| 摘 要 介紹了一種用單片機構成環境雜訊測量系統的設計方法，給出了相關硬體框圖和軟體流程圖。經校正測量誤差小於1dB，測量範圍為40~96dB，可用於一般環境下的雜訊測量。
關鍵詞 單片機 環境雜訊 聲壓級 測量
環境雜訊監測，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，已有大型環境雜訊顯示器豎立街頭。但目前國內的攜帶型雜訊測試儀，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，採用V/F轉換技術構成的低成本、攜帶型數字顯示環境雜訊測量儀。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，可廣泛應用於工礦企業、機關學校等需要對環境雜訊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，這樣寬廣的聲壓範圍很不易測量，而且人耳對聲壓的相對變化的分辨具有非線性特徵。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20m Pa。當p=p0時，Lp=0dB，而當p=200 Pa時，LP=140dB。
用聲級計可以測量聲壓級，採用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，在雜訊測量中，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計權網路測得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係。
表1 倍頻帶中心頻率與A聲級校正量的關係
倍頻帶中心頻率（Hz）
31.5
63
125
250
500
A聲級校正量（dB）
－39.4
－26.2
－16.1
－8.6
－3.2
倍頻帶中心頻率（Hz）
1k
2k
4k
8k
16k
A聲級校正量（dB）
0
1.2
1.0
－1.1
－6.6
2 硬體電路構成
環境雜訊測量儀的硬體結構原理框圖見圖1所示。
圖1 硬體原理框圖
環境雜訊經高靈敏度、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範圍內不均勻度小於1.5 dB，加防風罩、防雨罩后可用於室外測量。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組成峰值檢波網路，其輸出直流電平反映了雜訊聲壓的大小。
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的計數脈衝。該轉換電路線性良好，抗干擾能力強，輸出頻率範圍在10～10000Hz以上，其變化比達103，優於普通8位并行A/D轉換器，有利於提高系統的測量範圍。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端輸入的計數脈衝頻率，即反映了所測聲壓的大小。經軟體處理后，雜訊聲壓級顯示值由P1口輸出，經74LS248解碼再驅動兩位4.572cm(1.8英寸)高亮度LED數碼管顯示，適當控制解碼器使能端，使兩數碼管輪流發光實現動態顯示，降低功耗。
3 軟體設計
環境雜訊測量系統的軟體採用模塊化設計，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。
主程序處於循環工作狀態，主要完成定時/計數器和中斷系統的初始化，並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響應中斷後即讀取TH0、TL0兩寄存器中的計數值，並重新初始化T0、T1，以便檢測下一次的數據。
圖2 軟體流程圖
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，每三個位元組為一組數據，其中前兩個位元組為計數值，后一個位元組為壓縮BCD碼錶示的聲壓級值。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係，當程序固化后，還可通過硬體電路對其進行調整。下面給出定義該表格的偽指令格式。
TAB：DB 1BH，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”兩個數據經解碼後分別顯示下限標記“[”和上限標記“]”，表示超出測量範圍。
為了提高系統的抗干擾能力，除了在硬體上採取了相應的措施外，軟體上採用了冗餘設計法即重複重要的指令，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，測量誤差小於1dB，測量範圍在40～96 dB之間，已滿足一般環境下雜訊的測量要求。
（在儀器製作過程中，常熟高等專科學校物理系汪逸新高級工程師提出了很好的指導意見，常熟市衛生防疫站職業衛生科提供了校驗儀器，在此表示深深感謝）
參 考 文 獻
1 馬大猷等. 聲學手冊. 北京：科學出版社, 1983
2 何立民. 單片機應用文集（1）. 北京：北京航空航天大學出版社, 1991
3 周澤存. 檢測技術. 北京：機械工業出版社, 1993
4 楊振江. A/D、D/A轉換器介面技術及實用線路. 西安：西安電子科技大學出版社, 1996 |
