Sound Sensor Modul KY-038

Sound Sensor Modul

Aufgabe

Vertiefend zu den Vorlesungen der Lehrveranstaltung Sensortechnik aus dem Schwerpunkt System Design Engineering besteht die Aufgabe einen beliebigen Sensor mithilfe eines Arduino Uno Boards in Betrieb zu nehmen und in diesem Artikel den Weg vom Sensor über den elektrischen Aufbau und die Programmierung bis hin zu brauchbaren Messergebnissen zu beschreiben.
In diesem Semester ersetzt diese Hausarbeit die Klausur für diese Lehrveranstaltung.

Einleitung

Die Lehrveranstaltung Sensortechnik gehört zum Studienschwerpunkt System Design Engineering im 5. Semester des Studienganges Mechatronik.

In diesem Artikel wird im Folgenden ein Sound Sensor Modul (KY-038 beschrieben). Auf dem oben dargestellten Foto ist das Sound Sensor Modul abgebildet. Auf diesem Modul ist der eigentliche Sensor montiert. Dies ist ein sogenanntes Kondensatormikrofon, das mit eintreffenden Schallwellen die Kapazität des Kondensators ändert. Auf dem Modul ist dann bereits eine Auswerteschaltung realisiert, die im Folgenden ebenfalls erläutert wird.

Technische Daten

Tabelle mit den technischen Daten des Kondensatormikrofons

Typ	Wert
Empfindlichkeit	-46db +-3
Richtwirkung	Omnidirektional
Stromverbrauch	max. 0.5 mA
Betriebsspannung	1.5-10V
Betriebstemperatur	-10°C - 45°C
Lagertemperatur	-20°C- 60°C

Beschreibung der Pins am Sound Sensor Modul

PIN	Beschreibung
+	Versorgungsspannung (5V, 3.3V)
G	GND
A0	Analog signal output Pin
D0	Digital signal output Pin

Prinziperklärung

Bei dem Sound Sensor Modul handelt es sich um ein Modul, dass aus 3 Bereichen besteht. Erstens das Kondensatormikrofon, dass die Schallwellen aufnimmt, zweitens ein Potentiometer, mit dem ein Schwellwert für die Empfindlichkeit eingestellt werden kann und drittens einer LED, die den digitalen Ausgang des Moduls nutzt und leuchtet wenn der Schwellwert überschritten ist.

Auswahl eines Primärsensors

Wie funktioniert der Sensor?
Der eigentliche Sensor ist ein Kondensatormikrofon. Das Mikrofon besteht aus 2 Platten, die den Plattenkondensator bilden. Eine Platte davon ist fest fixiert, die andere Platte ist leicht beweglich. Wenn nun Schallwellen auf die bewegliche Platte treffen, verändert sich der Abstand der platten zueinander. Wenn sich der Plattenabstand ändert, ändert sich auch die Kapazität des Kondensators, und somit ergibt sich auch eine Änderung der Spannung.
Die Spannung berechnet sich wie folgt.

$U = \frac{Q}{C}$ mit $C = \frac{A\cdot \varepsilon}{d}$ ergibt sich $U = \frac {Q \cdot d}{\varepsilon \cdot A}$

$U$ – Spannung am Kondensator

$Q$ – im Kondensator gespeicherte Ladung (für kurze Zeiträume als konstant angenommen)

$C$ – Elektrische Kapazität der Kapsel

$d$ – Abstand von Membran und Gegenelektrode

$\varepsilon$ – Elektrische Feldkonstante

$A$ – Feldwirksame Fläche zwischen Membran und Gegenelektrode

Eine Änderung von d hat somit eine proportionale Änderung von U in Folge.

Welche Rohsignale liefert der Sensor?

Als Rohsignal liefert der Sensor somit eine Spannung zwischen 0 und 5V, da der Sensor an 5V angeschlossen ist.

Dieses Signal könnte direkt vom Arduino angegriffen werden, sodass eine theoretische Genauigkeit von ca. 0.005V entsteht. Dies muss dann aber entsprechend von der Software in brauchbare Messwerte umgerechnet werden, wodurch die Genaugkeit sinkt.

Equipment

Verwendete Software

• Arduino IDE
  
• Fritzing
  

Verwendete Komponenten

• Arduino Uno in der Elegoo Edition
• Breadboard
• Sound Sensor Modul KY-038
• Jumper Kabel

Messkette

Signalvorverarbeitung

Sollen Messwerte oder vorverarbeitete Daten übertragen werden?
Bild der Schaltung einfügen und im Detail erläutern!! Wie lässt sich eine Vorverarbeitung umsetzen?
Wird eine Kennlinie eingesetzt? Wenn ja, wie wird diese kalibriert?

Analog-Digital-Umsetzer

Wie werden die analogen Signale umgesetzt?
Welcher ADU kommt zum Einsatz?
Welche Gründe sprechen für diesen ADU? Alternativen?

ADC des Arduinos erklären und Abtastrate etc. bestimmen

Bussystem

Wird ein Bussystem zwischen Sensor und Mikrocontroller eingesetzt?
Für die Messung der Sensorwerte ist kein Bussystem notwendig und es wird auch keins verwendet.

Digitale Signalverarbeitung

Welche Verarbeitungsschritte sind notwendig?
Welche Filter werden angewendet?
Bestimmen Sie Auflösung, Empfindlichkeit und Messunsicherheit des Sensors.

Hardware

Datenblatt

Das Datenblatt des Sensors, also des eigentlichen Kondensatormikrofons ist hier Datenblatt Kondensatormikrofon verlinkt.
Das nur sehr dürftige und schlecht dokumentierte Datenblatt für das gesamte Modul ist hierDatenblatt KY 038 Modul verlinkt.

Schaltung für die Inbetriebnahme

Hier sieht man die Schaltung für die Inbetriebnahme des Sensors mit den beiden Leds, die jeweils leuchten wenn es still im raum ist oder wenn es laut ist.
Die Schaltung wurde mit dem Programm Fritzing erstellt.

Hardwareaufbau des Sound Sensors

Bewertung der Sensordaten

Welche Fehler treten in welchem Verarbeitungsschritt auf?
Stellen Sie die Messunsicherheit bzw. das Vertrauensintervall dar.

An dieser Stelle ist zu erwähnen, dass nicht die Möglicheit besteht eine tatsächliche Messungenauigkeit zu bestimmen, da keine Vergleichswerte vorliegen. Die Messungen sind somit eher qualitativ als quantitativ zu verstehen. Der Sensor liefert zwar höhere Spannungswerte bei höherer Lautsärke und somit auch höherer Schwingung, jedoch kann dies nicht in eine Einheit wir z.B. dezibel umgerechnet werden.

Literatur

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