基于CF的环境噪声无线监测终端研究.docVIP

基于C8051F061的环境噪声无线监测终端研究 摘 要： 提出一种基于c8051f061的环境噪声无线监测终端设计方案，从软硬件两个方面做详细的说明和讨论，无线组网后，该系统可有效提高环保监测的自动化程度，增强环保部门对噪声污染、超标排放的快速反应和监控能力。 关键词： 噪声监测；无线终端；声压级；噪声污染 0 引言 随着社会的不断发展，环境噪声带来的危害越来越被人们所重视。据统计，在全国各个城市的环境污染投诉中，噪声超标约占到60%-70%，为环境污染投诉之首[1]。因此对城市噪声进行实时监测与控制已成为人们十分关注的课题。 我国针对环境噪声污染早已制定了一系列的法律、法规和标准，但实施时仍存在不少困难。其中最突出的一点就是不能及时对噪声污染进行控制。研制开发环境噪声测试无线终端可以很好地解决这一问题，不仅能为环境噪声执法、评价和治理提供可靠、有效的依据，还可为我国各大中型城市实施安静工程提供及时、准确的环境噪声监测手段，对推动环保领域的技术进步具有十分重要的现实意义。 1 环境噪声监测终端总体设计 监测终端由声学测试探头、气象监测模块、数据采集传输仪、gprs传输模块、散热系统、显示系统、电源等组成，如图1所示。 传声器经前置放大器输出的交变电压信号，由延长电缆进入数字式声学前端，在其内部完成模拟信号的增益、计权、滤波、有效值检波、模数转换和声级计算，并以串口方式输出每秒钟的等效连续声压级。之后经统计分析模块完成声级的统计。 终端的主控模块基于c8051f061设计，使用多数字串口方式与外部模块实时通讯。com2、com3口与数字式温湿度、风向风速模块相连，获得同步的气象信息。com4口控制led控制卡，可将噪声、气象信息实时发布至大屏幕。com5通过透传方式与gprs模块通讯，将监测数据分批上传至中心主站。 由于终端需常年户外工作，设计时加入了备用电源和散热系统。突发停电时，备用电源通过市电监测模块自动开启，此时系统关闭通讯模块进入低能耗模式，但仍可进行噪声监测。当外部电力恢复时，系统重新开启通讯模块，并将未上传的历史数据补发给中心主站。 2 声学前端与主控模块的硬件设计 2.1 数字化声学前端的硬件设计 数字化声学前端由传声器、前置放大器、衰减器、计权电路、有效值检波器、模数转换器、数字接口电路组成。 由于电容传声器电容量很小，内阻很高，后接的前置放大器必须具有极高的输入阻抗和较小的输入电容[2]。设计采用n沟道型fet场效应管的源极输出电路，输入电阻可达几千兆欧以上。衰减器由可调反馈电阻的反相放大器组成，主要用于不同灵敏度传声器的归一化调节。计权电路设计为a计权电路，由一个带通c计权阻容网络与一个无反馈高阻尼的二阶高通阻容网络组成。计权后的模拟信号进入ad736组成的有效值检波电路，经max125模数转换后传递给at89c51，通过查表方式完成对数计算，得到当前1秒钟的等效连续声压级，数据通过串口输出。 2.2 主控模块的硬件设计 c8051f061是silicon lab推出的一款高度集成化的混合信号片上系统芯片[3]，图2为主控模块的硬件框图。 备用的声学模拟信号接口使得系统可配合常规的模拟式声学前端使用。片内两片16bits模数转换器工作在单端输入方式下，转换时钟选择为内部时钟触发的定时器3溢出方式，使用片内精密参考电压基准和内部时钟源。soc芯片内集成的两路dac输出通过多路开关，分别为采集系统模拟电路以及传声器的校准提供信号源。转换的数据字被锁存在特殊功能寄存器中，通过dma接口直接存储到片外ram中。 c8051f061片内的uart0/uart1支持异步全双工[4]，用于外部数字式传感器通讯时，其传输速率有很大富余，故使用gm8123对uart0进行扩展得到com1-3。子串口可并行工作，最高支持38400bps波特率。接收数据时，单片机通过数据通道地址sradd0/1来判断当前数据的端口号，此时母串口波特率为子串口的4倍频。 与led控制卡通讯的串口由于数据传输量很小，故采用io口模拟的方式实现。利用片内一对可编程计数器/定时器阵列（pca），分别实现模拟串口的接收和发送波特率。收发操作在pca中断服务程序的两个独立状态机中实现。 3 无线监测终端的固件设计 监测终端的固件功能主要包括：监测数据读取、数据缓存、大屏幕控制、校准控制、报文协议解析等。 其主要流程为：系统上电复位后主程序调用硬件初始化函数，配置各模块参数。接着开启定时器time0，在中断任务中读取等效连续声压级、气象信息，通过i2c总线读取时钟芯片，将时间信息与监测数据一起存于外部 ram中。在中断任务中，固件根据led控制卡的协议发送显示指令，完成大屏幕信息显示。com5口接收程序在收到中心主站报文后将其解析，并随即跳转到相应的操作