1、-基于單片機MSP430G2553的噪聲強度監測器的設計院 系自動化與電氣工程學院專 業電氣工程及其自動化班 級電氣1201班聯系 學生溫可瑞 閆維維指導教師文婷負責教師文婷交通大學2021年6月. z-摘要：噪聲對人體安康有著嚴重的危害，因此減少噪聲危害已成為當前一項重要的任務。環境噪聲強度監測，是人類提高生活質量，加強環境保護的一個重要環節。本文詳細介紹了噪聲強度監測器的工作原理和檢測模塊的整體組成，包括：噪聲信號的數據采集、放大、峰值檢波、MSP430G2553數據處理和顯示器的設計。外界噪聲信號通過傳聲器轉換成音頻信號，電信號經過放大、檢波和ADC變換輸入到單片機進展處理，并轉換成相應

2、的噪聲分貝值通過TFT顯示，從而實現噪聲的實時監測。該器具有實現簡單，準確度高，可用于實際進展噪聲的實時監測等特點。關鍵詞：單片機MSP430G2553 檢波放大TFT目錄一、 緒論1.1 設計背景1.2 噪聲簡介1.3 設計任務1.4 設計意義1.5 容安排二、 噪聲強度監測器的方案設計2.1 噪聲強度檢測器的任務分析2.2 硬件設計方案2.3 軟件設計方案三、噪聲強度監測器的硬件設計3.1 傳聲器3.2 硬件電路組成四、噪聲強度監測器的軟件設計4.1 實際運行程序五、調試與分析5.1 調試故障及原因分析 5.2 測試結果分析六、結論七、參考文獻. z-. z-. z-一、緒論1.1 設計背

3、景噪聲即噪音，是一類引起人煩躁、或音量過強而危害人體安康的聲音。 噪聲通常是指那些難聽的，令人厭煩的聲音。噪音的波形是雜亂無章的。從環境保護的角度看，但凡影響人們正常學習，工作和休息的聲音但凡人們在*些場合“不需要的聲音，都統稱為噪聲。如機器的轟鳴聲，各種交通工具的馬達聲、鳴笛聲，人的嘈雜聲及各種突發的聲響等，均稱為噪聲。噪聲污染屬于感覺公害，它與人們的主觀意愿有關，與人們的生活狀態有關，因而它具有與其他公害不同的特點。噪音污染主要來源于交通運輸、車輛鳴笛、工業噪音、建筑施工、社會噪音如音樂廳、高音喇叭、早市和人的大聲說話等。 環境噪聲監測，是人類提高生活質量，加強環境保護的一個重要環節，在各

4、大城市的繁華街區和居民區，已有大型環境噪聲顯示器豎立街頭。但目前國的便攜式噪聲測試儀，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89C52單片機為核心，采用V/F轉換技術構成的低本錢、便攜式數字顯示環境噪聲測量儀。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，可廣泛應用于工礦企業、機關學校等需要對環境噪聲進展測量和控制的場合。噪聲測量一般有如下幾個方面的目的：測量聲壓級以了解噪聲對環境的污染情況，檢驗噪聲是否符合有關標準；進展噪聲信號的頻譜分析，以了解噪聲的頻率構造；測量噪聲源的聲功率或聲功率級，以客觀了解噪聲源特性。按測量

5、環境來分，噪聲測量分實驗室測量和現場測量兩種。所謂噪聲的實驗室測量是指將被測對象放在消聲室或混響室中測量，其測量的精度比較高。但由于條件的限制，大多情況下只能進展現場測量。為了更客觀地表示儀器設備的噪聲源特性，往往需要測量噪聲源的聲功率級。因為在一定的工作狀態下，儀器的聲功率級是一個恒量，它不象聲壓級隨距離的改變而改變。但聲功率級是不能直接測出的，它是在特定條件下，由測得的聲壓級計算而得到的。此處僅對常用的自由場法作一簡單的介紹。設是以噪聲源為中心，r為半徑的球面S上數個測點測出的平均聲壓級。R應選擇得足夠大，一般為被測對象尺寸的兩倍。設參考面積S0為1，則在自由場中的聲功率級為(1.1)如儀

6、器放在堅硬的地面上，此時聲源以半球面輻射。于是式1.1化為(1.2)式中，為非標準氣壓和溫度狀態時的修正量；按下式求得：(1.3)式中，為個測點平均聲壓；為第個測點的聲壓；為基準聲壓。為了滿足自由場條件，此時，距離聲源為和兩點處的聲壓級應滿足以下關系：(1.4)當時，即在自由場中距離加倍，噪聲級減少6dB，據此，可以判斷聲場是否為自由場。本文所述的測量器主要是考慮人耳對噪聲的主觀評價。因此采用聲功率級測量，即外界噪聲信號通過傳聲器轉換成音頻信號，經過放大和V/ F 變換輸入到單片機進展處理，并轉換成相應的DB 值通過TFT顯示，從而實現噪聲的實時監測。1.2 噪聲簡介1噪聲概念物理學定義：噪聲

7、是發生體做無規則時發出的聲音。生理學定義：但凡阻礙人們正常休息、學習和工作的聲音，以及對人們要聽的聲音產生干擾的聲音。從這個意義上來說，噪聲的來源很多。街道上的汽車聲、安靜的圖書館里的說話聲、建筑工地的機器聲、以及鄰居電視機過大的聲音，都是噪聲。總體講，噪音是物體振動產生。2噪聲對人的危害隨著工業生產、交通運輸、城市建筑的開展，以及人口密度的增加，家庭設施音響、空調、電視機等的增多，環境噪聲日益嚴重，它已成為污染人類社會環境的一大公害。噪聲具有局部性、暫時性和多發性的特點。噪聲不僅會影響聽力，而且還對人的心血管器、神經器、分泌器產生不利影響，所以有人稱噪聲為“致人死命的慢性毒藥。噪聲給人帶來生

8、理上和心理上的危害主要有以下幾方面：干擾休息和睡眠、影響工作效率：干擾休息和睡眠；使工作效率降低。損傷聽覺、視覺器官：強的噪聲可以引起耳部的不適，如耳鳴、耳痛、聽力損傷；噪聲對視力的損害。對人體的生理影響：損害心血管；對女性生理機能的損害；噪聲還可以引起如神經器功能紊亂、精神障礙、分泌紊亂甚至事故率升高。3防治噪聲污染的一些方法營造隔音林將噪聲污染嚴重的企業搬離市區 源頭處預防，傳播過程消減 4噪聲的利用噪聲一向為人們所厭惡。但是，隨著現代科學技術的開展，人們也能利用噪聲造福人類。雖然噪音是世界四大公害之一，但它還是有用處的。 利用噪聲除草。 利用噪聲發電。 利用噪聲來制冷。 利用噪聲除塵。

9、利用噪聲克敵。 利用噪聲診病。 利用噪聲有源消聲。5人對不同聲強的感覺無法忍受：150dB130dB感到疼痛：130dB110dB很吵：110dB70dB較靜：70dB50dB安靜：50dB30dB極靜：30dB10dB無聲：0dB1.3 設計任務查閱資料，了解設計背景，了解環境噪聲的特點。學習、掌握傳聲器測量根本原理。合理選擇噪聲測量傳感器，掌握其測量原理及應用。學習單片機MSP430原理，熟悉單片機器設計和軟件編程。進展器硬件電路設計，包括傳聲器測量器設計、單片機器程序設計。編寫程序，仿真調試。仿真調試通過后，固化程序，脫離開發器運行。在實驗室進展環境模擬，測試器，完成器合理調試。1.4設

10、計意義噪聲是日常生活中常見的物理現象。在大多數情況下，噪聲是有害的。噪聲在生理和心理上也會危害人類的安康，因而已被列入需要控制的危害之一。無論是利用噪聲還是防止噪聲，都必須確定其量值。噪聲的測量不僅在噪聲研究領域里占有重要的地位，而且已經廣泛應用于機械制造、建筑工程、地球物探、生物醫療等各個領域具有重要意義。1.5容安排本文按噪聲強度監測器構造的不同局局部別進展了介紹。首先在緒論中簡要地介紹研究噪聲監測的意義以及有關于噪聲的一些的根底知識。二是噪聲強度監測器的總體設計，主要包括硬件和軟件設計兩局部。三是噪聲強度監測器硬件設計，本章主要介紹了傳聲器、交直流轉換電路、ADC轉換電路以及數據的采集，

11、處理和顯示局部的設計。四是噪聲監測的器軟件設計，本章主要介紹單片機編程以及主程序設計，數據的采集、處理、顯示等功能。五是調試與結果分析，說明了硬件調試、軟件調試及軟硬聯調的過程，并介紹了調試過程中出現的問題和解決的方法。二、噪聲強度監測器的方案設計2.1 噪聲強度監測器任務分析本設計的任務是要完成基于MSP430單片機的噪聲強度監測器的設計，主要是設計以單片機為核心的便攜的噪聲測量器，實現環境噪聲的實時測量和TFT數字顯示，給出噪聲水平的大致指示。基于本次任務，該設計方案由硬件和軟件兩局部組成。噪聲測量儀的硬件電路器，包括噪聲信號的轉換、放大、交直流轉換與以及單片機器的硬件電路、TFT顯示電路

12、等。軟件局部主要是用單片機語言編程，實現對信號的采集、轉換及顯示。在遵循軟硬件相結合的原則下，先進展硬件電路的設計，再進展軟件編程，進展模塊化設計，并對各模塊進展調試，最后進展軟硬件聯合調試和故障的排除。2.2 硬件設計方案硬件構造框圖如圖2.1所示。環境噪聲經駐極體傳聲器轉換成電信號。放大電路由運放LMV358構成，精心調整相關外圍元件參數，可使其輸出幅頻特性滿足測量要求的電壓信號。通過峰值檢波后，輸出頻率信號變為TTL電平送給單片機的P1.7引腳，經軟件處理后，噪聲聲壓級顯示值輸出，驅動TFT數碼管顯示。噪聲傳聲器峰值檢波ADC轉換電路單片機TFT顯示圖2.1硬件構造框圖傳聲器是將聲波信號

13、轉換成電信號的傳感器，是噪聲測量器中的一個主要環節。根據膜片感受聲壓的情況不同，傳聲器可分為三類：壓強式傳聲器，其膜片的一面感受聲壓；差壓式傳聲器，其膜片的兩面均感受聲壓，引起膜片振動的力取決于膜片兩面壓差的大小；壓強和壓差組合式傳聲器。在本實驗中用駐極式電容傳聲器。MSP430G2553單片機是本設計的核心局部。LMV358直接與單片機定時/計數器連接，這種方式簡單可行。本實驗使用TFT顯示器，實驗結果顯示清晰，易于觀察記錄。2.3 軟件設計方案采用模塊化的設計，分為主程序和多個子程序，運行主程序時調用子程序，從而實現不同模塊的功能。三、噪聲強度監測器的硬件設計3.1傳聲器傳聲器是將聲音信號

14、轉換為電信號的能量轉換器，俗稱話筒麥克風。而麥克風主要分為動圈式和駐極體電容式，其中動圈式傳聲器音質很好，但體積較大，電容式傳聲器體積小巧，本錢低廉，在手機、等設備中應用十分廣泛。圖1.2為常見的兩種傳聲器。 動圈式傳聲器 駐極體電容式傳聲器圖1.2 傳聲器基于駐極體電容式傳聲器的諸多優點和試驗模塊的本身特點，在本次試驗模塊設計中首選駐極體電容式傳聲器。1) 駐極體電容式傳聲器簡介駐極體電容式傳聲器是用事先已注入電荷而被極化的駐極體代替極化電源的電容傳聲器。其有兩種類型，一種是用駐體高分子薄膜材料做振膜振模式，此時振膜同時擔負著聲波接收和極化電壓雙重任務；另一種是用駐極材料做后極板背極式，這時

15、它僅起著極化電壓的作用。由于駐極體傳聲器具有體積小、價格低廉、電聲性能好、構造簡單等特點，被廣泛應用于無線話筒、盒式錄音機及聲控等電路中，從而成為最常用的電容傳聲器。由于輸入輸出阻抗很高，所以要在這種話筒外殼設置一個場效應管作為阻抗轉換器，為此駐極體電容式話筒在工作時需要直流工作電壓。圖1.3為本次試驗模塊選用的直插電容式傳聲器EM-9767P 圖1.3 電容式傳聲器EM-9767P2) 駐極體電容式傳聲器構造及工作原理駐極體傳聲器的根本構造是由一片單面涂有金屬的駐極體薄膜與一個上面有假設干小孔的金屬電極背稱為背電極構成。駐極體面與背電極相對，中間有一個極小的空氣隙，形成 一個以空氣隙和駐極體

16、作絕緣介質，以背電極和駐極體上的金屬層作為兩個電極構成一個平板電容器。電容的兩極之間有輸出電極。圖1.4為實際駐極體話筒部構造。圖1.4 駐極體話筒部構造由于實際電容器的電容量很小，輸出的電信號極為微弱，輸出阻抗極高，可達數百兆歐以上。因此，它不能直接與放大電路相連接，必須連接阻抗變換器。通常用一個專用的場效應管和一個二極管復合組成阻抗變換器。部電氣原理如圖1.5所示。圖1.5 駐極體話筒部電氣原理由于高分子極化膜上生產時就注入了一定的永久電荷(Q)，而沒有放電回路，所以這個電荷量是不變的，在聲波的作用下，極化膜隨著聲音震動，因此和背極的距離也跟著變化，也就是說極化膜和背極間的電容是隨聲波變化

17、的。根據公式：Q =CU，則U=Q/C可知,駐極體總的電荷Q是不變的，所以當極板在聲波壓力下后退時，兩極板間距變大，導致電容C減小，故電壓U隨電容C的變小而變大，反之當電容量增加時電容兩極之間的電壓就會成反比的下降。最后通過阻抗非常高的場效應將電容兩端的電壓取出來，同時進展適當的放大，我們就可以得到和聲音對應的電壓了。由于場效應管是有源器件，需要一定的偏置和電流才可以工作在放大狀態，因此，駐極體話筒都要加一個直流偏置才能工作。這就是駐極體話筒的工作原理。3 EM-9767P傳感器的性能參數傳聲器的類型很多，本設計選用EM-9767P作為傳聲器，其相關電性能參數為：Ø 基準工作電壓St

18、andard Operation Voltage：3VDCØ 阻抗Impedance：2.2k ma*imumØ 靈敏度Sensitivity: -52dB±2dB (0dB=1V/ubar ,1kHz)Ø 信噪比S/N Ratio: >60dBØ 消耗電流Current Consumption：0.5mA (ma*imum)Ø 頻率響應曲線Frequency Response：如圖1.6所示圖1.6 EM-9767P傳聲器的頻響特性曲線2.LMV358運算放大器 本設計選用的運放是TI公司的LMV358低功耗運算放大器，其優點

19、為: Ø 雙通道低電壓2.7-5V版本Ø rail-to-rail輸出擺幅能力Ø 共模輸入電壓圍寬，包括接地Ø 單位增益頻帶寬(約 1MHz)Ø 雙極性輸入與輸出，提高了抗噪聲性能的階段和更高的輸出電流驅動Ø 低的供應電流約145uAØ 工作溫度圍：-40至+125Ø 無交越失真，節省空間包裝，適用于任何一種電池供電和便攜式電子設備基于以上優點, LMV358運算放大器被廣泛的應用于移動, 個人數據助理,A/D緩沖區, 便攜式測試儀器, 遙控器的紅外接收器, 音頻應用,硬盤驅動器等。用戶可參考其數據手冊對其進展詳細

20、了解。3.2 硬件電路1、前置放大電路由于傳聲器的輸出與聲音的大小有關，小可至微伏級別，如果直接輸入單片機的ADC信號將很難被采集到，所以適當的放大信號，對整個系統的靈敏度，測試的穩定性，ADC的采集與轉換等都有很大的影響。經傳聲器轉換后的聲音信號從LMV358的3端輸入，即為同向比例運算放大電路的接法，而同向比例運算放大器由于引入了深度電壓負反響，所以其輸出電阻很小Ro約為0,而根據“虛斷的概念，該電路的輸入電流為0，所以輸入電阻很大Ri為無窮。由同向比例運算放大器的增益計算方法可知，其放大倍數為：Au=R2/R1 + 1=100K/2K + 1=51。而放大后的信號由LMV358的1端，經

21、過負載R5輸出。而負載電容C7與R5組成一個RC濾波電路，濾除因輸入端引入的干擾噪聲，平滑電壓信號。如下列圖，2、峰值檢波電路峰值檢波電路是一種能記憶信號峰值的電路，其輸出電壓的大小，一直追隨輸入信號的峰值，而且保持在輸入信號的最大峰值。本設計參加峰值檢波電路，為單片機的采集和處理帶來了很大的方便。這是一個典型的峰值檢波電路，放大后的信號從LMV358的3端輸入，我們可以控制電容C3的放電過程，即當P2.0置高時，三極管Q1導通，保持器電容放電；當P2.0置低時，三極管Q1截止，峰值信號可以被鎖存在保存器中。同時，該電路還參加一定的保護措施以及阻抗匹配電路如跟隨器等，使得該電路可以重復的工作。

22、檢波后的信號由LMV358的7端輸出，通過I/O口P1.3與單片機相連。四、噪聲強度監測器的軟件設計應用程序：*include "msp430g2553.h"*include "math.h"*include "TFT.h"const unsigned char tab = / 數據表 /*- 文字: 聲 -*/*- 宋體12; 此字體下對應的點陣為：寬*高=16*16 -*/0*01,0*00,0*FF,0*FE,0*01,0*00,0*01,0*00,0*7F,0*FC,0*00,0*00,0*3F,0*F8,0*21,0*08,

23、0*21,0*08,0*3F,0*F8,0*20,0*08,0*20,0*00,0*40,0*00,0*40,0*00,0*80,0*00,0*00,0*00,/*- 文字: 音 -*/*- 宋體12; 此字體下對應的點陣為：寬*高=16*16 -*/0*01,0*00,0*00,0*80,0*3F,0*FC,0*08,0*20,0*04,0*20,0*04,0*40,0*FF,0*FE,0*00,0*00,0*1F,0*F0,0*10,0*10,0*10,0*10,0*1F,0*F0,0*10,0*10,0*10,0*10,0*1F,0*F0,0*10,0*10,/*- 文字: 強 -*/*

24、- 宋體12; 此字體下對應的點陣為：寬*高=16*16 -*/0*00,0*00,0*79,0*F8,0*09,0*08,0*09,0*08,0*79,0*F8,0*40,0*40,0*43,0*FC,0*42,0*44,0*7A,0*44,0*0A,0*44,0*0B,0*FC,0*08,0*40,0*08,0*48,0*08,0*44,0*28,0*7E,0*13,0*C4,/*- 文字: 度 -*/*- 宋體12; 此字體下對應的點陣為：寬*高=16*16 -*/0*01,0*00,0*00,0*80,0*3F,0*FE,0*22,0*20,0*22,0*20,0*2F,0*FC,0*

25、22,0*20,0*23,0*E0,0*20,0*00,0*27,0*F8,0*22,0*10,0*21,0*20,0*20,0*C0,0*41,0*30,0*46,0*0E,0*98,0*04,/*- 文字: d -*/*- 宋體12; 此字體下對應的點陣為：寬*高=8*16 -*/0*00,0*00,0*00,0*06,0*02,0*02,0*02,0*1E,0*22,0*42,0*42,0*42,0*26,0*1B,0*00,0*00,/*- 文字: B -*/*- 宋體12; 此字體下對應的點陣為：寬*高=8*16 -*/0*00,0*00,0*00,0*F8,0*44,0*44,0*

26、44,0*78,0*44,0*42,0*42,0*42,0*44,0*F8,0*00,0*00,;*define CPU_F (double)1000000) /時鐘定義在1MHz*define delay_us(*) _delay_cycles(long)(CPU_F*(double)*/1000000.0)/準確延時1us *define delay_ms(*) _delay_cycles(long)(CPU_F*(double)*/1000.0) /準確延時1msvoid ADC10_Init(void) ADC10CTL1=CONSEQ_2;/單通道屢次轉換，這句應當寫在最前面 ADC

27、10CTL0 = REFON+SREF_1+REF2_5V; /翻開2.5V 正參考,地為負參考,(默認1.5V)ADC10CTL0 |= ADC10ON+ADC10SHT_3+ADC10IE;/翻開ADC10 核,設定采樣保持時間為64個ADC10CLK,使能ADC10中斷ADC10CTL1 = INCH_7+SHS_0+ADC10SSEL_2; / input A7，采樣保持,MCLK參考時間ADC10AE0 |= 0*80;/0*08; / P1.7 DC option select。A7模擬信號輸入使能 void show_tab()set_position(0*00,0*0f,0*3

28、0,0*3f); /聲 for(int i=0;i<32;i+) unsigned char m=tabi; for(int j=0;j<8;j+) if(m&0*80)=0*80) write_data(0*f8,0*00);else write_data(0*ff,0*ff);m<<=1; set_position(0*10,0*1f,0*30,0*3f); /音 for(int i=0;i<32;i+) unsigned char m=tabi+16*2; for(int j=0;j<8;j+) if(m&0*80)=0*80) wri

29、te_data(0*f8,0*00);else write_data(0*ff,0*ff);m<<=1; set_position(0*20,0*2f,0*30,0*3f); /強 for(int i=0;i<32;i+) unsigned char m=tabi+16*4; for(int j=0;j<8;j+) if(m&0*80)=0*80) write_data(0*f8,0*00);else write_data(0*ff,0*ff);m<<=1; set_position(0*30,0*3f,0*30,0*3f); /度 for(int

30、i=0;i<32;i+) unsigned char m=tabi+16*6; for(int j=0;j<8;j+) if(m&0*80)=0*80) write_data(0*f8,0*00);else write_data(0*ff,0*ff);m<<=1; set_position(0*70,0*77,0*30,0*3f); /d for(int i=0;i<16;i+) unsigned char m=tabi+16*8; for(int j=0;j<8;j+) if(m&0*80)=0*80) write_data(0*f8,0*

31、00);else write_data(0*ff,0*ff);m<<=1; set_position(0*78,0*7f,0*30,0*3f); /B for(int i=0;i<16;i+) unsigned char m=tabi+16*9; for(int j=0;j<8;j+) if(m&0*80)=0*80) write_data(0*f8,0*00);else write_data(0*ff,0*ff);m<<=1; unsigned int m,ave,n=0;unsigned long AD_Result,sum=0,L*,ave1;

32、double dB1;long dB;void main() WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; / Stop watchdog timer BCSCTL1 = CALBC1_8MHZ; DCOCTL = CALDCO_8MHZ;/上面兩句將部DCO校準至1MHz BCSCTL2 |= SELM_0;/MCLK采用1M的部DCO BCSCTL2 |= DIVS_3;/SMCLK采用125K的時鐘 TFT_init(); ADC10_Init(); display_row_colorbar(); /彩屏 show_tab(); _BIS_SR(GIE);/開中斷 while(1)

33、 TFT_NUM(dB,3,0,0*48,0*30); delay_ms(50); ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC; /使能并開場轉換 *pragma vector=ADC10_VECTOR_interrupt void ADC10_ISR (void) P2OUT&=BIT4; /BIT0 ADC10CTL0 &= ENC; / Disable ADC conversion /ADC10CTL0 &= ADC10SC; m+; /計數變量加一，記錄進入AD中斷的次數 AD_Result+=ADC10MEM; /累加每次采樣值 if(m>=8) /判斷采樣的次數，假設采樣次數等于8 ，作下面處理 m=0; ave=AD_Result>>3; /對累加和求平均 AD_Result=0; dB1=ave*2.5/1023; dB=(long)(-8-120*log10(dB1); / dB=(long)(20+0.08*ave); P2OUT|=BIT4;五、調試與分析5.1調試故障及原因分析1線路錯誤在實際焊硬件電路，由于線路較多，焊錯電路，如焊完電路時發現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