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2 噪声监测系统的总体设计
2.1 噪声监测系统分析
本次设计的任务是要完成基于单片机的环境噪声监测仪的系统设计，它主要是设计以单片机为核心、采用V/F转换技术的便携式环境噪声测量仪，实现环境噪声的实时测量和LED数字显示，给出噪声水平的相关数据。
本次设计的方案由硬件和软件两部分组成。噪声测量仪的硬件电路系统，包括噪声信号的转换、放大、交直流转换与电压、单片机系统的硬件电路以及LED显示电路等。软件部分主要是用单片机语言编程，实现对信号的采集、转换及显示。在符合软硬件相适应的前提下，要先进行硬件电路的设计，再进行软件编程，进行模块化设计，并对各模块进行调试，最后进行软硬件联合调试和故障的排除。
2.2 硬件系统设计
首先要对用户需求进行分析，努力使设计要求满足用户需求。还要对产品的安全性、可靠性、成本等要素进行性价比分析以便于完成具体的硬件设计。
硬件实现及硬件调试过程是在可行性得到验证通过后进行，剩下工作就是在器件选型过程当中，不但要考虑各式器件的供货方式、器件的功耗以及器件之间可能会产生的影响，还要对供货周期及产品技术支持等因素进行关注。
硬件实现中包括原理图设计和印制电路板设计。系统设计的图形化表示，设计思路在软件工具中的抽象实现组成原理图，具体器件的实现方式是印制电路板设计，离实物只欠印制电路板的制作过程。为更好的保证信号完整性以及考虑电磁干扰和电磁兼容性，对布线工艺，系统结构设计知识需要掌握，。
遵循系统设计功能的要求，确定控制系统包括硬件和软件系统两部分。其中硬件系统结构框图如图2所示。环境噪声经由高灵敏度、无指向性驻极体传声器转换成电信号。放大电路由运放LM386构成，认真调整一些外围元件参数，使输出幅频特性符合测量要求的电压信号。通过V/F转换器后，输出频率信号变为TTL电平送给单片机的P3.4引脚，经软件处理之后，噪声声压级显示值由P1口输出，驱动LED数码管显示。
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传 噪 声 声 器 交 直 流 转 换 V/F 转 换 电 路 单 片 机 LED 显 示
图2 噪声监测仪硬件结构框图
传声器是将声波信号转换为电信号的能量转换器件，是噪声测量系统中的一个主要环节。按传声器的指向特性分类，分无指向性、双指向性和单指向性（包括心形和钳形指向性）3大类；按换能方式分类，分电动式、电容式和压电式等；按传声方式分类，分有线传声器和无线传声器两类；按声波接收的原理分类，分声压式和压差式。
功率放大器简称功放，可以说是各类音响器材中最大的一个家族了，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。音频功率放大电路的作用主要是将信号处理器发送过来的信号功率放大，使其信号的功率满足设计要求。
此方案中的V/F转换电路主要是由LM331组成的电压/频率转换电路。LM331采用了新型温度补偿能隙基准电路，在规定工作温度范围内和4伏电源电压下都有很高精度。LM331可得到只有价格较高的V/F转换器才有的高水平精度。由LM331构成的电压/频率转换电路，输出的频率信号变成TTL电平送给单片机的P3.4引脚，作为T0的计数脉冲。此转换电路线性良好，抗干扰能力强，输出频率范围在10—100kHz以上，比普通8位并行A/D转换器优越，有助于提高系统的测量范围。
89C52单片机是本次设计的核心部分。LM331直接与单片机定时/计数器连接，这种方式方便易行。
LED显示器是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。普通的LED显示器为8段，每一段对应一个发光二极管。这种显示器有共阳极和共阴极两种。
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LED显示器分为静态显示和动态显示两种显示方式。此设计中用的是动态显示方式[4]。
2.3 软件系统设计
环境噪声测量系统的软件是采用模块化的设计，由主程序、中断服务程序、查表子程序和显示子程序四部分组成。其流程图如图3所示。在图中xi表示读取的计数值，其中i从0开始。
主程序在完成定时/计数器和中断系统的初始化，并循环调用查表和显示子程序时处于循环工作状态。需要指出的是，查表程序程序实现了计数值向声压级的转换。
为了进一步提高系统的抗干扰能力，不仅要在硬件上采取相应的措施，在软件上也需要采用冗余设计法即重复重要的指令，未用空间设置操作指令，以防止程序跳飞而死机[5]。
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本科毕业论文 开始 中断入口 定时/记数器初始化 关T0、T1 中断系统初始化 读计数器 调用查表子程序 重新初始化T0、T1 调用显示子程序 开T0、T1 中断返回 （a）主程序 (b)中断服务程序 查表子程序入口 显示子程序入口 置表扫描次数 置表首地址 允许高位显示 i=i+1 Y 取表中双字节数xi 送显示值 xi>(TH0)(TL0) 延时 N 数值显示 交换显示位 返回 N 扫描结束吗? Y 返回 (c)查表子程序 图3 噪声监测系统的软件流程图
(d)显示子程序 9
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3 噪声监测系统的硬件设计
声学测距系统硬件电路主要由七个部分组成：传声器、音频放大器、交直流转换、V/F转换电路、单片机采集处理和LED显示以及测量范围的指示电路。硬件是整个系统运作的基石，良好的硬件设计是整个系统稳定运行的保障。硬件设计同时思考软件设计上的方便，使各部分电路有机结合，确保各模块功能的实现。
3.1 传声器
传声器（Microphone）又称话筒，俗称“麦克风”。传声器是将声波转换为相应电信号的能量仪器设备，其原理就是用变换器将由声压引起振动膜的振动变成电参数的变化。传声器包括声波接收器和力-电换能器两个部分。由声音造成的空气压力使传感器的振动膜振动，从而经变换器将此机械运动转换成电参量的变化，是噪声测量系统中的一个关键环节。
在噪声检测系统中，传声器起着十分重要的作用。虽然传统设计中采用的电容传声器具有频率范围宽，频率响应平直，灵敏度变化小，长期使用稳定性好等优点。但是它具有内阻高，需要用阻抗变换器与后面的衰减器和放大器匹配，需要加极化电压等缺点。而采用驻极体传声器不再需要提供极化电压，即可以在声级测量仪器上省去直流变换器， 又对简化电源和电路的设计有重要作用。而想降低声级测量仪器的本底噪声，更需要电源和电路设计的简化。
根据换能原理，传声器可分为: 动圈式传声器 、电容式传声器、驻极体式传声器、电压式传声器、带式传声器等。本次设计需要体积小、结构简单、电声性能好、价格低等特点，而驻极体传声器兼备这些优点，因此次设计中采用了驻极体传声器。 它由一片单面涂有驻极体薄膜的金属层和一片上面有若干小孔的金属电极（即背电极）组成。金属层与背电极相对，中间有一个极小的空气隙，这样就形成了一个以空气隙和驻极体作为绝缘介质，以金属层和背电极作为两个电极的平板电容器。驻极体薄膜上生产时注入了一定的永久电荷(Q)，由于没有放电回路，这个电荷是不变的。由于驻极体上的电荷数 Q 始终保持恒定，根据电荷的公式：Q＝C×U，反之 U＝Q/C，因此当 C 变化时一定会引起电容器两端电压 U 的改变，从而输出了电信号，实现了声音与电流之间的转换。而实际的驻极体传
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