具有語音播報功能的超聲波液位測量系統(tǒng)設計

　　2.2 超聲波發(fā)射模塊

　　超聲波發(fā)射模塊包括驅(qū)動電路和超聲波換能器。驅(qū)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(xiàn)。發(fā)射脈沖可以由單片機或555振蕩器實現(xiàn)。要獲得足夠大的能量，且要求發(fā)出的信號穩(wěn)定、可靠，本系統(tǒng)選用51單片機發(fā)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(fā)出頻率為40kHz的中心頻率到發(fā)射電路輸入端，此信號幅值很小，須經(jīng)發(fā)射電路放大。兩個反相器并聯(lián)連接以便每一側(cè)都能夠為傳感器提供足夠的驅(qū)動電流，反相器電壓規(guī)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(qū)，當運算放大器的同向輸入電壓V_i>2.5V時，運放A的輸出電壓V_A=+15V，運放B的輸出電壓V_B=-15V;當輸入信號V_i<2.5V時，運放A的輸出電壓V_A=-15V，運放B的輸出電壓V_B=+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(xiàn)電壓幅值的升高，總體實現(xiàn)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(tǒng)的關鍵。換能器接收到回波信號后，首先將回波信號轉(zhuǎn)換成電壓信號(正弦波)，即微弱信號;微弱信號經(jīng)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(jīng)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(chǎn)生失真。經(jīng)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(chǎn)生中斷，采集脈沖從發(fā)射到接收所用的時間，完成對時間的計數(shù)。

　　2.4 語音實時播報電路設計

　　本系統(tǒng)語音播報模塊設計采用ISD4004語音芯片，芯片內(nèi)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(zhì)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(zhì)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(xiàn)語音播報功能。