環(huán)境噪聲監(jiān)測,是人類提高生活質量,加強環(huán)境保護的一個重要環(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(wèi)生、計量等環(huán)保專業(yè)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(shù)字顯示環(huán)境噪聲測量儀。該儀器工作穩(wěn)定、性能良好,經(jīng)校驗定標后能滿足一般民用需要,可廣泛應用于工礦企業(yè)、機關學校等需要對環(huán)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,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(wǎng)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。

2 硬件電路構成

環(huán)境噪聲經(jīng)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(shù),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(wǎng)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(shù)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(yōu)于普通8位并行A/D轉換器,有利于提高系統(tǒng)的測量范圍。圖1中,Rs可用來調節(jié)增益偏差,改變輸出頻率。

系統(tǒng)的核心部分是AT89C51單片機,其指令系統(tǒng)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(tǒng)。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(shù)。從T0端輸入的計數(shù)脈沖頻率,即反映了所測聲壓的大小。經(jīng)軟件處理后,噪聲聲壓級顯示值由P1口輸出,經(jīng)74LS248譯碼再驅動兩位4.572cm(1.8英寸)高亮度LED數(shù)碼管顯示,適當控制譯碼器使能端,使兩數(shù)碼管輪流發(fā)光實現(xiàn)動態(tài)顯示,降低功耗。

3 軟件設計

環(huán)境噪聲測量系統(tǒng)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。

主程序處于循環(huán)工作狀態(tài),主要完成定時/計數(shù)器和中斷系統(tǒng)的初始化,并循環(huán)調用查表和顯示子程序。每當T1對外接100kHz時鐘計數(shù)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(shù)值,并重新初始化T0、T1,以便檢測下一次的數(shù)據(jù)。

值得指出的是,查表程序實現(xiàn)了計數(shù)值向聲壓級的轉換。由(1)式可知聲壓每增加12.2%,聲壓級增加1dB,因此T0計數(shù)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(jié)為一組數(shù)據(jù),其中前兩個字節(jié)為計數(shù)值,后一個字節(jié)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(shù)值,從而確定表格中兩參數(shù)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。

為了提高系統(tǒng)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。