具有語(yǔ)音播報(bào)功能的超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.2 超聲波發(fā)射模塊

　　超聲波發(fā)射模塊包括驅(qū)動(dòng)電路和超聲波換能器。驅(qū)動(dòng)超聲波換能器的工作方式有很多，可用三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、變壓器、運(yùn)算放大器等實(shí)現(xiàn)。發(fā)射脈沖可以由單片機(jī)或555振蕩器實(shí)現(xiàn)。要獲得足夠大的能量，且要求發(fā)出的信號(hào)穩(wěn)定、可靠，本系統(tǒng)選用51單片機(jī)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(yùn)放對(duì)其進(jìn)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(hào)幅值很小，須經(jīng)發(fā)射電路放大。兩個(gè)反相器并聯(lián)連接以便每一側(cè)都能夠?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/傳感器">傳感器提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流，反相器電壓規(guī)格選用2.5V;兩個(gè)15V的通用型集成運(yùn)算放大器工作在非線(xiàn)性區(qū)，當(dāng)運(yùn)算放大器的同向輸入電壓V_i>2.5V時(shí)，運(yùn)放A的輸出電壓V_A=+15V，運(yùn)放B的輸出電壓V_B=-15V;當(dāng)輸入信號(hào)V_i<2.5V時(shí)，運(yùn)放A的輸出電壓V_A=-15V，運(yùn)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(gè)極性相反的對(duì)稱(chēng)波形，其兩端電壓可達(dá)到30V。C3和C4電容起到濾波的功能。該電路可以實(shí)現(xiàn)電壓幅值的升高，總體實(shí)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(duì)換能器接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)波形進(jìn)行整形。 接收電路設(shè)計(jì)中，回波檢測(cè)是整個(gè)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的關(guān)鍵。換能器接收到回波信號(hào)后，首先將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)(正弦波)，即微弱信號(hào);微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路放大后，進(jìn)入電壓比較器進(jìn)行比較，最后電壓比較器輸出的方波信號(hào)直接輸入單片機(jī)的定時(shí)器中斷口。信號(hào)在電路中的波形變化為：微弱信號(hào)→放大信號(hào)→整形信號(hào)。接收電路圖如圖6所示:

　　電路工作過(guò)程:超聲波接收換能器和集成運(yùn)放組成超聲波信號(hào)的檢測(cè)和放大電路，接收到的超聲波微弱信號(hào)經(jīng)兩級(jí)運(yùn)放放大約1000倍。集成運(yùn)放接正負(fù)對(duì)稱(chēng)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(jí)運(yùn)放的同名端加R₃和R₆進(jìn)行分壓，使得前兩級(jí)運(yùn)放同名端有6V電壓，以保證放大的交流信號(hào)不至于產(chǎn)生失真。經(jīng)兩級(jí)放大后的信號(hào)送至比較器的同相輸入端，當(dāng)同相輸入端的信號(hào)大于反相輸入端時(shí)，輸出電壓將由低電平到高電平，這時(shí)單片機(jī)會(huì)產(chǎn)生中斷，采集脈沖從發(fā)射到接收所用的時(shí)間，完成對(duì)時(shí)間的計(jì)數(shù)。

　　2.4 語(yǔ)音實(shí)時(shí)播報(bào)電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)語(yǔ)音播報(bào)模塊設(shè)計(jì)采用ISD4004語(yǔ)音芯片，芯片內(nèi)含晶體振蕩器、平滑濾波器、自動(dòng)靜噪、音頻功率放大器及高密度多電平Flash存儲(chǔ)陣列等。芯片由單片機(jī)控制，操作命令通過(guò)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(shí)間越長(zhǎng)，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(yǔ)音時(shí)間8-16min，音質(zhì)好。圖8是語(yǔ)音芯片與單片機(jī)連接方式，除與單片機(jī)接口外，只需接少量電阻、電容等外圍器件就可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)功能。