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

Die Messkette sieht bei dem mir vorliegenden Sound Sensor Modul folgendermaßen aus. Auf dem Bild sieht man die Schaltung und die Bauteile, die auf der Platine angebracht sind.

Schaltplan des Sound Sensor Moduls

Es sind folgende Bauteile auf der Platine vorhanden:

• Q1: Kondensatormikrofon
• R2 und R6 Widerstände für den Spannungsteiler
• VR1: Potentiometer um die Empfindlichkeit des Mikrofons einzustellen
• U1.1 und U1.2 zusammen in einem IC (LM393), dient als Komparator, um den digitalen Ausgang zu schalten
• R1: Lastwiderstand für den Komparator
• R4 und R5 Vorwiderstände für die LEDs
• L2: Led für den digitalen Ausgang
• L1: Led für die Spannungsversorgung

Der Komparator

Die beiden Operationsverstärker dienen als sogenannte Komparatoren. Ein Komparator vergleicht den nichtinvertierten Eingang und den invertierten Eingang miteinander. Je nachdem welcher Eingang das höhere Spannungspotential aufweist, wird der Ausgang des Komparators umgeschaltet. Sobald die Eingangsspannung am nichtinvertierten Eingang (+) höher ist als am invertierten Eingang (-) sperren die internen Transistoren den Ausgang. Wenn der Ausgang nun mit einem Lastwiderstand (in diesem Fall ist das R1) verbunden ist, kann ein HIGH Signal abgegriffen werden.
Der anderer Fall, wenn die Spannung an nichtinvertierten Eingang kleiner ist als am invertierten Eingang, leitet der Transistor am Ausgang und es kann ein LOW Impuls abgegriffen werden.
Dieses Komparator Prinzip findet bei dem Sound Sensor Modul nun gleich zweifach Anwendung.

Ablauf der Messung

Ganz links ist der eigentliche Sensor, das Kondensatormikrofon angebracht. Über einen Spannungsteiler ist dies zusammen mit R3 mit dem Potentiometer verbunden. An dem Potentiometer können dann im Extremfall die kompletten 5V abfallen, was die Empfindlichkeit des Sensors auf 0 setzen und somit unbrauchbar machen würde, oder am Potentiometer würde nur sehr wendig Spannung abfallen und der gesamte Rest am Sensor, was diesen sehr empfindlich und machen würde. Hier ein gutes Mittelmaß zu finden, sodass z.B. 2.5V am Potentiometer abfallen und die restlichen 2.5V für die Änderung des Kondensators sind ergibt in diesem Fall am meisten Sinn. An diesem Spannungsteiler wird A0 abgegriffen, das wiederum vom Arduino eingelesen werden kann.
Der digitale Ausgang hingegen ist komplizierter aufgebaut. Die beiden Widerstände R6 und R3 bauen einen Spannungsteiler auf. Da die beiden Widerstände gleich groß sind, liegen an den beiden nichtinvertierten Eingängen des Komparators jeweils 2.5V an. Wird nun in das Mikrofon gesprochen, liegt am invertierten Eingang von U1.1 ein kleineres Signal an als die 2.5V die am nichtinvertierten Eingang anliegen. Somit kann ein HIGH Signal am Ausgang abgegriffen werden. Dieses Signal wird dann auch am D0 Ausgang abgegriffen. Dieses HIGH Signal liegt dann am 2. Komparator an. Da dann das Signal am invertierten Eingang größer ist als am nichtinvertierten, kommt am Ausgang ein LOW Signal heraus. Dies wird benötigt, damit die angeschlossenen LED einen Spannungsunterschied von 5V hat um zu leuchten. Im anderen Fall also bei Stille, sind die 2.5V am nichtinvertierten Eingang des 1. Komparators kleiner als die Spannung am invertierten Eingang, sodass der digitale Ausgang nicht geschaltet wird, und auch die LED2 nicht leuchtet.
Der Ablauf der Messung ist in dem folgenden Flussdiagramm noch einmal kurz zusammengefasst:

Messkette Sound Sensor Modul

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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