За последнее время я нахожу множество статей и видио про самодельные хлопковые выключатели поэтому я решил провести исследование темой которого является изучение сигнала и сравнение датчиков GY - MAX9814 и KY - 038 , так как данные датчики довольно популярны у радиолюбителей.
План работы:
собрать схему для сравнения сигналов с вышеперечисленных датчиков
составить таблицу по заводским характеристикам
написать программный код
провести исследование сигналов с данных датчиков
структурировать полученные данные
Как устроен микрофон
Микрофоны делятся на несколько типов: Конденсаторный, Динамический, Пьезоэлектрический .
Конденсаторный микрофон был изобретён американским инженером Эдуардом Венте в 1916 году данный микрофон работает по принципу изменения электроёмкости под действием звука.
Одна из обкладок конденсатора выступает здесь в качестве чувствительной к звуку тонкой подвижной мембраны. Мембрана получается легкой и чувствительной в силу своей тонкости, поскольку для ее изготовления традиционно используют тонкий пластик с нанесенным на него тончайшим слоем золота или никеля. Вторая обкладка конденсатора, соответственно, должна быть закреплена неподвижно.
Рождение динамического микрофона явилось заслугой немецких ученых Гервина Эрлаха и Вальтера Шоттки. В 1924 году они предложили новый тип микрофона - динамический микрофон, работающий значительно качественнее угольного предшественника в плане линейности и частотных характеристик, и превосходящий конденсаторного собрата по изначальным электрическим параметрам. Они расположили в магнитном поле гофрированную ленточку из очень тонкой (около 2 мкм толщиной) алюминиевой фольги.
Звуковые колебания действуют на мембрану, мембрана колеблется повторяя движения звуковой волны, при этом передает свои движения проводнику, проводник перемещается в магнитном поле, и (в соответствии с законом электромагнитной индукции) в проводнике индуцируется электрический ток, повторяющий падающий на мембрану звук.
Поскольку проводник с пластиковой опорой - достаточно легкая конструкция, она получается очень подвижной и весьма чувствительной, а наводимое электромагнитной индукцией переменное напряжение - достаточным для качественного преобразования звука в электрический сигнал.
Принцип работы пьезоэлектрического микрофона: звук действует на мембрану, связанную со стержнем, который в свою очередь закреплен на пьезоэлектрике. Пьезокристалл деформируется под действием колебаний стрежня, а на его выводах появляется напряжение, повторяющее падающий звук. Полученное таким образом напряжение является удобным для его дальнейшего преобразования электрическим сигналом.
Датчики KY – 038 и GY –MAX9814 являются конденсаторными.
Описание датчика KY – 038:
Датчик имеет два выхода: аналоговый и цифровой. Сигнал на аналоговом выходе пропорционален уровню шума вокруг датчика. Чем выше громкость – тем ниже значение напряжения на нём.
Сигнал на цифровом выходе появляется лишь при превышении заданного порога громкости (это происходит при помощи встроенного компаратора), всё остальное время на нём логический ноль. При появлении сигнала на выходе загорится светодиод L2. Светодиод L1 является индикатором питания.
Чувствительность датчика настраивается с помощью находящегося на плате многооборотного подстроечного резистора. С его помощью это получается довольно точно. Регулируется и уровень аналогового сигнала, и порог срабатывания компаратора.
Датчик работает при напряжении от 3.3 до 5 В, благодаря чему совместим с большинством микроконтроллеров.
Заявленные характеристики модуля:
Питание: 3,3-5 В постоянного тока
Потребляемый ток: 10 мА
Выходной сигнал: цифровой и аналоговый
Описание датчика GY – MAX9814:
MAX9814 — недорогой высококачественный микрофон. Усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ) и смещением сигнала микрофона с низким уровнем шума. Устройство имеет малошумящий предусилитель, усилитель с
переменным усилением (АРУ), усилитель, генератор напряжения смещения микрофона, схема управления.
Малошумящий предусилитель имеет фиксированное усиление 12 дБ. Усиление АРУ автоматически регулируется от 20 дБ до 0 дБ, в зависимости от выходного напряжения и порога АРУ. Выходной усилитель предлагает выбираемое усиление 8 дБ, 18 дБ и 28 дБ. Без сжатия каскад усилителя может работать с общим усилением 40 дБ, 50 дБ или 60 дБ.
Трехуровневый цифровой вход программирует коэффициент усиления выходного усилителя. А внешний резистивный делитель управляет порогом АРУ и один конденсатор программирует время реакции цепи АРУ. Время удержания АРУ установлено на 30 мс. Малошумящий генератор напряжения смещения микрофона может смещать большинство электретных микрофонов.
MAX9814 доступен в компактном 14-контактном корпусе TFDN. Это устройство рассчитано на диапазон от -40°C до +85°C расширенный температурный диапазон.
Что такое микроконтроллер?
Микроконтроллер(МК) – это микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. В данном исследовании микроконтроллер нужен для того ,чтобы считать и проанализировать полученные с датчика данные. В данном исследовании я использовал отладочную плату на базе микроконтроллера ATmega328p т.к она довольно доступная и вычислительных мощностей хватает.
Что такое умный дом и хлопковый выключатель?
Для начала нужно разобраться ,что же такое умный дом и хлопковый выключатель?
Умный дом - это система домашних устройств, способных решать определённые повседневные задачи без участия человека. Хлопковый выключатель - это датчик который активируется при звуке хлопка или другом громком звуке.
Схема:
Компоненты для схемы:
отладочная плата Arduino nano
микрофоны KY – 038 и GY – MAX9814
провода
макетная плата
TM1637 - дисплей
Схема проекта:
Программный код
Написание кода очень важный шаг ,так как без него не будет работать схема с присутствием МК (микроконтроллера)!
Код занял всего 8% памяти платы Arduino nano это значит, что схема будет работать стабильно. В данном случае в прошивке используется библиотека для анализа сигнала VolAnalyzer.h
Код проекта:
#include"VolAnalyzer.h"
int flag;
int mode ;
int a ;
int couter;
int interval = 5;
int interval1 = 2;
unsigned long timer;
VolAnalyzer analyzer(A0);
void setup() {
attachInterrupt(1, light, RISING);
analogReference(INTERNAL);
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
Serial.println(analyzer.getVol());
if(mode == 0){
if(millis() - timer > interval*1000){
mode = 1;
}
}
if(mode == 1){
if(millis() - timer > interval1 * 1000){
if(flag == 1){
a++;
Serial.println("a");
flag = 0;
}
timer = millis();
}
mode = 0;
}
if(a>3){
digitalWrite(13,HIGH);
couter++;
}
}
void light() {
flag = 1;
}Сравнение датчиков по заявленным характеристикам:
датчик №1 KY - 038
датчик №2 GY - MAX9814
Изучение сигналов
Итак для начала разделим датчики на две группы: clap и idle
clap - изменение сигнала при звуке хлопка
idle - сигнал в относительной тишине
GY - MAX9814 с использованием библиотеки VolAnalyzer:
GY - MAX9814 без использования библиотеки VolAnalyzer:
KY - 038 с использованием библиотеки VolAnalyzer:
KY - 038 без использования библиотеки VolAnalyzer:
Итог
Я изучил виды микрофонов их принцип работы, собрал схему для тестирования , написал программный код ,изучил сигналы сданных датчиков провёл сравнительный анализ качества работы датчиков GY – MAX9814 и KY -038, составил таблицу по заявленным производителем характеристикам.
У датчика GY - MAX9814 уровень шумов оказался одинаковым с уровнем хлопка за счёт наличия АРУ(автоматической регулировки усиления) и использования библиотеки VolAnalyzer
Разрешение сигнала с GY – MAX9814 выше чем у KY – 038 это можно понять посмотрев на графики. На первом графике можно заметить сигнал хлопка его можно отследить, в будущем я сделаю поддержку данной функции. Также датчик GY – MAX9814 меньше шумит что делает его более подходящим для хлопкового выключателя .Датчик GY - MAX9814 показал себя лучше чем KY - 038 т.к он более чувствителен за счёт наличия АРУ (автоматической регулировки усиления) и хорошо фильтрует шумы.