1 引 言
環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)，是人類提高生活質(zhì)量，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在各大城市的繁華街區(qū)和居民區(qū)，已有大型環(huán)境噪聲顯示器豎立街頭。但目前國(guó)內(nèi)的便攜式噪聲測(cè)試儀，多為價(jià)格昂貴的進(jìn)口專用設(shè)備，除衛(wèi)生、計(jì)量等環(huán)保專業(yè)部門擁有外，無(wú)法作為民用品推廣普及。本文介紹一種以89C51單片機(jī)為核心，采用V／F轉(zhuǎn)換技術(shù)構(gòu)成的低成本、便攜式數(shù)字顯示環(huán)境噪聲測(cè)量?jī)x。該儀器工作穩(wěn)定、性能良好，經(jīng)校驗(yàn)定標(biāo)后能滿足一般民用需要，可廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、機(jī)關(guān)、學(xué)校等需要對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行測(cè)量和控制的場(chǎng)合。
2 聲壓級(jí)的測(cè)量機(jī)理
人耳的聽(tīng)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(cè)量，而且人耳對(duì)聲壓的相對(duì)變化的分辨具有非線性特征。因此，聲學(xué)中常用聲壓級(jí)Lp來(lái)反映聲壓的變化，將聲壓p的聲壓級(jí)表示成
Lp＝20 lg（p／p0） ?。╠B）（附）
其中：基準(zhǔn)量p0為20μPa。當(dāng)p＝p0時(shí)，Lp＝0 dB，而當(dāng)p＝200 Pa時(shí)，Lp＝140 dB。
用聲級(jí)計(jì)可以測(cè)量聲壓級(jí)，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(shí)聲壓級(jí)或平均聲壓級(jí)。考慮到人耳對(duì)不同頻率的響度感覺(jué)，在噪聲測(cè)量中，常取40phon等響曲線的反曲線對(duì)聲壓級(jí)進(jìn)行計(jì)權(quán)校正，即用 A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)測(cè)得A聲級(jí)，寫成dB（A）。附表給出倍頻帶中心頻率與A聲級(jí)的校正量之間的關(guān)系：
3 硬件電路構(gòu)成
環(huán)境噪聲測(cè)量?jī)x的硬件結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖1：
圖1 硬件原理圖
環(huán)境噪聲經(jīng)高靈敏度、無(wú)指向性駐極體傳聲器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。所用傳聲器頻率特性在50～14 000 Hz范圍內(nèi)不均勻度小于1．5 dB，加防風(fēng)罩、防雨罩后可用于室外測(cè)量。三級(jí)放大電路由運(yùn)放LM324構(gòu)成，精心調(diào)整相關(guān)外圍元件參數(shù)，可使其幅頻特性與A計(jì)權(quán)曲線相近。D1、C1、R1組成峰值檢波網(wǎng)絡(luò)，其輸出直流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(hào)變成TTL電平送給單片機(jī)的P3．4引腳，作為T0的計(jì)數(shù)脈沖。該轉(zhuǎn)換電路線性良好，抗干擾能力強(qiáng)，輸出頻率范圍在10～10 000 Hz以上，其變化比達(dá)103，優(yōu)于普通8位并行A／D轉(zhuǎn)換器，有利于提高系統(tǒng)的測(cè)量范圍。圖1中，Rs可用來(lái)調(diào)節(jié)增益偏差，改變輸出頻率。
系統(tǒng)的核心部分是AT89C51單片機(jī)，其指令系統(tǒng)與MCS－51完全兼容，且片內(nèi)帶4kB的E2PROM，可以方便地構(gòu)成一個(gè)最小測(cè)量系統(tǒng)。其P3．5引腳接由NE555構(gòu)成的定時(shí)器輸出的100 kHz方波，通過(guò)T1中斷去控制T0定時(shí)計(jì)數(shù)。從T0端輸入的計(jì)數(shù)脈沖頻率，也反映了所測(cè)聲壓的大小。經(jīng)軟件處理后，噪聲聲壓級(jí)顯示值由P1口輸出，經(jīng) 74LS248譯碼再驅(qū)動(dòng)兩位1．8 in高亮度LED數(shù)碼管顯示，適當(dāng)控制譯碼器滅燈端，使兩數(shù)碼管輪流發(fā)光實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，降低功耗。
4 軟件設(shè)計(jì)
環(huán)境噪聲測(cè)量系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、中斷服務(wù)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(huán)工作狀態(tài)，主要完成定時(shí)／計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)的初始化，并循環(huán)調(diào)用查表和顯示子程序。每當(dāng)T1對(duì)外接100 kHz時(shí)鐘計(jì)數(shù)達(dá)0．5 s后，申請(qǐng)中斷，CPU響應(yīng)中斷后即讀取TH0、TL0兩寄存器中的計(jì)數(shù)值，并重新初始化T0、T1，以便檢測(cè)下一次的數(shù)據(jù)。
圖2 軟件流程圖
值得指出的是，查表程序?qū)崿F(xiàn)了計(jì)數(shù)值向聲壓級(jí)的轉(zhuǎn)換。由式（1）知聲壓每增加12．2％，聲壓級(jí)增加1dB，因此T0計(jì)數(shù)值每增加12．2％，聲壓級(jí)增加1dB．在E2PROM 中定義一張表格，每三個(gè)字節(jié)為一組數(shù)據(jù)，其中前兩個(gè)字節(jié)為計(jì)數(shù)值，后一個(gè)字節(jié)為壓縮BCD碼表示的聲壓級(jí)值。調(diào)試時(shí)，參照精密聲級(jí)計(jì)，讀出某聲壓級(jí)所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值，從而確定表格中兩參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)程序固化后，還可通過(guò)硬件電路對(duì)其進(jìn)行調(diào)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(gè)數(shù)據(jù)經(jīng)譯碼后分別顯示下限標(biāo)記“［”和上限標(biāo)記“］”，表示超出測(cè)量范圍。
為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，除了在硬件上采取了相應(yīng)的措施外，軟件上采用了冗余設(shè)計(jì)法即重復(fù)重要的指令，未用空間設(shè)置空操作指令，以防止程序跳飛而死機(jī)。
5 結(jié)束語(yǔ)
最后用國(guó)營(yíng)江西紅聲器材廠生產(chǎn)的ND－2型精密聲級(jí)計(jì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)，測(cè)量誤差小于1 dB，測(cè)量范圍在40～96 dB之間，已滿足一般環(huán)境下噪聲的測(cè)量要求。
在儀器制作過(guò)程中，常熟高等?？茖W(xué)校物理系汪逸新高級(jí)工程師給予了很多指導(dǎo)意見(jiàn)，常熟市衛(wèi)生防疫站職業(yè)衛(wèi)生科提供了校驗(yàn)儀器，在此表示深深感謝！
參考文獻(xiàn)
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