基于单片机的环境噪声监测仪的设计 - 图文

信息工程学院 基于单片机的环境噪声监测仪的设计

表3-1 传声器的主要技术特性和适用性

主要技术特性和适用性 频率响应 电容式 声压级在±2dB时，频率响应一般为20-7000Hz，亦有达20-18000Hz的 灵敏度 动态范围 （dB） 工作环境要求 0.3-50Mv/Pa 较高者：20-146 较低者：90-184 温度-50-150℃ 相对湿度：<90% 适用性 适用于精密声级计，能与各种带通滤波器配合使用，必须配用前置放大器 因温度变化，准确度影响较大 适用于普通声级计，结构简单，造价低 能在高温下工作，但易受磁场干扰 适用于普通声级计，多用于频率响应，灵敏度、指向性要求低的实验室测量 较高 较窄 较低 较窄 传声器类型 压电式 还较平直 动圈式 不很平直 恒速式传声器的输出电压正比于其运动元件的速度。当入射声波强度不随话音频率变化时，则运动元件的运动速度在运用频带内恒定不变。这类传声器，常见的有动圈式传声器和铝带式传声器。恒幅式传声器的输出电压正比于运动元件的位移幅度。当入射声波强度不变时，该运动元件的位移幅度在运用频带内不变，其产生的电动势不变。这类传声器，常见的有晶体传声器和电容传声器。

下面分别作简要介绍：

动圈式：膜片受声波冲击、带动线圈在磁场中运动产生电流输出。优点：耐用，音色丰满。缺点：近讲效应。（近讲效应：话筒离音源越近，拾取的音量就越大，反之越小，动圈式话筒与口形接近，其音量提升的同时低频成份也随之大大提高。调音台低切功能）。

铝带式：采用一根很轻的波纹形铝合金金属带，悬于磁场，在两磁极之间，声波使金属带震动，做切割磁力线运动而产生电流输出。优点：阻抗低，声音清晰高。缺点：怕风，只限室内使用。

电容式：由膜片和在其后的固定极板构成一个电容器，膜片受振引起电容器的容量发生变化，产生输出电压。优点：运动性好，瞬态特性好，频率响应很宽。缺点：需外供电源。

晶体式：通信设备常用到的传声器类型一般是晶体式传声器。晶体式传声器又称压电式传声器，它是利用晶体的压电效应制成的，化工材料酒石酸钾钠和钛酸钡

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晶体都有较强的压电效应。当晶体的两面受到压力时，在两面间出现正负电荷，产生某一方向的电动势：当受到相反方向的应力时，晶体两面则产生与受压力相反的电荷和电动势。当晶体受到交变声波的作用时，便产生音频电动势。

晶体式传声器按结构的不同可分为膜片式和声电池式两种。膜片式传声器价格低廉、输出电压高，使用方便，考虑元器件的性价比和应用功能选用的是膜片式晶体传声器。

膜片式传声器实物外形如图3-1所示。

图3-1 膜片式传声器实物外形图

3.2 信号放大器

LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20倍。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地为参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。

功率放大器的作用相当于扬声器的音量调节器。音频功率放大电路的作用主要是将信号处理器发送过来的信号功率放大，使其信号的功率达到设计要求。对该部分电路的要求是输出功率大。在电路设计过程中进行对比，通过比较发现LM386集成电路使用简单，基本没有外围器件，而且它还有体积小、电源范围宽、外接元件少、电压增益可调整、频率响应好、输出功率大、总谐波失真小等优点。因此选用LM386来组成音频功率放大电路。LM386 被广泛地应用在录音机和收音机音频放大、室內对讲机、红外线、超声波、小型马达驱动器等电路中。

LM386的引脚图如图3-2所示。

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图3-2 LM386引脚图

其中LM386的内部方块图如图3-3所示。

图3-3 LM386的内部方块图

LM386的特性有以下几点：

1．静态功耗低，约为4mA,可用于电池供电。 2．工作电压范围宽，4-12V 或5-18V。 3．外围元件少。

4．电压增益可调，20-200倍。 5．低失真度。

20倍的音频放大器如图3-4所示。由于传声器输出的电信号比较弱，只有毫伏级，为了使数据采集卡能很好的采集到相应数据，必须经过电压放大器进行电压放大，采用LM386芯片电压增益200倍的接法，即在1和8引脚间接10uF的电容，如图3-5所示。

图3-4 20倍的音频放大器

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图3-5 200倍的电压放大器

3.3 交直流转换电路的设计

一、 有效值检测电路AD536

所谓真有效值即为“真正有效值”之意，英文缩写为“TRMS”，有的文献也称为真正有效值。普通数字直流电压表自然只能测量直流电压，欲需测量交流电压必须增加AC/DC转换电路，一般的交流电压表为降低成本和简化电路，均使用简易的平均值响应交流/直流转换器。常用的平均值响应AC/DC转换器是运算放大器和二极管组成的半波（或全波）线性整流电路，这种电路具有线性度好、准确度高、电路简单、成本低廉等优点。但是这种电路是按照正弦波平均值与有效值的关系(VRMS=1.111Vp)来定义的，因此这类电表只能测量正弦波电压。

平均值AC/DC转换的电压表只能测量无失真的正弦波电压，对于正弦波失真的交流电压，这类电表测量就会引起误差，更不能测量方波、矩形波、三角波、锯齿波、梯形波、阶梯波等非正弦波，利用真有效值数字仪表可准确测量各种波形的有效值，满足现代电子测量之需要。交流电压的有效值的表达式的定义如下：

VRMS?近似公式：

1T2u(t)dt?0T

(3-1)

VRMS?u2

(3-2)

我们对式（3-1）进行变换，两边平方，并令

1T2u(t)dt?u2?AVEu2?T0 就得到真有效值电压的另一种表达式

(3-3)

AVEu2u2u2VRMS???AVE/(3-4)

VRMSVRMSVRMS

从（3-4）式即得，对输入电压依次进行“取绝对值→平方/除法→取平均值”运算，也能得到交流电压的有效值，而且这公式更有使用价值。举例说明：假如要测量的电压变化范围是0.1V—10V，平方后U2=10mV—100V，这就要求平方器具有相

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