|
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。 1 聲壓級的測量機理 人耳的聽閾一般是20m Pa (微帕)，痛閾一般是200Pa（帕），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=20lg(p/p0) dB (1) 其中，基準量p0為20mPa。當p=p0時，Lp=0dB，而當p=200Pa時，LP=140dB。 用聲級計可以測量聲壓級，采用1kHz純音輸入0.2秒到0.25秒或0.5秒以上，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40方（phon）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）。表1給出倍頻帶中心頻率與A聲級的校正量之間的關系。 表1 倍頻帶中心頻率與A聲級校正量的關系
2 硬件電路構成 環境噪聲測量儀的硬件結構原理框圖見圖1所示。 圖1 硬件原理框圖 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50～14000Hz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。由運放LM324構成三級放大電路，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10～10000Hz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引腳接入由NE555構成的定時器輸出的100kHz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，即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4.572cm(1.8英寸)高亮度LED數碼管顯示，適當控制譯碼器使能端，使兩數碼管輪流發光實現動態顯示，降低功耗。 3 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100kHz時鐘計數達0.5秒后，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。
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。 4 結束語 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1dB，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。 |
