Analizador acústico con ARDUINO

Construcción de un analizador acústico con Arduino. La información se presenta de forma gráfica, en un display LCD de 16×2 caracteres. Como ecualizador gráfico se puede utilizar el circuito integrado MSGEQ7 o el MSGEQ5, dependiendo del número de bandas de audio que queramos mostrar. Este circuito se puede montar de forma independiente, previamente programando el ATMEGA328P con la placa de desarrollo de Arduino. Una vez programado, mediante la posición de un jumper se puede configurar para que muestre 5 o 7 bandas… montando previamente el circuito integrado ecualizador correspondiente.

Utilidad de un analizador acústico

Este analizador acústico no puede competir con un equipo profesional, pero podría ser muy útil para acondicionar la acústica de un salón de actos o sala de conciertos improvisada. Comprobando la respuesta en frecuencias y volumen de escucha en diferentes puntos, se podrían corregir los defectos reorientando los altavoces/bocinas, ecualizando la respuesta de los amplificadores, etc.   Por otra parte, como este analizador de audio es de bajo costo y no requiere de conocimientos especiales para montarlo, podría ser muy instructivo realizarlo como práctica en escuelas relacionadas con la formación en las ramas de electrónica y tecnología.

Ecualizador gráfico de 5/7 bandas

Este montaje está basado en el circuito integrado MSGEQ5 / MSEGQ7,  ecualizador gráfico de audio  de 5 y 7 bandas respectivamente.  Dentro de un pequeño encapsulado DIL de 8 pines, se encuentra todo lo necesario para obtener a su salida los valores de energía a diferentes frecuencias,  a partir de la señal de audio en su entrada (descomposición espectral).

MSGEQ5 - Analizador de 5 bandas

Como se puede ver en la imagen anterior,  el MSGEQ5  analiza los valores comprendidos entre 100 y 10.000 Hz. Este rango es más que suficiente para conocer la respuesta en frecuencias de cualquier entorno. Pero si queremos analizar con más detalle los extremos de la zona audible, graves más bajos y agudos más altos, sería mejor utilizar el MSGEQ7.

MSGEQ7 - Analizador de 7 bandas

Como se puede comprobar comparando los datos entre ambos componentes,  son compatibles tanto en conexiones como características técnicas. Lo único que cambia es la gestión de los datos,  pero el protocolo es el mismo.  Con el MSGEQ5 tendremos que tomar y asignar los valores leídos de 5 en 5, y con el  MSGEQ7 lo haremos en grupos de 7 (número de bandas). Aprovechando estas características, es muy fácil construir un circuito que permita trabajar con ambos componentes.

Analizador acústico de 5/7 bandas

 

Este montaje lo puedes hacer siguiendo el esquema anterior, o utilizando la placa de desarrollo de Arduino junto con el Shield LCD, desarrollado para Arduino UNO.

Escala gráfica

La escala de las barras gráficas que muestra el display no es logarítmica, como lo harían la mayoría de los analizadores de audio. Con el fin de obtener un efecto visual más pronunciado, la gráfica que muestra el display  traduce los valores de tensión en cada banda de forma lineal.

Escalado lineal de las medidas

Si prefieres cambiar la escala, sólo tienes que modificar los valores de la tabla (resaltadas en color  amarillo), editando el código antes de programar el microprocesador ATMEGA328P con Arduino.

Firmware

El código de programación de este analizador acústico,  se puede descargar desde el siguiente enlace: Analizador acústico

Medir la sensación térmica

Construcción de un medidor de humedad, temperatura real y la sensación térmica. Para este montaje voy a utilizar el sensor de temperatura y humedad DHT11, y como controlador utilizaré Arduino. La sensación térmica describe el grado de incomodidad que el ser humano percibe, como resultado de la combinación de la temperatura, humedad y el viento. La humedad, junto con la velocidad del aire hacen que la sensación de frío sea mayor en invierno, y la sensación de calor más intensa en verano.

Sensor DHT11

La temperatura y la sensación térmica

Es habitual que nos fijemos en la temperatura que muestra un termómetro, y rápidamente asociemos el valor que hemos leído con la sensación de frío o calor que vamos a sentir. Sin embargo, la sensación térmica varía en función de otros factores, como son la humedad relativa del aire y su velocidad.

Regulación térmica

El cuerpo humano intenta mantener su temperatura corporal a un valor constante, alrededor de los 37ºC y la piel es el principal órgano encargado de regular la temperatura:

  • Cuando aumenta la temperatura del cuerpo, se dilatan los vasos sanguíneos y aumenta el flujo de sangre por la piel, y la piel en contacto con el exterior hace de radiador y se reduce la temperatura. Si el calor es excesivo, se abren los poros y se comienza a sudar. El sudor es un método de enfriamiento muy efectivo, porque su evaporación provoca un enfriamiento mucho más rápido.

Sudor y humedad

  • Cuando el cuerpo se enfrí­a, los vasos sanguí­neos se contraen y el flujo sanguíneo se reduce. Los músculos son estimulados para generar más calor, pudiendo llegar a provocar temblores involuntarios. Así  el cuerpo puede aumentar su temperatura rápidamente en caso de necesidad.

En definitiva, la piel humana es el sensor que detecta las diferencias de temperatura entre el cuerpo y el ambiente, para reaccionar en consecuencia. Si tenemos en cuenta que la temperatura de la piel se mantiene alrededor de los 32ºC, la sensación térmica variará de forma más brusca, cuando más nos alejemos de dicho valor y dependerá de la humedad y velocidad del aire exterior.

Sensación térmica: Humedad/Temperatura

La sensación térmica describe el grado de incomodidad que el ser humano percibe, como resultado de la combinación de la temperatura, humedad  y el viento. La humedad, junto con la velocidad del aire hacen que la sensación de frío sea mayor en invierno, y la sensación de calor más intensa en verano.

Gráfica: sensación térmica

 

La humedad en verano y en invierno

  • En verano, con temperaturas altas, un exceso de humedad en el ambiente impide que el sudor se evapore de forma eficiente, provocando una sensación de calor más alta.
  • En invierno, con temperaturas bajas, un exceso de humedad en el ambiente provoca una hidratación mayor de la piel, condensando partículas de agua en la superficie como si fuera sudor, y su evaporación provoca una sensación de frío mayor que la que muestra el termómetro

Si queremos saber el grado de frío o calor, sobre todo en las regiones de climas húmedos, es mucho más útil conocer la sensación térmica que la temperatura. La humedad relativa del aire, representada con las siglas HR o la letra griega Φ (fi), es la concentración de vapor de agua en el aire.

Una vez corregido el valor de temperatura con la sensación térmica debido a la humedad, si además hay viento con una velocidad superior a 12,5 km/h, habría que aplicar al valor obtenido una nueva corrección.

Sensación térmica con viento

La corrección con el viento es mucho menor que la provocada por la humedad. Como se puede ver en la gráfica anterior,  la sensación de calor aumenta a partir de 34ºC  y también disminuye a partir de ese mismo valor.

Medir la sensación térmica

La construcción de un medidor que muestre el valor de la sensación térmica, es sencilla y de bajo costo. Con Arduino el código de programación es muy corto, y además las fórmulas de corrección ya están incluidas dentro de las librerías del sensor DHTxx. Para este montaje utilicé el sensor DHT11, pero si se requiere una mayor precisión, es mejor utilizar el DHT22. El controlador de este medidor está hecho con Arduino, y la presentación de los valores se muestra en un display LCD de 2×16 caracteres. Todo el conjunto se podría fabricar sin tener que soldar ningún componente, utilizando un Arduino UNO junto con su ‘Shield LCD‘. El sensor de temperatura/humedad se puede conectar con terminales de conexión en la tarjeta Arduino, porque el sensor DHT11 se puede comprar montado en una pequeña placa PCB, en la que lleva montada una resistencia Pull-Up y el condensador de desacoplo para la alimentación. La alimentación de todo el conjunto es de 5 VDC, por lo que se podría utilizar cualquier cargador USB que tengamos en casa.

También puedes optar por hacer un montaje independiente, sin la placa de desarrollo de Arduino.  Así  te saldrá todo más barato y su tamaño será menor:

Esquema del medidor de temperatura, humedad y sensación térmica

Firmware (v1)

El código de programación de este medidor, junto con la librería de control necesaria para el sensor DHTxx, se puede descargar desde el siguiente enlace: Temperatura y humedad

Descargar fichero .stl

Thermometer showing the thermal sensation

El medidor de temperatura y humedad lo puedes montar dentro de en una pequeña caja de plástico  (100 x 60 x 25 mm), incluyendo dentro su propia fuente conmutada de 5VDC. Los detalles de este montaje, los puedes ver en el siguiente video:

Sensación y conductividad térmica

¿Por qué tiene tan mala respuesta a la temperatura el sensor DHT11?. El problema es que el sensor de temperatura DHT11 está encerrado dentro de una jaula de plástico, por lo que su conductividad térmica entre el exterior y el sensor es mala, y esto provoca que su tiempo de respuesta sea lento. Para corregir este fallo, he montado un segundo sensor de temperatura en el termómetro. He utilizado el sensor DS18B20 con encapsulado metálico para medir la temperatura, dejando el sensor DHT11 para medir la humedad y calcular la sensación térmica.

Tiempo de respuesta de un sensor

La respuesta en el tiempo de un sensor de temperatura depende de la conductividad térmica del material utilizado entre el elemento a medir (aire, líquido) y el sensor de temperatura. Como norma general, los materiales mas conductivos eléctricamente, también lo son térmicamente.

Conductividad térmica de algunos materiales

Utilizar un sensor de temperatura con encapsulado metálico, es una buena elección cuando se necesita obtener una respuesta rápida en la medida.

Tabla: Conductividad eléctrica y térmica

Aunque esto no siempre es imprescindible y hay veces que es mejor utilizar un sensor de respuesta más lenta, con el fin de mostrar la temperatura ambiente y evitar que se muestren cambios bruscos debido a una corriente de aire frío o caliente  ocasional.

Conductividad térmica

El sensor de temperatura y humedad DHT11 es de respuesta lenta y muy válido para mostrar la temperatura en zonas abiertas, pero no es el más adecuado para medir valores en recintos pequeños (sauna, cámara frigorífica, caldera).

¿Es útil el montaje anterior?

Dependiendo del uso que le quieres dar al medidor de temperatura ambiente, tendrás que elegir el sensor de temperatura que mejor se adapte al entorno. Si quieres mostrar la temperatura en un espacio abierto, el montaje anterior te podría servir. Pero si lo quieres para hacer medidas rápidas, o para mostrar los valores dentro de en un recinto pequeño, es aconsejable añadir al esquema anterior un segundo sensor de temperatura con encapsulado metálico.

Temperatura, humedad y sensación térmica con dos sensores.

Firmware (v2)

El código de programación del medidor con doble sensor, se puede descargar desde el siguiente enlace: Temperatura y humedad (v2)

 

 

Medir las revoluciones R.P.M.

Medir las revoluciones de giro de un motor en un display LCD, utilizando un interruptor óptico ranurado como sensor. Posible librería y código para realizar este medidor con Arduino (FreqCount.h). Esquema del medidor de RPM, utilizando el micro-procesador de Atmel AT89C2051 y un display LCD de 2 líneas y 16 caracteres. Comprobación de funcionamiento y medidas RPM con diferentes motores.

En un video anterior (Medir con precisión las RPM de un motor, es muy fácil) mostraba cómo se podían medir con precisión la velocidad de giro de un motor, de una forma fácil y sencilla.

Interruptor óptico ranurado
Interruptor óptico ranurado

El captador utilizado era un interruptor óptico ranurado,  posteriormente se medía la frecuencia de giro del motor y se convertía en revoluciones por minuto (RPM). La frecuencia se puede medir con un frecuencímetro, un osciloscopio o mediante una aplicación gratuita utilizando un dispositivo móvil.

Medir RPM con el móvil
Medir RPM con el móvil

En esta ocasión vamos a realizar un medidor de RPM completo, mostrando las revoluciones por minuto en un display LCD. El controlador del medidor se podría hacer con ARDUINO, utilizando la librería FreqCount.hpero deberemos tener en cuenta las limitaciones que tiene esta librería, dependiendo del modelo de Arduino que estemos utilizando

Arduino UNO & FreqCount.h

  • Pin de entrada para realizar la medida: 5
  • Deshabilitación de la sentencia  analogWrite() en pines: 3, 9, 10 y 11.
Conexiones LCD Keypad Shield
Conexiones LCD Keypad Shield

Si queremos utilizar le módulo LCD Keypad Shield con nuestro Arduino UNO, tendremos que utilizarlo sin ensamblar ambos módulos mediante sus conectores, porque coincide el pin de medida (FreqCount.h) con una de las conexiones del módulo LCD. Será necesario modificar las conexiones del LCD, ensamblando ambos módulos con cables para mover la entrada/s ocupada/s.

Con el fin de mejorar la resolución de las medidas… y después de algunos incidentes que tuve con mi Arduino, decidí hacer todo el desarrollo partiendo desde cero, y utilizar el micro-controlador de Atmel: AT89C2051.  En esta primera versión (quizás haga alguna mejora) la resolución de las medidas las determina un temporizador de 0,1 milisegundos (100 uSeg). De esta manera, la medida máxima de revoluciones por minuto que podríamos medir serán 600.000 RPM. Sin embargo, al ser un tiempo fijo, el valor inmediatamente inferior que mediríamos sería 300.000 RPM. Es decir, un salto entre medidas excesivamente grande. Por este motivo limité el valor máximo a 65.535 RPM (16 bit), aunque la medida máxima que podremos ver en el display será 60.000 RPM. Por otra parte, la medida mínima empezará a partir de 12 RPM. Esta limitación queda determinada por el tiempo máximo de espera que fijé para actualizar el valor mostrado en el display, que son 5 segundos.

Medidor R.P.M.
Medidor R.P.M.

 

Tabla RPM
Tabla RPM

En la tabla de la izquierda (click para ampliar) podemos observar los valores de RPM que podrían aparecer en el display, cuando medimos valores entre 4.000 y 60.000 RPM. Como podemos comprobar, la resolución de las medidas empeora al subir la velocidad de giro, lógico porque partimos de un temporizador de valor fijo (100 uSeg). Como en los motores de uso más frecuente la velocidad de giro no suele superar las 4.000 RPM, la resolución que se mostrará con este medidor será bastante buena.