具有語(yǔ)音播報功能的超聲波液位測量系統設計

　　3 系統軟件設計

　　3.1 系統框圖設計

　　系統軟件設計采用模塊化設計，主程序包括：溫度測量、距離計算、語(yǔ)音實(shí)時(shí)播報、顯示、無(wú)線(xiàn)傳輸等子程序。

　　軟件設計流程如下：首先給STC90C51單片機上電復位，然后由單片機產(chǎn)生一串脈沖信號，該信號經(jīng)發(fā)射電路功率放大后，觸發(fā)超聲波換能器發(fā)出40kHz的超聲波。啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)，單片機內部定時(shí)器A開(kāi)始計時(shí)，調用延時(shí)子程序，等待回波信號。如果在設定的時(shí)間內接收到回波，則定時(shí)器停止計時(shí)。此時(shí)定時(shí)器記錄的時(shí)間就是超聲波的傳播時(shí)間，保存該數據。然后調用溫度補償程序對聲速進(jìn)行調整，再根據補償后的速度調用距離計算子程序，即可得到液位的高度。計算得到液位高度后，調用顯示程序顯示測量數據，與此同時(shí)調用語(yǔ)音播報程序播報測量結果，并采用無(wú)線(xiàn)傳輸模塊傳輸實(shí)時(shí)測量的數據給上位機。采用模塊化的設計思想可以提高編程效率。

　　3.2 溫度補償模塊軟件編程

　　當DS18B20接收到溫度補償命令時(shí)，系統啟動(dòng)溫度補償調用。根據DS18B20的通訊協(xié)議，單片機控制DS18B20完成溫度轉換必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：每次讀寫(xiě)之前需對DS18B20進(jìn)行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進(jìn)行預訂操作。因為DS18B20接在單片機I/O口進(jìn)行數據傳輸，所以對讀寫(xiě)數據位有著(zhù)非常嚴格的時(shí)序要求。主要有初始化時(shí)序，讀時(shí)序和寫(xiě)時(shí)序，所有時(shí)序都是以單片機作為主設備。

　　3.3 語(yǔ)音模塊的軟件編程

　　本設計采用ISD4004作為語(yǔ)音播報芯片，其工作于SPI串行接口。當系統算出距離時(shí)，需要調用語(yǔ)音模塊來(lái)播報數據。此時(shí)，查詢(xún)語(yǔ)音播報信號有效，開(kāi)始取信號單元地址，然后取信號單元內容，再判斷是否滿(mǎn)足播報條件，如果滿(mǎn)足則播報，反之則繼續取信號單元地址，最后判斷是否播報結束。具體語(yǔ)音播報子程序流程是：首先取語(yǔ)音信號地址，判斷是否為語(yǔ)音播報有效地址，如果是，則給語(yǔ)音芯片上電，打開(kāi)上電子程序，反之，回到取語(yǔ)音信號地址。然后取出語(yǔ)音存放的地址，調用數據發(fā)送子程序，再取出8位指令代碼，調用數據發(fā)送子程序。最后判斷是否存在中斷，有中斷則調用掉電子程序，以結束語(yǔ)音播報。

　　4 系統測試

　　系統采用的超聲波換能器中心頻率為40kHz，安裝時(shí)應保持兩個(gè)換能器中心軸線(xiàn)平行且相距5-10cm，其余器件無(wú)特殊要求。本系統測試采用兩種實(shí)驗方案：實(shí)驗一通過(guò)空調調節室內溫度，并保持測量距離400mm不變。對有溫度補償系統和無(wú)溫度補償系統進(jìn)行距離測試實(shí)驗。實(shí)驗二保持室內溫度為20℃，對有溫度補償系統的液位計在不同距離下的測量值與實(shí)際值測量記錄。

　　由實(shí)驗一結果而知：在無(wú)溫度補償時(shí)，溫度變化對系統測量結果影響較大，會(huì )產(chǎn)生比較大的誤差;而在有溫度補償時(shí)，溫度變化對測量結果影響很小，電路測量誤差明顯減小。由實(shí)驗二結果而知，增加了溫度補償模塊的超聲波測距系統，…，測量精度明顯提高。

　　5 結論

　　本設計以單片機STC89C51為核心，采用溫度傳感器DS18B20采集監測溫度數據，設計的超聲波測距系統能夠很好地避免溫度對系統的影響。實(shí)驗數據顯示，該系統測量精度達0.8%。在測距基礎上擴展了語(yǔ)音播報和無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)，具有良好的人機界面。該系統可應用于測量易燃易爆、強腐蝕及有毒液體的場(chǎng)合。

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