具有语音播报功能的超声波液位测量系统设计

作者：杨建华翟青梁晓章时间：2014-07-25 来源：电子产品世界

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编者按：超声波测距相比于其它测距方法，具有非接触、高精度、价格低、使用方便等优越性。针对实际应用的需要，设计了一种以单片机为主控芯片的具有语音实时播报和无线收发功能的超声波液位计系统。首先介绍了超声波测距原理，然后设计了系统硬件、系统方案及各个电路模块，包括发射电路、接收电路、语音播报电路、无线收发电路等，其次设计了系统软件程序。最后进行了系统测试。测试结果表明在加入温度补偿后测量精度可以达到0.8%，语音播报和无线收发稳定。

　　2.2 超声波发射模块

本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/256093.htm

　　超声波发射模块包括驱动电路和超声波换能器。驱动超声波换能器的工作方式有很多，可用三极管、场效应管、变压器、运算放大器等实现。发射脉冲可以由单片机或555振荡器实现。要获得足够大的能量，且要求发出的信号稳定、可靠，本系统选用51单片机发出40kHz的方波(与换能器的中心频率保持一致)，由反相器和运放对其进行放大，如图5所示。

　　P1.0口发出频率为40kHz的中心频率到发射电路输入端，此信号幅值很小，须经发射电路放大。两个反相器并联连接以便每一侧都能够为传感器提供足够的驱动电流，反相器电压规格选用2.5V;两个15V的通用型集成运算放大器工作在非线性区，当运算放大器的同向输入电压V_i>2.5V时，运放A的输出电压V_A=+15V，运放B的输出电压V_B=-15V;当输入信号V_i<2.5V时，运放A的输出电压V_A=-15V，运放B的输出电压V_B=+15V，所以在超声波传感器两端得到两个极性相反的对称波形，其两端电压可达到30V。C3和C4电容起到滤波的功能。该电路可以实现电压幅值的升高，总体实现功率的放大。

　　2.3 超声波接收电路

　　超声波接收电路主要是对换能器接收到的微弱信号进行放大，对波形进行整形。接收电路设计中，回波检测是整个超声波测距系统的关键。换能器接收到回波信号后，首先将回波信号转换成电压信号(正弦波)，即微弱信号;微弱信号经过放大电路放大后，进入电压比较器进行比较，最后电压比较器输出的方波信号直接输入单片机的定时器中断口。信号在电路中的波形变化为：微弱信号→放大信号→整形信号。接收电路图如图6所示:

　　电路工作过程:超声波接收换能器和集成运放组成超声波信号的检测和放大电路，接收到的超声波微弱信号经两级运放放大约1000倍。集成运放接正负对称电源，本装置采用±12V电源供电。为了提高电路可靠性，在前两级运放的同名端加R₃和R₆进行分压，使得前两级运放同名端有6V电压，以保证放大的交流信号不至于产生失真。经两级放大后的信号送至比较器的同相输入端，当同相输入端的信号大于反相输入端时，输出电压将由低电平到高电平，这时单片机会产生中断，采集脉冲从发射到接收所用的时间，完成对时间的计数。

　　2.4 语音实时播报电路设计

　　本系统语音播报模块设计采用ISD4004语音芯片，芯片内含晶体振荡器、平滑滤波器、自动静噪、音频功率放大器及高密度多电平Flash存储阵列等。芯片由单片机控制，操作命令通过串行通信接口送入。采样频率为4.0Hz、5.3Hz、6.4Hz、8.0Hz，频率越低，录放时间越长，而音质则有所下降。器件工作电压3V，工作电流25-30mA，维持电流1mA，单片录放语音时间8-16min，音质好。图8是语音芯片与单片机连接方式，除与单片机接口外，只需接少量电阻、电容等外围器件就可实现语音播报功能。