音频检测论文.docx

摘要环境噪声监测，是人类提高生活质量，加强环境保护的一个重要环节，在各大城市的繁华街区和居民区，已有大型环境噪声显示器竖立街头。此次设计主要是以MCS89C51单片机为核心的音频检测系统的设计。电容驻极式话筒以传感器的原理工作的，话筒在接收噪音后，将声音信号转换成电信号输出，再通过硬件电路：信号的放大、滤波和A/D转换电路和软件程序的控制来完成声音频率的检测功能。检测出的声音频率经过LED数码管显示，此次设计的音频检测系统具有低成本、便携、可数字显示环境噪声等优点。可广泛应用于工矿企业、机关学校等需要对环境噪声进行测量和控制的场合。关键词：音频检测、单片机、传感器、A/D转换、数码管ABSTRACTEnvironmental noise monitoring, is the human improve the quality of life, strengthen environmental protection is an important link of the bustling block in the major cities and residential areas, there have been large environmental noise display stands in the streets. This design mainly MCS89C51 MCU as the core of audio detection system design. Capacitance in A microphone with sensor principle of work, the microphone after receiving the noise, the voice signal into electrical signal output, and then through the hardware circuit, signal amplification, filter and the design of the A/D conversion circuit and software program to complete the voice frequency detection. To detect the voice frequency through the LED digital tube display, the design of the audio test system with low cost, portable, digital display the advantages of environmental noise. Can be widely used in industrial and mining enterprises, schools and so on need to measure and control of environmental noise.Keywords: audio detection, single-chip computer, sensor, A/D conversion, digital tube目录摘要IABSTRACTII1概述- 1 -2课程设计目的任务及要求- 2 -2.1设计目的- 2 -2.2设计任务- 2 -2.3设计要求- 2 -3音频检测系统设计- 3 -3.1设计思想- 3 -3.2整体结构设计- 3 -3.3系统单元模块设计- 4 -3.3.1传感器选择方案- 4 -3.3.2二级放大电路- 6 -3.3.3典型二阶带通滤波器电路- 7 -3.3.4显示电路的选择与设计- 9 -3.4系统整体电路图- 10 -4软件设计- 12 -4.1单片机测频原理- 12 -4.2程序设计分析- 12 -5系统仿真与调试- 14 -5.1 Keil C51软件调试- 14 -5.2 Proteus软件仿真- 15 -6总结- 16 -参考文献- 17 -1概述目前国内的便携式噪声测试仪，多为价格昂贵的进口专用设备，除卫生、计量等环保专业部门拥有外，无法作为民用品推广普及。本文介绍一种以89C51单片机为核心，采用A/D转换技术构成的低成本、便携式数字显示环境噪声频率测量系统图。该系统工作稳定、性能良好，经校验定标后能满足一般民用需要，可广泛应用于工矿企业、机关学校等需要对环境噪声进行测量和控制的场合。音频检测还可用于对各种工业零部件和产品进行有效地检测和测试，并用来评价其完整性、安全可靠性等性能指标，它是检验质量、改进工艺、保障设备安全性的重要手段。利用音频原理的检测技术有很多种，按声源发生方式分主动式和被动式，按照参数识别方式分为振幅和频谱两种。从音频检测的各个声音参数中可以提取相关的故障信息，包含工件的缺陷类型、大小、位置和变化趋势等特性信息，对缺陷的反映具有真实性和实时性，因而适用于成品及半成品工件的在线快速检测，除噪音外对其它环境条件要求不高。例如纵向振动、弯曲振动和扭转振动产生的振动频率各自不同，即使同一物体因为振动方式的不同有几种不同的振动频率，但在一定的条件下其基频和谐波频率固定不变，噪声的传播途径主要以空气声和固体声两种形式出现，空气声是指从空气中传递到音频检测系统的噪声，固体声是指音频检测系统或其他设备与音频检测系统振动经由机械机构传递到仪器，并通过机械薄壁振动而产生的噪声。2课程设计目的任务及要求2.1设计目的学过过程检测及仪表技术课程后，已初步了解了常用过程检测仪表的工作原理、特点等理论知识，但还缺乏实际设计应用的能力。此次课程设计音频检测系统设计，一种具有简单识别音频参数的共振频率和内耗值的二合一系统，适合在宾馆、商场等公共场所和喧闹街路口的闹声测量，特别适合于检测金属内部裂纹及钢铁组织含量。通过课程设计能从中学会从工程角度思考问题，熟悉本专业领域的仪器仪表系统设计，学会过程检测系统各环节的组合作用，学会对仪表的正确接口、信号调理、线性化、校准及常用的报警方法。2.2设计任务1）设计一种音频检测系统，它能够检测周围声音的变化。2）检测音频信息两个音频参数及输出格式：共振频率（. kHz），内耗值：（. 10-4）3）音频检测有效距离：10mm左右就能正常工作。4）所设计系统应价格非常低廉，便于普及和大量生产。5）如果换成可录放语音电路，或者和其他电路组合可以实现其他用途。6）利用PROTEUS等软件仿真，得出主要信号输入输出点的波形，根据仿真结果验证设计功能的可行性、参数设计的合理性；给出系统整机电路图（利用PROTEL软件做出原理图SCH文件和PCB文件）。7）完成课程设计报告。2.3设计要求 1）按任务书要求查阅传感器资料。2）重点学习一种声音传感器（建议采用驻极体话筒）的内部结构原理，考虑如何用普通SPEAKER仿制和用PROTEUS仿真。3）LED数码管（最好采用LCD）的使用方法。3音频检测系统设计3.1设计思想音频检测系统设计思想如图3-3所示。首先有信号激发时，话筒接收到音频信号变换的输出电压发生变化，电压信号经过放大器得到提高，经过滤波电路，由内部运算处理电路得到稳定可靠的电压值，然后由显示驱动数字化处理，最后LED或LCD实现数字显示。传感器选择信号 放大信号滤波与整形显示驱动电路LED或LCD数字显示图3-1 音频检测系统设计思想3.2整体结构设计音频检测系统的整体设计如图3-2所示，该电路原理如下： 音频检测系统由激励源，传感器，测频电路，数据处理电路及LED显示输出六部分组成。整个系统以AT89C51单片机为核心，按模拟和数字电路分为两个模块。图3-2 音频检测系统整体设计结构当电磁激励系统对弹体施振时，振动的声波在弹体内传播。传感器接收到音频载波信号并将其转换为电压信号，经过一级放大后，送入滤波电路进行带通滤波。滤波放大后的音频信号分成两路传送，一路经二级稳压放大把滤波后有很大衰减的信号控制在5.5V，然后送入数据处理系统进行数据处理；另一路将音频载波信号送入测内耗电路。测内耗电路主要由检波电路和电压比较器构成，有检波电路检出音频信号的包络线，再经过上限和下限电压比较电路比较，由异或电路控制选通，送入计算机进行数据处理，最后由打印机和LED数码显示输出。3.3系统单元模块设计3.3.1传感器选择方案音频检测系统的传感器选择有2种方案，一种是驻极体电容话筒，另一种是电磁感应话筒。滤波电路建议采用二阶带通滤波方案，设计该系统。1）驻极体电容话筒驻极体话筒简称ECM，通称MIC（Microphone），是一种常用的能将声音信号转换成电信号的声电转换器件。它的突出特点是体积小、重量轻、结构简单、使用方便、寿命长、频响宽、灵敏度高，且价格也比较低廉。因而被广泛应用于盒式录音机、无线话筒及声控开关等电子电路中。图3-3 驻极体电容话筒工作原理图驻极体话筒的核心器件是驻极体振动膜。它实际上是一种经永久性极化处理的电介质。其制作原理是，将一片极薄的塑料膜片的一面蒸发上一层纯金薄膜，然后将其置于高压电场之下驻极，使两面分别驻有能长期保持的异性电荷。膜片的蒸金一面向外，与金属外壳相连通，膜片的另一面与金属极板之间用很薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间便形成了一个电容。当驻极体膜片受到声波作用而振动时，就引起电容两端的电场发生变化，从而产生随声波变化的交变电压信号。驻极体的输出阻抗值很高，约几十兆赫以上。因此，使用时不能直接与音频放大器匹配，需加一级阻抗变换器，将高阻抗变为几百欧或几千欧的低阻抗。通常在驻极体话筒产品内部加装有由低噪声结型场效应管构成的阻抗变换器，形成三端话筒。图3-4驻极体话筒结构外形和电路符号图3-4是驻极体话筒的实物结构分解、接线、外形和电路符号。三端驻极体话筒应用电路有两种接法，分别可接成源极输出或漏极输出方式。不少驻极体话筒产品内部没有加装场效应管，两个输出接点可以任意接人电路，但最好把接外壳的一点接地，另一点接人由场效应管组成的高阻抗输入前置放大器。在选用驻极体话筒时，重点应注意其灵敏度的高低。驻极体话筒的灵敏度通常用白、蓝（绿）、黄、红等色点来分挡，白点灵敏度最高，红点最低。有的话筒则以防尘罩的相应颜色来表示灵敏度，也有的用与型号有明显区别的A、B、C等字母表示，A为最低灵敏度，顺序逐次类推。国产驻极体话筒的典型产品有CRZ2-9、CBZ2-11和ZCH-12等型号。其中CRZ2-9的外形尺寸为1.519（mm），引出线使用的是屏蔽线，为两端引线方式，屏蔽层是正极。它的电压灵敏度为0.5mV/mPa，频响范围为5010 000Hz，输出阻抗为1k。驻极体话筒的检测包括电阻测量和灵敏度测量。电阻测量时，将万用表置于R100或R1k挡，红表笔接驻极体话筒的芯线或信号输出点，黑表笔接引线的金属外皮或话筒的金属外壳。一般所测阻值应在5003k范围内。若所测阻值为，则说明话筒开路，若测得阻值接近0，则表明话筒有短路性故障。如果阻值比正常值小得多或大得多，都说明被测话筒性能变差或已经损坏。灵敏度检测方法是：将万用表置于R100挡，将红表笔接话筒的负极（一般为话筒引出线的芯线），黑表笔接话筒的正极（一般为话筒引出线的屏蔽层），此时，万用表应指示出某一阻值（例如1k），接着正对着话筒吹一口气，并仔细观察指针，应有较大幅度的摆动。万用表指针摆动的幅度越大，话筒的灵敏度越高，若指针摆动幅度很小，说明话筒灵敏度很低，使用效果不佳。若吹气时发现指针不动，可交换表笔位置再次吹气试验，若指针仍然不摆动，则说明话筒已经损坏。另外，如果在未吹气时，指针指示的阻值便出现漂移不定的现象，则说明话筒稳定性很差，这样的话筒是不宜使用的。对三端驻极体话筒，只要正确区分出三个引出线的极性，将黑表笔接正电源端，红表笔接输出端，接地端悬空，采用上述方法仍可检测鉴定话筒的性能优劣。2）电磁感应话筒话筒是把声音转变为电信号的装置，图3-5是动圈式话筒构造原理图，它是利用电磁感应现象制成的，当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动，音圈在永久磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向都变化，变化的振幅和频率由声波决定，这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。图3-5话筒工作原理图电磁感应定律是因磁通量变化产生感应电动势的现象，闭合电路的一部份导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应。产生的电流称为感应电流。3.3.2二级放大电路由于音频脉冲激振器激励工件后经传感器传出的信号是微弱信号，一般是毫伏级甚至是微伏级的微弱信号，不能直接进行测量，因而需要这些信号放大并经标准化处理，使之成为0-5V电压或4-20mA电流。目前的信号放大电路可采用集成运放电路，但随着电子技术的发展，有越来越多的高性能的运算放大器可供选择，要求更高的还可以采用仪表放大器、复合放大器和高性能运算放大器。放大电路根据所选用的集成运算放大器的不同可分为仪用放大电路，复合放大电路和高性能运算放大电路。而最有用的也是最常用的放大电路仪用放大电路，它又分为基本差分输入仪用放大电路、缓冲差分输入仪用放大电路、可变增益差分输入放大电路，以及具有差分输入前置放大级的仪用放大电路。图3-6 二级放大电路放大电路部分如图1.2所示为二级放大电路，第一级放大倍数为 30倍，第二级放大倍数为10倍，合计为300倍，因为通过传感器所得到的音频信号相当微弱（为mv级）所以要经过二级放大。3.3.3典型二阶带通滤波器电路电路如图3-7所示。这是一个利用单电源放大器8FC7构成的二阶带通滤波器。电路采用单电源供电，电源电压330V。图3-7 单电源低电压带通滤波器电路各元件参数选择： 电容C（C=C1=C2）依中心频率f0按表3-1选择：表3-1 电容量与频率的关系F0 (Hz)11010102102103103104104105105106C （F）20110.10.10.0110-210-310-310-410-410-5 Q值是代表选频特性的一个参数，Q值越高，带通越窄。当Q=10时，可得到每10倍频程-40dB的频率响应特性。Q值大，电路稳定性差。一般选择Q小于10。 闭环增益GF一般选择小于1。 电阻R1、R2、R3计算式如下： (1-1) (1-2) (1-3)其中。 R4、R5为运放同相输入端偏置电阻。阻值可取20k。本电路图中的元件参数值是在f0=10KHz，Q=5，GF=0.6的条件下计算出的。图3-8 幅频分布图选择中心频率f0=10KHz，f1、f2是中心频率f0衰减3dB得到的，由上表可查出C=C1=C2=10-3F，经计算可得：B=f2-f10=62.83 kR1=133 kR2= 319R3=159 k 3.3.4显示电路的选择与设计对于数字显示电路，通常采用液晶显示或数码管显示。对于一般的段式液晶屏，需要专门的驱动电路，而且液晶显示作为一种被动显示，可视性差，不适合远距离观看；对于具有驱动电路和单片机接口的液晶显示模块，一般多采用并行接口，对单片机的接口要求较高，占用资源多；另外，AT89S52单片机本身没有专门的液晶驱动接口。而数码管作为一种主动显示器件，具有亮度高、响应速度快、价格便宜、易于购买等优点，而且有远距离视觉效果，很适合夜间或者远距离操作。因此在本设计中，我们采用7段数码管作为显示介质。数码管显示总体框图如下：图3-9 数码管显示总体框图数码管显示可以分为静态显示和动态显示两种。如果静态显示，频率测量结果经过译码,通过89C51 的串行口送出。串行口工作于模式0 ,即同步移位寄存器方式。这时从89C51 的RXD(P3. 0) 输出数据,送至串入并出移位寄存器74164 的数据输入口A 和B ;从TXD( P3. 1) 输出时钟,送至74164 的时钟输入口CP。74164 将串行数据转换成并行数据,进行锁存。74164 输出的8 位并行数据送至8 段L ED ,实现测量数据的显示。使用这种方法主程序可不必扫描显示器,从而单片机可以进行下一次测量。动态驱动是将所有的数码管的8个显示笔画“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，另外每个数码管中的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控制显示。P0口加上拉电阻，才能正常输出“0”和“1”电平，保证P1端口所接的LED数码管能够正常显示数字，和软件相配合来驱动数码管显示。数码管的内部结构图如图3-10所示：图3-10 数码管的内部结构与引脚图数码管的外部结构图，如图3-11 所示。图3-11 数码管的外部结构图3.4系统整体电路图环境噪声的硬件结构图和显示电路如下所示：图3-12 噪声的硬件结构图图3-13频率显示电路图4软件设计4.1单片机测频原理系统用MCS89C51单片机作为主控制芯片。软件设计流程图如图4-1所示。程序见附录。脉冲数定时测频法是记录在确定时间Tc内待测信号的脉冲个数Mx，则待测频率为： f=Mx/ Tc 4.2程序设计分析 T0 实现50ms定时： 采用12 MHz的晶体振荡器的情况下，一秒的定时已超过了定时器可提供的最大定时值。为了实现一秒的定时，采用定时和计数相结合的方法实现。选用定时计数器T0作定时器，工作于方式1产生50 ms的定时，定时完成所得的计数值乘以20即为所测信号频率。T1计数部分:将定时器计数器的方式寄存器TMOD，用软件赋初值51H，即01010001B。这时定时器计数器1采用工作方式1，方式选择位CT设为1，即设T1为16位计数器。定时器计数器O采用工作方式1，CT设为0，即设TO为16位定时器。计算计数初值：设计数初值为m，本设计采用12 MHz的晶振。机器周期=12(1晶振频率)，得等式。所以计数初值m=15536。当定时器计数器T1设定为计数方式时，其计数脉冲是来源T1端口的外部事件。当T1端口上出现由“1”(高电平)到“0”(低电平)的负跳变脉冲时，计数器则加1计数。计算机是在每个机器周期的S5P2状态时采样T1端口，当前一个机器周期采样为1且后一个机器周期采样为0时，计数器加1计数。计算机需用两个机器周期来识别1次计数，因而最大计数速率为振荡频率的124。另外，此处对外部事件计数脉冲的占空比(即脉冲的持续宽度)无特殊要求，但必须保证所给出的高电平在其改变之前至少被采样1次，即至少保持1个完整的机器周期。由此可见，从T1口输入脉冲信号，T1可实现对脉冲个数的计数。图4-1软件设计流程图图4-2中断子程序流程图图4-3显示子程序流程图5系统仿真与调试利用仿真来调试电路，已经是现代电子系统设计开发产品的必由之路了。通过仿真可以检查电路的工作点、可以校准仪表、测量误差，获得设计报告所需的一切数据，还可以看到人体感应开关实际输出的效果。我们通过仿真实践，学会常用电子仪器的使用，学会设计检修各种电路的方法。5.1 Keil C51软件调试Keil C51仿真器是一款利用Keil C51的IDE集成开发环境作为仿真环境的廉价仿真器，它可以通过串口将用户程序下载到单片机中，可以通过串口对单片机进行编程。调试的主要方法:1)启动Keil C512）新建一个工程。Project菜单New project,选择好我们要保存的文件夹后，键入First保存。接着弹出CPU类型选择框，我们选择AT89C51,然后点击确定。3）在工程中加入文件。新建一个文件，文件菜单FileNew，我们再选择:文件菜单FileSave As?(另存为)弹出对话框后，文件名框中键入First.c保存。C文件建好了，再把文件加入到工程中去，点击Target前面的+号，右键点击Source Group1然后选择Add Files to Group, Source Group1,选择添加Add。编译运行，检查程序是否有误。Keil软件调试图如图5-1所示：图5-1 Keil软件调试图5.2 Proteus软件仿真在利用Proteus仿真时，要注意仿真与实际结合。在Proteus中需要注意光敏电阻参数的设置与实际光敏电阻的阻值一致，三极管8050，954需要利用相应的三极管代替，语音芯片和喇叭用SPEAKER代替。仿真要具有实际价值。Proteus是一款EDA软件，该软件具有模拟电路仿真，数字电路仿真，单片机以及外围电路组成的系统仿真，RS-232动态仿真，I2C调试器，SPI调试器，键盘和LCD系统的仿真，以及各种虚拟仪器，如示波器，路基分析仪，信号发生器等。调试方法：首先用Keil软件将C编译成的HEX文件，打开Keil软件，新建一个文档，输入C程序，保存成C格式文件，然后新建工程，连接单片机为AT89C51，选择Options for target,选择OUTPUT子菜单，在Creat HEX前打钩，DeBug子菜单中，Settings选择ProteusVSM Simulator,USE前打钩，再次运行文件，成功后在目录下会生成HEX文件，打开Proteus软件，或直接点击DSN文件，双击单片机模板，点击文件夹式样的图标选择对应的HEX驱动文件，然后点击开始进行调试。由示波器输出的频率如下图5-2所示：图5-2输出频率波形图6总结此次课程设计是对本学期所学的过程检测理论知识进行的实际验证。在设计之前，我查阅了许多音频检测的相关资料，对实验设计有很大的帮助。实验时通过发现问题，仔细寻找解决的办法并在老师和同学的帮助下解决了相关问题。从这次试验中我学到了很多知识：1)学会了驻极体话筒和电感式话筒的工作原理及其用途。2）理解了音频检测的设计思想，学会了对设计出的音频检测系统的性能进行分析，找出其存在的缺点。3)利用Keil C51仿真器和Proteus仿真软件可以对设计的软件及硬件电路进行仿真，从而可以知道所设计的系统能否正常工作。4）懂得了测得的模拟信号传给单片机需要加一个A/D转换器，变为单片机可以识别的数字信号。此次课设计使我加深了对音频检测系统设计的理解，软件仿真能力得到了提高，为以后的设计性实验打下基础，进而培养了设计这一方面的兴趣。设计注重的是过程，要在设计过程中善于发现问题，积极思考，查阅相关资料或询问其他人，以更大程度的提高自己的能力。此次设计能够顺利完成特别感谢柏老师的耐心指导，在此表示诚挚的感谢！参考文献1柏逢明.过程检测及仪表技术M.北京国防工业出版社.2010.22 周泽存.检测技术M.北京机械工业出版社.19933 陈杰.传感器与检测技术M.北京:高等教育出版社.2002.5.4康华光电子技术基础数字部分（第五版）M高等教育出版社.2005.7.5阎石.电子技术基础M.北京：高等教育出版社.2006.6付蔚.电子工艺基础M.北京:航空航天大学出版社.2011.5.7 赵晓安.MCS-51单片机原理及应用.天津大学出版社.2001.38 胡学海.单片机原理及应用系统设计M.北京电子工业出版社，20019何立民.单片机高级教程M.北京航空航天大学出版社.2002.8