基于STC12C5A60S2的智能环境噪声检测系统

章宇翀 刘敬 李向阳

摘要：设计一种基于STC12C5A60S2单片机作为微控制器，采用干电池供电，以麦克风作为信号接收模块、LM386作为信号放大模块，通过16位的模数转换器ADS8321进行转换，在LCD12864上显示，通过LED灯进行报警，并且具有锁存最大值功能的便携式噪声检测系统。测量范围为30-130dB，分辨率为0.1dB，采用9V电池供电。利用DS1302时钟芯片来分辨出白天还是夜晚，根据相应的噪声标准进行报警。

关键词：智能；噪声；检测

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）06-0144-03

1 研究的背景和意义

噪声不但影响人们的睡眠，损伤人们的听觉，还会引起心脏病、胃溃疡和高血压等多种疾病。长期在强噪声环境下工作会降低劳动生产率。所以如何防止城市环境噪声，已为大家所重视。国内外已对环境噪声检测技术进行多方面的研究。

经过多年的研发和技术改良，噪声检测仪器从指针式人工读数声级计发展到数字式声级计，从最初只能简单测量瞬时声级到现在能实现对连续声级LEP，脉冲声级LI，累积百分声级LN，噪声暴露级LEP等多个参量的测量[1]。目前我国在噪声监测自动化方面的进程还比较缓慢，自动监测系统运用的还不够广泛。

在各个喧闹嘈杂的声环境功能区，已有许多大型环境噪声检测设备投入使用，实时地监测噪声污染。但目前国内的便携式噪声检测设备，大多数为昂贵的进口专用设备。除了一些特殊部门，如卫生、计量等环保专业部门拥有外，无法普及给大众使用。所以对低成本、高精度的便携式数字显示环境噪声测量仪的研究与设计有着非凡的意义。

2 系统方案及定标方法

2.1整体方案

采用驻极体电容式麦克风作为传声器接收外界声音信号，将输入的微弱音频信号转换为电压信号，并通过运算放大器进行放大。放大后的信号经峰值检波电路输出峰值并由16位的AD芯片转换传给单片机，根据输出的数字量查表得相应的dB值，最后在单片机控制下由LCD实时显示出来，并由LED灯发出报警。噪声测量框图如图1所示：

2.2 主要器件选型

2.2.1麦克风的选型

麦克风内部存在一个电容器，它是由振膜，垫片和极板组成的，其中振膜是实现声→电转换的主要零件，简单来说就是一个△L→△C→△U的变化，这样就初步实现了一个声音信号到电压信号的转换。

本设计选用的麦克风灵敏度级为-52dB，灵敏度级公式如下：

频率响应是指麦克风接受到不同频率的声音时，输出信号会随着频率的变化而发生放大或衰减。最理想的频率响应为一条水平线，代表输出信号能真实呈现原始声音的特性，但这种理想情况不容易实现。由图2可知，该麦克风在100Hz～7KHz左右的响应曲线平直，而在7KHz～15KHz左右的范围内约有±3dB的变化。

2.2.2运算放大器LM386

LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，本设计中用于对传声器输出的电信号进行放大。

2.2.3模数转换器ADS8321

考虑到系统分辨率的要求，本设计选用16位AD进行AD转换。ADS8321是一款16位的高速低功耗的数模转换芯片，具有同步串行接口和一个差分输入电路。封装形式为MSOP-8，超小体积的它被广泛应用在便携式和电池供电的产品中。

2.3 定标方法

本设计采用的定标方法是：如图3所示，利用信号发生器给喇叭持续输入一个频率为1KHz（由图2的频响曲线可知，在1KHz下，声压级与响度级的数值一致）不变的正弦波，并改变正弦波的幅值来改变声音的大小。此时本设计在软件程序中并未写入公式，输出的显示值为AD值。将本设计与成品噪声计放置在离声源相同距离的地方，并将麦克风对着声源。改变输入的正弦波的幅值，以10mv为一个单位，记录下AD输出的值与噪声计输出的dB值，找出AD与dB值之间的关系。将数据进行处理，比如将上一次的AD值到下一次的AD值定义为一个范围，并求出在此范围内AD值与dB值的线性关系方程。

麦克风输入的电压在0～10mv范圍内变化，经过LM386放大（LM386输出自动偏置2.5V）后由峰值检波电路输出的电压范围在2.5～5V范围内变化，对应的噪声强度变化范围为30～120dB左右。其中的噪声强度叠加有环境噪声大约30dB。

3 系统硬件设计

3.1硬件结构图

本系统由以下几个部分组成：基于单片机STC12C5A60S2的最小系统、按键电路、DS1302时钟芯片、声音传感器麦克风、集成放大电路LM386、模数转换芯片ADS8321、液晶显示模块、LED报警电路和电源电路。硬件结构图如图4所示。

3.3 信号放大模块

3.4 AD转换模块

信号经LM386放大后接到运放LF347上的2引脚上作为输入，经过峰值检波电路，将峰值电压的输出接至ADS8321的正向输入端上。其中，+5V的电压经REF5025基准电压芯片输出2.5V接至ADS8321的1引脚上作为输入参考电压，在反相输入端也接入2.5V的电压作为差分输入，即可得+Full Scale（+满刻度）对应的范围为 IN+ -IN- =（+VREF-1LSB），则可得IN+=5-1LSB时对应的数字量为0x7FFF，-Full Scale（-满刻度）对应的范围为IN+ -IN- =（-VREF），则可得IN+=0时对应的数字量为0x8000。峰值检波电路和ADS8321的接线如图7所示。

图中，比较器LF347的反相输入端与二极管的负极相连，当输入端LM_IN0的电压大于输出端AD_IN0的电压时，电路接通，电容C40充电，直至输入电压的峰值后，将峰值输出给ADS8321。反之，二极管截止，电容C40经电阻R21放电。当电容C40放电后电压降低到比输入端LM_IN0电压小时，二极管接通，电容C40充电。如此反复，使ADS8321采样到的电压始终是输入电压的峰值[2]。

3.5 电源电路

因为7805稳压芯片需要输入7～12V的电压才能稳定输出5V，所以接入5節电池。其中，D1为一个肖特基二极管，用于防止电源反接[3]。S1为电源键，键按下，使场效应管接通，D2为接通电源的指示灯，经电容滤波后接入7805稳压，输出一个+5V的电压。

ME7660是一款DC/DC电压反转专用集成电路，芯片能将输入为+1.5V到+10V的电压转化成相应的-1.5V到-10V输出。只需外接两个低耗电容，使用方便。本电源电路中，给ME7660输入+7V的电压，使其输出-7V供给峰值检波电路中的运放使用。电源电路接线如图8所示。

4 系统软件设计

本系统的软件流程由主程序，DS1302子程序，液晶显示子程序、AD转换子程序、按键扫描中断服务程序等构成。系统首先进行初始化，然后AD转换，显示出dB值，利用时钟芯片判断是否为白天，再判断是否超过规定限值，采用国家环境噪声标准，以居住区域为例，白天噪声标准55dB，夜晚45dB，超过则发出报警。如图9所示。

5 系统测试结果

本设计的噪声计的测量范围为30-130dB，分辨率为0.1dB，采用9V电池供电。将一个喇叭接在信号发生器上，给喇叭输入一个1KHz 的正弦波的信号，控制距离或者正弦波幅值为作为变量，记录下实验数据。保持输入的正弦波频率为1KHz，喇叭与噪声计的距离d=30cm不变，改变正弦波幅值，得到数据如表1所示。

由表1数据可知，本设计的噪声计最大引用误差为0.75%，精度等级为1.0级。

6 总结及展望

本环境噪声检测仪主要是基于STC12C5A60S2单片机为控制核心的，同时以噪声监测为主的便携式设备。通过系统测试，在1KHz的频率下，本设计与标准噪声计最大引用误差为0.75%，精度等级为1.0级。本设计中未加入计权网络，在今后的研究中可加入计权网络来调理信号[4]，使系统更加完善。

参考文献：

[1] 屈红艳.我国的环境噪声监测技术现状及发展[J].中国新技术新品，2009（8）.

[2] 刘洪英，史小军.带中断输出的实用峰值检波电路设计[J].电子器件，2003（3）.

[3] 卢颖，赵山山.东北林业大学校园周边环境噪声监测及评价研究[J].林业科技情报，2009.

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

【通联编辑：朱宝贵】