畢業(yè)論文-基于單片機的分貝計設(shè)計與實現(xiàn)

大連東軟信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）論文題目論文題目：基于單片機的分貝計設(shè)計與實現(xiàn)系所：電子工程系專業(yè)：電子信息工程（嵌入式系統(tǒng)工程方向）學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號：指導(dǎo)教師：導(dǎo)師職稱：教授完成日期：2014年4月28日大連東軟信息學(xué)院Dalian大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）摘要IV基于單片機的分貝計設(shè)計與實現(xiàn)摘要隨著社會文明的不斷進步，城市化的發(fā)展已經(jīng)成為了未來的發(fā)展趨勢，可是隨之而來的各種污染和環(huán)境破壞已經(jīng)成為社會發(fā)展的當務(wù)之急，噪聲污染是眾多污染中，較為常見，且影響較大的一種污染。噪聲對人體健康有著嚴重的危害，因此減少噪聲危害已成為當前一項重要的任務(wù)。環(huán)境噪聲監(jiān)測，是人類提高生活質(zhì)量，加強環(huán)境保護的一個重要環(huán)節(jié)。由于噪聲是一種無法看見的物質(zhì)，所以對于噪聲的檢測必須通過有效的設(shè)備來進行。環(huán)境噪聲監(jiān)測儀就是一款檢測環(huán)境噪聲的設(shè)備，通過檢測單片機、輔助電路、顯示電路和噪聲傳感器共同組建成為一個噪聲監(jiān)測儀。本文詳細介紹了噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的測量原理和系統(tǒng)的實現(xiàn)和組成，主要包括：噪聲信號的轉(zhuǎn)換、放大、V/F轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集和顯示系統(tǒng)的設(shè)計。外界噪聲信號通過傳聲器轉(zhuǎn)換成音頻信號，電信號經(jīng)過放大和V/F變換輸入到單片機進行處理，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的噪聲分貝值，通過LED顯示，從而實現(xiàn)噪聲的實時監(jiān)測。該系統(tǒng)具有實現(xiàn)簡單，精確度高，可用于實際進行噪聲的實時監(jiān)測等特點。關(guān)鍵詞：運算放大器，V/F轉(zhuǎn)換器，單片機，噪聲監(jiān)測大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）AbstractDesignandImplementationofDecibelMeterBasedonMCUAbstractThenoisedoesthehealthofpeoplealotofharm,socuttingdownthedangerofthenoisehasbecomeatermofimportanttasknow.Measuringnoiseofenvironmenthasplayedanimportantroleinimprovingthelivingqualityandstrengtheningtheenvironmentsafeguard.Inthepaper,themeasurementprincipleandthesystemconstitutionareintroducedindetail,including:thenoisesignalconvertingsystem,signalmagnifyingsystem,V/Fconvertingsystem,datacollectionandindicationsystem.Thispaperintroducesthewaystoconvertthereal-timemonitoringofthenoiseintoacousticfrequencyelectricalsignalbyusingmicrophone,operationalamplifierandV/Fconverter,whichwillactasSingleChipMicoyo’sinputsignal.ThentheSCMwillchangeitintoanoiseDBvalue,whichwillbedisplayedonLED.Thissystemissimpleandhashighprecision,soitisalwaysusedinmonitoringtheurbannoisereal-time.Keywords:OperationalAmplifier,V/FConverter,MCU,NoiseMonitoring大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）目錄目錄TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1課題研究背景與意義 11.2課題研究內(nèi)容與方法 11.3課題研究現(xiàn)狀 1第2章關(guān)鍵技術(shù)介紹 32.1單片機 32.2LED數(shù)碼管 32.3高靈敏度電容式駐極體傳聲器 4第3章系統(tǒng)需求分析 63.1系統(tǒng)設(shè)計目標 63.2系統(tǒng)功能需求 63.2.1單片機最小系統(tǒng)功能需求 63.2.2數(shù)碼管顯示需求 73.2.3噪聲傳感器功能需求 73.3非功能性需求 73.4系統(tǒng)任務(wù)的可行性分析 73.4.1技術(shù)可行性 73.4.2系統(tǒng)安全性分析 7第4章系統(tǒng)設(shè)計 94.1設(shè)計指導(dǎo)思想和原則 94.2體系結(jié)構(gòu)設(shè)計 94.3信號放大電路設(shè)計 104.4電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計 114.4.1電壓-頻率轉(zhuǎn)換芯片LM331 124.4.2電壓-頻率變換電路 134.5軟件設(shè)計 144.5.1控制流程設(shè)計 144.5.2主函數(shù)模塊介紹 154.5.3延遲函數(shù)模塊介紹 164.5.4顯示函數(shù)模塊介紹 164.5.5中斷模塊介紹 16第5章系統(tǒng)實現(xiàn) 175.1系統(tǒng)調(diào)試 175.2程序?qū)崿F(xiàn) 17第6章系統(tǒng)測試 216.1故障及原因分析 216.2測試結(jié)果分析 22第7章結(jié)論 23參考文獻 24致謝 25大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-第1章緒論1.1課題研究背景與意義噪聲的影響對人體有著潛移默化的影響，長期暴露于噪聲環(huán)境下，不僅會對聽力產(chǎn)生損害，還會導(dǎo)致失眠，神經(jīng)衰弱，心情煩躁等不良后果，高于120分貝的噪聲可以使人耳聾。除此之外噪聲還可以提高人體內(nèi)皮質(zhì)醇的分泌，可以導(dǎo)致高血壓、心臟病和胃潰瘍等疾病。現(xiàn)代化城市無法避免噪聲的產(chǎn)生，大型機械，交通工具，建筑工地，高密度人口的談話和娛樂活動，大型音響的廣泛使用等。噪音，是讓聽到它的人和自然界帶來煩惱的、不受歡迎的聲音。影響人們工作學(xué)習(xí)休息的聲音都稱為噪聲。對噪聲的感受因各人的感覺、習(xí)慣等而不同。事實上，噪聲對動物和植物也有著不利影響。越來越多的研究顯示，鳥類和其他動物會根據(jù)人類的噪聲，如交通的喧鬧聲或機械的聲音改變自己的習(xí)性。由于許多動物還會給植物授粉、以植物為食或傳播種子，因此人類的噪聲也會對植物產(chǎn)生間接影響。和諧的音符能激發(fā)耳內(nèi)神經(jīng)元的規(guī)律運動，相反，不和諧的噪音則讓神經(jīng)元的活動趨于紊亂。人的耳膜跟隨聲波振動，并帶動內(nèi)耳里一個螺旋形的基底膜一起振動?；啄な苷駝拥奈恢门c聲波的頻率高低一致——高頻的聲波能讓基底膜更尖端的部位振動。然后，振動頻率的信息通過神經(jīng)元傳遞到大腦中。人類據(jù)此分辨噪音和樂音。1.2課題研究內(nèi)容與方法本文按噪聲監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)造的不同部分分別進行了介紹。首先在緒論中簡要地介紹研究噪聲監(jiān)測的意義以及有關(guān)于噪聲的一些基礎(chǔ)知識。論文主要內(nèi)容包括噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計，包括硬件和軟件設(shè)計兩部分：硬件設(shè)計中主要介紹了傳聲器、功率放大器、交直流轉(zhuǎn)換電路、V/F轉(zhuǎn)換電路以及數(shù)據(jù)的采集，處理和顯示部分的設(shè)計。在噪聲監(jiān)測的系統(tǒng)軟件設(shè)計中，主要介紹單片機編程以及主程序設(shè)計，數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示等功能。在系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析中，說明了硬件調(diào)試、軟件調(diào)試及軟硬聯(lián)調(diào)的過程，并介紹了調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題和解決的辦法。1.3課題研究現(xiàn)狀在環(huán)境保護中，噪聲污染的治理和調(diào)查一直是一個重點。噪聲對人體的傷害由頻率和聲音大小決定。人類對聲音的感知范圍為20至200000Hz，超過此范圍為超聲波，低于此頻率為次聲波。超聲波和次聲波都是人類無法聽到的，自然環(huán)境下的超聲波和次聲波對人體傷害很低，分貝也不高，因此不屬于噪聲范圍。人體會對某些特定聲音如指甲刮黑板的聲音產(chǎn)生不良反應(yīng)，但特定的聲音頻率還在研究當中，具體過程也無從得知。因此，本系統(tǒng)決定通過聲音大小來判定噪聲。目前國內(nèi)外常用的噪聲測量儀器稱為聲級器。日本理音(RION)公司生產(chǎn)的NL-20聲級計，符合當前IEC標準，而且也能滿足新的IEC61672-1標準的技術(shù)要求，NL-20聲級計能用來對等效連續(xù)聲級、百分率聲級和最大聲級同時測量，100dB大動態(tài)范圍便于對于如工作環(huán)境污染一類場合進行長期測量不需要量程切換。這種儀器，適用于環(huán)境監(jiān)測、建筑、工業(yè)機械及室內(nèi)噪音測量。噪聲檢測和報警可有效防止污染。在實際生活中很多人對噪聲污染的危害了解不足，造成了很多不必要的損害，所以本系統(tǒng)的設(shè)計是很有必要的。它可以為人們的生活環(huán)境提供便捷快速的檢測，保護人們的健康。本系統(tǒng)的設(shè)計使用方便，可靠性高，易于攜帶，顯示直觀。相對于其他產(chǎn)品，本系統(tǒng)采用51單片機技術(shù)，穩(wěn)定性較強，反應(yīng)速度快被廣泛應(yīng)用于，學(xué)校，公共場合等公共場合，并且其應(yīng)用前景也非常廣泛。大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第2章關(guān)鍵技術(shù)介紹2.1單片機AT89S51是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除的只讀存儲器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱單片機。該器件應(yīng)用ATMEL高密度且非易失存儲器的制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準上的MCS-51指令集與輸出管腳相兼容。STC89C52內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳RXD和TXD分別為放大器的輸入端和輸出端。時鐘的產(chǎn)生方式可以由內(nèi)部產(chǎn)生或外部產(chǎn)生。內(nèi)部方式的時鐘電路在RXD和TXD引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩器會產(chǎn)生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶體振蕩頻率可以在1.2～12MHz之間選擇，電容值在5～30pF之間選擇，電容值大小的作用是對頻率起微調(diào)。AT89S51單片機包含中央處理器CPU（CentralProcessingUnit）、數(shù)據(jù)存儲器RAM（RandomAccessMemory）、程序存儲器ROM（ReadOnlyMemory）、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。中央處理器CPU（CentralProcessingUnit）：中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，CPU負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，可完成運算和控制輸入輸出功能等操作。數(shù)據(jù)存儲器RAM（RandomAccessMemory）：AT89S51內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。中斷系統(tǒng)：AT89S51具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。2.2LED數(shù)碼管7段數(shù)碼管一般由8個發(fā)光二極管組成，其中由7個細長的發(fā)光二極管組成數(shù)字顯示，另外一個圓形的發(fā)光二極管顯示小數(shù)點。當發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點或一個筆畫發(fā)光。控制相應(yīng)的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符，盡管顯示的字符形狀有些失真，能顯示的數(shù)符數(shù)量也有限，但其控制簡單，使有也方便。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極數(shù)碼管，陰極連在一起的稱為共陰極數(shù)碼管發(fā)光二極管（LED是一種由磷化鎵（GaP）等半導(dǎo)體材料制成的，能直接將電能轉(zhuǎn)變成光能的發(fā)光顯示器件。當其內(nèi)部有一一電流通過時，它就會發(fā)光。7段數(shù)碼管每段的驅(qū)動電流和其他單個LED發(fā)光二極管一樣，一般為5～10mA；正向電壓隨發(fā)光材料不同表現(xiàn)為1.8~2.5V不等。7段數(shù)碼管的顯示方法可分為靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示，下面分別介紹。所謂靜態(tài)顯示，就是當顯示某一字符時，相應(yīng)段的發(fā)光二極管恒定地尋能可截止。這種顯示方法為每一們都需要有一個8位輸出口控制。對于51單片機，可以在并行口上擴展多片鎖存74LS573作為靜態(tài)顯示器接口。靜態(tài)顯示器之優(yōu)點就是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導(dǎo)通電注一定情況下顯示器的亮度高，控制系統(tǒng)于運行過程中，只是在需要更新顯示的內(nèi)容時，CPU才會執(zhí)行一次顯示更新子程序，這樣就大大節(jié)省了CPU的時間，提高了CPU工作的效率；但缺點是位數(shù)較多的時候，所需要的I/O口太多，硬件開銷也太大，因此通常采用另外一種顯示方式——動態(tài)顯示。所謂的動態(tài)顯示是一位接一位地依次點亮每一位顯示器（掃描），顯示器的每一位一定時間間隔后再點亮。雖然同一時刻在工作的顯示其只有一位（點亮），但人眼視覺暫留效應(yīng)的影響加上發(fā)光二極管關(guān)閉時的余輝效應(yīng)，在肉眼看來是同時工作的，即所謂的偽同步。顯示器的亮度與導(dǎo)通電流的大小有關(guān)，也和通電時間和時間間隔的比例有關(guān)。調(diào)整電流大小和時間長短，即可實現(xiàn)亮度較高而且比較穩(wěn)定的顯示。如果顯示器的位數(shù)并不大于8位，那么控制顯示器公共極電位就只需一個8位I/O口（稱為掃描口或字位口），則控制每一位LED顯示器所顯示的字形也只需要一個8位口（稱為數(shù)據(jù)口或字形口）。2.3高靈敏度電容式駐極體傳聲器駐極體傳聲器結(jié)構(gòu)的主體包括兩塊金屬材質(zhì)的極板，其中一塊的其表面涂有駐極體薄膜（多數(shù)由聚全氟乙丙烯制成）并被接地，另外一塊極板則接在一個場效應(yīng)晶體管的柵極上，源極與柵極之間接一個二極管。假設(shè)駐極體膜片帶有電荷，設(shè)這些電荷的電量為Q，設(shè)兩塊極板間的電容為C，則源極與柵極間的電壓就是U=Q/C，空氣中的振動傳到傳聲器上，振動使兩塊極板間的距離隨之變化，而電容C的值也隨之改變，但電量Q如果沒有變化，就會造成電壓的變化，電壓變化的大小，與外界聲音大小成正比，即電壓變化的頻率可反映外界聲音的大小，駐極體傳聲器地工作原理就是這樣。由于這種傳聲器的結(jié)構(gòu)中是電容式，信號產(chǎn)生的內(nèi)阻很大，為了將信號放大，其輸出端也必須使用場效應(yīng)晶體管。第3章系統(tǒng)需求分析3.1系統(tǒng)設(shè)計目標單片機也可稱為嵌入式微控制器，原因是在于它可以嵌入到任何微型或者小型儀器或設(shè)備中。單片機最明顯的優(yōu)勢就是可以嵌入到各種儀器、設(shè)備中，這一點是其他機器和網(wǎng)絡(luò)不能做到的。單片微型計算機具有體積小、重量輕、價格低和可靠性好等許多優(yōu)點。經(jīng)常用在家用電器、智能儀器儀表中。在工業(yè)控制領(lǐng)域可以很方便地實現(xiàn)多級和分布式控制。數(shù)碼管數(shù)碼管是專門用于顯示數(shù)字、字母、圖形符號及少量自定義符號的顯示屏。由于其具有功耗低、體積小、重量輕、超薄等優(yōu)點。自問世以來LED得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)碼管模塊在國際上已經(jīng)規(guī)范化。根據(jù)需求調(diào)研結(jié)果確定本系統(tǒng)主要包括以下功能模塊，如圖3.1所示。圖3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2系統(tǒng)功能需求3.2.1單片機最小系統(tǒng)功能需求單片機最小系統(tǒng)主要的功能是硬件電路運行的基礎(chǔ)，主要包括單片機、復(fù)位電路和時鐘電路。時鐘電路。單片機的功能是存儲數(shù)據(jù)和程序，負責運行單片機程序。軟件代碼主要存儲在單片機中，通過單片機中的軟件代碼運行后，通過各個管腳的控制外圍輔助電路的運行以實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。復(fù)位電路是保證系統(tǒng)安全運行的基礎(chǔ)，由于單片機的運行環(huán)境無法確定，無法保證單片機在長時間的運行過程中能夠一直保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，復(fù)位電路就是在單片機無法正常運行后，軟復(fù)位無法進行復(fù)位的情況下，能夠保證系統(tǒng)能夠重新啟動。時鐘電路主要是需要為系統(tǒng)提供時鐘信號。3.2.2數(shù)碼管顯示需求數(shù)碼管顯示電路負責電路的顯示。單片機系統(tǒng)的實現(xiàn)，是一種測試方案。將設(shè)計者想要得到的信息或者資料通過一定的手段顯示出來，數(shù)碼管就是顯示電路就是將測試的信息提供給使用者。數(shù)碼管電路的是一種人機界面交互的電路，是將系統(tǒng)測試的噪音分貝數(shù)顯示出來。由于本設(shè)計要求實現(xiàn)實時顯示噪聲分貝值，需要用到六位數(shù)碼管，靜態(tài)顯示無法實現(xiàn)其功能，而動態(tài)顯示節(jié)省硬件資源，成本較低，且易于實現(xiàn)，電路也較簡單，所以本設(shè)計采用動態(tài)顯示，用單片機的P0口向鎖存器傳送段選數(shù)據(jù)和位選數(shù)據(jù)，利用P^6控制段選數(shù)據(jù)鎖存器，P^7控制位選數(shù)據(jù)鎖存器。以實現(xiàn)六個7段數(shù)碼管顯示器實時顯示環(huán)境噪聲分貝值。當聲音在可接受范圍數(shù)碼管會顯示L如：L001，當成為噪音時會顯示H如H156。3.2.3噪聲傳感器功能需求噪音傳感器是系統(tǒng)功能實現(xiàn)最基本的數(shù)據(jù)來源，噪音傳感器通過軟件控制后，可以經(jīng)噪音的分貝值的模擬信號發(fā)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片中，再通過單片機的將數(shù)字量信息提供給數(shù)碼管進行顯示。噪聲傳感器的意義非常重要，其實系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。3.3非功能性需求本系統(tǒng)設(shè)計使用方便，可靠性高，易于攜帶，顯示直觀。它體積小，外形簡單可用于醫(yī)院、學(xué)校等需要安靜環(huán)境的公共場所。可以用在較寒冷或叫炎熱的環(huán)境并且也能等到準確的數(shù)據(jù)。3.4系統(tǒng)任務(wù)的可行性分析3.4.1技術(shù)可行性環(huán)境噪聲經(jīng)高靈敏度、無指向性駐極體傳聲器轉(zhuǎn)換成電信號。由運放MAX4466和集成功放LM386構(gòu)成兩級級放大電路,其輸出電平反映了噪聲聲壓的大小。由LM331構(gòu)成電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路，輸出的頻率信號變成TTL電平送給單片機的T0管腳，作為T0的計數(shù)脈沖。系統(tǒng)的核心部分是單片機STC89C52，其P3.5引腳接入NE555構(gòu)成的定時器輸出的方波，通過T1中斷去控制T0定時計數(shù)。從T0端輸入的計數(shù)脈沖頻率即反應(yīng)了所測聲壓大小,最后經(jīng)單片機內(nèi)部程序的運算出最終數(shù)據(jù)通過P0口和鎖存器送入5位LED數(shù)碼管顯示。3.4.2系統(tǒng)安全性分析系統(tǒng)采用現(xiàn)在市面上較為先進的51單片機進行控制，其具有性能穩(wěn)定，價格低廉的特點。以其極高的穩(wěn)定性贏得了廣闊的市場，其對于使用者的安全有了充分的保障。系統(tǒng)安全性從硬件角度考慮是電路結(jié)構(gòu)的合理性和問題處理能力，由于本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且易于實現(xiàn)，除芯片本身的安全防護之外就是復(fù)位電路的設(shè)計，由于單片機系統(tǒng)在使用過程中，存在很多不穩(wěn)定的因素，例如：環(huán)境的變化、程序的穩(wěn)定性和設(shè)計的原因都會導(dǎo)致系統(tǒng)的癱瘓。系統(tǒng)本身的無法軟復(fù)位的情況下，保證系統(tǒng)能夠再次啟動。從軟件角度考慮是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面進行合理設(shè)計，架構(gòu)合理，模塊之間界限清晰。另外一方面就是通過測試檢測系統(tǒng)中的錯誤。這也是保證系統(tǒng)安全運行的方法之一。本系統(tǒng)軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，并且測試程序非常全面。保證了系統(tǒng)的安全性。

第4章系統(tǒng)設(shè)計4.1設(shè)計指導(dǎo)思想和原則對單片機的分貝計進行系統(tǒng)的分析與整理后，功能模塊化，減少重復(fù)的軟件和硬件程序，提高系統(tǒng)的開發(fā)、運行、維護效率。目標是能夠滿足目前的功能需要，并確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定；實現(xiàn)靈活的配置系統(tǒng)的功能，并具有良好的可擴展性，提高軟硬件模塊功能的復(fù)用性。研制一臺智能儀器是一個復(fù)雜的過程，這一過程包括分析儀表的功能要求和擬定總體設(shè)計方案，確定硬件結(jié)構(gòu)和軟件算法，研制邏輯電路和編制程序，以及儀表的調(diào)試和性能的測試等等。軟件的設(shè)計應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)化設(shè)計原則，在總體概況設(shè)計的基礎(chǔ)上進行具體的詳細設(shè)計，功能分解，模塊劃分，細化軟件層次，優(yōu)化軟件結(jié)構(gòu)，以達到模塊功能的獨立性，執(zhí)行的高效性?？傊?，設(shè)計的程序應(yīng)該達到可讀性，可理解性，可維護性，有效性，可修改性。4.2體系結(jié)構(gòu)設(shè)計 本系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩部分組成。對于硬件電路的設(shè)計過程中，設(shè)計的系統(tǒng)簡潔易懂，功能強大。主要包括信號放大電路設(shè)計，電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計和電壓-頻率轉(zhuǎn)換設(shè)計。這幾部分的基本電路實現(xiàn)了噪聲監(jiān)測電路。軟件部分主要是主函數(shù)、延遲函數(shù)、顯示函數(shù)和中斷函數(shù)組成。設(shè)計依據(jù)模塊化的理念，保持可重用性和可讀性的特點設(shè)計。根據(jù)硬件電路的設(shè)計，使用軟件程序?qū)τ布娐返母鱾€程序進行控制。本系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖如圖4.1所示。電源電源開關(guān)頻率轉(zhuǎn)換芯片電流轉(zhuǎn)換器件聲音轉(zhuǎn)換芯片噪聲傳感器頻率轉(zhuǎn)換芯片電流轉(zhuǎn)換器件聲音轉(zhuǎn)換芯片噪聲傳感器數(shù)碼管數(shù)碼管顯示單單片機系統(tǒng)數(shù)碼管驅(qū)動芯片數(shù)碼管驅(qū)動芯片圖4.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)4.3信號放大電路設(shè)計功率放大器在電路中的作用相當于揚聲器的音量調(diào)節(jié)器，音頻功率放大電路的作用主要是將信號處理器發(fā)送過來的信號功率放大，使其信號的功率達到設(shè)計要求。本系統(tǒng)此部分電路能夠的輸出大功率音頻。在電路設(shè)計過程中進行對比，通過比較發(fā)現(xiàn)LM386集成電路使用簡單，基本沒有外圍器件，而且它還有體積小、電源范圍寬、外接元件少、電壓增益可調(diào)整、頻率響應(yīng)好、輸出功率大、總諧波失真小等優(yōu)點。因此選用LM386來組成音頻功率放大電路。LM386被廣泛地應(yīng)用在錄音機和收音機音頻放大、對講機、紅外線和小型馬達驅(qū)動器等電路中。其中LM386的各引腳功能如圖4.2所示。圖4.2LM386引腳圖LM386的特性有以下幾點：1．靜態(tài)功耗低，電流大小基本在4mA左右，可用于電池供電。2．工作電壓范圍寬，可以在4-12V或者5-18V之間工作。3．電路設(shè)計簡單，在實現(xiàn)功能的前提下，外圍元件少。4．電壓增益可調(diào)范圍大，保持在20-200倍之間。5．放大音頻信號穩(wěn)定，失真度低。基本放大頻率是20倍，20倍的音頻放大器如圖4.3所示。由于傳聲器輸出的電信號比較弱，只有毫伏級，為了使數(shù)據(jù)采集卡能很好的采集到相應(yīng)數(shù)據(jù)，必須經(jīng)過電壓放大器進行電壓放大，采用LM386芯片電壓增益200倍的接法，即在1和8引腳間接10uF的電容，如圖4.4所示。圖4.320倍的音頻放大器圖4.4200倍的電壓放大器4.4電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計LM331是電壓/頻率變換采用集成塊，LM331芯片是美國NS公司生產(chǎn)的。其性能非常優(yōu)越，可作為精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、A/D轉(zhuǎn)換器。LM331的設(shè)計改良了溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內(nèi)以至于在低到4.0V電源電壓下的工作環(huán)境中都有著極高的精度。LM331的動態(tài)范圍寬，最高可達到100dB，其線性度也非常好，最大非線性失真低于0.01％，在工作頻率低到0.1Hz時，其線性失真也很低。LM331的變換精度高，數(shù)字分辨率可達12位；并且外接電路非常簡單，只需接入幾個外部元件就能構(gòu)成V/F或F/V等變換電路，并且轉(zhuǎn)換精度能夠保證。電壓放大器如圖4.5所示。VS8VS8GND4CMPR7R/C5CREF2COUT1FREQOUT3THR6U3LM3315VC18103R186.8KR4412KR16100KC6104R17100K+C171UFR4347FoutR1910K5V圖4.5200倍的電壓放大器4.4.1電壓-頻率轉(zhuǎn)換芯片LM331LM331/331A是一種非常理想的精密電壓/頻率轉(zhuǎn)換器，LM331/331A的精度在不同的溫度下穩(wěn)定性很高。溫度穩(wěn)定性的壓/頻轉(zhuǎn)換模塊成本要比同等級的模塊高的多。LM331/331A也適用于低電壓的數(shù)字系統(tǒng)，由于其性價比非常高，所以在微處理器控制系統(tǒng)中，它是低成本的模數(shù)轉(zhuǎn)換器非常理想的選擇。這樣的轉(zhuǎn)換方式和光電偶合器連接起來也是非常簡單方便的。LM331/331A的主要特性主要有一下幾點：1.線性度最大失真率低于0.01％2.測量頻率范圍寬可以達到1Hz至100kHz之間3.具有雙電源和單電源供電兩種選擇方案4.工作電壓為5V5.數(shù)字脈沖輸出端電平兼容所有5V的標準邏輯電路6.溫度穩(wěn)定性非常高，溫漂小于±50ppm/℃7.功耗低在5V工作電壓下，其功耗是15mW典型值LM331內(nèi)部資源非常豐富有，其內(nèi)部主要包括以下幾部分電路：輸入比較電路、定時比較電路、R-S觸發(fā)電路、復(fù)零晶體管、輸出驅(qū)動管、能隙基準電路、精密電流源電路、電流開關(guān)和輸出保護點路等部分。系統(tǒng)的輸出管是集電極開路形式，因此輸出脈沖的邏輯電平，可以經(jīng)由選擇外接電阻和邏輯電流來改變，通過這種方式，系統(tǒng)可以適應(yīng)TTL、DTL和CMOS等不一樣的邏輯電路。另外，LM331可以使用單或雙電源供電，可用電壓范圍為4～40V，輸出電壓也高至40V。IR（PIN1）是電流源輸出端，在f0（PIN3）的輸出是邏輯低電平的時候，電流源IR輸出對電容CL充電。引腳2（PIN2）是增益調(diào)整，RS值的改變可以改變電路轉(zhuǎn)換增益的大小。f0（PIN3）是頻率輸出端，其輸出為邏輯低電平，脈沖的寬度由Rt和Ct決定。引腳4（PIN4）為電源地。引腳5（PIN5）為定時比較器正相輸入端。引腳6（PIN6）為輸入比較器反相輸入端。引腳7（PIN7）為輸入比較器正相輸入端。引腳8（PIN8）為電源正端。LM331邏輯款圖如圖4.6所示。圖4.6LM331邏輯框圖4.4.2電壓-頻率變換電路輸入端Vi＋的輸入為正電壓時，輸入比較的輸出是高電平，這使得RS觸發(fā)器置位并輸出高電平，輸出的驅(qū)動管導(dǎo)通，于是輸出端f0輸出邏輯低電平，于此同時電源Vcc也利用電阻R2對電容C2進行充電。電容C2兩端的電壓達到電源電壓Vcc的2/3時，定時比較器會輸出一高電平，使得R－S觸發(fā)器復(fù)位，輸出一個低電平，輸出驅(qū)動管截止，輸出端f0輸出邏輯高電平，于此同時，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，電容C2利用復(fù)零晶體管迅速放電；電子開關(guān)使得電容C3放電給電阻R3。當電容C3放電電壓等于輸入電壓Vi時，輸入比較器再次輸出高電平，使得R－S觸發(fā)器置位，以上過程反復(fù)循環(huán)，就形成了自激振蕩。輸入電壓Vi和輸出脈沖頻率f0成正比，電壓到頻率的轉(zhuǎn)化由此得以實現(xiàn)，輸入電壓和輸出頻率的轉(zhuǎn)化方程式為(2.09×R3×R2×C2)

，由此方程式可知電阻R2、R3、R4、和C2對轉(zhuǎn)換結(jié)果f0有著直接的影響，因此本系統(tǒng)對這幾個元件的精度要有一定的要求，可根據(jù)轉(zhuǎn)換精度的需要適當作出選擇。電阻R1和電容C1構(gòu)成了低通濾波器，可以在一定程度上緩解輸入電壓中的干擾，對提高轉(zhuǎn)換精度很有作用。電壓頻率變換電路如圖4.7所示。圖4.7電壓頻率變換電路4.5軟件設(shè)計4.5.1控制流程設(shè)計本系統(tǒng)的控制流程如圖4.8所示。圖4.8系統(tǒng)控制流程圖4.5.2主函數(shù)模塊介紹主函數(shù)是系統(tǒng)的開始，軟件系統(tǒng)的入口就是主函數(shù)。主函數(shù)中定義了再后續(xù)使用的函數(shù)，其是程序的核心，主要是在運行過程中，控制各個軟件模塊的運行。主函數(shù)中定義了各個函數(shù)后，將調(diào)用的函數(shù)名進行定義后，就可以在主函數(shù)中進行調(diào)用。本系統(tǒng)的主函數(shù)主要是保證了系統(tǒng)能夠持續(xù)的運行，檢測傳感器的電壓值。保證系統(tǒng)能夠正常有效的運行。4.5.3延遲函數(shù)模塊介紹系統(tǒng)程序的運行過程中，由于各個模塊之間和顯示之間的時間并不能同步，就會造成數(shù)碼管顯示的混亂，延遲函數(shù)在運行過程中，會被主函數(shù)調(diào)用，在調(diào)用過程中，可以有效的延遲周期，起到穩(wěn)定系統(tǒng)餓作用。通過使用循環(huán)函數(shù)將系統(tǒng)的函數(shù)運行4.5.4顯示函數(shù)模塊介紹數(shù)碼管顯示電路其主要功能就是顯示噪聲監(jiān)測儀的分貝數(shù)顯示功能。根據(jù)一般城市內(nèi)噪聲等級、測量方法和標準，顯示只需四位即可滿足要求，顯示格式：××db。數(shù)據(jù)處理完后，顯示子程序開始工作，由于LED顯示為段碼的顯示，所以處理后的十進制數(shù)要首先取段碼，然后送顯示單元。本設(shè)計的顯緩單元為5CH-5FH，采用兩個四位LED顯示，先把要顯示的數(shù)據(jù)存入顯緩單元，然后取段碼，再把段碼送到指定的位上，用R5進行位的選擇。4.5.5中斷模塊介紹噪聲監(jiān)測系統(tǒng)在工作過程中其主要的功能是由芯片中的定時器/計數(shù)器來實現(xiàn)的。單片機的定時器/計數(shù)器T0由特殊功能寄存器TH0、TH1構(gòu)成，定時器/計數(shù)器T1由特殊功能寄存器TH1、TL1構(gòu)成。大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第5章系統(tǒng)實現(xiàn)5.1系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試是利用偉福仿真器及其自帶軟件來實現(xiàn)一個模擬仿真系統(tǒng)。偉福調(diào)試軟件功能較強，包含了單步、斷點、跟蹤、檢查和修改等功能。偉福仿真器的仿真頭代替89C52芯片，插在硬件電路板的原來插AT89C51芯片的插座上，就可以軟硬件調(diào)試了。本次設(shè)計的聯(lián)調(diào)采用分塊聯(lián)調(diào)，再總體聯(lián)調(diào)的方法。下面介紹本設(shè)計的軟硬件聯(lián)調(diào)的過程。首先用偉福仿真器調(diào)試顯示電路部分，調(diào)入預(yù)先編制好的顯示程序，檢查程序和硬件是否對應(yīng)上。顯示電路顯示的數(shù)據(jù)和編程的所要顯示的數(shù)據(jù)一致，顯示電路聯(lián)調(diào)成功。當偉福仿真器的仿真頭代替89C52芯片，插在硬件電路板的原來插89C52芯片的插座上，時鐘芯片電路在軟件的啟動下開始工作，在偉福軟件環(huán)境中，查看相對應(yīng)的單元值是否正確。將傳感器電路的輸出端接入放大電路的輸入端，當聲音的音量變大時從轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖信號的頻率變大，反之，頻率變小。進行整體的聯(lián)調(diào)，將從轉(zhuǎn)換電路輸出的頻率信號接入單片機的T0口，看整體運行是否正確。此時LED顯示出符合要求的結(jié)果。5.2程序?qū)崿F(xiàn)首先要對單片機進行初始化設(shè)置中斷、定時器等。代碼如下：voidInit(void){ TMOD=0x15; //T0計數(shù)T1定時 EA=1; //開總中斷 TH0=0;// TL0=0; TR0=1; // 開計數(shù)器T0 TH1=0x4c; //50ms TL1=0x00; ET1=1; //T1中斷允許 TR1=1; // 開定時器T1}/********************************************************函數(shù)名：delay(unsignedchart)參數(shù)：短延時時間長度返回值：無功能：實現(xiàn)數(shù)碼管顯示時的短延時。********************************************************/voiddelay(uchart)//短延時{ for(;t>0;t--);}voidmain(){ ulongdb=0; Init(); while(1) { db=count_f(ff); display(db); if(start) { start=0; P2=0xff; tmp=TH0; tmp<<=8; tmp+=TL0; ff=tmp*20/count; count=0; TH0=0; TL0=0; TH1=0x4c;//50ms TL1=0x00; TR0=1; TR1=1; } }}/********************************************************函數(shù)名：display(unsignedlongcp)參數(shù)：unsignedlongcp返回值：無功能：將參數(shù)cp顯示在數(shù)碼管上，并顯示單位"db"。********************************************************/voiddisplay(ulongcp){ staticucharnum=0; P2=0xff; switch(num) { case0:P0=0x83; break; case1:P0=0xa1; break; case2:P0=0xff; break; case3: P0=tab[cp%10]; break; case4: P0=(tab[cp/10%10]&0x7f);break; case5: P0=tab[cp/100];break; } P2=wei[num]; num++; num%=7; delay(100);//短延時}voidTime1()interrupt3{ if((TH0<1)&&(TL0<10)) { TH1=0x4c;//50ms TL1=0x00; count++; } else { count++; TR0=0; TR1=0; start=1; }}/********************************************************函數(shù)名：count_f(unsignedlongf)參數(shù)：unsignedlongf返回值：當前環(huán)境的噪音值，單位為"dB".功能：將頻率信號轉(zhuǎn)化為分貝值********************************************************/ulongcount_f(ulongf){ ulongans; if((f>=20)&&(f<=40)) { ans=1100-f*10; } elseif((f>40)&&(f<=100)) { ans=533-f/3; } elseif((f>100)&&(f<=500)) { ans=503-11*f/40; } elseif((f>500)&&(f<=1000)) { ans=380+f/50; } elseif((f>1000)&&(f<=300)) { ans=450-f/20; } elseif((f>3000)&&(f<=10000)) { ans=215+f/35; } returnans;}大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第6章系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試是系統(tǒng)開發(fā)最后的步驟，也是系統(tǒng)特別重要的環(huán)節(jié)，因為設(shè)計和開發(fā)出的系統(tǒng)是否成功，功能是否完善只有在這里才能顯現(xiàn)出來。所以為了保證設(shè)計系統(tǒng)能夠正常工作，必須對軟件和硬件部分的每一個部分進行調(diào)試和分析。本章詳細的介紹了系統(tǒng)故障及原因分析，并對系統(tǒng)測試結(jié)果進行了介紹和分析。6.1故障及原因分析本節(jié)就基于單片機的噪聲檢測器的設(shè)計中遇到的故障和調(diào)試方面出現(xiàn)的問題作一概要的敘述。故障及原因分析如表6.1所示。表6.1故障及原因分析表編號錯誤錯誤原因錯誤改正結(jié)果1線路錯誤在實際焊硬件電路，由于線路較多，焊錯電路，如焊完電路時發(fā)現(xiàn)電路所有的電源線與地線全部相通，且單片機不正常工作經(jīng)查是時鐘電路沒有接地改正后晶振就可以啟動，單片機就可以正常工作了2提供電源錯誤在整個的電路中，剛開始我給所有電路提供+5v的電源，但電壓/頻率轉(zhuǎn)換器的輸出端卻沒有頻率信號的輸出經(jīng)過再次的確認，發(fā)現(xiàn)LM368的工作電壓是+15v當接入+15v的工作電壓后，就輸出所需的頻率信號3LED位選連接錯誤當整個電路通電后，發(fā)現(xiàn)LED顯示的結(jié)構(gòu)是bd54，發(fā)現(xiàn)顯示完全到過來了位選線鏈接錯誤，將錯誤改正后，顯示45db4電阻大小選擇錯誤在一切調(diào)試成功后，雖然顯示出了正確的結(jié)果，但是LED燈的亮度卻極低，很難看清楚將下拉電阻換成小點的電阻LED燈變亮了5軟件錯誤在軟件調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)LED的最后兩位都顯示字母b發(fā)現(xiàn)給后兩位的地址送的值都是7CH，所以才出現(xiàn)此現(xiàn)象，因此將第三位的值改為5EH顯示結(jié)果就變?yōu)閐b6.2測試結(jié)果分析由于條件有限，本課題中采用晶體式傳聲器，其測量精度不是很高，再加上聲音信號不容易控制，而且很不穩(wěn)定。再加上硬件電路中的一些系統(tǒng)誤差，所以測量結(jié)果不是十分精確。但是，當將被測量的聲音信號的音量變大時，LED的顯示值變大，反之則變小。而且此系統(tǒng)的測量范圍為40db-96db，完全符合設(shè)計要求，而且指示燈也能指示一定的聲壓級范圍。故本次設(shè)計符合設(shè)計的要求，能實現(xiàn)對噪聲信號的采集、處理及顯示，功能性較強，具有一定的實踐意義。第7章結(jié)論本課題的主要任務(wù)是開發(fā)一個以89C52單片機為核心的噪聲監(jiān)測系統(tǒng)。通過分析、設(shè)計、實現(xiàn)、聯(lián)調(diào)，最終完成的系統(tǒng)能滿足設(shè)計要求，達到設(shè)計的指標，實現(xiàn)了對噪聲信號的采集、處理功能，并用LED顯示出噪聲的分貝值，采用指示燈指示出聲壓級的大概范圍。這個開發(fā)過程主要包括了硬件電路設(shè)計和軟件程序的編寫兩個部分。從確定畢設(shè)題目，到查閱質(zhì)料確定總體方案設(shè)計，總體方案論證，硬件電路的設(shè)計，硬件電路的優(yōu)化，軟件的設(shè)計，軟件的優(yōu)化，焊制硬件電路板，檢驗硬件電路，調(diào)試軟件程序，到最后的軟硬件聯(lián)調(diào)，其中的每一個過程都是精心設(shè)計、仔細完成的。由于使用的是單片機作為核心的控制元件，本噪聲監(jiān)測器具有功能強、性能可靠、電路簡單、成本低的特點，加上經(jīng)過優(yōu)化的程序，使其具有很高的智能化水平。但是該設(shè)計還是不夠完善，因為聲音信號本來就很不穩(wěn)定，而且也不知道它的聲壓級是多少分貝，所以說在校正上存在一定的困難。在軟件設(shè)計的過程中，利用了Keil這個軟件在程序錄入和調(diào)試的時候的優(yōu)越性，讓我能夠在編寫軟件的時候很方便的發(fā)現(xiàn)軟件中的錯誤，現(xiàn)在已經(jīng)能夠使用Keil對所設(shè)計的程序進行調(diào)試。對于PROTEUS這款軟件，也能熟練掌握電路設(shè)計仿真。由于平時沒有接觸過這兩個軟件，加上畢業(yè)設(shè)計的時間有限，對于他們的連接調(diào)試程序，未能熟練掌握，但以后有機會的話會再好好學(xué)習(xí)的。大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）參考文獻[1]李華．MCU-51系列單片機實用接口技術(shù)[M]，北京航空航天大學(xué)出版社，2006[2]許育誠．軟件測試與質(zhì)量管理[J]，海事大學(xué)，2007，6:14-42[3]景新梅．軟件產(chǎn)業(yè)原動力[J]，中國計算機報，2005，7:32-33[4]劉湘濤，江世明．單片機原理與應(yīng)用[M]，電子工業(yè)出版社，2006[5]萬福軍．單片微機原理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用