噪声提醒器的设计

摘要：文章设计了一种噪声提醒器，一系统包括噪声信号检测、放大、直流转换、V／E转换、语音提示等电路的设计。噪声信号通过传声器转换成音频信号，电信号经过放大、直流转换和V／F变换输入单片机中进行处理，并转换成相应的噪声dB值与设定值比较，并发出报警。该系统具有电路简单，精确度较高，可检测实时噪声等特点。
关键词：噪声检测；直流转换；V／F转换；语音提醒

0 引言
    噪声即噪音，是引起人烦躁，或者音量过强而危害人体健康的声音。从环保的角度看，凡是影响人们正常工作、学习和休息的声音都可以称为噪声。一般认为20dB以下的声音是安静的；20-40dB大约是小声说话的声音；40-60dB属于我们正常的交谈声音；60dB以上就属于吵闹范围了，70dB我们就可以认为它是很吵的，而且开始损害听力神经，90dB以上就会使听力受损，而呆在100-120dB的空间内，一般一分钟人就会暂时性失聪。在一些需要安静的场合，如图书馆、医院病房、宾馆客房等场所，要求不得超过40dB。而有些时候往往会有一些人不顾及场合，大声喧哗，制造噪声，影响其他人的工作、休息。本文设计了一种简单的噪声提醒器，能够检测环境的声音，并在声音超过设定值时能够自动报警提示。使得在无人监管的情况下，自动提示，及时制止噪声，保持安静的环境。

1 噪声提醒器设计方案
    噪声提醒器系统方框图如图1所示，硬件电路包括噪声信号的转换、放大、交直流转换与电压-频率转换电路，以及单片机系统的硬件电路、显示及语音提示电路等。

    环境噪声经传声器转换为电信号，放大器对微弱的声压信号进行放大，然后经过真有效值转换电路将音频信号转换为直流电压信号，再通过V／F转换成具有一定频率的脉冲信号，送入单片机。单片机对送来的信号进行处理，转换成相应的dB值，并与设定值比较，超过即播放提示音，也可利用LED显示dB值。

2 硬件电路
2. 1 音频放大电路
    声音信号由驻极体传声器采集后，需进行放大，我们采用LM386音频功率放大器。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、频率响应好、外接元件少、总谐波失真小、电压增益可调整、输出功率大等优点。传声器输出的电信号非常微弱，只有毫伏级，因此音频功率放大电路采用电压增益200倍的接法(如图2所示)。

2．2 直流转换电路
    有效值-直流转换电路采用AD536，该芯片内部由求绝对值电路、平方除法器、镜像电流源、输出缓冲放大器四部分组成。其工作原理依次是：取绝对值-平方／除法-取平均值运算。当输入电压增大时，其3dB带宽会随之增大，因此应提高输入信号的幅值。

    电路采用单电源供电方式，并接入1μF输出滤波电容C5，以减小输出纹波的大小。其外围电路简单，只需在4和14之间接一个电容，电容的值可以计算出大约1μF，即可将输入的交流电压信号转换为高精度的直流信号。R6、R5给10脚提供直流偏压。
2. 3 电压／频率转换电路
    V／F变换采用的是集成块LM331，LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密V／F转换器。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低于4．0V电源电压下都有极高的精度。LM331动态范围宽可以达到100dB；线性度较好，最大非线性失真小于0．01％；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件，便可构成V／F或F／V等变换电路。

    LM331原理图如图4所示，其内部由输入比较器、定时比较器、能隙基准电路、R-S触发器、复零晶体管、输出驱动和电流开关等部分组成。
    当输入端Vi输入正电压时，输入比较器输出高电平，使R-S触发器量位，输出高电平，输出驱动管导通，输出端f0为逻辑低龟平，同时电源Vcc也通过电阻R2对电容C2充电。当电容C2两端充电电压大于Vcc的2／3时，定时比较器输出高电平，使RS触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端f0为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容C2通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容C3通过电阻R3放电。当电容C3放电电压等于输入电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使R—S触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比，从而实现了V／F变换。电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。

    根据以上原理设计电路图如图5所示。其中图5中的R9、C9、R11、C11、R10、C10分别对应图4中的R1、C1、R2、C2、R3、C3。
2. 4 报警及指示电路
    本系统是为需要安静且无人值守的场合设计的，当环境噪声超过限定值时，喇叭发出提示声音“请安静”。由于提示音时间很短，因此选用OTP语音芯片AC8010。AC8010是支待PWM和DAC输出的10s OTP语音芯片，音质好，有4个I／O口，外围电路仅需-颗104电容，设计成本低AC8010与单片机连接电路如图6所示，采用PWM输出三极管放大后驱动喇叭的方式，并且可以接LED显示。

3 系统软件设计
    本系统设计选用89C52单片机，其主要任务是将采集的数据与设定值比较，若超过设定值，则推动语音芯片发出声音，并且使LED发光。主程序如图7所示。

4 结束语
    因为使用的是以单片机为核心的控制系统，所以此噪声提醒电路具有功能强、电路简单、性能可靠、成本低的特点。可广泛用于一些需要安静的场合，如会议室、阅览室、医院病房等。为了减少成本，本设计仅仅设计了语音提示部分。如果有些场合需要显示噪声值的话，可以在本设计的基础上，增加显示电路模块，利用单片机I／O口驱动LED或LCD显示器来显示噪声的dB值。因此，具有可扩展性，并且有一定的推广价值和较好的市场前景。