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 три основных компонента на печатной плате. Во-первых, сенсорный блок в передней части модуля, который измеряет площадь физически и отправляет аналоговый сигнал на второй блок, усилитель. Усилитель усиливает сигнал в соответствии со значением сопротивления потенциометра и посылает сигнал на аналоговый выход модуля.

Третий компонент представляет собой компаратор, который переключает цифровой выход и светодиод, если сигнал падает ниже допустимого предела.

Вы можете контролировать чувствительность, регулируя потенциометр.

Заявленные характеристики модуля:

1. Питание: 3,3-5 В постоянного тока

2. Потребляемый ток: 10 мА

3. Выходной сигнал: цифровой и аналоговый

Описание датчика GY – MAX9814:

MAX9814 — недорогой высококачественный микрофон. Усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ) и смещение микрофона с низким уровнем шума. Устройство имеет малошумящий предусилитель, усилитель с переменным усилением (VGA), выход, усилитель, генератор напряжения смещения микрофона и АРУ, схема управления.

Малошумящий предусилитель имеет фиксированное усиление 12 дБ. Усиление VGA 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 усилители приводят к общему усилению 40 дБ, 50 дБ или 60 дБ.

Трехуровневый цифровой вход программирует коэффициент усиления выходного усилителя. Ан внешний резистивный делитель управляет порогом АРУ(Автоматическая регулировка уровня) и один конденсатор программирует время атаки/восстановления. А трехуровневый цифровой вход программирует соотношение атаки и освобождения время. Время удержания АРУ установлено на 30 мс. Малошумящий генератор напряжения смещения микрофона может смещать большинство электретные микрофоны.

MAX9814 доступен в компактном 14-контактном корпусе. Пакет 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

Схемf 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.