具有語音播報功能的超聲波液位測量系統設計

摘要：超聲波測距相比于其它測距方法，具有非接觸、高精度、價格低、使用方便等優越性。針對實際應用的需要，設計了一種以單片機為主控芯片的具有語音實時播報和無線收發功能的超聲波液位計系統。首先介紹了超聲波測距原理，然后設計了系統硬件、系統方案及各個電路模塊，包括發射電路、接收電路、語音播報電路、無線收發電路等，其次設計了系統軟件程序。最后進行了系統測試。測試結果表明在加入溫度補償后測量精度可以達到0.8%，語音播報和無線收發穩定。本文網絡版地址：http：// www.eepw.com.cn/article/256093.htm

關鍵詞：超聲波測距；語音播報；無線收發；STC90C51

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.7.009

引言

接觸式液位測量系統的共同特點是測量感應元件和被測物體接觸，因此容易出現儀器測量物的磨損、堵塞或者腐蝕。非接觸式液位測量系統的共同特點是測量敏感元件和被測物體不接觸，測量儀器不受被測介質的影響，但容易受到被測介質和環境因素影響。非接觸式液位測量技術有：微波雷達測量技術、射線液位測量技術、光學測量法、超聲波測量技術 。超聲波測量技術成本低、無輻射、精度高等優點，同時超聲波傳感器體積小、所需硬件電路簡單 。本文針對一些易爆、易揮發、強腐蝕及有毒液位的測量問題設計了超聲波液位測量系統，深入討論了用超聲波作為信號源進行液位測量的優越性，討論了產生誤差的原因，并提出了相應的解決辦法，給出了具體的軟硬件設計內容。

1 超聲波測距原理

1.1 超聲波衰減特性

我們一般把頻率為2 0 k H z -500MHz的聲波稱為超聲波，超聲波是一種機械波，即是機械振動在彈性介質中的一種傳播過程，它的特征是頻率高、波長短、繞射現象小，另外方向性好，能夠成為射線而定向傳播。

聲波在各種介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，其強度會逐漸減弱，這種現象叫做超聲波的衰減。其產生原因可分為三個方面：（1）超聲波在介質中散射而產生的能量損失，稱為散射衰減；（2）聲束擴散產生的能量衰減；（3）介質內耗所產生的吸收衰減。圖1為聲壓在不同距離下的衰減特性，介質吸收而使得聲壓和聲強按指數規律衰減。距離聲源X處的聲壓P和聲強I的衰減規律為

超聲波測距有多種方法，如聲波幅值檢測法、相位檢測法、渡越檢測法等。其中，聲波幅值檢測方法簡單且價格便宜，但易受反射波的干擾，測量精度不高；相位檢測法測量精度高，但適合小范圍測量環境；渡越時間檢測法的測量距離較遠、測量精度較好。本設計采用渡越時間檢測法，如圖2所示。工作方式是通過換能器發射出超聲波，超聲波遇到液面后被物體反射，傳到接收器中，此過程時間為t。

2 硬件實現及單元電路設計

2.1 超聲波液位測量系統硬件框圖

超聲波液位測量系統硬件系統劃分為：電源電路、單片機控制電路、超聲波發射電路、接收電路、數碼管顯示電路、按鍵電路、語音實時播報模塊和無線收發模塊。

2.2 超聲波發射模塊

超聲波發射模塊包括驅動電路和超聲波換能器。驅動超聲波換能器的工作方式有很多，可用三極管、場效應管、變壓器、運算放大器等實現。發射脈沖可以由單片機或555振蕩器實現。要獲得足夠大的能量，且要求發出的信號穩定、可靠，本系統選用51單片機發出40kHz的方波（與換能器的中心頻率保持一致），由反相器和運放對其進行放大，如圖5所示。

P1.0口發出頻率為40kHz的中心頻率到發射電路輸入端，此信號幅值很小，須經發射電路放大。兩個反相器并聯連接以便每一側都能夠為傳感器提供足夠的驅動電流，反相器電壓規格選用2.5V；兩個15V的通用型集成運算放大器工作在非線性區，當運算放大器的同向輸入電壓 Vi >2.5V時，運放A的輸出電壓VA =+15V，運放B的輸出電壓VB =-15V；當輸入信號Vi <2.5V時，運放A的輸出電壓VA=-15V，運放B的輸出電壓VB =+15V，所以在超聲波傳感器兩端得到兩個極性相反的對稱波形，其兩端電壓可達到30V。C3和C4電容起到濾波的功能。該電路可以實現電壓幅值的升高，總體實現功率的放大。

2.3 超聲波接收電路

超聲波接收電路主要是對換能器接收到的微弱信號進行放大，對波形進行整形。 接收電路設計中，回波檢測是整個超聲波測距系統的關鍵。換能器接收到回波信號后，首先將回波信號轉換成電壓信號（正弦波），即微弱信號；微弱信號經過放大電路放大后，進入電壓比較器進行比較，最后電壓比較器輸出的方波信號直接輸入單片機的定時器中斷口。信號在電路中的波形變化為：微弱信號→放大信號→整形信號。接收電路圖如圖6所示：

電路工作過程：超聲波接收換能器和集成運放組成超聲波信號的檢測和放大電路，接收到的超聲波微弱信號經兩級運放放大約1000倍。集成運放接正負對稱電源，本裝置采用±12V電源供電。為了提高電路可靠性，在前兩級運放的同名端加R3和R6進行分壓，使得前兩級運放同名端有6V電壓，以保證放大的交流信號不至于產生失真。經兩級放大后的信號送至比較器的同相輸入端，當同相輸入端的信號大于反相輸入端時，輸出電壓將由低電平到高電平，這時單片機會產生中斷，采集脈沖從發射到接收所用的時間，完成對時間的計數。

2.4 語音實時播報電路設計

本系統語音播報模塊設計采用ISD4004語音芯片，芯片內含晶體振蕩器、平滑濾波器、自動靜噪、音頻功率放大器及高密度多電平Flash存儲陣列等。芯片由單片機控制，操作命令通過串行通信接口送入。采樣頻率為4.0Hz、5.3Hz、6.4Hz、8.0Hz，頻率越低，錄放時間越長，而音質則有所下降。器件工作電壓3V，工作電流 25-30mA，維持電流1mA，單片錄放語音時間8-16min，音質好。圖8是語音芯片與單片機連接方式，除與單片機接口外，只需接少量電阻、電容等外圍器件就可實現語音播報功能。

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、語音實時播報、顯示、無線傳輸等子程序。

軟件設計流程如下：首先給STC90C51單片機上電復位，然后由單片機產生一串脈沖信號，該信號經發射電路功率放大后，觸發超聲波換能器發出40kHz的超聲波。啟動發射電路的同時，單片機內部定時器A開始計時，調用延時子程序，等待回波信號。如果在設定的時間內接收到回波，則定時器停止計時。此時定時器記錄的時間就是超聲波的傳播時間，保存該數據。然后調用溫度補償程序對聲速進行調整，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，與此同時調用語音播報程序播報測量結果，并采用無線傳輸模塊傳輸實時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，系統啟動溫度補償調用。根據DS18B20的通訊協議，單片機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過三個步驟：每次讀寫之前需對DS18B20進行復位，復位成功后發送一條ROM指令，最后發送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預訂操作。因為DS18B20接在單片機I/O口進行數據傳輸，所以對讀寫數據位有著非常嚴格的時序要求。主要有初始化時序，讀時序和寫時序，所有時序都是以單片機作為主設備。

3.3 語音模塊的軟件編程

本設計采用ISD4004作為語音播報芯片，其工作于SPI串行接口。當系統算出距離時，需要調用語音模塊來播報數據。此時，查詢語音播報信號有效，開始取信號單元地址，然后取信號單元內容，再判斷是否滿足播報條件，如果滿足則播報，反之則繼續取信號單元地址，最后判斷是否播報結束。具體語音播報子程序流程是：首先取語音信號地址，判斷是否為語音播報有效地址，如果是，則給語音芯片上電，打開上電子程序，反之，回到取語音信號地址。然后取出語音存放的地址，調用數據發送子程序，再取出8位指令代碼，調用數據發送子程序。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，安裝時應保持兩個換能器中心軸線平行且相距5-10cm，其余器件無特殊要求。本系統測試采用兩種實驗方案：實驗一通過空調調節室內溫度，并保持測量距離400mm不變。對有溫度補償系統和無溫度補償系統進行距離測試實驗。實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際值測量記錄。

由實驗一結果而知：在無溫度補償時，溫度變化對系統測量結果影響較大，會產生比較大的誤差；而在有溫度補償時，溫度變化對測量結果影響很小，電路測量誤差明顯減小。由實驗二結果而知，增加了溫度補償模塊的超聲波測距系統，在不同距離下測量結果與實際值幾乎相同，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音播報和無線數據收發，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合。

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