家庭环境噪声检测系统设计与实现大学学位论文.docx
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家庭环境噪声检测系统设计与实现大学学位论文
本科毕业设计(论文)
家庭环境噪声检测系统设计与实现
韩欢
燕山大学里仁学院
2014年6月
本科毕业设计(论文)
家庭环境噪声检测系统设计与实现
学院:
里仁学院
专业:
电子信息工程
学生姓名:
韩欢
学号:
101308061137
指导教师:
胡正平
答辩日期:
2014.6.21
燕山大学毕业设计(论文)任务书
学院:
里仁学院系级教学单位:
电子工程系
学
号
101308061137
学生
姓名
韩欢
专业
班级
电子信息工程10-3班
题
目
题目名称
家庭环境噪声检测系统设计与实现
题目性质
1.理工类:
工程设计(√);工程技术实验研究型();
理论研究型();计算机软件型();综合型()
2.文管理类();3.外语类();4.艺术类()
题目类型
1.毕业设计(√)2.论文()
题目来源
科研课题()生产实际()自选题目(√)
主
要
内
容
设计一个家庭噪声检测系统,要求应用射频技术,结合传感器技术,对家庭环境中噪声强度进行数据采集,由移动终端进行数据处理后通过无线通信技术传输给控制中心,控制中心将接收的噪声强度显示在液晶屏上,并实现是否超限报警功能。
基
本
要
求
[1]熟悉单片机电路设计的基本原理。
[2]熟悉单片机设计方法,实现硬件软件设计。
[3]给出硬件、软件设计结果。
参
考
资
料
[1]杨欣电子设计从零开始,清华大学出版社,2005。
[2]吴飞清单片机原理与应用实践指导,机械工业出版社,2008年。
[3]网上资料:
中国期刊网;学位论文数据库;google、XX网上搜索工具。
[4]凌阳大学计划网上资料,包括单片机教程以及相关论坛。
周次
第1~4周
第5~8周
第9~13周
第14~15周
第16~17周
应
完
成
的
内
容
收集资料
熟悉课题
内容
设计思路
电路设计与调试
电路设计、分析、调整、以及优化
实验结果整理及其总结
论文书写
课题总结
答辩
指导教师:
胡正平
职称:
教授2014年2月28日
系级教学单位审批:
2014年3月10日
摘要
随着社会经济的发展,家庭生活水平不断提高,人们对家庭生活环境休息舒适度的要求变得越来越高,但城市快速发展所带来的家庭噪声污染日益严重,影响人们的生活和休息。
对于这种现状,我们需要了解家庭噪声的基本情况,而科学检测是最行之有效的方法。
因此,如何检测家庭环境中噪声强度成为亟待解决的重要问题。
课题设计基于单片机的无线噪声检测系统。
系统采用单片机检测家庭环境中的噪声信息,并通过无线通信与控制中心进行数据传输。
该系统包括硬件电路、软件编程两部分。
硬件电路以STC12C5A60S2单片机与无线传输模块NRF24L01为核心,应用声音传感器,液晶显示屏LCD1602,实现对家庭噪声值数据采集、无线发送和显示,控制中心判断是否超限报警。
采用ProtelDXP软件绘制电路图,KeilC软件编写控制程序,编译生成目标文件,通过STC-ISP下载到单片机运行调试。
实验结果表明,系统硬件设计正确,符合预定任务要求,可以实现家庭环境中噪声强度的测量功能。
关键词 噪声检测;噪声传感器;无线传输;单片机
Abstract
Alongwiththedevelopmentofsocialeconomy,familylifelevelunceasingenhancement,people'scomfortoffamilylifeenvironmentisbecomingmoreandmoredemanding,butcityfamilynoisepollutionbroughtbytherapiddevelopmentofcityincreasinglysevere,affectingpeople'slivesandrest.Sothatweneedtoknowthebasicconditionofthefamilynoiseandscientificdetectionisthemosteffectiveway.Therefore,howtodetectnoiseintensityinafamilyenvironmenthasbecomeanimportantproblemtobesolved.
Thispaperdesignsanoisedetectionsystembasedonsinglechipmicrocomputerthroughwirelesscommunication.Systemadoptssingle-chipmicrocomputerdetectingthenoiseinformationinthehomeenvironment,andcommunicateswithcontrolcenterbywirelessway.Thesystemincludestwopartsofthehardwarecircuitandsoftwareprogramming.HardwarecircuitwithSTC12C5A60S2microcontrollerandwirelesstransmissionmoduleNRF24L01asthecore,usethesoundsensorandLCDdisplayLCD1602torealizethefamilynoisevaluedataacquisition,wirelesstransmissionanddisplay,andthecontrolcenterdetermineswhetheralarmformorethanthelimit.Drawcircuitdiagram,usingProtelDXPsoftwarewhilewritecontrolprogramusingKeilCsoftwaretocompilethegeneratedobjectfiles,whichwasdownloadtothesinglechipmicrocomputerthroughSTC–ISPforrunninganddebugging.Theexperimentalresultsshowthatthesystemhardwaredesigniscorrect,conformtotherequirementsofthescheduledtask,canachievethefunctionoffamilyenvironmentnoiseintensitymeasurement.
KeywordsNoisetesting,Sensornoise,Wirelesstransmission,Singlechipmicrocomputer
第1章绪论
1.1课题背景
1.1.1选题意义
声音使这个世界变得更加美妙,悦耳的声响总是能够带给人美的享受。
但是,当声音在人们不需要时出现,就变得不再美妙,而是成为让人厌烦的噪声。
在这个生活节奏越来越快的现代化社会中,噪声已几乎充斥于世界的每个角落。
即使是躲在家里,也存在噪声,临街卧室中车来车往的声音;隔壁家的悄悄话;卫生间下水管的水声等。
通常情况下,影响人们正常生活,包括学习,休息和工作的声音,即某一区域内不被人类所需要的声音都可以称为噪声。
当噪声强度超过人们所能承受的程度,严重干扰了人类正常的生活和生产活动,就形成噪声污染[1]。
环境噪声污染严重时甚至影响人们的身体健康。
噪声对人体最直接的危害就是造成听力损害,它可能使人短时间失聪,长期处于噪声污染严重的环境中的人还可能永久性失聪,这种病症称为噪声性耳聋;另一方面,噪声还会影响人的睡眠质量,强烈的噪声会导致人无法安然入睡,让人心情烦躁。
许多证据表明,噪声会引起人体心理和生理上的许多不良反应,还会影响胎儿的生长发育和儿童的智力发展。
正是由于这种种危害,目前噪声已经成为世界性四大环境公害之一。
家庭是人们活动的最主要场所,据统计,人的一生中至少有一半时间是在家庭中渡过的。
从每个人所处不同位置的时间长短来考虑,居室内噪声强度对人的影响起着举足轻重的作用。
而且从人的心理需求方面看,工作劳累一天之后,人们总希望有一个安静舒适的家庭环境以便充分地休息和消除疲劳,因此研究如何检测和控制家庭环境中噪声强度对人们的身心健康无疑具有重要意义。
控制家庭环境噪声的前提是研究家庭环境中噪声强度,而研究家庭环境中噪声强度最科学的手段就是对家庭环境噪声进行检测。
环境检测是环境科学的一个重要分支。
广义上,是在一定时期内对环境因子进行重复测定,追踪其变化;狭义上,是对环境进行定期测定,作为判断环境是否达到标准以及评价环境管理和环境控制系统效果的依据。
家庭环境噪声检测是人们认识家庭环境噪声、评价家庭环境噪声,制定和执行家庭环境噪声标准,进行家庭环境决策的主要依据,是实现家庭环境管理科学化的基础,是家庭环境保护工作的重要组成部分。
只有实现对噪声强度的准确测量,才能够完成对噪声强度的控制和防止噪声污染。
1.1.2国内外研究动态
目前发达国家生产的噪声检测系统,可以不间断的对噪声实施检测,不仅能够检测白天的噪声强度,而且可以检测夜间的噪声强度,甚至,能够实现对任意时段任意位置的噪声进行检测,其所得到的监测数据是连续的,因而更加准确。
如今,国外一些发达国家对噪声检测的研究主要汇聚在两个方面:
一是在不特意建立噪声自动检测系统的前提下,如何实现对噪声的准确测定;二是在已经测得的噪声数据中如何获取更多的有用信息。
最近,发达国家在噪声检测系统的研究中取得一些重大进展。
通过使用ACF和IACF分析方法,KenjiFujii等人对各种类型的噪声源(如汽车的鸣笛声、人的呐喊声等)建立了相应的模型,在此模型的基础上,利用噪声自动检测系统测得的数据就能判断出产生这些噪声的声源类型,这对防治噪声污染有重要意义。
通过进行实地调查和实验,JinYongJeon等人使用多重回归分析方法,建立了把多种不同类型的单个声源结合在一起综合评定噪声强弱的模型,这对准确地从人类主观感受评价噪声强度有重要意义。
另一研究方向是如何降低噪声自动检测的成本,SilviaSantini等人正在研究是否可以使用普通手机的听筒来对环境噪声进行自动检测。
整合目前的研究成果,他们得出的结论是,通过编写一些在手机上可以应用的噪声处理软件,便可以把手机听筒作为噪声检测的终端,且效果并不比专业声级计差。
这项研究成果如能投产,将大大促进噪声自动检测事业的发展[2]。
至今为止,我国在噪声自动检测方面的研究主要集中在以下几个方面:
(1)研究城市噪声的组成;
(2)如何优化噪声自动检测系统的结构;(3)如何合理安排噪声自动检测系统各检测点的设定;(4)如何用最少的时间有效测定噪声值;(5)如何整合处理噪声检测系统所测得的数据。
在许多前辈学者辛勤劳作下,我国终于初步建立了一套完整的环境噪声检测系统,具备了对环境噪声进行常规监测的能力。
但仍有很多不完善的地方,技术的不成熟和仪器的不稳定,完全不能够满足日益强化的对环境噪声进行管理的需求,与发达国家相比存在一定差距。
我国监测频次低,数据代表性差。
人们的生产活动严重影响噪声污染水平,而且噪声污染程度在一年四季中存在很大的差异,一年一次的测量完全不能够反映某一地区噪声水平。
但由于测量设备和测量人员等多种因素的影响,目前还是不能够大幅度提高测量的频率。
另一方面监测点位多,浪费人力物力。
噪声信号的空间分布是不连续的,只有采用多点抽样法测量,才能较为真实地反映一个区域的噪声平均污染水平。
然而,目前使用的监测仪器都是便携式,需要监测人员到现场测量。
如此繁琐而简单的工作耗费了监测技术人员大量的精力,致使噪声检测只停留在简单的数据测量阶段,而无法进行更深层次的分析和评价,导致我国环境噪声检测水平的滞后。
1.2研究内容及方案
1.2.1研究内容
本课题研究的基本内容是设计一个适用于家庭的噪声检测系统,完成对家庭环境中噪声强度的测量,为家庭环境噪声测量提供一个价格低廉,方便实用的系统。
本系统能够实现的基本功能包括:
噪声测量,无线传输,显示噪声值,超限报警等。
要实现对噪声强度的测量和传输,本系统至少应包括发送端和接收端两个部分,以下将分别介绍这两个子系统应该完成的任务和所能够实现的功能。
发送端使用噪声传感器对家庭中的某个房间噪声强度进行不间断测量,将噪声强度转化为一个能够代表其大小的电量值,经放大器电路放大以便进行后期处理,再使用AD转化器对噪声传感器所采集的模拟量转换成数字量,以实现与单片机系统的兼容,单片机将该数字量同时传送给液晶显示器和无线传输模块,液晶显示器将代表噪声强度的数值显示出来以实现与人的交互,无线传输模块将单片机送来的一组一组代表噪声强度的数据通过无线的方式发送出去。
接收端不间断的检测和接收来自发送端的信号,经过处理后将代表噪声强度的数值传送给接收端的单片机,单片机首先判断其大小是否超过预定值,若超过便启动报警器,并将其值在液晶显示器上显示,若没有超过,便只显示而不报警。
通过分析,本次设计需要解决的问题包括:
(1)采用何种噪声传感器测量噪声强度,系统使用带有迷你麦克和专业放大芯片LM386的噪声传感器模块完成对噪声值的测量,该模块输出范围为0~5V的模拟电压值,代表噪声强度;
(2)如何完成对测量值的模数转换,本次设计所采用的单片机为STC12C5A60S2单片机,该单片机内部集成了一个具有8路输入的AD转换器,使用单片机自带的AD转换器即可完成对测量值的模数转换。
如此,便可减少系统所用芯片的数量,简化系统结构;(3)如何完成测量数据的无线传输,本系统采用NRF24L01无线传输模块,该模块与单片机具有很好的兼容性,且通信距离远,传输效率高。
1.2.2设计方案
实现对家庭环境噪声的检测有两种设计方案,基于Zigbee技术的家庭无线噪声检测系统和基于单片机的家庭无线噪声检测系统,下面分别介绍这两种方案。
基于Zigbee技术的家庭无线噪声检测系统主要由噪声传感器节点、网关节点和监控终端3个部分构成[3]。
在房间中部署多个无线噪声传感器节点,噪声传感器节点负责采集监测环境噪声强度数据。
通过星形的网络架构组织本系统中各个节点与网关节点,各传感器节点将采集到的信息直接传输给网关节点。
网关节点是网络内数据的汇聚节点,具有一定的数据融合能力,同时用它来连接无线传感器网络与监控终端。
监控终端将接收到的来自网关节点的数据进行汇总和分析,并记录该房间噪声强度,当房间噪声强度超出预定值时,启动报警器。
基于单片机的家庭无线噪声检测系统主要以STC12C5A60S2单片机和NRF24L01无线传输模块为核心,分为发送端与接收端两部分。
发送端应用噪声传感器采集噪声强度信息,在单片机内部进行AD转换,通过无线发送模块将噪声强度信息传输到接收端,接收端主要负责显示接收到的噪声强度并判断是否超限报警[4]。
此系统工作过程中比较稳定,易于实现。
为减少成本和缩小系统体积,本次设计采用基于单片机的噪声测量系统。
要实现对噪声强度的测量和传输,本系统至少应包括发送端和接收端两部分,为了便于实现,应用生产实习制作的单片机板,外接噪声传感器模块便可以完成基于单片机的无线噪声检测系统。
1.3论文结构
第1章为绪论,阐述课题研究背景和意义,讨论课题研究的主要内容以及课题研究方法和设计方案。
第2章为系统硬件电路设计方案,阐述系统硬件电路的总体设计方案,各模块的设计方案以及所用电子器件的内部结构和工作原理。
第3章为系统软件程序设计方案,阐述系统软件总体设计方案,软件编写思路以及各函数之间的协调关系。
第4章为系统调试和结果分析,阐述系统硬件和软件调试过程中采用的方法和遇到的问题及其解决方案,系统的结果分析等。
第2章家庭噪声检测硬件电路系统设计
2.1硬件系统整体设计
本课题目标是对家庭环境噪声强度进行检测,该系统完成要求包括能够测量家庭环境中噪声强度,并显示噪声强度值;通过无线方式将测得的数据传输给控制中心;噪声超过预定值,系统能够报警提示。
为了完成任务要求,本次设计方案整体系统包括发送端子系统和接收端子系统。
发送端子系统主要包括数据采集模块,发送端控制模块,显示模块和无线传输发送模块;接收端子系统主要包括无线传输接收模块,接收端控制模块,显示模块和报警模块。
数据采集模块采用集成噪声传感器和放大电路的噪声传感器模块完成对噪声值的测量,该模块中包含采集噪声的迷你麦克,它能够用一个电压的大小反应出周围环境中噪声的大小,由于该电量值一般在mV级,太小而不适合进一步处理,故在该模块内部集成了一个专业的音频放大电路,其输出范围在0~5V,适合进一步处理。
由噪声传感器模块所测得的噪声值是在时间和幅值上均连续的模拟量,不适于单片机系统,故需要对其进行模数转换,数字量才能够在单片机系统中传输、处理。
本次设计采用STC12C5A60S2单片机作为控制模块的主控芯片,由于该单片机内部已经集成了一个具有8路输入的高速模数转换器,为简化系统和降低成本,将使用单片机完成对所测量值的模数转换,并将转换后的数字量同时传送给显示模块和无线传输模块。
显示模块采用LCD1602液晶显示器完成对噪声强度值的显示,将来自单片机的数据在液晶屏上显示出来。
无线传输模块采用NRF24L01无线传输模块完成数据的传输,无线传输发送模块将数据采集模块的数据以无线的方式不停的发送出去,无线传输接收端不间断接收来自发送端的数据,并传送给接收端控制模块,控制模块的主控芯片STC12C5A60S2单片机判定噪声强度是否超过预定值,若超过便启动报警模块进行报警,报警模块采用最简单的蜂鸣器完成报警任务。
本次设计的系统整体框图如图2-1所示,由此图可见本系统分为发送端子系统和接收端子系统。
发送端子系统包括噪声数据采集模块、单片机控制模块、无线数据发送模块、液晶显示模块、复位模块和电源供电模块;接收端子系统包括单片机控制模块、液晶显示模块、报警模块、无线数据接收模块、复位模块和电源供电模块。
●发送端子系统
●接收端子系统
图2-1系统整体框图
2.2噪声数据采集模块
本模块采用噪声传感器完成对家庭环境中噪声强度的测量,该噪声传感器模块主要包含驻极体电容式话筒和LM386音频放大电路。
驻极体话筒作为噪声传感器,主要完成非电量到电量的转换,输出一个能够代表噪声强度的电压值。
LM386音频放大电路主要负责对驻极体话筒的输出电压值进行放大等初步处理,以下将分别介绍驻极体话筒和LM386音频放大电路的特点和工作原理等。
2.2.1驻极体话筒
驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点,广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中,属于最常用的电容话筒,它不仅能够用来测量声音强度,也可以作为声音输入端,完成录音的功能,其外观如图2-2所示。
图2-2驻极体话筒
1.驻极体话筒内部结构和工作原理
驻极体话筒主要由声电转换和阻抗转换两部分组成,其内部结构如图2-3所示,前半部分为声电转换部分,后半部分为阻抗转换部分。
图2-3驻极体话筒内部结构
声电转换的关键元件是驻极体振动膜,其基本结构由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极(称为背电极)构成。
驻极体面与背电极相对,中间有一个极小的空气隙,形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质,以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极的平板电容器。
背电极和驻极体薄膜上分布有等量且总数不变的自由电荷。
声波会引起驻极体薄膜振动而改变电容两极之间的距离,从而引起电容的容量发生变化。
声音的强度越大,声波的振动幅度越大,引起电容两极间距离的变化越大,电容的容量变化越大。
由于驻极体上的电荷数始终保持恒定,根据公式Q =CU可知,当C变化时必然引起电容器两端电压U改变,从而输出电压信号随着声音强度的变化而改变,实现声电的转换。
驻极体膜片与金属极板构成的电容器的电容量很小,一般为几十pF,输出的电信号极为微弱,而它的输出阻抗值很高,约几十兆欧以上,这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的,所以必须连接一个阻抗变换器。
通常使用在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管作为阻抗变换器,内部电气原理如图2-4所示,这里接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。
电容器的两个电极接在栅源极之间,电容两端电压既为栅源极偏置电压
,
变化时,引起场效应管的源漏极之间
的电流变化,实现了阻抗变换,一般经阻抗变换后话筒输出电阻小于2千欧。
图2-4驻极体话筒电气原理
2.驻极体话筒的输出电路
驻极体话筒输出电路如图2-5所示,话筒引出端分二端式和三端式两种。
二端输出方式是将场效应管接成漏极输出电路,类似晶体三极管的共发射极放大电路,只需两根引出线,漏极D与电源正极间接一个漏极电阻R,信号由漏极D经电容C输出,源极S与编织线一起接地。
漏极输出有电压增益,因而话筒灵敏度比源极输出时要高,但电路动态范围略小。
目前市售的驻极体话筒大多是这种连接方式,本设计采用的话筒正是这种输出方式。
三端输出方式是将场效应管接成源极输出方式,类似晶体三极管的射极输出电路,需要用三根引线。
漏极D接电源正极,源极S与地之间接一个电阻R来提供源极电压,信号由源极经电容C输出。
编织线接地起屏蔽作用源极输出的输出阻抗小于2K,电路比较稳定,动态范围大,但输出信号比漏极输出小。
三端输出式话筒目前市场上比较少见,实际共有4种接线方式,如图2-5所示,若电源为正极接地时,只须将D、S对换一下,仍可成为两端输出或者三端输出,R的大小要根据电源电压大小来决定。
图2-5驻极体话筒输出电路
2.2.2音频功率放大器
LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器,具有自身功耗低、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,广泛应用于录音机,收音机和声控电路之中。
1.LM386的引脚说明
LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式,本设计采用双列直插式封装的芯片,其各引脚及功能简介如图2-6所示。
图2-6LM386引脚功能图
2.LM386的内部电路及放大原理
图2-7LM386内部电路图
LM386的内部电路如图2-7所示,第一级为差分放大电路,VT1和VT3、VT4和VT2分别构成复合管,作为差分放大电路的放大管;VT5和VT6组成镜像电流源作为VT3和VT4的有源负载;VT1和VT2信号从管的基极输入,从VT4管的集电极输出,为双端输入单端输出差分电路。
使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载,可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电路的增益。
第二级为共射放大电路,VT7为放大管,恒流源作有源负载,以增大放大倍数。
第三级中的VT8和VT9管复合成PNP型管,与NPN型管VT10构成准互补输出级。
二极管VD1和VD2为输出级提供合适的偏置电压,可以消除交越失真。
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- 家庭 环境噪声 检测 系统 设计 实现 大学 学位 论文