功耗低、显示效果好,是一种非常实用的液晶显示器件。LCD1602有16个引脚，其引脚描述如下： 图11LCD1602引脚介绍LCD1602工作电压为3.5V~5V。它具备一个复位控制电路,移动光标并清除屏幕。该显示器的光照度可由外部联络的电位计来控制。有内部的存储设备来保护和存放数据。它是一种可以直接和单片机联网的液晶显示设备。RS和RW控制MCU的读写： 图12LCD工作状态介绍LCD1602液晶在执行程序指令前显示模块标志位的忙信号。只有当其忙标志位较低时，它才表示可以执行该指令。当LCD1602想要显示一个字符时，它需要获得该字符的真实RAM地址。其内部的激光控制指令寄存器中包含有11条激光控制指令,其中主要包括激光检测器的清屏、光标上的位移等。图13LCD1602电路 2.2.6报警电路设计报警控制电路的基本设计射频报警控制电路设计选择了一种采用射频蜂鸣器来来进行射频报警。蜂鸣器的基本功能和主要用途非常类似于一般家庭家用电器系统中的噪声喇鸣器。一般而言,电路中由于ttl不一定能够同时驱动一个蜂鸣器,这情况可能主要是由于其它在工作时的电流较大时而造成的。解决问题方法也很简单,增加一个较大电流可以进行放大的开关电路引脚即可,所以这个蜂鸣器很难被一个引脚直接驱动而不会发出较大噪响,本次方案设计中还特别添加了一个三极晶闸管,用来大大减少电流通过这个蜂鸣器的放大电流。5v的开关电源正极接在一个蜂鸣器的电源正极,它的电源负极则接在连接着三极晶体管的集线器电极。由于一个单片机的引脚及其和与一个阀门启动相关而可以控制的三极晶闸管。随后与非门流器输出一个小的高电平,引脚和开关蜂鸣器分别输出一个小的低电平,然后导线接通三极晶闸管,这样,电流立即增加形成一个电流回路,蜂鸣器就有机会不断发出巨大响声。而就是当与非门之间输出一个小的低电平,引脚与两个蜂鸣器之间输出一个小的高电平时,三极管将自动关闭,蜂鸣器将变得无法使它发出任何大的声音。图14报警电路2.2.7时钟复位电路设计STC89C52单片机内部分别设置了一个高信号增益率的反相信号放大器,可以直接将其构成一个反相振荡器。txd引脚和新的rxd引脚分别为高和低增益的和反相信号放大器的电源输出和信号输入。而自动时钟则通常是从内部或外部软件来进行生成。内部控制模型的工作时钟器和工作控制电路基本结构如表中图15所示。当引脚txd和引脚rxd经过连接后来到定时振荡元件上,内部自激振荡控制器就会开始对其进行自激振荡。而定时器件则一般是由电容或者石英晶体组合构成的并联谐振电路。晶体的振荡频率范围可在1.2-12mhz范围内进行选取,电容值也可在5~30pf范围内进行选取。电容值也可以进行微调。图15内部方式时钟电路外部时钟电路结构如图16所示。外部电压振荡器与引脚txd不互相连,引脚rxd互相接地。外部的弦波振荡脉冲信号只需首先要求其中的一个脉冲频率宽度后再选择一种脉冲频率范围小于12mhz的正弦波振荡信号进行即可,其他没有这样的技术要求。振荡的两相频率由片上的两个时钟信号发生器自动拆分为一成二,产生了一种可以供应于单片机正常工作时所有必需的两相振荡频率p1和功率p2。图16外部方式时钟电路复位控制电路中电机复位的主要功能之一就是将计算机的初始复位值依次变成0000h,然后将mcu从0000h两个单元处理器开始依次进行不断执行复位程序,这也就是目前通用单片上电机最基础的操作工具和基本操作之一。除了上述功能,还允许用户通过重新启动一次复位按键以摆脱系统在某些情况下因操作错误或应用程序执行错误等问题而导致系统陷入死锁状态的困境。复位信号的输入由引脚rst负责,当一个复位信号的输出值变成高电平时,它的有效工作时间至少应该在两个机器的振荡周期内。例如,当我们选择使用6mhz的晶体振荡器时,为了能够更好地准确完成复位持续运动,信号的复位持续时间一般要求应不得大于4us。内部和外部控制模块共同驱动组成整个自动复位控制电路。当外部复位控制电路在其产生的一个内部复位控制信号被施密特触发器同时接受并收到时,片上的一个内部复位控制电路在每个复位机器工作周期的S5P2这个时刻段内都会对施密特触发器所要时输出的一个复位信号数据进行初步收集和再次采样,随后就们即可同时获得内部的一个复位控制电路在其输出所要时需要的一个信号。图17复位信号电路2.3电路原理图开发应用智能化的仪器软件是一个复杂困难的仪器工作设计过程,包括首先研究出和分析仪器的硬件总体设计解决方案和仪器功能设计要求,确定了仪器软件设计算法和仪器硬件系统架构,开发了为可编程应用程序和仪器设计的逻辑电路,测试了硬件性能与仪器调试用的仪器。在开发软件的设计同时,我们还认为应该严格地坚持遵循传统结构化软件设计。在完成系统软件总体设计的基础前提下,进行了详细的软件设计、规划软件模块、分解软件功能、优化了软件架构和设计精简了系统软件功能层面,实现了系统模块集成功能的高度独立性与高度有效率地实时执行。总之一句话,程序应具有可理解性、可读性、可修改性、可维护性和有效性。对于硬件电路设计过程,系统设计简单、易于理解、功能强大。主要产品包括变频时钟信号复位控制电路设计、放大器驱动控制电路软件设计、模数频和变频信号转换驱动控制电路软件设计、报警信号控制电路软件设计、变频信号转换驱动控制电路和数字液晶电视显示器驱动控制电路等。这些部分的基本电路实现了噪音检测电路。图18系统原理图3软件设计3.1主程序设计主函数是指一个程序不论是简单或者复杂，通常都是一个函数，而这样一个包含所有程序的函数就叫做主函数。通常情况下,大部门的应用程序都必须有一个主要的函数但仍然存在个别情况。比如一个被应用于专门的环境下程序-机器人的主要控制芯片就是不必再需要一个主函数了;再加上编程windows时我们就可以自己创建一个动态链接库模块,这个操作过程也都是不一定要求用户有主函数,因为这个模块并非独立程序,在其他Windows程序中能够同时运行。图19主程序流程图主要功能是整个系统的开始,软件系统入口就是主要功能。主函数规则定义随后使用的函数。这就是流量管理程序。主要负责控制每一个软件模块。在主函数中确定各个函数后,可以通过这样来定义需要调用的函数名称,然后使用主函数来调用。该电子式系统的主要功能之一就是使系统连续地工作,检测到传感器电压值,保障系统的正常运行。图20宏定义图21初始化定时器图22初始化ADC0832图23初始化LED16023.2延迟程序设计在系统程序运行的过程中,由于各个模块和显示器之间的时间不能实现同步,会造成数码管的显示混乱。在操作过程中,主功能调用延时函数。在呼叫的过程中,它们可以有效地缩短和延迟呼叫的周期,稳定系统饥饿,利用循环函数来实现系统功能。图24common延迟程序3.3显示程序设计 LED显示电路的主要功能是将整个噪音检测后的结果分贝值显示在显示屏上。依据一般大中型城市标准、测量方法与噪声水平,显示屏仅需要4位数字即可满足这一设计要求。数据经过处理后进行显示的子程序才能开始运行,由于led的显示屏上只能够直接显示一个段码,所以我们需要把经过处理后的十进制数字再次被处理成一个段码,再发送到显示单元显示。图25LED1602流程图本文件中所需要设计的一个用于显示器和缓冲器的单元分别型号是5ch-5fh,采用两个四位元的led液晶显示屏。首先,将要被缓存显示的每个数据缓冲保存在一个需要显示和保存缓冲的数据单元中,然后从其中单元获取一段落的代码,然后将段落的代码数据发送给每个指令的定位,并最后使用r5进行位置的选择。图26LED显示程序4测试与分析4.1测试测试过程分为三个步骤，即系统调试，软件调试和硬件调试。系统调试过程中利用伟福仿真软件及其仿真模拟器进行操作的。软件具有许多功能，比如修改、检查、断点等功能。测试过程中单片机89c52芯片被仿真器的模块仿真接口头所替换,先调试显示电路模块,检查硬件与程序之间是否相匹配,若进行程序编写后所需要求的的显示数据与其他显示电路的模块数据一致,则代表显示电路正常。将原先安装在硬件复位电路板上的各种硬件进行调试时插在at89c51芯片上的一个插座,接着各种时钟复位电路在软件的支持和辅助下即可开始工作,利用伟福仿真软件,查看各种数据相对应情况是否正常。将一个放大器电路的一个输入口和传感器电路中一个输出口连接,当噪音发生变大时,该转换器电路中输出的脉冲信号频率也随之发生变大,同时噪音发生变小时,该转换器电路中输出的脉冲信号频率也随之发生变小。将从转换器电路中输出的一个频率信号接到单片机t0口,看其整体操作是否正确。此时led表示为一个完全相同,并且显示为一个满足要求。图27检测仪运行图4.2分析调试过程中遇到的故障和问题：1.电源工作电压的错误：在初始电路调试的整个过程中,提供信号到一个有源电路的实际工作电压也被设定为5v,可是现在频率信号转换器的一个信号输出输入端口却未能准确找到产生频率转换信号的一个输入,再次调试进行电压确认,lm386的实际电路工作电压也被设定为15v,即提供5V的电压LM386是不运作的。随后给出了15v的工作电压后,发现了一个输出端与频率信号之间的输入。图28检测仪硬件图2.线路焊接的错误：在进行焊接电路的操作过程中,因为焊接线路数量较多,存在着焊错电路的情况,导致系统无法正常运行,无法开始运行,比如说焊完了电路,接上显示屏后会发现显示屏不亮,或者会发现所有的电源线都与底线一起相连,这样就很可能导