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1 引言 環境噪聲監測，是人類提高生活質量，加強環境保護的一個重要環節，在各大城市的繁華街區和居民區，已有大型環境噪聲顯示器豎立街頭。但目前國內的便攜式噪聲測試儀，多為價格昂貴的進口專用設備，除衛生、計量等環保專業部門擁有外，無法作為民用品推廣普及。本文介紹一種以89C51單片機為核心，采用V／F轉換技術構成的低成本、便攜式數字顯示環境噪聲測量儀。該儀器工作穩定、性能良好，經校驗定標后能滿足一般民用需要，可廣泛應用于工礦企業、機關、學校等需要對環境噪聲進行測量和控制的場合。 2 聲壓級的測量機理 人耳的聽閾一般是20μPa，痛閾一般是200 Pa，其間相差107倍，這樣寬廣的聲壓范圍很不易測量，而且人耳對聲壓的相對變化的分辨具有非線性特征。因此，聲學中常用聲壓級Lp來反映聲壓的變化，將聲壓p的聲壓級表示成 Lp＝20 lg（p／p0） （dB）（附） 其中：基準量p0為20μPa。當p＝p0時，Lp＝0 dB，而當p＝200 Pa時，Lp＝140 dB。 用聲級計可以測量聲壓級，采用1 kHz純音輸入0．2 s到0．25 s或0．5 s以上，即可得到真實聲壓級或平均聲壓級。考慮到人耳對不同頻率的響度感覺，在噪聲測量中，常取40phon等響曲線的反曲線對聲壓級進行計權校正，即用 A計權網絡測得A聲級，寫成dB（A）。附表給出倍頻帶中心頻率與A聲級的校正量之間的關系： 3 硬件電路構成 環境噪聲測量儀的硬件結構原理見圖1： 圖1 硬件原理圖 環境噪聲經高靈敏度、無指向性駐極體傳聲器轉換成電信號。所用傳聲器頻率特性在50～14 000 Hz范圍內不均勻度小于1．5 dB，加防風罩、防雨罩后可用于室外測量。三級放大電路由運放LM324構成，精心調整相關外圍元件參數，可使其幅頻特性與A計權曲線相近。D1、C1、R1組成峰值檢波網絡，其輸出直流電平反映了噪聲聲壓的大小。 由LM331構成電壓／頻率轉換電路，輸出的頻率信號變成TTL電平送給單片機的P3．4引腳，作為T0的計數脈沖。該轉換電路線性良好，抗干擾能力強，輸出頻率范圍在10～10 000 Hz以上，其變化比達103，優于普通8位并行A／D轉換器，有利于提高系統的測量范圍。圖1中，Rs可用來調節增益偏差，改變輸出頻率。 系統的核心部分是AT89C51單片機，其指令系統與MCS－51完全兼容，且片內帶4kB的E2PROM，可以方便地構成一個最小測量系統。其P3．5引腳接由NE555構成的定時器輸出的100 kHz方波，通過T1中斷去控制T0定時計數。從T0端輸入的計數脈沖頻率，也反映了所測聲壓的大小。經軟件處理后，噪聲聲壓級顯示值由P1口輸出，經 74LS248譯碼再驅動兩位1．8 in高亮度LED數碼管顯示，適當控制譯碼器滅燈端，使兩數碼管輪流發光實現動態顯示，降低功耗。 4 軟件設計 環境噪聲測量系統的軟件采用模塊化設計，由主程序、中斷服務程序、查表子程序和顯示子程序組成。各程序模塊的流程圖如圖2所示： 主程序處于循環工作狀態，主要完成定時／計數器和中斷系統的初始化，并循環調用查表和顯示子程序。每當T1對外接100 kHz時鐘計數達0．5 s后，申請中斷，CPU響應中斷后即讀取TH0、TL0兩寄存器中的計數值，并重新初始化T0、T1，以便檢測下一次的數據。 圖2 軟件流程圖 值得指出的是，查表程序實現了計數值向聲壓級的轉換。由式（1）知聲壓每增加12．2％，聲壓級增加1dB，因此T0計數值每增加12．2％，聲壓級增加1dB．在E2PROM 中定義一張表格，每三個字節為一組數據，其中前兩個字節為計數值，后一個字節為壓縮BCD碼表示的聲壓級值。調試時，參照精密聲級計，讀出某聲壓級所對應的計數值，從而確定表格中兩參數的對應關系，當程序固化后，還可通過硬件電路對其進行調整。下面給出定義該表格的偽指令格式： 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”兩個數據經譯碼后分別顯示下限標記“［”和上限標記“］”，表示超出測量范圍。 為了提高系統的抗干擾能力，除了在硬件上采取了相應的措施外，軟件上采用了冗余設計法即重復重要的指令，未用空間設置空操作指令，以防止程序跳飛而死機。 5 結束語 最后用國營江西紅聲器材廠生產的ND－2型精密聲級計對系統進行校驗，測量誤差小于1 dB，測量范圍在40～96 dB之間，已滿足一般環境下噪聲的測量要求。 |
