le traitement du signal capteurs biomimétiques les capteurs

13
Le traitement du signal Capteurs biomimétiques Les capteurs La fonction Acquérir les Information permet de faire correspondre, à une grandeur physique quelconque, une grandeur électrique qui pourra être traitée par la fonction Traiter les Informations. La grandeur électrique en sortie de la fonction Acquérir les Information est une « image » de la grandeur physique présente en entrée. Cette grandeur électrique est appelée signal. Pour réaliser la fonction « acquérir l’information » il faut : Transformer la grandeur physique en une grandeur électrique. Cette fonction est réalisée par un capteur. Adapter et/ou transformer la grandeur électrique fournie par le capteur en une grandeur exploitable facilement. Cette fonction est effectuée par un conditionneur.

Upload: others

Post on 17-Jun-2022

37 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: Le traitement du signal Capteurs biomimétiques Les capteurs

Le traitement du signal

Capteurs biomimétiques

Les capteurs

La fonction Acquérir les Information permet de faire correspondre, à une grandeur physique quelconque,

une grandeur électrique qui pourra être traitée par la fonction Traiter les Informations. La grandeur

électrique en sortie de la fonction Acquérir les Information est une « image » de la grandeur physique

présente en entrée. Cette grandeur électrique est appelée signal.

Pour réaliser la fonction « acquérir l’information » il faut :

Transformer la grandeur physique en une grandeur électrique. Cette fonction est réalisée par un

capteur.

Adapter et/ou transformer la grandeur électrique fournie par le capteur en une grandeur

exploitable facilement. Cette fonction est effectuée par un conditionneur.

Page 2: Le traitement du signal Capteurs biomimétiques Les capteurs

Le traitement du signal

Capteurs biomimétiques

La carte Arduino

Arduino est un circuit imprime en matériel libre sur lequel se trouve un microcontroleur qui peut être

programmé pour analyser et produire des signaux électriques.

Interaction d’une Arduino

Connexion d’une breadboard

Page 3: Le traitement du signal Capteurs biomimétiques Les capteurs

Le traitement du signal

Capteurs biomimétiques

L’IDE Arduino

Capteur en pont diviseur de tension

Tout capteur a pour mission de transformer une information physique (lumière, son, température, position

etc…) en une information électrique qui sera interprété par un microprocesseur.

Ainsi la variation de tension qui sera envoyé au microprocesseur doit correspondre à la variation de

l’information physique.

Cependant les capteurs passifs ne sont pas capables de faire varier leur tension. Il en existe plusieurs

types :

Capteur résistif

La résistance interne du capteur

varie avec la grandeur physique

Mesure de la température par résistance à fil de platine ou par

thermistance

Mesure d’effort par jauge de contrainte

Mesure d’intensité lumineuse par photorésistance

Capteur inductif

La valeur de l’inductance L varie

avec la grandeur physique

Détection de la présence d’objet métallique

Mesure de déplacement par inductance variable

Mesure d’effort par capteur magnéto-élastique

Capteur capacitif

La valeur de la capacité C varie

avec la grandeur physique

Détection de la présence d’un objet quelle que soit sa nature

Détection du niveau d’un liquide dans une cuve

Mesure de déplacement et de position (l’une des armatures du

condensateur est sur l’objet dont on veut mesurer le déplacement)

Nous allons nous intéresser aux capteurs résistif et notamment au capteur photo résistif.

Page 4: Le traitement du signal Capteurs biomimétiques Les capteurs

Le traitement du signal

Capteurs biomimétiques

La photorésistance

Une photorésistance est un composant électronique dont la résistivité varie en fonction de la quantité de

lumière incidente : plus elle est éclairée, plus sa résistivité baisse.

Avec le matériel mis à disposition, réaliser ce montage sur la breadboard :

Page 5: Le traitement du signal Capteurs biomimétiques Les capteurs

Le traitement du signal

Capteurs biomimétiques

Questions :

1. Mesurer au multimètre :

La résistance (en Ohm)

La photorésistance à l’ombre et à la lumière (en Ohm)

La tension aux bornes des piles

La tension sur analog pin

2. Comment s’appelle ce type de montage ?

3. Retrouver la relation entre la tension d’entrée et la tension de sortie ?

4. Quel est l’impact de la photorésistance ?

5. Conclure sur l’intérêt de ce montage pour un système de capteur résistif ?

Nous allons maintenant récupérer l’information sur notre carte arduino (le microprocesseur). La carte

arduino possède deux systèmes d’acquisition de l’information :

Les pins digitaux :

Celles-ci vont agir de manière binaire avec le courant électrique, c’est à dire qu’elles ne peuvent être

que dans deux états différents : le courant passe (la tension électrique est à 5 Volts) ou ne passe pas

(elle est à 0 Volt). C’est les pins D0 à D13

Vous allez pouvoir effectuer deux actions :

− Agir : piloter le courant électrique

− Récupérer une information : savoir l’état du pin (le courant passe-t-il ou non?)

Les pins Analogiques :

Les pins analogiques sont utilisés dès qu’on cherche à récupérer une information qui est plus complexe

que du simple binaire. Il s’agit des pins d’A0 à A5

Coder sur 10 bits : 1023 valeurs possible

5V = 1023

Réaliser le montage suivant :

Page 6: Le traitement du signal Capteurs biomimétiques Les capteurs

Le traitement du signal

Capteurs biomimétiques

Pour mieux comprendre ce qui se passe dans l’Arduino, nous allons commencer par bien faire la

distinction entre entrée analogique et numérique.

Comme il s’agit d’entrées électriques dans notre cas, on parlera plutôt de signal analogique ou numérique.

Pour faire simple, un signal analogique peut prendre une infinité de valeurs entre deux bornes alors qu'un

signal numérique n'en prendra qu'un certain nombre précis.

L'Arduino a tout de même une limite de définition, c'est à dire de résolution du signal. En effet, il ne peut

transformer un signal reçu qu'en nombre compris entre 0 et 1023, soit 1024 valeurs possibles. Ce qui,

vous le verrez, est déjà très bien.

L'autre limite de l'Arduino est que le signal reçu ne doit pas être supérieur à +5V.

6 connexions possibles, notées A0, A1, A2, A3, A4, et A5. C'est ici que l'on peut connecter un fil pour

recevoir un signal analogique. L'Arduino le transformera ensuite en signal numérique compris entre 0 et

1023.

Les valeurs d’entrées sur les ports analogiques sont immédiatement codées en valeurs numériques sur

10 bits.

1024

Les 5v que peux fournir le capteur sont découpés en 1024 valeurs.

Dans l’IDE Arduino, copier ce programme qui permet de récupérer la valeur sur la broche analogie A0 :

void setup()

{

Serial.begin(9600);

}

void loop()

{

Serial.print(analogRead(A0));

Serial.print(" ");

Serial.println();

}

Connecter votre carte Arduino et téléverser le programme. Ouvrez le moniteur série

Observer l’évolution des valeurs.

6. Qu’est-ce que le débit binaire ?

7. Quelle est sa valeur dans ce programme ?

8. En combien de temps est transmis l’information codé sur 10bits

9. Si la valeur affichée est de 689, quel est la tension aux bornes de la photorésistance ?

10. Conclure sur l’intérêt de ce montage pour les capteurs résistifs.

Décimal 2^9 2^8 2^7 2^6 2^5 2^4 2^3 2^2 2^1 2^0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0

... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

1023 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Page 7: Le traitement du signal Capteurs biomimétiques Les capteurs

Le traitement du signal

Capteurs biomimétiques

La liaison série

La communication entre la carte Arduino et l’ordinateur s’effectue avec un cable USB. Il s’agit d’une liaison

appelée la liaison série asynchrone.

Dans une liaison en série, les données sont envoyées bit par bit sur la voie de transmission. Dans le

mode asynchrone, il s'agit de se mettre d'accord à la connexion sur une vitesse de transmission, la

synchronisation se faisant ensuite par les bits de Start et de Stop. Toute l'astuce d'une liaison série

asynchrone repose sur la forme des signaux envoyés ; signaux qui permettent une synchronisation du

récepteur sur chaque caractère reçu.

Sur la figure ci-dessous qui représente la transmission asynchrone de l'octet 01011001. Au repos (idle) la

ligne de transmission est à l'état logique haut. La transmission débute par le passage à 0 de cette ligne

pendant une période de l'horloge de transmission ce qui constitue le bit de Start (ce qui signifie début ou

départ). Les bits du mot à transmettre sont ensuite envoyés derrière ce bit de Start comme dans une

transmission série synchrone et, après le dernier bit utile, la ligne passe à nouveau à l'état haut pendant

une ou deux périodes d'horloge pour constituer ce que l'on appelle le ou les bits :

L’octet transmis est ainsi codé grâce à la table ASCII :

https://fr.wikibooks.org/wiki/Les_ASCII_de_0_%C3%A0_127/La_table_ASCII

Page 8: Le traitement du signal Capteurs biomimétiques Les capteurs

Le traitement du signal

Capteurs biomimétiques

Lors que la carte Arduino communique la valeur à l’ordinateur, il utilise le port série du câble USB. Mais

cette information peut être récupérée sur le port Tx (D1) de la carte Arduino. Rx (D0) sert à la réception.

Ainsi il est recommandé de ne pas utiliser ces entrées pour vos programmes.

Le caractère mystère ?

Apportez votre carte Arduino à l’enseignant afin qu’il téléverse le programme mystère dans la carte. Sans

ouvrir l’IDE Arduino et uniquement à l’aide de votre oscilloscope, retrouver le mot mystère transmis sur la

liaison série ?

Niveau 2 Biomimétisme – Le capteur Ultrason

Le biomimétisme classe les innovations inspirées du vivant en trois niveaux. Ces trois niveaux peuvent

être vus comme autant d'étapes successives vers la durabilité et sont donc complémentaires.

Niveau 2 : S'inspirer des matériaux et des procédés

Le tour de force de la nature est non seulement de produire des matériaux très complexes et parfaitement

fonctionnels, mais encore de les fabriquer à température et pression ambiantes, sans utiliser de produits

toxiques.

La chauve-souris

L'écholocalisation, ou écholocation, consiste à

envoyer des sons et à écouter leur écho pour localiser, et

dans une moindre mesure identifier, les éléments d'un

environnement. Elle est utilisée par certains animaux,

notamment des chauves-souris.

Les chauves-souris émettent des ultra-sons par leurs

bouches. Ceux-ci se propagent dans l'air jusqu'à ce qu'ils

rencontrent un obstacle. Les ondes ultra-sonores sont

alors réfléchies sur l'obstacle. Le signal réfléchi est capté

par les oreilles des chauves-souris et analysé

La distance séparant la chauve-souris de l'obstacle peut aisément être déterminée connaissant la vitesse

des ondes ultra-sonores dans l'air et la durée séparant l'émission de la salve ultra-sonore et la réception

de l'onde réfléchie.

Soient t la durée séparant l'émission de la salve ultra-sonore de la réception de l'onde réfléchie, v la vitesse

des ultra-sons dans l'air (340 m.s-1) et d la distance séparant la chauve-souris de l'obstacle :

v = 2 * d / t

d = v * t / 2

Ainsi à partir de la détermination d'une durée, il est possible pour les chauves-souris de connaître la

distance qui la sépare d'un obstacle ou d'une proie. Mais ce n'est pas la seule information accessible. En

effet les chauves-souris sont capables de déterminer la position précise d'un objet, sa taille ou sa vitesse.

Page 9: Le traitement du signal Capteurs biomimétiques Les capteurs

Le traitement du signal

Capteurs biomimétiques

Le capteur à ultrasons

Le capteur de distance HCSR04 à ultrason s’inspire donc du procédé de la

chauve-souris pour permettre de déterminer une distance.

De même que nous ne percevons pas toutes les fréquences de la lumière,

nous ne percevons pas toutes les fréquences du son. Le spectre audible de

fréquences (que l'humain peut percevoir) s'étend conventionnellement entre

20Hz et 20KHz. Comme pour la lumière, cela peut varier d'un individu à

l'autre.

Le capteur à ultrason simple permet, comme un micro, de capter des sons. Sauf qu'il ne capte que les

ultrasons, c'est-à-dire les sons situés au-delà des 20KHz (précisément de 20 KHz à 10 MHz).

C’est sur ce principe du sonar que le capteur à Ultrason permet de mesurer un écho et de mesurer une

distance.

Page 10: Le traitement du signal Capteurs biomimétiques Les capteurs

Le traitement du signal

Capteurs biomimétiques

Montage

Principe de fonctionnement du capteur

Pour utiliser le capteur, il faut lui envoyer une demande de mesure, que l'on appelle Trigger. C'est une

impulsion de 5 volts dont la durée est de 10 µs (microsecondes) minimum.

Dès qu'il reçoit ce signal, le HC SR04 envoie un train d'ultrasons de 40 kHz (huit signaux de courtes

périodes). Dès l'envoi du dernier ultrason, il envoie un signal sur la broche Echo qu'il maintient à 5 volts

jusqu'à ce qu'il reçoive un retour des ultrasons. À ce moment-là, il redescend le signal Echo à la masse

(0 volt).

Le signal Echo redescend à la masse au bout de 30 ms si aucun obstacle n'est détecté (time-out). Afin

d'éviter des résultats faussés par des mesures lancées quasi simultanément, il est recommandé d'attendre

50 ms entre deux demandes de mesure.

Le principe du fonctionnement est résumé sur le chronogramme constructeur ci-dessous :

100μs jusqu’à 25ms. Time out après 30ms

Page 11: Le traitement du signal Capteurs biomimétiques Les capteurs

Le traitement du signal

Capteurs biomimétiques

Téléverser ce programme qui permet de visualiser dans le moniteur série, la distance mesuré par le

capteur HCSR04. Fichier HCRS04.ino

int Sonar(int trigPin, int echoPin)

{

long duration;

pinMode(trigPin, OUTPUT);

pinMode(echoPin, INPUT);

digitalWrite(trigPin, LOW);

delayMicroseconds(2);

digitalWrite(trigPin, HIGH);

delayMicroseconds(20);

digitalWrite(trigPin, LOW);

duration = pulseIn(echoPin, HIGH);

duration = duration / 59;

if ((duration < 2) || (duration > 300)) return false;

return duration;

}

void setup()

{

Serial.begin(9600);

digitalWrite( 12 , LOW );

}

void loop()

{

Serial.print( Sonar( 12 , 11 ));

Serial.print(" ");

Serial.println();

}

11. Quel est l’unité de la valeur renvoyé dans le moniteur série ?

A l’aide de l’oscilloscope, visualiser simultanément le Trigger et Echo du capteur ? Qu’observez-vous

lorsque vous déplacez un objet devant le capteur.

12. Quelle est la célérité des ultrasons dans l’air à une température de 25 °C ?

13. Exprimer la formule donnant la distance d en cm pour une durée ΔT en µs de l’impulsion Echo.

14. Combien de mesure au maximum peut-on faire par secondes ?

15. A quelle distance au maximum peut-on détecter un objet ?

16. Quel est le délai entre l’envoi de l’ordre et le début de la mesure ?

17. Quelle est l’erreur maximale commise (en termes de distance) par le capteur lors de la mesure ?

En déduire en dessous de quelle distance le capteur n’est-il plus capable de détecter l’objet ?

Page 12: Le traitement du signal Capteurs biomimétiques Les capteurs

Le traitement du signal

Capteurs biomimétiques

18. Des mesures de distance sont faites, on obtient les signaux suivant sur la broche ECHO et

TRIGGER grâce à une mesure sur l’oscilloscope. Retrouver les distances mesurées :

Page 13: Le traitement du signal Capteurs biomimétiques Les capteurs

Le traitement du signal

Capteurs biomimétiques

Pour aller plus loin …

En raison de leur régime insectivore, les chauves-souris européennes ont un rôle important dans

l’écosystème. Elles sont un maillon important de la chaîne alimentaire : elles mangent 30 % de leur poids

chaque nuit, ce qui correspond environ à 3000 moustiques par nuit ! Elles participent à la lutte contre les

insectes nuisibles dans les cultures (pyrales, carpocapse, Eudémis, etc.) et on peut penser qu'elles limitent

la propagation de certaines maladies comme la leishmaniose.

Les chauves-souris sont des animaux fragiles, en proie à de nombreuses menaces. Les principales

causes de disparition sont la destruction de leur habitat, volontaire ou non, et le manque de ressources

alimentaires, généralement des insectes. La raréfaction de leur nourriture est due à l'agriculture intensive,

l'utilisation d'insecticides, la monoculture qui appauvrit la biodiversité, pollue les sols et l'eau, la

déforestation et le détournement des cours d'eau. Mais l’étalement des villes sur les campagnes amène

lui aussi de plus en plus d'accidents comme des perturbation des ultrasons, ou des perturbations visuelles

dues aux éclairages publics, ou encore l'installation d'éoliennes, qui constituent un obstacle lors de leur

vol. Les prédateurs, et plus particulièrement les chats font aussi des ravages dans les rangs des petites

bêtes volantes. De plus, certaines personnes tuent ou détruisent les habitats des chauves-souris en

pensant qu'elles sont nuisibles, agressives ou porteuses de maladies.