具有語音播報功能的超聲波液位測量系統設計

　　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。