le traitement du signal capteurs biomimétiques les capteurs
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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.
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
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.
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 :
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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 :
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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
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
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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.
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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.
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
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 ?
Le traitement du signal
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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 :
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.