【雕爷学编程】Arduino动手做（149）---MAX9814咪头传感器模块
37款传感器与执行器的提法，在网络上广泛流传，其实Arduino能够兼容的传感器模块肯定是不止这37种的。鉴于本人手头积累了一些传感器和执行器模块，依照实践出真知（一定要动手做）的理念，以学习和交流为目的，这里准备逐一动手尝试系列实验，不管成功（程序走通）与否，都会记录下来—小小的进步或是搞不掂的问题，希望能够抛砖引玉。
【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）
实验一百四十九：MAX9814麦克风放大器模块 MIC话筒声音放大/咪头传感器
CMA-4544PF-W
电容式麦克风
电容式话筒
是利用电容大小的变化，将声音信号转化为电信号．这种话筒最为普遍，常见的录音机内置话筒就这种．因为它便宜，体积小巧，而且效果也不差．有时也叫咪头。
电容式麦克风有两块金属极板，其中一块表面涂有驻极体薄膜（多数为聚全氟乙丙烯）并将其接地，另一极板接在场效应晶体管的栅极上，栅极与源极之间接有一个二极管，如图所示。当驻极体膜片本身带有电荷，表面电荷地电量为Q，板极间地电容量为C，则在极头上产生地电压U=Q/C，当受到振动或受到气流地摩擦时，由于振动使两极板间的距离改变，即电容C改变，而电量Q不变，就会引起电压的变化，电压变化的大小，反映了外界声压的强弱，这种电压变化频率反映了外界声音的频率，这就是驻极体传声器地工作原理。
电容式麦克风优点
1、能将声音直接转换成电能讯号的
电容式麦克风是利用导体间的电容充放电原理，以超薄的金属或镀金的塑料薄膜为振动膜感应音压，以改变导体间的静电压直接转换成电能讯号，经由电子电路耦合获得实用的输出阻抗及灵敏度设计而成。
2、能展现原音重现的特性
音响专家以追求『原音重现』为音响的最高境界！从麦克风的基本设计原理分析，不难发现电容式麦克风不仅靠精密的机构制造技术，而且结合复杂的电子电路，能直接将声音转换成电能讯号，先天上就具有极优越的特性，所以成为追求『原音重现』者的最佳选择。
3、具有极为宽广的频率响应
振动膜是麦克风感应声音及转换为电能讯号的主要组件。振动膜的材质及机构设计，是决定麦克风音质的各项特性。由于电容式麦克风的振动膜可以采用极轻薄的材料制成，而且感应的音压，直接转换成音频讯号，所以频率响应低音可以延伸到10Hz以下的超低频，高音可以轻易的达到数十KHz的超音波，展现非常宽广的频率响应特性！
4、具有超高灵敏度
在振动膜上面因为没有音圈的负载，可以采用极为轻薄的设计，所以不但频率响应极为优越，而且具有绝佳的灵敏度，可以感应极微弱的声波，输出最清晰、细腻及精准的原音！
5、快速的瞬时响应特性
振动膜除了决定麦克风的频率响应及灵敏度的特性外，对声波反应快慢的能力，即所谓「瞬时响应」特性，是影响麦克风音色的一个最重要因素。麦克风瞬时响应特性的快慢，决定于整个振动膜的轻重，振动膜越轻，反应速度就越快。电容式音头极为轻薄的振动膜，具有极快速的瞬时响应特性，能展现清晰、明亮而有劲的音色及精准的音像。尤其中、低音完全没有音染及『箱音』，高音细腻而清脆，是电容式最显著的音色特点。由下面的附图可明显看出电容式音头的瞬时响应特性远优于动圈式。
6、具有超低触摸杂音的特性
使用手握式麦克风时因与手掌接触产生的触摸杂音，让原音混杂了额外的噪音，对音质影响至巨，尤其对具有前置放大电路的无线麦克风更严重，所以触摸杂音成为评断麦克风优劣的重要项目。从物理现象探讨，鹅毛与铜板同样掉到地板上，鹅毛几乎听不到掉落的声音，而铜板就很大声，显示较轻的材料比较重的撞击声小。同理，电容式麦克风的振动膜比较轻，先天上就具有『超低触摸杂音』的绝佳特点。
7、具有耐摔与耐冲击的特性
使用麦克风难免因不慎掉落碰撞导致故障或异常。由于电容式音头是由较轻的塑料零件及坚固的轻金属外壳构成，掉落地面的撞击力较小，损坏的故障率较低。
8、体积小、重量轻
电容式麦克风因采用超薄的振动膜，具有体积小、重量轻、灵敏度高及频率响应优越的特点，所以能设计成超小型麦克风（俗称小蜜蜂及小蚂蚁）广泛的应用
9、最适合装配在无线麦克风上
电容式麦克风具有上述绝佳的特点，成为音响工程专家及演唱高手的最爱，而无线麦克风在舞台演唱或在家里唱卡拉OK，已经成为当今世界的趋势，无线麦克风因本身可以提供电容式音头所需的偏压，而拥有电容式麦克风的全部优点，成为数字音响时代，专业音响行家梦寐以求的最佳麦克风。
电容式麦克风缺点
结构复杂、造价昂贵，音膜脆弱，怕潮，名贵型号都用真空防潮箱保存，难以推广。
MAX9814芯片
是美信公司出品的带AGC控制的麦克放大模块，很适于各种麦克放大和控制电路的前置部分，外围只要10个以内的元件，就能满足一般使用者的需要，麦克放大在0-8米的距离，保证输出电平保持近似一致。是很好的简单代替复杂麦克控制电路的代表之作。
MAX9814是一款低成本，高质量的麦克风放大器，具有自动增益控制（AGC）和低噪声麦克风偏置。该器件具有一个低噪声前置放大器，可变增益放大器（VGA），输出放大器，麦克风偏置电压发生器和AGC控制电路。
低噪声前置放大器具有固定的12dB增益，而VGA增益则根据输出电压和AGC阈值自动从20dB调整至0dB。输出放大器提供8dB，18dB和28dB的可选增益。在没有压缩的情况下，放大器的级联会导致总增益为40dB，50dB或60dB。三级数字输入对输出放大器的增益进行编程。外部电阻分压器控制AGC阈值，单个电容器设定启动/释放时间。三级数字输入可设定起效时间与释放时间的比率。AGC的保持时间固定为30ms。低噪声麦克风偏置电压发生器可以使大多数驻极体麦克风偏置。
MAX9814采用节省空间的14引脚TDFN封装。该器件的额定温度范围为-40°C至+ 85°C。
MAX9814主要特征
自动增益控制（AGC）
三种增益设置（40dB，50dB，60dB）
可编程攻击时间
可编程的攻击和释放比率
2.7V至5.5V电源电压范围
30nV /的低输入参考噪声密度
低总谐波失真（THD）：0.04％（典型值）
低功耗关机模式
内部低噪声麦克风偏置，2V
采用节省空间的14引脚TDFN（3mm×3mm）封装
-40°C至+ 85°C扩展温度范围
MAX9814麦克风放大器模块
MAX9814是一款低成本高性能麦克风放大器，具有自动增益控制(AGC)和低噪声麦克风偏置。器件具有低噪声前端放大器、可变增益放大(VGA)、输出放大器、麦克风偏置电压发生器和AGC控制电路。
●自动增益控制(AGC)
●3种增益设置(40dB、50dB、60dB)
●可编程动作时间
●可编程动作和释放时间比
●电源电压范围2.7V～5.5V
●低THD：0.04% (典型值)
●低功耗关断模式
●内置2V低噪声麦克风偏置
MAX9814麦克风放大器模块电原理图
Arduino实验开源代码
/*
【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）
实验一百四十九：MAX9814麦克风放大器模块 MIC话筒声音放大/咪头传感器
项目测试：串口输出人声波形
模块接线：
MAX9814 Arduino
VCC 5V
GND GND
OUT A0
*/
void setup()
{
Serial.begin(9600);
pinMode(A0,INPUT);
}
void loop()
{
Serial.println(analogRead(A0));
delay(100);
}
项目测试：串口输出人声波形
模块接线：
MAX9814 Arduino
VCC 5V
GND GND
OUT A0
来自放大器输出的音频信号是变化的电压。要测量声级，我们需要进行多次测量以找到信号的最小和最大范围或“峰到峰幅度”。
在下面的实验中，我们选择50毫秒的示例窗口。这足以测量低至20 Hz（人类听觉的下限）频率的声音水平。
找到最小和最大样本后，我们计算差值并将其转换为伏特，然后将输出打印到串行监视器。
/*
【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）
实验一百四十九：MAX9814麦克风放大器模块 MIC话筒声音放大/咪头传感器
项目测试之二：测量声级
模块接线：
MAX9814 Arduino
VCC 5V
GND GND
OUT A0
*/
const int sampleWindow = 50; // 以mS为单位的采样窗口宽度（50 mS = 20Hz）
unsigned int sample;
void setup()
{
Serial.begin(9600);
pinMode(A0,INPUT);
}
void loop()
{
unsigned long startMillis= millis(); // 样本窗口的开始
unsigned int peakToPeak = 0; // 峰峰值
unsigned int signalMax = 0;
unsigned int signalMin = 1024;
// collect data for 50 mS
while (millis() - startMillis < sampleWindow)
{
sample = analogRead(A0);
if (sample < 1024) // 抛出错误的读数
{
if (sample > signalMax)
{
signalMax = sample; // 只保存最大级别
}
else if (sample < signalMin)
{
signalMin = sample; // 仅保存最低级别
}
}
}
peakToPeak = signalMax - signalMin; // max-min =峰峰值幅度
double volts = (peakToPeak * 5.0) / 1024; // 转换为伏特
Serial.println(volts);
}
项目测试之二：测量声级
实验串口返回情况
修改为
double volts = (peakToPeak * 5.0) / 255; // 转换为1/4伏特值
项目测试之三：简易测量声级（输出毫伏）
Arduino实验开源代码
/*
【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）
实验一百四十九：MAX9814麦克风放大器模块 MIC话筒声音放大/咪头传感器
项目测试之三：简易测量声级（输出毫伏）
模块接线：
MAX9814 Arduino
VCC 5V
GND GND
OUT A0
*/
const int sampleWindow = 50; // 以mS为单位的采样窗口宽度（50 mS = 20Hz）
unsigned int sample;
void setup()
{
Serial.begin(9600);
pinMode(A0, INPUT);
}
void loop()
{
unsigned long startMillis = millis(); // 样本窗口的开始
unsigned int peakToPeak = 0; // 峰峰值
unsigned int signalMax = 0;
unsigned int signalMin = 1024;
// 收集 50 毫秒的数据
while (millis() - startMillis < sampleWindow)
{
sample = analogRead(A0);
if (sample < 1024) // 抛出错误的读数
{
if (sample > signalMax)
{
signalMax = sample; // 只保存最大级别
}
else if (sample < signalMin)
{
signalMin = sample; // 仅保存最低级别
}
}
}
peakToPeak = signalMax - signalMin; // max-min =峰峰值幅度
double volts = (peakToPeak * 5.0 * 1000) / 1024; // 转换为mV
Serial.print("声级mV= ");
Serial.println(volts);
}
实验串口绘图器返回情况之一
实验串口绘图器返回情况之二（当中低点区为无讲话人声时的声级）
Arduino实验场景图
