噪聲提醒器的設(shè)計(jì)

摘要：文章設(shè)計(jì)了一種噪聲提醒器，一系統(tǒng)包括噪聲信號(hào)檢測(cè)、放大、直流轉(zhuǎn)換、V／E轉(zhuǎn)換、語(yǔ)音提示等電路的設(shè)計(jì)。噪聲信號(hào)通過(guò)傳聲器轉(zhuǎn)換成音頻信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、直流轉(zhuǎn)換和V／F變換輸入單片機(jī)中進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的噪聲dB值與設(shè)定值比較，并發(fā)出報(bào)警。該系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單，精確度較高，可檢測(cè)實(shí)時(shí)噪聲等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：噪聲檢測(cè)；直流轉(zhuǎn)換；V／F轉(zhuǎn)換；語(yǔ)音提醒

0 引言
    噪聲即噪音，是引起人煩躁，或者音量過(guò)強(qiáng)而危害人體健康的聲音。從環(huán)保的角度看，凡是影響人們正常工作、學(xué)習(xí)和休息的聲音都可以稱為噪聲。一般認(rèn)為20dB以下的聲音是安靜的；20-40dB大約是小聲說(shuō)話的聲音；40-60dB屬于我們正常的交談聲音；60dB以上就屬于吵鬧范圍了，70dB我們就可以認(rèn)為它是很吵的，而且開(kāi)始損害聽(tīng)力神經(jīng)，90dB以上就會(huì)使聽(tīng)力受損，而呆在100-120dB的空間內(nèi)，一般一分鐘人就會(huì)暫時(shí)性失聰。在一些需要安靜的場(chǎng)合，如圖書(shū)館、醫(yī)院病房、賓館客房等場(chǎng)所，要求不得超過(guò)40dB。而有些時(shí)候往往會(huì)有一些人不顧及場(chǎng)合，大聲喧嘩，制造噪聲，影響其他人的工作、休息。本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的噪聲提醒器，能夠檢測(cè)環(huán)境的聲音，并在聲音超過(guò)設(shè)定值時(shí)能夠自動(dòng)報(bào)警提示。使得在無(wú)人監(jiān)管的情況下，自動(dòng)提示，及時(shí)制止噪聲，保持安靜的環(huán)境。

1 噪聲提醒器設(shè)計(jì)方案
    噪聲提醒器系統(tǒng)方框圖如圖1所示，硬件電路包括噪聲信號(hào)的轉(zhuǎn)換、放大、交直流轉(zhuǎn)換與電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路，以及單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路、顯示及語(yǔ)音提示電路等。

    環(huán)境噪聲經(jīng)傳聲器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，放大器對(duì)微弱的聲壓信號(hào)進(jìn)行放大，然后經(jīng)過(guò)真有效值轉(zhuǎn)換電路將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，再通過(guò)V／F轉(zhuǎn)換成具有一定頻率的脈沖信號(hào)，送入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的dB值，并與設(shè)定值比較，超過(guò)即播放提示音，也可利用LED顯示dB值。

2 硬件電路
2. 1 音頻放大電路
    聲音信號(hào)由駐極體傳聲器采集后，需進(jìn)行放大，我們采用LM386音頻功率放大器。LM386集成電路使用簡(jiǎn)單，基本沒(méi)有外圍器件，而且它還有體積小、電源范圍寬、頻率響應(yīng)好、外接元件少、總諧波失真小、電壓增益可調(diào)整、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)。傳聲器輸出的電信號(hào)非常微弱，只有毫伏級(jí)，因此音頻功率放大電路采用電壓增益200倍的接法(如圖2所示)。

2．2 直流轉(zhuǎn)換電路
    有效值-直流轉(zhuǎn)換電路采用AD536，該芯片內(nèi)部由求絕對(duì)值電路、平方除法器、鏡像電流源、輸出緩沖放大器四部分組成。其工作原理依次是：取絕對(duì)值-平方／除法-取平均值運(yùn)算。當(dāng)輸入電壓增大時(shí)，其3dB帶寬會(huì)隨之增大，因此應(yīng)提高輸入信號(hào)的幅值。

    電路采用單電源供電方式，并接入1μF輸出濾波電容C5，以減小輸出紋波的大小。其外圍電路簡(jiǎn)單，只需在4和14之間接一個(gè)電容，電容的值可以計(jì)算出大約1μF，即可將輸入的交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為高精度的直流信號(hào)。R6、R5給10腳提供直流偏壓。
2. 3 電壓／頻率轉(zhuǎn)換電路
    V／F變換采用的是集成塊LM331，LM331是美國(guó)NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比較高的集成芯片，可用作精密V／F轉(zhuǎn)換器。LM331采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低于4．0V電源電壓下都有極高的精度。LM331動(dòng)態(tài)范圍寬可以達(dá)到100dB；線性度較好，最大非線性失真小于0．01％；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件，便可構(gòu)成V／F或F／V等變換電路。

    LM331原理圖如圖4所示，其內(nèi)部由輸入比較器、定時(shí)比較器、能隙基準(zhǔn)電路、R-S觸發(fā)器、復(fù)零晶體管、輸出驅(qū)動(dòng)和電流開(kāi)關(guān)等部分組成。
    當(dāng)輸入端Vi輸入正電壓時(shí)，輸入比較器輸出高電平，使R-S觸發(fā)器量位，輸出高電平，輸出驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通，輸出端f0為邏輯低龜平，同時(shí)電源Vcc也通過(guò)電阻R2對(duì)電容C2充電。當(dāng)電容C2兩端充電電壓大于Vcc的2／3時(shí)，定時(shí)比較器輸出高電平，使RS觸發(fā)器復(fù)位，輸出低電平，輸出驅(qū)動(dòng)管截止，輸出端f0為邏輯高電平，同時(shí)，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，電容C2通過(guò)復(fù)零晶體管迅速放電；電子開(kāi)關(guān)使電容C3通過(guò)電阻R3放電。當(dāng)電容C3放電電壓等于輸入電壓Vi時(shí)，輸入比較器再次輸出高電平，使R—S觸發(fā)器置位，如此反復(fù)循環(huán)，構(gòu)成自激振蕩。輸出脈沖頻率f0與輸入電壓Vi成正比，從而實(shí)現(xiàn)了V／F變換。電阻R1和電容C1組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉(zhuǎn)換精度。

    根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)電路圖如圖5所示。其中圖5中的R9、C9、R11、C11、R10、C10分別對(duì)應(yīng)圖4中的R1、C1、R2、C2、R3、C3。
2. 4 報(bào)警及指示電路
    本系統(tǒng)是為需要安靜且無(wú)人值守的場(chǎng)合設(shè)計(jì)的，當(dāng)環(huán)境噪聲超過(guò)限定值時(shí)，喇叭發(fā)出提示聲音“請(qǐng)安靜”。由于提示音時(shí)間很短，因此選用OTP語(yǔ)音芯片AC8010。AC8010是支待PWM和DAC輸出的10s OTP語(yǔ)音芯片，音質(zhì)好，有4個(gè)I／O口，外圍電路僅需-顆104電容，設(shè)計(jì)成本低AC8010與單片機(jī)連接電路如圖6所示，采用PWM輸出三極管放大后驅(qū)動(dòng)喇叭的方式，并且可以接LED顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用89C52單片機(jī)，其主要任務(wù)是將采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較，若超過(guò)設(shè)定值，則推動(dòng)語(yǔ)音芯片發(fā)出聲音，并且使LED發(fā)光。主程序如圖7所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    因?yàn)槭褂玫氖且詥纹瑱C(jī)為核心的控制系統(tǒng)，所以此噪聲提醒電路具有功能強(qiáng)、電路簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低的特點(diǎn)。可廣泛用于一些需要安靜的場(chǎng)合，如會(huì)議室、閱覽室、醫(yī)院病房等。為了減少成本，本設(shè)計(jì)僅僅設(shè)計(jì)了語(yǔ)音提示部分。如果有些場(chǎng)合需要顯示噪聲值的話，可以在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增加顯示電路模塊，利用單片機(jī)I／O口驅(qū)動(dòng)LED或LCD顯示器來(lái)顯示噪聲的dB值。因此，具有可擴(kuò)展性，并且有一定的推廣價(jià)值和較好的市場(chǎng)前景。