I sensori ovvero come le Cose comunicano con le Cose

ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015

Dal Liceo Scien,fico ‘Sergio Atzeni’ di Capoterra

I sensori

cose che comunicano con le cose


I sensori: primo passo in un processo di misura

Misurare vuol dire me@ere in corrispondenza il mondo "reale" degli even, fisici con quello "astra@o" dei numeri.

Lo scopo della misura è quello di fornire una descrizione quan,ta,va di un fenomeno al fine di perme@ere la esecuzione di processi decisionali: di regolazione, di oGmizzazione, di approvazione


SISTEMA

CONTROLLORE

SENSORI ATTUATORI

I sensori comunicano con i disposi,vi di un sistema di controllo


Cosa misurano e come si presentano

Sensore di luminosità

Sensore di temperatura

Sensore di pressione

Sensore di flusso

Sensore di posizione

Sensore di livello...

Tecnologie diverse e in con,nua evoluzione sono impiegate, ci,amo solo il largo impiego dei semicondu@ori


La definizione

I sensori sono dispositivi in grado di convertire una grandezza fisica

in un segnale elettrico

SENSORE Grandezza fisica

Segnale elettrico


Perché la conversione di grandezze fisiche in segnali ele@rici?

Perché i segnali ele@rici si possono

Amplificare

Trasme@ere a distanza

Registrare

Elaborare


Un gran numero di leggi fisiche sono in gioco

Grandezza di ingresso

Grandezza di uscita (ele@rica)

Principio fisico di trasduzione

posizione tensione variazione parametri circuitali di maglia capacità variazione parametri geometrici

condensatore indu@anza variazione circuito magne,co indu@ore

deformazione resistenza variazione resistenza provocata da effe@o piezoresis,vo

carica ele@rica effe@o piezoele@rico temperatura resistenza variazione resis,vità

tensione termoele@ricità (effe@o Seebeck) velocità tensione induzione ele@romagne,ca

frequenza "effe@o Hall" intensità della radiazione luminosa

resistenza polarizzazione di semicondu@ori fotosensibili


Cosa significa INPUT E OUTPUT riferito ai sensori?

L’INPUT è valore della grandezza fisica che provoca nel sensore il manifestarsi di un segnale ele@rico

l’OUTPUT del sensore è il segnale ele@rico

Un esempio: la fotoresistenza L’input è la luce ovvero i fotoni L’output è il valore di resistenza elettrica che varia al variare della luminosità


Com’è possibile? Per ogni sensore c’è un determinata legge della fisica che ne ha permesso la realizzazione I fotoresistori sono realizza, con materiale semicondu@ori. La luce o meglio i fotoni con la loro energia, incidendo sul sensore, aumentano le cariche libere per la conduzione, quindi diminuiscono la resistenza


Di che ,po sono i segnali provenien, dai sensori? Segnali binari: hanno solo due sta, che indichiamo con 0/1 oppure ON-‐OFF Si tra@a di due valori di tensione, ad esempio: Stato 0 0V Stato 1 5V Segnali analogici generano un segnale ele@rico con,nuo in risposta al variare della grandezza fisica in ingresso

5 V

0 V

5 V

0 V Segnale analogico

Segnale digitale


Le cara@eris,che dei sensori

Il campo di misura: È l’intervallo dei valori che può assumere la grandezza in ingresso affinché il sensore operi secondo le specifiche

Il campo di normale funzionamento: È intervallo di valori entro il quale si trova l’uscita quando la grandezza di ingresso è nel campo misura Ad esempio : il sensore di temperatura LM35 ha un campo di misura tra -55°C e 150°C e un campo di funzionamento tra -550mV e 1500mV


Il comportamento energe,co Come tuI gli strumenJ di misura, anche i sensori necessitano di energia per effeLuare la trasformazione. Si parla di : sensori passivi se l'energia associata al segnale di uscita proviene da una sorgente di alimentazione esterna. Vengono invece chiamaJ sensori aGvi quei sensori in cui l'energia entrante con il segnale di ingresso ricompare direLamente, anche se in forma diversa, associata al segnale di uscita


ACCENSIONE DI LED AL VARIARE DELLA TEMPERATURA COL SENSORE LM35 CHE COMUNICA CON ARDUINO

La nostra prima applicazione con le classi terze e quarte


PROBLEMA LA TEMPERATURA è una grandezza fisica che varia con con,nuità Il nostro sensore LM35 è un sensore che ha un campo di misura tra-‐55°C a +150°C Fornisce un segnale d’uscita di tensione da -‐0,550V a +1,5V, è quindi un segnale analogico Il microcontrollore Arduino ha pin per gli ingressi del segnali analogici, ma elabora da, digitali L’accensione dei led per segnalare i diversi intervalli di temperatura avviene aGvando le uscite digitali


Soluzione Facciamo la conversione dei segnali da analogici a digitali affinchè i da, provenien, dal sensore possano essere elabora, dal programma scri@o per Arduino L’uscita del sensore viene connessa ad un ingresso analogico del microcontrollore e viene elaborato dal conver,tore A/D

sensore

Da 0V a 5V

Convertitore A/D

Da 0 a 1023

Micro processore

ARDUINO


Cosa dice questo grafico?

La CARATTERISTICA rappresenta il modo più semplice è più pra,co per descrivere il funzionamento di un sensore . Si tra@a di un grafico in cui vengono riporta,, in funzione dei valori della grandezza di uscita i corrisponden, valori della grandezza fisica d’ingresso. Quando la CARATTERISTICA è reGlinea, essa viene espressa con un coefficiente chiamato "costante K"

caratteristica del sensore LM35

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

-100 -50 0 50 100 150 200

T(°C)

V(mV)

La costante vale 10 mV/°C TKV •=


La conversione A/D

Il segnale digitale in uscita da un conver,tore A/D è per definizione cos,tuito da un numero finito di bit (N) che iden,ficano 2N– 1 intervalli di quan,zzazione, ciascuno di ampiezza V/ (2N– 1), dove V denota l’ampiezza massima del segnale

valori di tensione variabili tra 0 e 5V diventeranno dei numeri binari variabili da 0 a 1023

0 0 0 1 0 1 1 0 0 1

mVq 4883,410245000

==


Conversione A/D

qVN /=

N (numero binario espresso in decimale)

050100150200250300350

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

V(mV)

N N


La conversione A/D

Convertitore A/D

Da 0 a 1023

Micro processore

ARDUINO

-‐55°C a 150°C


come elabora i bit il microcontrollore

T (°C)

020406080

100120140160

0 50 100 150 200 250 300 350

Numero binario

Tem

pera

tura

T (°C)

NkqT =

NkqT =


Campi di applicazione

• Monitoraggio ambientale

• Monitoraggio struLurale degli edifici

• Monitoraggio sismico/microsismico

• Monitoraggio struLure metalliche

• Monitoraggio energeJco

• Monitoraggio parametri vitali/salute

• E-‐nose

• Rilevamento di radiazioni

• Calcolo di indici di comfort degli ambienJ

Education

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