基于STC12C5A60S2的智能環境噪聲檢測系統

章宇翀 劉敬 李向陽

摘要：設計一種基于STC12C5A60S2單片機作為微控制器，采用干電池供電，以麥克風作為信號接收模塊、LM386作為信號放大模塊，通過16位的模數轉換器ADS8321進行轉換，在LCD12864上顯示，通過LED燈進行報警，并且具有鎖存最大值功能的便攜式噪聲檢測系統。測量范圍為30-130dB，分辨率為0.1dB，采用9V電池供電。利用DS1302時鐘芯片來分辨出白天還是夜晚，根據相應的噪聲標準進行報警。

關鍵詞：智能；噪聲；檢測

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）06-0144-03

1 研究的背景和意義

噪聲不但影響人們的睡眠，損傷人們的聽覺，還會引起心臟病、胃潰瘍和高血壓等多種疾病。長期在強噪聲環境下工作會降低勞動生產率。所以如何防止城市環境噪聲，已為大家所重視。國內外已對環境噪聲檢測技術進行多方面的研究。

經過多年的研發和技術改良，噪聲檢測儀器從指針式人工讀數聲級計發展到數字式聲級計，從最初只能簡單測量瞬時聲級到現在能實現對連續聲級LEP，脈沖聲級LI，累積百分聲級LN，噪聲暴露級LEP等多個參量的測量[1]。目前我國在噪聲監測自動化方面的進程還比較緩慢，自動監測系統運用的還不夠廣泛。

在各個喧鬧嘈雜的聲環境功能區，已有許多大型環境噪聲檢測設備投入使用，實時地監測噪聲污染。但目前國內的便攜式噪聲檢測設備，大多數為昂貴的進口專用設備。除了一些特殊部門，如衛生、計量等環保專業部門擁有外，無法普及給大眾使用。所以對低成本、高精度的便攜式數字顯示環境噪聲測量儀的研究與設計有著非凡的意義。

2 系統方案及定標方法

2.1整體方案

采用駐極體電容式麥克風作為傳聲器接收外界聲音信號，將輸入的微弱音頻信號轉換為電壓信號，并通過運算放大器進行放大。放大后的信號經峰值檢波電路輸出峰值并由16位的AD芯片轉換傳給單片機，根據輸出的數字量查表得相應的dB值，最后在單片機控制下由LCD實時顯示出來，并由LED燈發出報警。噪聲測量框圖如圖1所示：

2.2 主要器件選型

2.2.1麥克風的選型

麥克風內部存在一個電容器，它是由振膜，墊片和極板組成的，其中振膜是實現聲→電轉換的主要零件，簡單來說就是一個△L→△C→△U的變化，這樣就初步實現了一個聲音信號到電壓信號的轉換。

本設計選用的麥克風靈敏度級為-52dB，靈敏度級公式如下：

頻率響應是指麥克風接受到不同頻率的聲音時，輸出信號會隨著頻率的變化而發生放大或衰減。最理想的頻率響應為一條水平線，代表輸出信號能真實呈現原始聲音的特性，但這種理想情況不容易實現。由圖2可知，該麥克風在100Hz～7KHz左右的響應曲線平直，而在7KHz～15KHz左右的范圍內約有±3dB的變化。

2.2.2運算放大器LM386

LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、更新內鏈增益可調整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優點的功率放大器，本設計中用于對傳聲器輸出的電信號進行放大。

2.2.3模數轉換器ADS8321

考慮到系統分辨率的要求，本設計選用16位AD進行AD轉換。ADS8321是一款16位的高速低功耗的數模轉換芯片，具有同步串行接口和一個差分輸入電路。封裝形式為MSOP-8，超小體積的它被廣泛應用在便攜式和電池供電的產品中。

2.3 定標方法

本設計采用的定標方法是：如圖3所示，利用信號發生器給喇叭持續輸入一個頻率為1KHz（由圖2的頻響曲線可知，在1KHz下，聲壓級與響度級的數值一致）不變的正弦波，并改變正弦波的幅值來改變聲音的大小。此時本設計在軟件程序中并未寫入公式，輸出的顯示值為AD值。將本設計與成品噪聲計放置在離聲源相同距離的地方，并將麥克風對著聲源。改變輸入的正弦波的幅值，以10mv為一個單位，記錄下AD輸出的值與噪聲計輸出的dB值，找出AD與dB值之間的關系。將數據進行處理，比如將上一次的AD值到下一次的AD值定義為一個范圍，并求出在此范圍內AD值與dB值的線性關系方程。

麥克風輸入的電壓在0～10mv范圍內變化，經過LM386放大（LM386輸出自動偏置2.5V）后由峰值檢波電路輸出的電壓范圍在2.5～5V范圍內變化，對應的噪聲強度變化范圍為30～120dB左右。其中的噪聲強度疊加有環境噪聲大約30dB。

3 系統硬件設計

3.1硬件結構圖

本系統由以下幾個部分組成：基于單片機STC12C5A60S2的最小系統、按鍵電路、DS1302時鐘芯片、聲音傳感器麥克風、集成放大電路LM386、模數轉換芯片ADS8321、液晶顯示模塊、LED報警電路和電源電路。硬件結構圖如圖4所示。

3.3 信號放大模塊

3.4 AD轉換模塊

信號經LM386放大后接到運放LF347上的2引腳上作為輸入，經過峰值檢波電路，將峰值電壓的輸出接至ADS8321的正向輸入端上。其中，+5V的電壓經REF5025基準電壓芯片輸出2.5V接至ADS8321的1引腳上作為輸入參考電壓，在反相輸入端也接入2.5V的電壓作為差分輸入，即可得+Full Scale（+滿刻度）對應的范圍為 IN+ -IN- =（+VREF-1LSB），則可得IN+=5-1LSB時對應的數字量為0x7FFF，-Full Scale（-滿刻度）對應的范圍為IN+ -IN- =（-VREF），則可得IN+=0時對應的數字量為0x8000。峰值檢波電路和ADS8321的接線如圖7所示。

圖中，比較器LF347的反相輸入端與二極管的負極相連，當輸入端LM_IN0的電壓大于輸出端AD_IN0的電壓時，電路接通，電容C40充電，直至輸入電壓的峰值后，將峰值輸出給ADS8321。反之，二極管截止，電容C40經電阻R21放電。當電容C40放電后電壓降低到比輸入端LM_IN0電壓小時，二極管接通，電容C40充電。如此反復，使ADS8321采樣到的電壓始終是輸入電壓的峰值[2]。

3.5 電源電路

因為7805穩壓芯片需要輸入7～12V的電壓才能穩定輸出5V，所以接入5節電池。其中，D1為一個肖特基二極管，用于防止電源反接[3]。S1為電源鍵，鍵按下，使場效應管接通，D2為接通電源的指示燈，經電容濾波后接入7805穩壓，輸出一個+5V的電壓。

ME7660是一款DC/DC電壓反轉專用集成電路，芯片能將輸入為+1.5V到+10V的電壓轉化成相應的-1.5V到-10V輸出。只需外接兩個低耗電容，使用方便。本電源電路中，給ME7660輸入+7V的電壓，使其輸出-7V供給峰值檢波電路中的運放使用。電源電路接線如圖8所示。

4 系統軟件設計

本系統的軟件流程由主程序，DS1302子程序，液晶顯示子程序、AD轉換子程序、按鍵掃描中斷服務程序等構成。系統首先進行初始化，然后AD轉換，顯示出dB值，利用時鐘芯片判斷是否為白天，再判斷是否超過規定限值，采用國家環境噪聲標準，以居住區域為例，白天噪聲標準55dB，夜晚45dB，超過則發出報警。如圖9所示。

5 系統測試結果

本設計的噪聲計的測量范圍為30-130dB，分辨率為0.1dB，采用9V電池供電。將一個喇叭接在信號發生器上，給喇叭輸入一個1KHz 的正弦波的信號，控制距離或者正弦波幅值為作為變量，記錄下實驗數據。保持輸入的正弦波頻率為1KHz，喇叭與噪聲計的距離d=30cm不變，改變正弦波幅值，得到數據如表1所示。

由表1數據可知，本設計的噪聲計最大引用誤差為0.75%，精度等級為1.0級。

6 總結及展望

本環境噪聲檢測儀主要是基于STC12C5A60S2單片機為控制核心的，同時以噪聲監測為主的便攜式設備。通過系統測試，在1KHz的頻率下，本設計與標準噪聲計最大引用誤差為0.75%，精度等級為1.0級。本設計中未加入計權網絡，在今后的研究中可加入計權網絡來調理信號[4]，使系統更加完善。

參考文獻：

[1] 屈紅艷.我國的環境噪聲監測技術現狀及發展[J].中國新技術新品，2009（8）.

[2] 劉洪英，史小軍.帶中斷輸出的實用峰值檢波電路設計[J].電子器件，2003（3）.

[3] 盧穎，趙山山.東北林業大學校園周邊環境噪聲監測及評價研究[J].林業科技情報，2009.

[4] James H.Chairman Environmental Noise and Measurements[R].88th Meeting：Acoustical Society of America，1974.

【通聯編輯：朱寶貴】