基于單片機的環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)

陳朝興　杜罡　石巖

摘 要：隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，各種發(fā)展中的問題日益浮現(xiàn)。其中，環(huán)境噪聲給人類的身心健康造成了很大的危害。為了解決噪聲污染問題，本次對環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的研究，采用價格低廉，性能優(yōu)良的MCS-C51單片機芯片，對采集的噪聲信號處理，對噪聲進行評級，將得到的結(jié)果顯示在液晶屏中。對噪聲信號的采集打算使用壓強式傳聲器，另外使用AD轉(zhuǎn)換芯片將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸入給單片機。本系統(tǒng)還采用藍牙技術(shù)，將噪聲分貝值上傳到Android手機設(shè)備中，可以更加方便的監(jiān)測噪聲情況。

關(guān)鍵詞：環(huán)境噪聲；單片機；藍牙

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.251

0 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染事件頻頻出現(xiàn)，環(huán)境成為一個整體而形成的監(jiān)測的含義逐漸擴大到對環(huán)境質(zhì)量，環(huán)境污染等的監(jiān)測。其中，環(huán)境噪聲給我們的生活產(chǎn)生了很多困擾，由于我國的噪聲測量儀基本都只有在少數(shù)計量、衛(wèi)生、環(huán)保等部門中使用，沒法普及到全國，群眾很難了解自己所處環(huán)境的噪聲污染狀況，所以現(xiàn)在迫切的需要開發(fā)一種比較簡單實用的噪聲監(jiān)測裝置，這也將對我國環(huán)境保護事業(yè)產(chǎn)生很深遠的意義。因此，本文采用便宜低廉的MCS-51芯片，開發(fā)了一種簡單、實用的裝置對環(huán)境噪聲進行監(jiān)測，另外通過藍牙技術(shù)，將單片機與手機連接起來，將環(huán)境噪聲分貝值上傳至手機客戶端，使環(huán)境噪聲監(jiān)測更加便捷。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能是對噪聲進行實時監(jiān)測，并通過藍牙技術(shù)，實現(xiàn)與安卓手機的通信，使用戶更方便的獲取噪聲信息。

噪聲的采集采用的是傳聲器，傳聲器將環(huán)境中的噪聲信號采集后，經(jīng)過放大電路，AD轉(zhuǎn)換電路，對聲音信號進行放大，量化。單片機通過內(nèi)部程序輸出噪聲分貝值到LCD液晶顯示屏中。

在將噪聲分貝值上傳至安卓設(shè)備時，采用的是HC-06藍牙模塊，該模塊可實現(xiàn)單片機與安卓客戶端的實時連接。

噪聲測量儀采用MCS-51單片機作為系統(tǒng)核心，采用電容式駐極體傳聲器作為傳感器，將噪聲信號采集到單片機中。期間，噪聲信號經(jīng)過運算放大電路，將不容易檢測到的噪聲電壓信號進行放大，然后利用AD轉(zhuǎn)換電路將該電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入給單片機，單片機通過內(nèi)部程序?qū)⒂嬎愠龅脑肼暭墸⒃贚CD1602液晶中顯示出來，實時對噪聲進行監(jiān)測。該方案的結(jié)構(gòu)圖如圖1。

1.2 聲音采集電路

該部分電路采用駐極體傳聲器，駐極體傳聲器可以將環(huán)境中的噪聲信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電壓信號經(jīng)過三極管放大電路初級放大，然后在通過LM393運算放大器放大，可以被AD轉(zhuǎn)化芯片識別檢測到。

駐極體傳聲器的大致工作原理是其內(nèi)部設(shè)置了一個級頭，該級頭可認為是一個可變電容，當聲音信號傳入到級頭的振膜時，因為振動，電容值發(fā)生改變，然后后端通過一個結(jié)型場效應(yīng)管FET將聲音信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。該模塊電路圖如圖2所示。

1.3 液晶顯示電路

液晶采用LCD1602，其具有體積小，功耗低、顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點，在本系統(tǒng)中作為噪聲級顯示器。LCD1602的顯示有兩個重要的操作，一個是寫指令，一個寫數(shù)據(jù)。其與單片機連接情況如圖3所示：

1.4 藍牙模塊電路

藍牙技術(shù)是一種短距離的無線連接技術(shù)，用來實現(xiàn)不同設(shè)備之間的快速連接。本系統(tǒng)采用的HC-06模塊，該部分電路圖如圖4所示。該模塊的作用是和手機客戶端連接，并進行數(shù)據(jù)通信。在與安卓手機客戶端連接時，可不考慮藍牙內(nèi)部協(xié)議，連接后與安卓手機的通信可認為是串口通信。

在編寫單片機端的藍牙程序時，可按照串行協(xié)議編寫，即通過串行中斷編寫藍牙的收發(fā)處理程序。在編寫安卓端程序時，需要用到套接字，通過套接字獲取輸入輸出流，安卓客戶端數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送分別是依靠輸入流和輸出流與單片機進行通信。

2 軟件設(shè)計

該部分程序是單片機軟件編程的核心。在本系統(tǒng)中，AD的采集在定時器0中斷中進行的，每隔50ms采集一次，每采集20次取一次平均值，將該平均值在液晶中顯示出來。

液晶顯示在主程序中進行，通過調(diào)用已經(jīng)寫好的顯示函數(shù)顯示，顯示的噪聲值和電壓值被設(shè)置為全局變量，當每次采集并取平均值后，噪聲值和電壓值會被更新顯示。

在本系統(tǒng)中字符‘1作為請求安卓客戶端請求噪聲值數(shù)據(jù)的指令，串口中斷在接收到數(shù)據(jù)后，會對接收到的數(shù)據(jù)進行預(yù)判斷，如果判斷為字符‘1，則將接收標志位置1，然后在主程序中將噪聲值數(shù)據(jù)發(fā)送到安卓客戶端。

該程序主要分為兩個部分，一部分是液晶顯示噪聲值，另一部分是藍牙模塊，用來接收安卓客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)或者給安卓客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。

液晶顯示噪聲值是放在主循環(huán)中的，每次顯示的值隨噪聲數(shù)據(jù)的動態(tài)刷新而更新。AD芯片用來采集傳感器經(jīng)過運放放大的電壓信號。AD讀取是在定時器0中斷中進行，將讀取后的電壓信號，通過定標計算出噪聲級，然后調(diào)用顯示函數(shù)顯示噪聲分貝值。

藍牙模塊以串口的形式發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)都是在串行中斷中，不占用主程序，這樣可以讓液晶顯示比較穩(wěn)定，不會受到太多影響。主程序的程序框圖如圖5所示。

3 結(jié)束語

在本次基于單片機的噪聲監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，主要采用MCS-51單片機對傳感器信號進行處理，并通過LCD1602進行顯示。在設(shè)計構(gòu)想中，本系統(tǒng)可以在城市中使用，作為一個龐大的噪聲監(jiān)測系統(tǒng)。將單片機硬件部分布置在城市的各個監(jiān)測點，用戶可以下載并安裝安卓客戶端APP，當用戶在監(jiān)測點附近時，可以獲取噪聲數(shù)據(jù)，這樣噪聲數(shù)據(jù)不光可以在硬件電路中顯示，用戶還可以通過手機APP獲取噪聲數(shù)據(jù)，更好的實現(xiàn)了對噪聲的環(huán)境監(jiān)測。

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