UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTINFacultad de Ingeniería de Producción y Servicios Escuela Profesional De Ingeniería Electrónica Docente :Ing. Ronald P. Coaguila Gómez Alumnos :Ticona Zela Jimy Gerson Fernandez Valencia Elmer Arequipa 2013 Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 2 Marco Teórico: El decibelímetro es un instrumento de medida que sirve para medir niveles de presión sonora (de los que depende la amplitud y, por tanto, la intensidad acústica y su percepción, sonoridad). En concreto, el sonómetro mide el nivel de ruido que existe en determinado lugar y en un momento dado. La unidad con la que trabaja el sonómetro es el decibelio. Cuando el sonómetro o decibelímetro se utiliza para medir lo que se conoce como contaminación acústica (ruido molesto de un determinado paisaje sonoro) hay que tener en cuenta qué es lo que se va a medir, pues el ruido puede tener multitud de causas y proceder de fuentes muy diferentes. Para hacer frente a esta gran variedad de ruido ambiental (continuo, impulsivo, etc.) se han creado sonómetros específicos que permitan hacer las mediciones de ruido pertinentes. Micrófonos: Para el decibelimetro se suso dos tipos de microfonos los cuales son: Microfono Dinámico: Para el decibelímetro se usó un micrófono dinámico para la adquisiscion de la señal para frecuencias medias para tener una mejor adquisición de datos. Este tipo de micrófono cuenta con un diafragma rígido suspendido frente a un imán permanente potente, que tiene una hendidura en la que va acoplada una bobina móvil solidaria. Cuando las ondas sonoras excitan el diafragma (de 20-30 mm de diámetro), la bobina solidaria se mueve a su vez (hacia delante y hacia atrás) dentro de la ranura del imán, con lo que se genera un campo magnético cuyas fluctuaciones se transformarán en corriente alterna. Microfono Pre-amplificador: Debido a que las señales obtenidas por el micrófono son muy pequeñas para ser analizadas, además al ser muy pequeñas son extremadamente susceptibles al ruido, por tal motivo es necesaria la implementación de un preamplificador que tendrá la función de atenuar el ruido haciendo la señal muy grande con respecto a este. Para el preamplificador se usó el operacional NE5534 que es muy popular entre los ingenieros de sonido por su bajo ruido y tendrá una configuración del tipo no inversor. Red Lineal de Ponderación A: Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 3 El uso de esta red de ponderación es muy importante debido a que gracias a esta podemos discriminar y obtener las frecuencias importantes y audibles por el oído humano de toda la cantidad de ruidos a diferentes frecuencias presentes en el medio ambiente Como se ve esta red de ponderación es un filtro pasivo. Esta red de ponderación atenúa las frecuencias bajas y altas, y los medios los deja pasar casi sin cambios. Superdiodo Rectificador: Debido a que estamos trabajando con señales pequeñas es necesario eliminar el umbral de un diodo común, esto lo logramos con un superdiodo o eliminador de umbral.Un capacitor hará la rectificación de la señal y me entregará no una señal alterna sino niveles de voltajes. Tabla de diferentes niveles sonoros y efectos auditivos: Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 4 DISEÑO DE FILTROS PASALTOS Y PASABAJOS Un filtro convencional presenta un valor de Q relativamente bajo, se pretende demostrar que la arquitectura Sallen-Key permite mejorar dicho parámetro. En la figura 1 se muestra una red RC de dos etapas que conforman un filtro pasabajo de segundo orden. Este filtro es limitado porque su Q es siempre menor que ½. Con R1=R2 y C1=C2, el Q=1/3. El Q se aproxima a su máximo valor de ½ cuando la impedancia de la segunda etapa RC es mucho más grande que la primera. En la práctica, muchos filtros requieren un Q más elevado que el valor de ½. Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 5 Se pueden obtener valores altos de Q si se utiliza un amplificador con realimentación positiva. Esto es posible si se controla dicha realimentación (localizada en la frecuencia de corte del filtro), esto es restringido principalmente por las limitaciones físicas de la fuente de alimentación y las tolerancias de los componentes. La figura 2 muestra un amplificador de ganancia unitaria utilizado de esta manera. El condensador C2, que no está conectado a tierra, produce un camino de realimentación positiva. En el año 1955, R. P. Sallen y E. L. Key describieron estos circuitos de filtro, por ello dicha topología es generalmente conocida como filtro Sallen- Key. La operación puede ser descrita cualitativamente: - En bajas frecuencias, donde C1 y C2 aparecen como circuitos abiertos, la señal es simplemente llevada a la salida. - En altas frecuencias, donde C1 y C2 aparecen como circuitos cerrados, la señal es llevada a tierra en la entrada del amplificador, el amplificador pasa la señal de entrada a la salida, y la señal entonces no aparece en Vo (elimina la señal). - Cerca de la frecuencia de corte, donde la impedancia de C1 y C2 está en el mismo orden de R1 y R2, la realimentación positiva a través de C2 provee un realce de la señal (Q veces). Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 6 ARDUINO Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con unmicrocontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares. 2 3 El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel AVR y puertos de entrada/salida. 4 Los microcontroladores más usados son elAtmega168, Atmega328, Atmega1280, ATmega8 por su sencillez y bajo coste que permiten el desarrollo de múltiples diseños. Por otro lado el software consiste en un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje de programación Processing/Wiring y el cargador de arranque (boot loader) que corre en la placa. 4 Desde octubre de 2012, Arduino se usa también con microcontroladoras CortexM3 de ARM de 32 bits 5 , que coexistirán con las más limitadas, pero también económicas AVR de 8 bits. ARM y AVR no son plataformas compatibles a nivel binario, pero se pueden programar con el mismo IDE de Arduino y hacerse programas que compilen sin cambios en las dos plataformas. Eso sí, las microcontroladoras CortexM3 usan 3.3V, a diferencia de la mayoría de las placas con AVR que usan mayoriamente 5V. Sin embargo ya anteriormente se lanzaron placas Arduino con Atmel AVR a 3.3V como la Arduino Fio y existen clónicos de Arduino Nano y Pro como Meduino en que se puede conmutar el voltaje. Arduino se puede utilizar para desarrollar objetos interactivos autónomos o puede ser conectado a software del ordenador (por ejemplo:Macromedia Flash, Processing, Max/MSP, Pure Data). Las placas se pueden montar a mano o adquirirse. El entorno de desarrollo integrado libre se puede descargar gratuitamente. Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 7 Al ser open-hardware, tanto su diseño como su distribución es libre. Es decir, puede utilizarse libremente para el desarrollo de cualquier tipo de proyecto sin haber adquirido ninguna licencia. ESQUEMA DE PINES Entradas y salidas Poniendo de ejemplo al Diecimila, consta de 14 entradas digitales configurables entrada i/o salidas que operan a 5 voltios. Cada pin puede proporcionar o recibir como máximo 40 mA. Los pines 3, 5, 6, 8, 10 y 11 pueden proporcionar una salida PWM (Pulse Width Modulation). Si se conecta cualquier cosa a los pines 0 y 1, eso interferirá con la comunicación USB. Diecimila también tiene 6 entradas analógicas que proporcionan una resolución de 10 bits. Por defecto miden de 0 voltios (masa) hasta 5 voltios, aunque es posible cambiar el nivel más alto, utilizando el pin Aref y algún código de bajo nivel. Especificaciones Los microcontroladores Arduino Diecimila, Arduino Duemilanove y Arduino Mega están basados en Atmega168, Atmega 328 y Atmega1280 Atmega168 Atmega328 Atmega1280 Voltaje operativo 5 V 5 V 5 V Voltaje de entrada recomendado 7 - 12 V 7 - 12 V 7 - 12 V Voltaje de entrada límite 6 - 20 V 6 - 20 V 6 - 20 V Pines de entrada y salida digital 14 (6 proporcionan PWM) 14 (6 proporcionan PWM) 54 (14 proporcionan PWM) Pines de entrada analógica 6 6 16 Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 8 Intensidad de corriente 40 mA 40 Ma 40 mA Memoria Flash 16KB (2KB reservados para el bootloader) 32KB (2KB reservados para el bootloader) 128KB (4KB reservados para el bootloader) SRAM 1 KB 2 KB 8 KB EEPROM 512 bytes 1 KB 4 KB Frecuencia de reloj 16 MHz 16 MHz Diagrama de Bloques: Diagrama de bloques inicial (Transmisión) 1. Micrófonos 2. Filtros y adquisición 4. Transmisión 3. Lectura de los datos y encriptacion. Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 9 Diagrama de bloques inicial (Recepción) 6. Desencriptacion e interfaz gráfica en Labview 5. Recepción (RX) Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 10 Diagrama de bloques Arduino 2. Lectura de los canales del ADC 2. Promediado de 100 muestras y envio de la trama al puerto serial Trama: A0,ADC0,A1,ADC1,A2,A DC2,A3,ADC3 Donde ADC0, ADC1, ADC2 y ADC3 son el resultado del promedio de las lecturas de las etapas finales de los filtros del decibelimetro 4. Transmisión usando el puerto serial Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 11 Diagrama de bloques Labview 6. Desencriptacion de los datos usando el puerto serial del labview Se obtiene las lecturas del promedio de cada canal del ADC para su procesamiento 5. Recepción en el puerto serial de la PC (RX) 6. Liberalización y calibración del decibelímetro Para tomar la referencia del decibelímetro se usó un iphone ya que no se contó con uno real. Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 12 Cálculos: Pre-amplificador: Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 13 ( ) ( ) Viendo el datasheet, a una frecuencia de 20KHz la ganancia máxima es 1000, por lo que no habrá problema al utilizar esta configuración de resistencias. Entonces la entrada del micrófono funcionará sin problemas. Otros parámetros del NE5534: ( ) Este último parámetro lo hace ideal para conectarlo a la siguiente etapa. Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 14 Red lineal de Ponderación A: La red de ponderación A tiene la siguiente función de transferencia. k A ≈ 7.39705×10 9 Graficando el diagrama de bode en matlab >> A=[7.39705*exp(9) 0 0 0 0] A = 1.0e+004 * 5.9939 0 0 0 0 >> B=conv([1 129.4],conv([1 129.4],conv([1 676.7],conv([1 4636],conv([1 76655],[1 76655]))))) B = 1.0e+020 * 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0003 0.0530 3.0867 >> tf(A,B) Transfer function: 5.994e004 s^4 ---------------------------------------------------------------------------------- s^6 + 1.589e005 s^5 + 6.735e009 s^4 + 3.343e013 s^3 + 2.675e016 s^2 + 5.301e018 s + 3.087e020 >> G=tf(A,B) Transfer function: 5.994e004 s^4 ---------------------------------------------------------------------------------- s^6 + 1.589e005 s^5 + 6.735e009 s^4 + 3.343e013 s^3 + 2.675e016 s^2 + 5.301e018 s + 3.087e020 Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 15 >> bode(G) Simulación: -220 -200 -180 -160 -140 -120 -100 M a g n i t u d e ( d B ) 10 2 10 3 10 4 10 5 -180 -90 0 90 180 270 360 P h a s e ( d e g ) Bode Diagram Frequency (rad/sec) Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 16 Superdiodo Rectificador: Esta configuración es la que elimina el umbral donde la tensión es de 0.7V y se reduce a: Como el circuito trabaja de 0 a 20 KHz, la ganancia máxima será: Entonces: R9 se coloca para aumentar el tiempo de respuesta. R61 Y C41 están para rectificar la señal de alterna a continua. Por lo tanto se usará un adaptador de impedancias para conectar la siguiente etapa. Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 17 Amplificador Logarítmico: Partimos de la configuración básica: Se sabe del modelo Ebers-Moll que la corriente del colector es: ( ) Dónde: I S : Corriente de saturación. q: Carga del electrón 1.6x10 -9 K: Constante de Boltzman 1.38x10 -23 V T : Voltaje térmico 25mV ( ) ( ) ( ) ( ) Un valor típico de Reemplazando datos: Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 18 Como se verifica las tensiones de salida después del amplificador logarítmico son aproximadamente de 0.5V como máximo y ya que el ADC del micro controlador acepta hasta 2.56 V entonces tendremos que implementar un amplificador de ganancia 4 aproximadamente para tener una mejor lectura en el micro controlador. Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 19 FILTRO PASABAJOS Simplificación: Hacer que los componentes del filtro sean proporcionales y ajustar la ganancia a uno. Haciendo R1=mR, R2=R, C1=C, C2=nC y K=1, el resultado es que: Esto mantiene la ganancia igual a 1 en la banda pasante, pero otra vez aquí existe una interacción entre fc y Q. El diseño puede empezar seleccionando los términos de proporcionalidad m y n para ajustar el Q, y entonces se selecciona C y se calcula R para la fc deseada. Con R1= 2,7K R2 = 5,6K C1 = 100nF C2 = 150nF m = 0,48 n = 1,5 Fc=334Hz Q =0.57 FILTRO PASA-ALTO Con R1 = 10K R2 = 100K C1 = C2 = nF m = 10 n = 1 Fc = 503Hz Q = 0,29 Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 20 Decibelímetro ADC0 ADC1 ADC2 ADC3 LOG DB Decibelimetro ADC1 ADC1-100 Log DB 30 0 125 1 54 44 1.64 59.16 58 1010 910 910 2.96 57.70 46 7 980 1 54 51 1.71 61.47 54 750 650 650 2.81 54.85 50 13 1024 1 54 57 1.76 63.21 50 580 480 480 2.68 52.28 53 19 1024 1 54 63 1.80 64.78 45 400 300 300 2.48 48.30 57 25 1024 1 54 69 1.84 66.20 42 300 200 200 2.30 44.87 61 37 1024 2 54 81 1.91 68.71 39 240 140 140 2.15 41.85 65 52 1024 3 54 96 1.98 71.36 35 220 120 120 2.08 40.54 68 70 1024 4 54 114 2.06 74.05 32 200 100 100 2.00 39.00 72 101 1024 6 54 145 2.16 77.81 31 180 80 80 1.90 37.11 77 220 1024 9 54 264 2.42 87.18 30 160 60 60 1.78 34.67 80 855 1024 15 54 899 2.95 106.34 96 907 1024 24 54 951 2.98 107.21 97 911 1024 32 58 955 2.98 107.28 42 0 140 1 54 14 1.15 42.41 46 1 145 2 15 1.18 43.52 50 2 15 1.18 43.52 53 3 16 1.20 44.55 57 7 20 1.30 48.14 61 170 16 29 1.46 54.11 64 20 33 1.52 56.19 68 34 47 1.67 61.87 72 60 73 1.86 68.94 75 95 108 2.03 75.24 79 220 155 168 2.23 82.34 83 250 240 253 2.40 88.92 86 350 330 343 2.54 93.81 89 500 470 483 2.68 99.31 90 600 500 513 2.71 100.27 94 680 693 2.84 105.11 97 720 733 2.87 106.01 100 740 753 2.88 106.44 102 750 763 2.88 106.65 77 53 98 1.99 77.06 81 65 110 2.04 79.00 85 98 143 2.16 83.41 89 130 175 2.24 86.81 Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 21 92 220 265 2.42 93.78 96 360 405 2.61 100.91 100 480 525 2.72 105.27 FOTOS DEL PROYECTO EN SUS DIFERENTES ETAPAS BLUETOOTH CONVERSOR DC AC Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 22 FILTRO PASABAJOS FILTRO PASA ALTOS Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 23 MICROCONTROLADOR ARDUINO PREAMPLIFICADOR Y FUENTES DE VOLTAJE Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 24 MICROFONO DINAMICO Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 25 Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 26 PRUEBAS REALIZADAS EN PROTOBOAR Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 27 Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 28 Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 29 Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 30 Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 31 CONVERSOR DE SERIAL A USB Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 32 MODULO RF Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 33 Observaciones: Los circuitos no siempre salen exactamente como la simulación, por lo que fue necesario hacer uso de diferentes instrumentos como osciloscopio, generador de señales, etc. Fue muy necesario el amplificador logarítmico para el linealizar los valores en decibelios. Se tuvo que poner varios adaptadores de impedancia o amplificadores seguidores antes de pasar a la siguiente etapa. Todos los circuitos, placas y simulaciones están adjuntas en el CD. Se pudo mejorar la obtencion de datos con filtros pasa bajos y pasa altos. Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 34 Conclusiones: El software de simulación Proteus es una herramienta muy útil que se aproxima bastante al funcionamiento real de un circuito Los decibelímetros tienen un amplio margen de uso, como por ejemplo en las municipalidades para medir el nivel de ruido en diferentes ambientes como discotecas o también en bibliotecas. También se puede un decibelímetro en un carrito explorador donde el oído humano no puede llegar. A medida que avanza el curso se adquieren los conocimientos necesarios para aplicarlos en el proyecto, los cuales fueron de mucha ayuda. Se uso interfaz en LabView para poder visualizar las medidas para un mejor entendimiento. Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 35 Bibliografía: Electronica Analoga 2 – Ing. Ronald Coaguila Gomez Dispositivos electronicos – Boyle Teoria de circuitos electronicos - Schilling http://construyasuvideorockola.com/fabricacion_impresos_01.php http://platea.pntic.mec.es/lmarti2/preampli.htm http://www.huarpe.com/electronica2/capitulo/capitulo06/html/log3.html http://www.bolanosdj.com.ar/circuitos_archivos/MISONOMETRO.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Son%C3%B3metro http://html.rincondelvago.com/medida-de-niveles-sonoros-con-un-sonometro.html http://www.fceia.unr.edu.ar/acustica/comite/niveles.htm Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 36 Anexos: Código Fuente Del Arduino int ledPin = 13; long muestras=100, a=0; float A00=0,A11=0,A22=0,A33=0; float A000=0,A111=0,A222=0,A333=0; float ADC0=0,ADC1=0,ADC2=0,ADC3=0; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(ledPin, OUTPUT); } void loop() { if (a<muestras) { digitalWrite(ledPin, LOW); A00 = analogRead(A0); delayMicroseconds(500); A11 = analogRead(A1); delayMicroseconds(500); A22 = analogRead(A2); delayMicroseconds(500); A33 = analogRead(A3); A000=A000+A00; A111=A111+A11; A222=A222+A22; A333=A333+A33; a++; } else {ADC0=A000/muestras; ADC1=A111/muestras; ADC2=A222/muestras; ADC3=A333/muestras; a=0;A000=0;A111=0;A222=0;A333=0; Serial.print("A0," ); Serial.print(ADC0); Serial.print(",A1," ); Serial.print(ADC1); Serial.print(",A2," ); Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 37 Serial.print(ADC2); Serial.print(",A3," ); Serial.print(ADC3); Serial.println(""); digitalWrite(ledPin, HIGH); delay(10); } } CONVERSOR AC DC PLACAS FILTRO PASA ALTOS Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 38 FILTRO PASABAJOS Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 39 PLACA DE PREAMPLIFICADOR Y FUENTE Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 40 PLACA FINAL Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 41 Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 42 PROGRAMA DE LA INTERFAZ EN LABVIEW Electrónica Análoga 2 Decibelímetro Página 43 INTERFAZ EN LABVIEW