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1、广东省第十届物理实验设计大赛环境次声监测装置的研制深圳职业技业学院机电工程学院参赛队员:机电学院CAD专业：胡丹、李明洙、喻先禄机电学院自动化：专业：殷炜鸿目 录第一章 项目概述1.1 项目来源1.2 项目要求1.3 环境次声波检测装置简介第二章 环境次声波装置设计方案论证2.1 次声波采样传感器设计方案比较2.2 波形信号处理器选型的论证2.3 波形信号显示方式选型的论证2.4 装置总体设计方案的论证第三章 环境次声波装置硬件电路的设计3.1 单元电路设计3.2 接收信号放大、滤波及整形电路设计3.3 dB值转换电路设计3.4. 电源电路设计3.5 装置整体电路第四章 环境次声波装置系统软件
2、的设计4.1 波形显示部分软件设计4.2 波形频率计算及显示部分软件设计4.3 波形强度计算及显示部分软件设计4.2 环境次声波装置系统软件流程图第五章 装置研制中遇到的问题及解决办法5.1 次声波传感器外形及材料问题5.2 放大电路硬件设计及调试出现的问题5.3系统软件调试中出现的问题附录1：装置整体电路图附录1：装置程序清单第一章 项目概述1.1 项目来源研制环境次声监测装置。主要评判依据：（1）物理原理；（2）创新点；（3）测量的准确性、灵敏度及频率范围。作品的检测环境：强度和频率（201Hz）可调的简谐次声源。声源由低音炮外加圆柱管组成，如图1所示。3分钟内可提供3个不同频率（及强度）
3、的次声信作品L100 mmF203 mmL460 mm图1 产生201Hz简谐次声源号，测量位置至少离管口100 mm（频率和测量位置将由评判组确定）。1.2 项目要求1）突出实验物理原理；（2）体现作品创新思想；（3）不考虑大气密度、温度变化及风速的影响；（4）操作简易、便于教学演示；（5）性价比高。1.3 环境次声波检测装置简介环境次声波检测装置的检测传感器选用“基于气体压强传感器的特殊构件”为本系统的次声波接受传感器。系统的硬件电路：信号放大电路、低通率波电路、频率触发波形整形电路、A/D转换电路、32位RAM控制芯片电路、MX636电压与DB值转换路、显示电路等部分。系统软件包括：波形
4、显示、波形频率计算及显示、波形强度计算及显示等部分。环境次声波检测装置的系统设计中吸收了硬件软件化的思想，装置的大部分功能都是通过软件来实现，系统的硬件电路简单明了，极大的提高了系统稳定性及柔韧性。本系统不仅成功的实现项目要求的基本功能，同时在检测传感器的外形设计、波形显示电路及次声波强度设计上都有许多的创新。关键字：次声波检测传感器、基于气体压强传感器的特殊构件第二章 环境次声波装置设计方案论证2.1 次声波采样传感器设计方案比较次声波是一种人耳听不到的低频波，由于次声波频率很低，次声波在大气中传播会引起空气的扰动，引起空气的压力、密度及空气质点的微小位移。在检测次声波时，我们只要捕捉到这些
5、微小的空气变化，就可获得次声波的许多参量。可以实现次声波采样的传感器有许多中，项目所进行的第一个任务就是选择一种合适本次设计的传感器，下面是可能选取的几种次声波采样的传感器：传感器种类特点压电陶瓷式输出的直流响应差，对于次声波的接收反应不灵敏。外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存.抗干扰差，桌子的振动，风的吹动都会引起电势差的较大变化.动圈式话筒通过与振膜紧密相连的导线线圈根据声压变化在磁场中不断运动来完成。具有较好的抗干扰性，但是受力面积太小，信号很弱，导致灵敏度太低.气压式气压传感器用于测量气体的绝对压强。主要适用于与气体压强相关的物理实验电容式把被测的机械量，如位移
6、、压力等转换为电容量变化，电容变化量，灵敏度低.次声接收传感器是通过测量空气中微小气流变化而感应次声波信号的，由于次声波的声压很小，只有几十到几百Pa的数量级，这种声压引起的气流变化是比较微小的，引起的机械膜片变形也是极为微小的，因此，想用一个很小的机械截面在次声波中引起的机械位移直接检测到次声波形信号是非常困难的，虽然我们可以把这种机械的位移转化为电信号来检测次声波信号，但经过多次实验我们最终选择了“基于气体压强传感器的特殊构件”为次声波检测传感器。2.1.1 “基于气体压强传感器的特殊构件”中气体压强传感器的选取“基于气体压强传感器的特殊构件”次声波检测传感器中的气体压强传感器，我们选择最
7、常用的微气压计。该传感器中的微气压计是靠外界空气压力变化引起腔体内外压力不平衡而导致膜片变形，来测量次声波的。气体压强传感器是通过在一个密封的空间内压强的大小来测得的一个变化的电压量，由于次声波引起的外界的震动非常微弱，对于气体压强传感器腔内的空气变化也非常小，因而我们特别设计制作了一个腔体，这个大腔体对于次声波信号的微小变化都会引起较大的腔体内压强的变化，经过这一级的放大，一点点经微的震动就会引起气体压强传感器腔里的空气变化，从而检测到次声波信号。检测原理：pv=nrtP：压强、V：气体体积、N：气休物质量、R：常数、T：,温度2.1.2 “基于气体压强传感器的特殊构件”中密封材料的选取选取
8、“基于气体压强传感器的特殊构件”中密封材料对与该项目的成败是非常重要的，可以选取的材料很多，但适合的材料不多，下面是一些材料的对比：材料特点皮制品灵敏度低密闭性不好，安装难度大.一般塑料灵敏度低密闭性不好，柔韧性差保鲜膜保鲜膜透明性好、不容易破裂,同时具有很好的黏性，密闭性好,高灵敏度。 经过反复实验，我们决定选取保鲜膜为“基于气体压强传感器的特殊构件”中密封材料，后来的实验效果证明该材料的确是一种非常良好的密封材料。2.2 波形信号处理器选型论证 波形信号处理器可以选用51系列单片机、ARM、DSP及FPGA等，下面就几种处理器做一些比较。ARM（Advanced RISC Machines
9、）是微处理器行业的一家知名企业，ARM基本是32位单片机的行业标准，它提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。目前ARM在手持设备市场占有90以上的份额，可以有效地缩短应用程序开发与测试的时间，也降低了研发费用。DSP（digital singnal processor）是一种独特的微处理器，有自己的完整指令系统，是以数字信号来处理大量信息的器件。强大数据处理能力和高运行速度是最值得称道的两大特色。由于它运算能力很强，速度很快，体积很小，而且采用软件编程具有高度的灵活性，因此为从事各种复杂的应用提供了一条有效途径。FPGA是英文Field Programmable Gate Arra
10、y（现场可编程门阵列）的缩写，它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种。ARM具有比较强的事务管理功能，可以用来跑界面以及应用程序等，其优势主要体现在控制方面；DSP主要是用来计算的，比如进行加密解密、调制解调等，优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度；FPGA可以用VHDL或verilogHDL来编程，灵活性强，由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作，因此可以充分地进行设计开发和验证。 考虑到该项目的特点，需要显示波形、计算及显示频率和DB值，最终选用32位ARM为该项目的处理器。2.3 波形信号显示方式选型的论证该项
11、目需要显示次声波的波形、频率和DB值，数码管只能显示内容单一的数字，不易产生生动具体的图文，液晶显示器能给我们提供了更大的发挥空间，看起来舒服自然，而且能增加显示的美观性与直观性同时可以描绘出波形。显然常用的数码管是无法显示次声波的波形的。我们必须选用能显示图形的图形液晶显示器，该项目中我们选用彩色图形液晶显示器。2.4 装置总体设计方案的论证总体框架设计图第三章 环境次声波装置硬件电路的设计3.1 单元电路设计该项目的硬件电路包括了：传感器信号接收放大滤时波电路、采样信号转换dB值转换电路、触发信号（频率）整形电路、A/D转换电路设计、液晶显电路设计及电源电路的设计等。3.2 接收信号放大、
12、滤波及整形电路设计信号通过MP3V5004DP气体压强传感器输入,是一个VPP大约是15mv的一个正弦量电压.利用LM324运算放大器芯片的特性，采用同相输入放大，这电路共分成三部份。第一部份是信号两极共放大200倍（3V）。接着用到了一个30Hz有源低通滤波器。从而将高频的信号滤除，保留有用的低频信号。最后一部要将正弦波形通过电压比较器出来一个方波。Auf=1+Rf/R1=1+10k/1k + Auf=1+Rf/R1=1+20K/1K 30Hz=1/2RC3.3 dB值转换电路设计这模块电路主要用到MX636芯片,这芯片工作电压为正负5伏,输入信号从0200mv,转换成品到080db的真有效
13、值.2号管脚输入.6号管脚输出,3.4. 电源电路设计AMS1117的1脚是地，2脚是输出，3脚是输入。输入电压在5V12V之间都可以，它会直接输出一个3.3V的电压。它的手册里加电阻是可以让它的输出电压可调，是扩展应用。这个电阻在正常情况下根本就不用加。3.5 装置整体电路设计（清晰电路图见附录）第四章 环境次声波装置系统软件的设计4.1 波形显示部分软件设计4.2 波形频率计算及显示部分软件设计4.3 波形强度计算及显示部分软件设计4.2 环境次声波装置系统软件流程图第五章 装置研制中遇到的问题及解决办法5.1 次声波传感器外形及材料问题1腔体内空间越大,气体压强变化越小.2腔体内空间越小
14、,在外界的微作用力下,腔内的压强变化越大.5.2放大电路硬件设计及调试出现的问题 1.放大倍数没有足够大,无法确定信号,频率也定不下来. 2.低通滤波没有选好,波形不正确.5.3 系统软件调试中出现的问题1.在外部中断标志位没有初始化,第一次出现错乱频率,2.描波形进没有判断是否满屏出现波形错乱.第六章 总结我们的动手能力还不够强，当有些实验需要很强的动手能力时我还不能从容应对；我们的探索方式还有待改善，当面对一些复杂的实验时我还不能很快很好的完成；我们的数据处理能力还得提高，当眼前摆着一大堆复杂数据时我们处理的方式及能力还不足，不能用最佳的处理手段使实验误差减小到最小程度总之，大学物理实验设计比赛让我收获颇丰，同时也让我发现了自身的不足，我们将努力改善，通过学习、实践等方式不断提高，克服那些不应成为学习、获得知识的障碍。在今后的学习、工作中有更大的收获，在不断地探索中、在无私的学习、奉献中实现自己的人身价值！
