Sound Sensor Modul KY-038 - Versionsgeschichte

Hendrik Steffen: /* Auswahl eines Primärsensors */

2021-01-09T13:28:15Z

Auswahl eines Primärsensors

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	: <math>A</math> – Feldwirksame Fläche zwischen Membran und Gegenelektrode		: <math>A</math> – Feldwirksame Fläche zwischen Membran und Gegenelektrode

	Eine Änderung des Plattenabstands a hat somit eine proportionale Änderung von U in Folge.		Eine Änderung des Plattenabstands <math>a</math> hat somit eine proportionale Änderung von U in Folge.

	'''Besonderheiten beim Aufbau eines Elektret Mikrofons:''' <br>		'''Besonderheiten beim Aufbau eines Elektret Mikrofons:''' <br>

Hendrik Steffen am 9. Januar 2021 um 13:27 Uhr

2021-01-09T13:27:17Z

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	==Aufgabe==		==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~~. <br>		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. Zusätzlich wird in diesem Artikel der Weg vom Sensor, über den elektrischen Aufbau und die Programmierung bis hin zu brauchbaren Messergebnissen beschrieben. <br>
	In diesem Semester ersetzt diese Hausarbeit die Klausur für diese Lehrveranstaltung. <br>		In diesem Semester ersetzt diese Hausarbeit die Klausur für diese Lehrveranstaltung. <br>

Hendrik Steffen am 4. Januar 2021 um 10:26 Uhr

2021-01-04T10:26:24Z

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	== Prinziperklärung ==		== Prinziperklärung ==
	Bei dem Sound Sensor Modul handelt es sich um ein Modul, dass im Wesentlichen 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. In der folgenden Abbildung sind diese 3 Bereiche einmal dargestellt.		[[Datei:Skizze_Sound_Sensor.png\|500px\|thumb\|links\|Abbildung 2: Hauptbestandteile des Sound Sensor Moduls <ref> Eigene Zeichnung </ref>]]
			Bei dem Sound Sensor Modul handelt es sich um ein Modul, dass im Wesentlichen aus 5 Komponenten besteht. Erstens das Kondensatormikrofon, dass die Schallwellen aufnimmt, zweitens ein Potentiometer, mit dem ein Schwellwert für die Empfindlichkeit eingestellt werden kann, drittens einem IC, der als Komparator fungiert, um die Schallwellen mit dem Schwellenwert zu vergleichen und zwei LEDS. Mit der einen LED wird angezeigt wird, ob eine Spannung anliegt und die zweite LED zeigt den digitalen Ausgang an, also ob der Schwellwert überschritten ist oder nicht. In der folgenden Abbildung 2 sind diese Bereiche auf dem Modul einmal dargestellt und beschriftet.

	~~BILD INDEM DIE 3 BEREICHE EINGEKREIST SIND.~~		<br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br>
	~~Abbildung 2:~~

	===Auswahl eines Primärsensors===		===Auswahl eines Primärsensors===
Zeile 59:		Zeile 59:
	Der eigentliche Sensor ist ein Kondensatormikrofon genauer gesagt handelt es sich um ein Elektret Mikrofon. Diesen Sensor kann man somit der Gruppe der kapazitiven EMS Sensoren zuordnen.		Der eigentliche Sensor ist ein Kondensatormikrofon genauer gesagt handelt es sich um ein Elektret Mikrofon. Diesen Sensor kann man somit der Gruppe der kapazitiven EMS Sensoren zuordnen.
	Das Mikrofon besteht aus zwei Platten, die einen 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. Anschließend schwingt die Platte wieder zurück, sodass sich eine leichte Schwingung einstellt, die dann gedämpft wid und sich langsam wieder legt. Wenn sich der Plattenabstand ändert, ändert sich auch die Kapazität des Kondensators, und somit ergibt sich auch eine Änderung der Spannung.<br>		Das Mikrofon besteht aus zwei Platten, die einen 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. Anschließend schwingt die Platte wieder zurück, sodass sich eine leichte Schwingung einstellt, die dann gedämpft wid und sich langsam wieder legt. Wenn sich der Plattenabstand ändert, ändert sich auch die Kapazität des Kondensators, und somit ergibt sich auch eine Änderung der Spannung.<br>
	Die Spannung am Kondensator berechnet sich wie folgt. <ref> Hesse, S. Schnell, G..: ''Sensoren für die Prozess und ~~Fabrikaotumation~~'' Vieweg & Teubner, 5. Auflage ~~2011~~. ISBN: 978-3-8348-0895-0 </ref><br>		Die Spannung am Kondensator berechnet sich wie folgt. <ref> [https://hshl.bsz-bw.de/cgi-bin/koha/opac-detail.pl?biblionumber=5864&query_desc=kw%2Cwrdl%3A%20Sensoren%20f%C3%BCr%20die%20Prozess-%20und%20Fabrikautomation Hesse, S. Schnell, G..: ''Sensoren für die Prozess und Fabrikautomation'' Vieweg & Teubner, 5. Auflage 2012. ISBN: 978-3-8348-0895-0] </ref><br>
	<br>		<br>

Zeile 78:		Zeile 78:
	Ein Elektret Mikrofon funktioniert wie oben beschrieben ebenfalls durch eine Änderung des Plattenabstandes a. Jedoch hat ein Elektret Mikrofon eine Elektret Membran. Ein Elektret hat elektrische Dipole, die eingefroren werden, somit erzeugen Elektrete ein ständiges elektrisches Feld, was mit dem magnetischen Feld eines Dauermagneten verglichen werden kann. Abbildung 3 zeigt den Aufbau eines Elektret Kondensatormikrofons. <br>		Ein Elektret Mikrofon funktioniert wie oben beschrieben ebenfalls durch eine Änderung des Plattenabstandes a. Jedoch hat ein Elektret Mikrofon eine Elektret Membran. Ein Elektret hat elektrische Dipole, die eingefroren werden, somit erzeugen Elektrete ein ständiges elektrisches Feld, was mit dem magnetischen Feld eines Dauermagneten verglichen werden kann. Abbildung 3 zeigt den Aufbau eines Elektret Kondensatormikrofons. <br>

	[[Datei:Elektret_Mikrofon.png\|500px\|thumb\|links\|Abbildung 3: Aufbau eines Elektret Mikrofons <ref> Bernstein, H.: ''Elektroakustik: Mikrofone, Klangstufen, Verstärker, Filterschaltungen und Lautsprecher'' Springer, 2. Auflage ~~2019g~~ </ref>]]		[[Datei:Elektret_Mikrofon.png\|500px\|thumb\|links\|Abbildung 3: Aufbau eines Elektret Mikrofons <ref> [https://hshl.bsz-bw.de/cgi-bin/koha/opac-detail.pl?biblionumber=121920 Bernstein, H.: ''Elektroakustik: Mikrofone, Klangstufen, Verstärker, Filterschaltungen und Lautsprecher'' Springer, 2. Auflage 2019] </ref>]]

	Statt einer Membran aus Metall wird eine Membran aus einem Elektret verwendet, sodass auf eine Hilfsspannungsquelle verzichtet werden kann. Dies ist neben einer kompakten Bauweise und einem günstigen Preis ein weiterer Vorteil, sodass Elektret Mikrofone oft als Messmikrofone eingesetzt werden. <br>		Statt einer Membran aus Metall wird eine Membran aus einem Elektret verwendet, sodass auf eine Hilfsspannungsquelle verzichtet werden kann. Dies ist neben einer kompakten Bauweise und einem günstigen Preis ein weiterer Vorteil, sodass Elektret Mikrofone oft als Messmikrofone eingesetzt werden. <br>
	<br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br>		<br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br>

	'''Welche Rohsignale liefert der Sensor? '''<br>		'''Welche Rohsignale liefert der Sensor? '''<br>
Zeile 102:		Zeile 102:
	Es sind folgende Bauteile auf der Platine vorhanden:<br>		Es sind folgende Bauteile auf der Platine vorhanden:<br>
	* Q1: Kondensatormikrofon		* Q1: Kondensatormikrofon
	* R2 und R6 Widerstände für den ~~Spannungsteilere~~		* R2 und R6 Widerstände für den Spannungsteiler
	* VR1: Potentiometer um die Empfindlichkeit des Mikrofons einzustellen		* 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		* U1.1 und U1.2 zusammen in einem IC (LM393), dient als Komparator, um den digitalen Ausgang zu schalten
Zeile 109:		Zeile 109:
	* L2: Led für den digitalen Ausgang		* L2: Led für den digitalen Ausgang
	* L1: Led für die Spannungsversorgung		* L1: Led für die Spannungsversorgung
	<br><br><br><br>		<br><br><br><br><br>

	===Der Komparator===		===Der Komparator===
Zeile 182:		Zeile 182:
	[[Datei:Messwerte_Klopfen.png\|525px\|thumb\|center\| Abbildung 9: Messwerte bei Klopfen auf den Sensor <ref> Eigenes Dokument </ref>]]<br>		[[Datei:Messwerte_Klopfen.png\|525px\|thumb\|center\| Abbildung 9: Messwerte bei Klopfen auf den Sensor <ref> Eigenes Dokument </ref>]]<br>

	In den Abbildungen 8 und 9 sieht man einen typischen Verlauf der Messwerte des analogen Ausgangs des Sensors. Der mittlere Grüne Linie sind in meinem Beispiel 2.5V. Ich habe 2.5V gewählt, da bei dieser Grundspannung gut Ausschläge zu erkennen sind und die Messwerte in ihrer Empfindlichkeit nicht zu groß sind aber auch nicht zu unempfindlich, sodass kaum eine Änderung der Schallwelle erkennbar ist. In der linken Abbildung sieht man die Reaktion des Analogen Ausgangs auf Pfeifen. Dabei treffen die Schallwellen des Pfeifens auf den Sensor und lassen die bewegliche Platte schwingen. Daher kommt es zu Ausschlägen nach oben und nach unten. Da sich der Plattenabstand mal vergrößert und mal verringert. Einen Unterschied hingegen sieht man, wenn man vorsichtig auf das Mikrofon klopft, wie in Abbildung 9 dargestellt. Dabei fällt auf, dass der Ausschlag nur nach unten stattfindet und anschließend wieder auf die Ausgangsspannung zurückgeht. Dis könnte damit erklärt werden, dass sich der Plattenabstand durch das Draufklopfen verringert, und somit eine ~~niederigere~~ Spannung abgegriffen wird. Im Gegensatz zu den Schalwellen, die beim Pfeifen entstehen schwingt die Platte beim Klopfen nicht oder nur sehr schwach wieder zurück, sodass kaum Ausschläge in dem anderen Bereich zu erkennen sind. Dieses Verhalten der Spannung passt mit den Berechnungen und den Überlegungen zu der Schaltung zusammen, die im Abschnitt Meskette erläutert wurden.		In den Abbildungen 8 und 9 sieht man einen typischen Verlauf der Messwerte des analogen Ausgangs des Sensors. Der mittlere Grüne Linie sind in meinem Beispiel 2.5V. Ich habe 2.5V gewählt, da bei dieser Grundspannung gut Ausschläge zu erkennen sind und die Messwerte in ihrer Empfindlichkeit nicht zu groß sind aber auch nicht zu unempfindlich, sodass kaum eine Änderung der Schallwelle erkennbar ist. In der linken Abbildung sieht man die Reaktion des Analogen Ausgangs auf Pfeifen. Dabei treffen die Schallwellen des Pfeifens auf den Sensor und lassen die bewegliche Platte schwingen. Daher kommt es zu Ausschlägen nach oben und nach unten. Da sich der Plattenabstand mal vergrößert und mal verringert. Einen Unterschied hingegen sieht man, wenn man vorsichtig auf das Mikrofon klopft, wie in Abbildung 9 dargestellt. Dabei fällt auf, dass der Ausschlag nur nach unten stattfindet und anschließend wieder auf die Ausgangsspannung zurückgeht. Dis könnte damit erklärt werden, dass sich der Plattenabstand durch das Draufklopfen verringert, und somit eine niedrigere Spannung abgegriffen wird. Im Gegensatz zu den Schalwellen, die beim Pfeifen entstehen schwingt die Platte beim Klopfen nicht oder nur sehr schwach wieder zurück, sodass kaum Ausschläge in dem anderen Bereich zu erkennen sind. Dieses Verhalten der Spannung passt mit den Berechnungen und den Überlegungen zu der Schaltung zusammen, die im Abschnitt Meskette erläutert wurden.

	==Bewertung der Sensordaten==		==Bewertung der Sensordaten==
Zeile 191:		Zeile 191:

	== Zusammenfassung==		== Zusammenfassung==
	Abschließend lässt sich festhalten, das ~~was~~ diese Hausarbeit einen Sensor beziehungsweise ein Sensormodul betrachtet. Damit findet wie in der Einleitung angesprochen eine praktische Vertiefung der Lehrinhalte der Vorlesung Sensortechnik statt. Der Sound Sensor, der hier betrachtet wurde, hat ein sogenanntes ~~Kondensator Mikrofon~~ verbaut ~~dabei~~ ändert sich die Spannung durch Änderung der darauf ~~treffen in~~ Schallwellen. Mit Hilfe der Arduino ~~DIE~~ konnte diese Änderung ausgelesen und visualisiert werden. Zusätzlich wurde mit der Software Fritzing ein Schaltplan erstellt, und ~~diese Schaltung~~ mit Hilfe eines Breadboard übersichtlich aufgebaut. So konnten die zuvor theoretisch durchdachten Messergebnisse durch den praktischen Aufbau bestätigt werden. Leider konnte aufgrund einer fehlenden Vergleichsmessung keine exakte Messungenauigkeit festgestellt oder berechnet werden. Insgesamt lässt sich trotzdem festhalten, dass der Sensor nur sehr schwach reagiert und ~~relativ~~ ungenau ist. Dennoch war es eine gute und lehrreiche Aufgabe einen Sensor praktisch in Betrieb zu nehmen und einmal alle Schritte der Messwerterfassung und Auswertung praktisch durchzuführen.		Abschließend lässt sich festhalten, das diese Hausarbeit einen Sensor beziehungsweise ein Sensormodul betrachtet. Damit findet, wie in der Einleitung angesprochen eine praktische Vertiefung der Lehrinhalte der Vorlesung Sensortechnik statt. Der Sound Sensor, der hier betrachtet wurde, hat ein sogenanntes Elektret Kondensatormikrofon verbaut. Bei diesem ändert sich die Spannung durch Änderung der darauf treffenden Schallwellen. Mit Hilfe der Arduino IDE konnte diese Änderung ausgelesen und visualisiert werden. Zusätzlich wurde mit der Software Fritzing ein Schaltplan erstellt, und die notwendige Auswerteschaltung mit Hilfe eines Breadboard übersichtlich aufgebaut. So konnten die zuvor theoretisch durchdachten Messergebnisse durch den praktischen Aufbau bestätigt werden. Leider konnte aufgrund einer fehlenden Vergleichsmessung keine exakte Messungenauigkeit festgestellt oder berechnet werden. Insgesamt lässt sich trotzdem festhalten, dass der Sensor nur sehr schwach reagiert und somit ungenau ist. Dennoch war es eine gute und lehrreiche Aufgabe einen Sensor praktisch in Betrieb zu nehmen und einmal alle Schritte der Messwerterfassung und Auswertung zuerst theoretisch und dann praktisch durchzuführen.

	== Video==		== Video==

	Hier sieht man ein Video ~~der~~ ergänzend zu diesem Wiki Artikel die Ergebnisse zusammenfasst: [https://youtu.be/YC2OoOnn9h8 Sound Sensor Modul KY-038 HSHL Sensortechnik]		Hier sieht man ein Video, das ergänzend zu diesem Wiki Artikel die Ergebnisse zusammenfasst: [https://youtu.be/YC2OoOnn9h8 Sound Sensor Modul KY-038 HSHL Sensortechnik]

	== Literatur ==		== Literatur ==

Hendrik Steffen am 2. Januar 2021 um 14:09 Uhr

2021-01-02T14:09:17Z

Hendrik Steffen am 2. Januar 2021 um 13:51 Uhr

2021-01-02T13:51:16Z

← Nächstältere Version		Version vom 2. Januar 2021, 15:51 Uhr
Zeile 55:		Zeile 55:

	===Auswahl eines Primärsensors===		===Auswahl eines Primärsensors===
	Wie funktioniert der Sensor? <br>		'''Wie funktioniert der Sensor? ''' <br>
	Der eigentliche Sensor ist ein Kondensatormikrofon genauer gesagt handelt es sich um ein Elektret Mikrofon. Diesen Sensor kann man somit der Gruppe der kapazitiven EMS Sensoren zuordnen.		Der eigentliche Sensor ist ein Kondensatormikrofon genauer gesagt handelt es sich um ein Elektret Mikrofon. Diesen Sensor kann man somit der Gruppe der kapazitiven EMS Sensoren zuordnen.
	Das Mikrofon besteht aus zwei Platten, die einen 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. Anschließend schwingt die Platte wieder zurück, sodass sich eine leichte Schwingung einstellt, die dann gedämpft wid und sich langsam wieder legt. Wenn sich der Plattenabstand ändert, ändert sich auch die Kapazität des Kondensators, und somit ergibt sich auch eine Änderung der Spannung.<br>		Das Mikrofon besteht aus zwei Platten, die einen 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. Anschließend schwingt die Platte wieder zurück, sodass sich eine leichte Schwingung einstellt, die dann gedämpft wid und sich langsam wieder legt. Wenn sich der Plattenabstand ändert, ändert sich auch die Kapazität des Kondensators, und somit ergibt sich auch eine Änderung der Spannung.<br>
Zeile 73:		Zeile 73:
	Eine Änderung des Plattenabstands a hat somit eine proportionale Änderung von U in Folge.		Eine Änderung des Plattenabstands a hat somit eine proportionale Änderung von U in Folge.

	~~===~~Besonderheiten beim Aufbau eines Elektret Mikrofons:~~===~~ <br>		'''Besonderheiten beim Aufbau eines Elektret Mikrofons:''' <br>

	Ein Elektret Mikrofon funktioniert wie oben beschrieben ebenfalls durch eine Änderung des Plattenabstandes a. Jedoch hat ein Elektret Mikrofon eine Elektret Mambran. Ein Elektret hat elektrische Dipole, die eingefroren werden, somit erzeugen Elektrete ein ständiges elektrisches Feld, was mit dem magnetischen Feld eines Dauermegneten verglichen werden kann. Die folgende Abbildung zeigt den Aufbau eines Elektret Kondensatormikrofons. <br>		Ein Elektret Mikrofon funktioniert wie oben beschrieben ebenfalls durch eine Änderung des Plattenabstandes a. Jedoch hat ein Elektret Mikrofon eine Elektret Mambran. Ein Elektret hat elektrische Dipole, die eingefroren werden, somit erzeugen Elektrete ein ständiges elektrisches Feld, was mit dem magnetischen Feld eines Dauermegneten verglichen werden kann. Die folgende Abbildung zeigt den Aufbau eines Elektret Kondensatormikrofons. <br>
Zeile 82:		Zeile 82:
	<br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br>		<br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br>

	~~===~~Welche Rohsignale liefert der Sensor?~~===~~<br>		'''Welche Rohsignale liefert der Sensor? '''<br>
	Als Rohsignal liefert der Sensor somit eine Spannung zwischen 0 und 5V, da der Sensor an 5V angeschlossen ist. Allerdings wird die Größe dieser maximalen Spannungsänderung durch das Potentiometer begrenzt. Wenn dies auf einen hohen Widerstand eingestellt ist, ist die Messspanne von dem Kondensator natürlich kleiner, was somit einer geringeren Empfindlichkeit entspricht. Wenn der Widrstand des Potentiometers aber auf einem sehr kleinen Wert steht, fällt die Spannungsänderung am Kondensator höher ins Gewicht, sodass so die Empfindlichkeit des Sensors höher ist. <br>		Als Rohsignal liefert der Sensor somit eine Spannung zwischen 0 und 5V, da der Sensor an 5V angeschlossen ist. Allerdings wird die Größe dieser maximalen Spannungsänderung durch das Potentiometer begrenzt. Wenn dies auf einen hohen Widerstand eingestellt ist, ist die Messspanne von dem Kondensator natürlich kleiner, was somit einer geringeren Empfindlichkeit entspricht. Wenn der Widrstand des Potentiometers aber auf einem sehr kleinen Wert steht, fällt die Spannungsänderung am Kondensator höher ins Gewicht, sodass so die Empfindlichkeit des Sensors höher ist. <br>

Hendrik Steffen am 2. Januar 2021 um 13:49 Uhr

2021-01-02T13:49:14Z

← Nächstältere Version		Version vom 2. Januar 2021, 15:49 Uhr
Zeile 73:		Zeile 73:
	Eine Änderung des Plattenabstands a hat somit eine proportionale Änderung von U in Folge.		Eine Änderung des Plattenabstands a hat somit eine proportionale Änderung von U in Folge.

	Besonderheiten beim Aufbau eines Elektret Mikrofons: <br>		===Besonderheiten beim Aufbau eines Elektret Mikrofons:=== <br>

			Ein Elektret Mikrofon funktioniert wie oben beschrieben ebenfalls durch eine Änderung des Plattenabstandes a. Jedoch hat ein Elektret Mikrofon eine Elektret Mambran. Ein Elektret hat elektrische Dipole, die eingefroren werden, somit erzeugen Elektrete ein ständiges elektrisches Feld, was mit dem magnetischen Feld eines Dauermegneten verglichen werden kann. Die folgende Abbildung zeigt den Aufbau eines Elektret Kondensatormikrofons. <br>

	Welche Rohsignale liefert der Sensor?<br>		[[Datei:Elektret_Mikrofon.png\|500px\|thumb\|links\|Aufbau eines Elektret Mikrofons <ref> Bernstein, H.: ''Elektroakustik: Mikrofone, Klangstufen, Verstärker, Filterschaltungen und Lautsprecher'' Springer, 2. Auflage 2019g </ref>]]

			Statt einer Membran aus Metall wird eine Membran aus einem Elektret verwendet, sodass auf eine Hilfsspannungsquelle verzichtet werden kann. Dies ist neben einer kompakten Bauweise und einem günstigen Preis ein weiterer Vorteil, sodass Elektret Mikrofone oft als Messmikrofone eingesetzt werden. <br>
			<br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br>

			===Welche Rohsignale liefert der Sensor?===<br>
	Als Rohsignal liefert der Sensor somit eine Spannung zwischen 0 und 5V, da der Sensor an 5V angeschlossen ist. Allerdings wird die Größe dieser maximalen Spannungsänderung durch das Potentiometer begrenzt. Wenn dies auf einen hohen Widerstand eingestellt ist, ist die Messspanne von dem Kondensator natürlich kleiner, was somit einer geringeren Empfindlichkeit entspricht. Wenn der Widrstand des Potentiometers aber auf einem sehr kleinen Wert steht, fällt die Spannungsänderung am Kondensator höher ins Gewicht, sodass so die Empfindlichkeit des Sensors höher ist. <br>		Als Rohsignal liefert der Sensor somit eine Spannung zwischen 0 und 5V, da der Sensor an 5V angeschlossen ist. Allerdings wird die Größe dieser maximalen Spannungsänderung durch das Potentiometer begrenzt. Wenn dies auf einen hohen Widerstand eingestellt ist, ist die Messspanne von dem Kondensator natürlich kleiner, was somit einer geringeren Empfindlichkeit entspricht. Wenn der Widrstand des Potentiometers aber auf einem sehr kleinen Wert steht, fällt die Spannungsänderung am Kondensator höher ins Gewicht, sodass so die Empfindlichkeit des Sensors höher ist. <br>

Zeile 106:		Zeile 112:
	===Der Komparator===		===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 Vorwiderstand (in diesem Fall ist das R1) verbunden ist, kann ein HIGH Signal abgegriffen werden.<br>		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 Vorwiderstand (in diesem Fall ist das R1) verbunden ist, kann ein HIGH Signal abgegriffen werden.<br>
	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. <ref> https://www.conrad.de/de/ratgeber/handwerk-industrie-wiki/elektronik-bauteile/lm393.html, Aufruf am 02.01.2021 </ref><br>		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. <ref> https://www.conrad.de/de/ratgeber/handwerk-industrie-wiki/elektronik-bauteile/lm393.html, Aufruf am 02.01.2021 </ref><br><br><br>
	<br><br>
	Dieses Komparator Prinzip findet bei dem Sound Sensor Modul nun gleich zweifach Anwendung.		Dieses Komparator Prinzip findet bei dem Sound Sensor Modul nun gleich zweifach Anwendung.

Hendrik Steffen am 2. Januar 2021 um 13:29 Uhr

2021-01-02T13:29:25Z

Hendrik Steffen am 2. Januar 2021 um 13:00 Uhr

2021-01-02T13:00:35Z

Hendrik Steffen am 2. Dezember 2020 um 09:21 Uhr

2020-12-02T09:21:55Z

← Nächstältere Version		Version vom 2. Dezember 2020, 11:21 Uhr
Zeile 1:		Zeile 1:
			Autor:[[Benutzer: Hendrik_Steffen \| Hendrik Steffen]]
	[[Datei:Bild_Sound_Sensor.JPG\|500px\|thumb\|rechts\|Sound Sensor Modul <ref> https://www.az-delivery.de/products/mikrofon-modul-klein </ref>]]		[[Datei:Bild_Sound_Sensor.JPG\|500px\|thumb\|rechts\|Sound Sensor Modul <ref> https://www.az-delivery.de/products/mikrofon-modul-klein </ref>]]

Zeile 176:		Zeile 177:
	== Video==		== Video==

	Hier sieht man ein Video der ergänzend zu diesem Wiki Artikel die Ergebnisse zusammenfasst:		Hier sieht man ein Video der ergänzend zu diesem Wiki Artikel die Ergebnisse zusammenfasst: [https://youtu.be/YC2OoOnn9h8 Sound Sensor Modul KY-038 HSHL Sensortechnik]

	== Literatur ==		== Literatur ==

Hendrik Steffen: /* Messkette */

2020-12-01T12:27:16Z

Messkette

← Nächstältere Version		Version vom 1. Dezember 2020, 14:27 Uhr
Zeile 90:		Zeile 90:
	* L2: Led für den digitalen Ausgang		* L2: Led für den digitalen Ausgang
	* L1: Led für die Spannungsversorgung		* L1: Led für die Spannungsversorgung
	<br><br><br>		<br><br><br><br>

← Nächstältere Version		Version vom 2. Januar 2021, 16:09 Uhr
Zeile 4:		Zeile 4:
	→ zurück zum Hauptartikel: [[ST WS2020\|Sensortechnik WS 20/21]]		→ zurück zum Hauptartikel: [[ST WS2020\|Sensortechnik WS 20/21]]

	[[Datei:Bild_Sound_Sensor.JPG\|500px\|thumb\|rechts\|Sound Sensor Modul <ref> https://www.az-delivery.de/products/mikrofon-modul-klein </ref>]]		[[Datei:Bild_Sound_Sensor.JPG\|500px\|thumb\|rechts\|Abbildung 1: Sound Sensor Modul <ref> https://www.az-delivery.de/products/mikrofon-modul-klein </ref>]]

	==Aufgabe==		==Aufgabe==
Zeile 53:		Zeile 53:

	BILD INDEM DIE 3 BEREICHE EINGEKREIST SIND.		BILD INDEM DIE 3 BEREICHE EINGEKREIST SIND.
			Abbildung 2:

	===Auswahl eines Primärsensors===		===Auswahl eines Primärsensors===
Zeile 75:		Zeile 76:
	'''Besonderheiten beim Aufbau eines Elektret Mikrofons:''' <br>		'''Besonderheiten beim Aufbau eines Elektret Mikrofons:''' <br>

	Ein Elektret Mikrofon funktioniert wie oben beschrieben ebenfalls durch eine Änderung des Plattenabstandes a. Jedoch hat ein Elektret Mikrofon eine Elektret ~~Mambran~~. Ein Elektret hat elektrische Dipole, die eingefroren werden, somit erzeugen Elektrete ein ständiges elektrisches Feld, was mit dem magnetischen Feld eines ~~Dauermegneten~~ verglichen werden kann. ~~Die folgende~~ Abbildung zeigt den Aufbau eines Elektret Kondensatormikrofons. <br>		Ein Elektret Mikrofon funktioniert wie oben beschrieben ebenfalls durch eine Änderung des Plattenabstandes a. Jedoch hat ein Elektret Mikrofon eine Elektret Membran. Ein Elektret hat elektrische Dipole, die eingefroren werden, somit erzeugen Elektrete ein ständiges elektrisches Feld, was mit dem magnetischen Feld eines Dauermagneten verglichen werden kann. Abbildung 3 zeigt den Aufbau eines Elektret Kondensatormikrofons. <br>

	[[Datei:Elektret_Mikrofon.png\|500px\|thumb\|links\|Aufbau eines Elektret Mikrofons <ref> Bernstein, H.: ''Elektroakustik: Mikrofone, Klangstufen, Verstärker, Filterschaltungen und Lautsprecher'' Springer, 2. Auflage 2019g </ref>]]		[[Datei:Elektret_Mikrofon.png\|500px\|thumb\|links\|Abbildung 3: Aufbau eines Elektret Mikrofons <ref> Bernstein, H.: ''Elektroakustik: Mikrofone, Klangstufen, Verstärker, Filterschaltungen und Lautsprecher'' Springer, 2. Auflage 2019g </ref>]]

	Statt einer Membran aus Metall wird eine Membran aus einem Elektret verwendet, sodass auf eine Hilfsspannungsquelle verzichtet werden kann. Dies ist neben einer kompakten Bauweise und einem günstigen Preis ein weiterer Vorteil, sodass Elektret Mikrofone oft als Messmikrofone eingesetzt werden. <br>		Statt einer Membran aus Metall wird eine Membran aus einem Elektret verwendet, sodass auf eine Hilfsspannungsquelle verzichtet werden kann. Dies ist neben einer kompakten Bauweise und einem günstigen Preis ein weiterer Vorteil, sodass Elektret Mikrofone oft als Messmikrofone eingesetzt werden. <br>
Zeile 83:		Zeile 84:

	'''Welche Rohsignale liefert der Sensor? '''<br>		'''Welche Rohsignale liefert der Sensor? '''<br>
	Als Rohsignal liefert der Sensor somit eine Spannung zwischen 0 und 5V, da der Sensor an 5V angeschlossen ist. Allerdings wird die Größe dieser maximalen Spannungsänderung durch das Potentiometer begrenzt. Wenn dies auf einen hohen Widerstand eingestellt ist, ist die Messspanne von dem Kondensator natürlich kleiner, was somit einer geringeren Empfindlichkeit entspricht. Wenn der ~~Widrstand~~ des Potentiometers aber auf einem sehr kleinen Wert steht, fällt die Spannungsänderung am Kondensator höher ins Gewicht, sodass so die Empfindlichkeit des Sensors höher ist. <br>		Als Rohsignal liefert der Sensor somit eine Spannung zwischen 0 und 5V, da der Sensor an 5V angeschlossen ist. Allerdings wird die Größe dieser maximalen Spannungsänderung durch das Potentiometer begrenzt. Wenn dies auf einen hohen Widerstand eingestellt ist, ist die Messspanne von dem Kondensator natürlich kleiner, was somit einer geringeren Empfindlichkeit entspricht. Wenn der Widerstand des Potentiometers aber auf einem sehr kleinen Wert steht, fällt die Spannungsänderung am Kondensator höher ins Gewicht, sodass so die Empfindlichkeit des Sensors höher ist. <br>

	== Equipment==		== Equipment==
Zeile 97:		Zeile 98:

	==Messkette==		==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.		Die Messkette sieht bei dem mir vorliegenden Sound Sensor Modul folgendermaßen aus. Auf dem Bild in Abbildung 4 sieht man die Schaltung und die Bauteile, die auf der Platine angebracht sind.
	[[Datei:Schaltplan_KY_038.jpg\|600px\|thumb\|links\|Schaltplan des Sound Sensor Moduls <ref> https://easyeda.com/adrirobot/KY_038_Microphone_sound_sensor_module-283a631354c24d129bca349e77da0d18 </ref>]]<br><br>		[[Datei:Schaltplan_KY_038.jpg\|600px\|thumb\|links\|Abbildung 4: Schaltplan des Sound Sensor Moduls <ref> https://easyeda.com/adrirobot/KY_038_Microphone_sound_sensor_module-283a631354c24d129bca349e77da0d18 </ref>]]<br><br>
	Es sind folgende Bauteile auf der Platine vorhanden:<br>		Es sind folgende Bauteile auf der Platine vorhanden:<br>
	* Q1: Kondensatormikrofon		* Q1: Kondensatormikrofon
	* R2 und R6 Widerstände für den ~~Spannungsteiler~~		* R2 und R6 Widerstände für den Spannungsteilere
	* VR1: Potentiometer um die Empfindlichkeit des Mikrofons einzustellen		* 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		* U1.1 und U1.2 zusammen in einem IC (LM393), dient als Komparator, um den digitalen Ausgang zu schalten
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	===Der Komparator===		===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 Vorwiderstand (in diesem Fall ist das R1) verbunden ist, kann ein HIGH Signal abgegriffen werden.<br>		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 Vorwiderstand (in diesem Fall ist das R1) verbunden ist, kann ein HIGH Signal abgegriffen werden.<br>
	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. <ref> https://www.conrad.de/de/ratgeber/handwerk-industrie-wiki/elektronik-bauteile/lm393.html, Aufruf am 02.01.2021 </ref~~><br><br~~><br>		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. <ref> https://www.conrad.de/de/ratgeber/handwerk-industrie-wiki/elektronik-bauteile/lm393.html, Aufruf am 02.01.2021 </ref><br>
	Dieses Komparator Prinzip findet bei dem Sound Sensor Modul ~~nun gleich~~ zweifach Anwendung.		Dieses Komparator Prinzip findet bei dem Sound Sensor Modul in dem IC LM 393 zweifach Anwendung.

	===Ablauf der Messung===		===Ablauf der Messung===
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	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 eine Potentialdifferenz von 5V hat um zu leuchten.		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 eine Potentialdifferenz 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. <br>		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. <br>
	Der Ablauf der Messung ist in dem folgenden Flussdiagramm noch einmal kurz zusammengefasst:		Der Ablauf der Messung ist in dem folgenden Flussdiagramm in Abbildung 5 noch einmal kurz zusammengefasst:

	[[Datei:Messkette_Sound_Sensor.jpg\|700px\|thumb\|links\|Messkette Sound Sensor Modul <ref> Eigenes Dokument</ref>]]		[[Datei:Messkette_Sound_Sensor.jpg\|700px\|thumb\|links\|Abbildung 5: Messkette Sound Sensor Modul <ref> Eigenes Dokument</ref>]]
	<br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br>		<br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br>

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	===Schaltung für die Inbetriebnahme===		===Schaltung für die Inbetriebnahme===

	Die Schaltung wurde mit dem Programm Fritzing erstellt, dazu wurde zusätzlich ein neues Bauteil angelegt, da der Sound Sensor nicht in dem Programm enthalten war.		Die Schaltung wurde mit dem Programm Fritzing erstellt, dazu wurde zusätzlich ein neues Bauteil angelegt, da der Sound Sensor nicht in dem Programm enthalten war. Das Anschlussbild und der Schaltplan ist in der folgenden Abbildung 6 zu sehen.

	<gallery class="center" caption="Sound Sensor Modul KY-038" widths="400" heights="400">		<gallery class="center" caption="Abbildung 6: Sound Sensor Modul KY-038" widths="400" heights="400">
	Datei:Anschlussbild_Sound_Sensor.png\|'''Anschlussbild des Sound Sensors KY-038'''		Datei:Anschlussbild_Sound_Sensor.png\|'''Anschlussbild des Sound Sensors KY-038'''

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	==Software==		==Software==
	[[Datei:Pap_Auswertung_Sound_Sensor.png\|500px\|thumb\|links\| Programmablaufplan zur Auswertung der Messwerte <ref> Eigenes Dokument </ref>]]		[[Datei:Pap_Auswertung_Sound_Sensor.png\|500px\|thumb\|links\|Abbildung 7: Programmablaufplan zur Auswertung der Messwerte <ref> Eigenes Dokument </ref>]]
	<br>		<br>
	Das Softwareprogramm ist nicht sehr umfangreich. Nachdem die Messwerte zum einen vom Analog Ausgang eingelesen werden, findet eine Umrechnung der 1024 Schritte in den Bereich von 0 bis 5V statt. Zusätzlich wird in dem Programm noch der digitale Eingang abgefragt. Die beiden Messwerte werden dann im Seriellen Plotter der Arduino IDE ausgegeben. Das Ergebnis dieser Messung ist dann in nächsten Abschnitt zu sehen.		Das Softwareprogramm ist nicht sehr umfangreich, ein Programmablaufplan ist in Abbildung 7 zu sehen. Nachdem die Messwerte zum einen vom Analog Ausgang eingelesen werden, findet eine Umrechnung der 1024 Schritte in den Bereich von 0 bis 5V statt. Zusätzlich wird in dem Programm noch der digitale Eingang abgefragt. Die beiden Messwerte werden dann im Seriellen Plotter der Arduino IDE ausgegeben. Das Ergebnis dieser Messung ist dann in nächsten Abschnitt zu sehen.
	<br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br>		<br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br>

	==Ergebnisse==		==Ergebnisse==

	[[Datei:Sound_Sensor_Messwerte.png\|500px\|thumb\|links\| Messwerte bei Pfeifen <ref> Eigenes Dokument </ref>]]		[[Datei:Sound_Sensor_Messwerte.png\|500px\|thumb\|links\|Abbildung 8: Messwerte bei Pfeifen <ref> Eigenes Dokument </ref>]]
	[[Datei:Messwerte_Klopfen.png\|525px\|thumb\|center\| Messwerte bei Klopfen auf den Sensor <ref> Eigenes Dokument </ref>]]<br>		[[Datei:Messwerte_Klopfen.png\|525px\|thumb\|center\| Abbildung 9: Messwerte bei Klopfen auf den Sensor <ref> Eigenes Dokument </ref>]]<br>

	In ~~der Abbildung~~ sieht man einen typischen Verlauf der Messwerte des analogen Ausgangs des Sensors. Der mittlere Grüne Linie sind in meinem Beispiel 2.5V. Ich habe 2.5V gewählt, da bei dieser Grundspannung gut Ausschläge zu erkennen sind und die Messwerte in ihrer Empfindlichkeit nicht zu groß sind aber auch nicht zu unempfindlich, sodass kaum eine Änderung der Schallwelle erkennbar ist. In der linken Abbildung sieht man die Reaktion des Analogen Ausgangs auf Pfeifen. Dabei treffen die Schallwellen des Pfeifens auf den Sensor und lassen die bewegliche Platte schwingen. Daher kommt es zu Ausschlägen nach oben und nach unten. Da sich der Plattenabstand mal vergrößert und mal verringert. Einen Unterschied hingegen sieht man, wenn man vorsichtig auf das Mikrofon klopft. Dabei fällt auf, dass der Ausschlag nur nach unten stattfindet und anschließend wieder auf die Ausgangsspannung zurückgeht. Dis könnte damit erklärt werden, dass sich der Plattenabstand durch das Draufklopfen verringert, und somit eine niederigere Spannung abgegriffen wird. Im Gegensatz zu den Schalwellen, die beim Pfeifen entstehen schwingt die Platte beim Klopfen nicht oder nur sehr schwach wieder zurück, sodass kaum Ausschläge in dem anderen Bereich zu erkennen sind. Dieses Verhalten der Spannung passt mit den Berechnungen und den Überlegungen zu der Schaltung zusammen, die im Abschnitt Meskette erläutert wurden.		In den Abbildungen 8 und 9 sieht man einen typischen Verlauf der Messwerte des analogen Ausgangs des Sensors. Der mittlere Grüne Linie sind in meinem Beispiel 2.5V. Ich habe 2.5V gewählt, da bei dieser Grundspannung gut Ausschläge zu erkennen sind und die Messwerte in ihrer Empfindlichkeit nicht zu groß sind aber auch nicht zu unempfindlich, sodass kaum eine Änderung der Schallwelle erkennbar ist. In der linken Abbildung sieht man die Reaktion des Analogen Ausgangs auf Pfeifen. Dabei treffen die Schallwellen des Pfeifens auf den Sensor und lassen die bewegliche Platte schwingen. Daher kommt es zu Ausschlägen nach oben und nach unten. Da sich der Plattenabstand mal vergrößert und mal verringert. Einen Unterschied hingegen sieht man, wenn man vorsichtig auf das Mikrofon klopft, wie in Abbildung 9 dargestellt. Dabei fällt auf, dass der Ausschlag nur nach unten stattfindet und anschließend wieder auf die Ausgangsspannung zurückgeht. Dis könnte damit erklärt werden, dass sich der Plattenabstand durch das Draufklopfen verringert, und somit eine niederigere Spannung abgegriffen wird. Im Gegensatz zu den Schalwellen, die beim Pfeifen entstehen schwingt die Platte beim Klopfen nicht oder nur sehr schwach wieder zurück, sodass kaum Ausschläge in dem anderen Bereich zu erkennen sind. Dieses Verhalten der Spannung passt mit den Berechnungen und den Überlegungen zu der Schaltung zusammen, die im Abschnitt Meskette erläutert wurden.

	==Bewertung der Sensordaten==		==Bewertung der Sensordaten==

← Nächstältere Version		Version vom 2. Januar 2021, 15:29 Uhr
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	'''Autor:''' [[Benutzer: Hendrik_Steffen \| Hendrik Steffen]]		'''Autor:''' [[Benutzer: Hendrik_Steffen \| Hendrik Steffen]]<br/>
	'''Betreuer:''' [[Benutzer:Ulrich_Schneider\| Prof. Schneider]]<br/>		'''Betreuer:''' [[Benutzer:Ulrich_Schneider\| Prof. Schneider]]<br/>

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	===Auswahl eines Primärsensors===		===Auswahl eines Primärsensors===
	Wie funktioniert der Sensor? <br>		Wie funktioniert der Sensor? <br>
	Der eigentliche Sensor ist ein Kondensatormikrofon. Diesen Sensor kann man somit der Gruppe der kapazitiven EMS Sensoren zuordnen		Der eigentliche Sensor ist ein Kondensatormikrofon genauer gesagt handelt es sich um ein Elektret Mikrofon. Diesen Sensor kann man somit der Gruppe der kapazitiven EMS Sensoren zuordnen.
	Das Mikrofon besteht aus zwei Platten, die einen 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. Anschließend schwingt die Platte wieder zurück, sodass sich eine leichte Schwingung einstellt, die dann gedämpft wid und sich langsam wieder legt. Wenn sich der Plattenabstand ändert, ändert sich auch die Kapazität des Kondensators, und somit ergibt sich auch eine Änderung der Spannung.<br>		Das Mikrofon besteht aus zwei Platten, die einen 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. Anschließend schwingt die Platte wieder zurück, sodass sich eine leichte Schwingung einstellt, die dann gedämpft wid und sich langsam wieder legt. Wenn sich der Plattenabstand ändert, ändert sich auch die Kapazität des Kondensators, und somit ergibt sich auch eine Änderung der Spannung.<br>
	Die Spannung am Kondensator berechnet sich wie folgt. <ref> Hesse, S. Schnell, G..: ''Sensoren für die Prozess und Fabrikaotumation'' Vieweg & Teubner, 5. Auflage 2011. ISBN: 978-3-8348-0895-0 </ref><br>		Die Spannung am Kondensator berechnet sich wie folgt. <ref> Hesse, S. Schnell, G..: ''Sensoren für die Prozess und Fabrikaotumation'' Vieweg & Teubner, 5. Auflage 2011. ISBN: 978-3-8348-0895-0 </ref><br>
Zeile 72:		Zeile 72:

	Eine Änderung des Plattenabstands a hat somit eine proportionale Änderung von U in Folge.		Eine Änderung des Plattenabstands a hat somit eine proportionale Änderung von U in Folge.

			Besonderheiten beim Aufbau eines Elektret Mikrofons: <br>


	Welche Rohsignale liefert der Sensor?<br>		Welche Rohsignale liefert der Sensor?<br>
	Als Rohsignal liefert der Sensor somit eine Spannung zwischen 0 und 5V, da der Sensor an 5V angeschlossen ist. Allerdings wird die Größe dieser maximalen Spannungsänderung durch das Potentiometer begrenzt. Wenn dies auf einen hohen Widerstand eingestellt ist, ist die Messspanne von dem Kondensator natürlich kleiner, was somit einer geringeren Empfindlichkeit entspricht. Wenn ~~dre WIdrstand~~ des Potentiometers aber auf einem sehr kleinen Wert steht, fällt die Spannungsänderung am Kondensator höher ins Gewicht, sodass so die Empfindlichkeit des Sensors höher ist. <br>		Als Rohsignal liefert der Sensor somit eine Spannung zwischen 0 und 5V, da der Sensor an 5V angeschlossen ist. Allerdings wird die Größe dieser maximalen Spannungsänderung durch das Potentiometer begrenzt. Wenn dies auf einen hohen Widerstand eingestellt ist, ist die Messspanne von dem Kondensator natürlich kleiner, was somit einer geringeren Empfindlichkeit entspricht. Wenn der Widrstand des Potentiometers aber auf einem sehr kleinen Wert steht, fällt die Spannungsänderung am Kondensator höher ins Gewicht, sodass so die Empfindlichkeit des Sensors höher ist. <br>

	== Equipment==		== Equipment==
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	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.		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.
	[[Datei:Schaltplan_KY_038.jpg\|600px\|thumb\|links\|Schaltplan des Sound Sensor Moduls <ref> https://easyeda.com/adrirobot/KY_038_Microphone_sound_sensor_module-283a631354c24d129bca349e77da0d18 </ref>]]<br><br>		[[Datei:Schaltplan_KY_038.jpg\|600px\|thumb\|links\|Schaltplan des Sound Sensor Moduls <ref> https://easyeda.com/adrirobot/KY_038_Microphone_sound_sensor_module-283a631354c24d129bca349e77da0d18 </ref>]]<br><br>
	Es sind folgende Bauteile auf der Platine vorhanden:		Es sind folgende Bauteile auf der Platine vorhanden:<br>
	* Q1: Kondensatormikrofon		* Q1: Kondensatormikrofon
	* R2 und R6 Widerstände für den Spannungsteiler		* R2 und R6 Widerstände für den Spannungsteiler
	* VR1: Potentiometer um die Empfindlichkeit des Mikrofons einzustellen		* 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		* U1.1 und U1.2 zusammen in einem IC (LM393), dient als Komparator, um den digitalen Ausgang zu schalten
	* R1: ~~Lastwiderstand~~ für ~~den Komparator~~		* R1: Vorwiderstand für Spannungsteiler
	* R4 und R5 Vorwiderstände für die LEDs		* R4 und R5 Vorwiderstände für die LEDs
	* L2: Led für den digitalen Ausgang		* L2: Led für den digitalen Ausgang
	* L1: Led für die Spannungsversorgung		* L1: Led für die Spannungsversorgung
	<br><br><br><br>		<br><br><br><br>


	===Der Komparator===		===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.<br>		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 Vorwiderstand (in diesem Fall ist das R1) verbunden ist, kann ein HIGH Signal abgegriffen werden.<br>
	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. <br>		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. <ref> https://www.conrad.de/de/ratgeber/handwerk-industrie-wiki/elektronik-bauteile/lm393.html, Aufruf am 02.01.2021 </ref><br>
			<br><br>
	Dieses Komparator Prinzip findet bei dem Sound Sensor Modul nun gleich zweifach Anwendung.		Dieses Komparator Prinzip findet bei dem Sound Sensor Modul nun gleich zweifach Anwendung.

	===Ablauf der Messung===		===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. <br>		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 nahezu 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, da so Schwingungen nach oben und nach unten ermöglicht werden. An diesem Spannungsteiler wird A0 abgegriffen, das wiederum vom Arduino eingelesen werden kann. <br>
	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.		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 eine Potentialdifferenz 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. <br>		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. <br>
	Der Ablauf der Messung ist in dem folgenden Flussdiagramm noch einmal kurz zusammengefasst:		Der Ablauf der Messung ist in dem folgenden Flussdiagramm noch einmal kurz zusammengefasst:

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	[[Datei:Bild_Sound_Sensor.JPG\|500px\|thumb\|rechts\|Sound Sensor Modul <ref> https://www.az-delivery.de/products/mikrofon-modul-klein </ref>]]		[[Datei:Bild_Sound_Sensor.JPG\|500px\|thumb\|rechts\|Sound Sensor Modul <ref> https://www.az-delivery.de/products/mikrofon-modul-klein </ref>]]

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	== Prinziperklärung ==		== 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.		Bei dem Sound Sensor Modul handelt es sich um ein Modul, dass im Wesentlichen 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. In der folgenden Abbildung sind diese 3 Bereiche einmal dargestellt.

			BILD INDEM DIE 3 BEREICHE EINGEKREIST SIND.

	===Auswahl eines Primärsensors===		===Auswahl eines Primärsensors===
	Wie funktioniert der Sensor? <br>		Wie funktioniert der Sensor? <br>
	Der eigentliche Sensor ist ein Kondensatormikrofon.		Der eigentliche Sensor ist ein Kondensatormikrofon. Diesen Sensor kann man somit der Gruppe der kapazitiven EMS Sensoren zuordnen
	Das Mikrofon besteht aus 2 Platten, die einen 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. Anschließend schwingt die Platte wieder zurück, sodass sich eine leichte Schwingung einstellt, die dann gedämpft wid und sich langsam wieder legt. Wenn sich der Plattenabstand ändert, ändert sich auch die Kapazität des Kondensators, und somit ergibt sich auch eine Änderung der Spannung.<br>		Das Mikrofon besteht aus zwei Platten, die einen 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. Anschließend schwingt die Platte wieder zurück, sodass sich eine leichte Schwingung einstellt, die dann gedämpft wid und sich langsam wieder legt. Wenn sich der Plattenabstand ändert, ändert sich auch die Kapazität des Kondensators, und somit ergibt sich auch eine Änderung der Spannung.<br>
	Die Spannung am Kondensator berechnet sich wie folgt.<br>		Die Spannung am Kondensator berechnet sich wie folgt. <ref> Hesse, S. Schnell, G..: ''Sensoren für die Prozess und Fabrikaotumation'' Vieweg & Teubner, 5. Auflage 2011. ISBN: 978-3-8348-0895-0 </ref><br>
			<br>

	<math>U = \frac{Q}{C}</math> mit <math>C = \frac{A\cdot \~~varepsilon~~}{d} </math> ergibt sich <math>U = \frac {Q \cdot d}{\~~varepsilon~~ \cdot A}</math> <br>		<math>U = \frac{Q}{C}</math> mit <math>C = \frac{A\cdot \varepsilon_0\cdot \varepsilon_r}{a} </math> ergibt sich <math>U = \frac {Q \cdot a}{\varepsilon_0 \cdot \varepsilon_r \cdot A}</math> <br>

	: <math>U</math> – Spannung am Kondensator		: <math>U</math> – Spannung am Kondensator in V
	: <math>Q</math> – im Kondensator gespeicherte Ladung (für kurze Zeiträume als konstant angenommen)		: <math>Q</math> – im Kondensator gespeicherte Ladung in As (für kurze Zeiträume als konstant angenommen)
	: <math>C</math> – Elektrische Kapazität der Kapsel		: <math>C</math> – Elektrische Kapazität der Kapsel in F
	: <math>d</math> – Abstand von Membran und Gegenelektrode		: <math>a</math> – Abstand von Membran und Gegenelektrode
	:<math>\~~varepsilon~~</math> – Elektrische Feldkonstante		:<math>\varepsilon_0</math> – Elektrische Feldkonstante
			:<math>\varepsilon_r</math> – relative Dielektrizitätskonstante
	: <math>A</math> – Feldwirksame Fläche zwischen Membran und Gegenelektrode		: <math>A</math> – Feldwirksame Fläche zwischen Membran und Gegenelektrode

	Eine Änderung ~~von d~~ hat somit eine proportionale Änderung von U in Folge.		Eine Änderung des Plattenabstands a hat somit eine proportionale Änderung von U in Folge.

	Welche Rohsignale liefert der Sensor?<br>		Welche Rohsignale liefert der Sensor?<br>