具有语音播报功能的超声波液位测量系统设计

3 系统软件设计

　　3.1 系统框图设计

　　系统软件设计采用模块化设计，主程序包括：温度测量、距离计算、语音实时播报、显示、无线传输等子程序。

　　软件设计流程如下：首先给STC90C51单片机上电复位，然后由单片机产生一串脉冲信号，该信号经发射电路功率放大后，触发超声波换能器发出40kHz的超声波。启动发射电路的同时，单片机内部定时器A开始计时，调用延时子程序，等待回波信号。如果在设定的时间内接收到回波，则定时器停止计时。此时定时器记录的时间就是超声波的传播时间，保存该数据。然后调用温度补偿程序对声速进行调整，再根据补偿后的速度调用距离计算子程序，即可得到液位的高度。计算得到液位高度后，调用显示程序显示测量数据，与此同时调用语音播报程序播报测量结果，并采用无线传输模块传输实时测量的数据给上位机。采用模块化的设计思想可以提高编程效率。

　　3.2 温度补偿模块软件编程

　　当DS18B20接收到温度补偿命令时，系统启动温度补偿调用。根据DS18B20的通讯协议，单片机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每次读写之前需对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预订操作。因为DS18B20接在单片机I/O口进行数据传输，所以对读写数据位有着非常严格的时序要求。主要有初始化时序，读时序和写时序，所有时序都是以单片机作为主设备。

　　3.3 语音模块的软件编程

　　本设计采用ISD4004作为语音播报芯片，其工作于SPI串行接口。当系统算出距离时，需要调用语音模块来播报数据。此时，查询语音播报信号有效，开始取信号单元地址，然后取信号单元内容，再判断是否满足播报条件，如果满足则播报，反之则继续取信号单元地址，最后判断是否播报结束。具体语音播报子程序流程是：首先取语音信号地址，判断是否为语音播报有效地址，如果是，则给语音芯片上电，打开上电子程序，反之，回到取语音信号地址。然后取出语音存放的地址，调用数据发送子程序，再取出8位指令代码，调用数据发送子程序。最后判断是否存在中断，有中断则调用掉电子程序，以结束语音播报。

4 系统测试

　　系统采用的超声波换能器中心频率为40kHz，安装时应保持两个换能器中心轴线平行且相距5-10cm，其余器件无特殊要求。本系统测试采用两种实验方案：实验一通过空调调节室内温度，并保持测量距离400mm不变。对有温度补偿系统和无温度补偿系统进行距离测试实验。实验二保持室内温度为20℃，对有温度补偿系统的液位计在不同距离下的测量值与实际值测量记录。

　　由实验一结果而知：在无温度补偿时，温度变化对系统测量结果影响较大，会产生比较大的误差;而在有温度补偿时，温度变化对测量结果影响很小，电路测量误差明显减小。由实验二结果而知，增加了温度补偿模块的超声波测距系统，…，测量精度明显提高。

5 结论

　　本设计以单片机STC89C51为核心，采用温度传感器DS18B20采集监测温度数据，设计的超声波测距系统能够很好地避免温度对系统的影响。实验数据显示，该系统测量精度达0.8%。在测距基础上扩展了语音播报和无线数据收发，具有良好的人机界面。该系统可应用于测量易燃易爆、强腐蚀及有毒液体的场合。

参考文献：
　　[1]邱生卓.超声波测距语音提示系统的研究[J].工业控制计算机,2013,26(8):108-110
　　[2]齐虹.徐志.基于nRF905的短距离无线数据传输系统的设计[J].福州大学学报,2010，38(1):64-68
　　[3]张波.王朋亮.基于STC89C51单片机超声波测距系统设计[J].机床与液压,2010,25(2):33-35
　　[4]卢伟.高精度超声波液位测量系统的设计与实现[D].河北:河北工业大学,2012:20-42
　　[5]贾飞飞.具有无线收发功能的超声波液位测量仪的设计[D].燕山:燕山大学,2010:59-61
　　[6]黄四青.基于单片机的超声波油位测量仪的研究和实现[D].南京:南京理工大学,2011:34-55
　　[7]古玉年.ISD4004系列8-16分钟单片机语音录放电路及其应用[J].江苏职工大学学报.2002(9):101-105
　　[8]李丽霞.单片机在超声波测距中的应用[J].电子技术,2002(6):327-329
　　[9]张珂,刘钢海.提高超声波测距精度方法的研究[J].现代电子技术,2007(8):94-96
　　[10]杨朝虹,李焕.新型液位检测技术的现状与发展趋势[J].工矿自动化，2009(6):16-17