I sensori ovvero come le Cose comunicano con le Cose
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La professoressa del Liceo Scientifico “Atzeni” di Capoterra, Maria Antonietta Rivano, ha illustrato, insieme ad alcuni suoi studenti, la relazione: “I sensori ovvero come le Cose comunicano con le Cose”.
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I sensori ovvero come le Cose comunicano con le Cose
- 2. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 Dal Liceo Scien,fico ‘Sergio Atzeni’ di Capoterra I sensori cose che comunicano con le cose
- 3. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 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
- 4. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 SISTEMA CONTROLLORE SENSORI ATTUATORI I sensori comunicano con i disposi,vi di un sistema di controllo
- 5. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 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
- 6. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 La definizione I sensori sono dispositivi in grado di convertire una grandezza fisica in un segnale elettrico SENSOREGrandezza fisica Segnale elettrico
- 7. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 Perché la conversione di grandezze fisiche in segnali ele@rici? Perché i segnali ele@rici si possono Amplificare Trasme@ere a distanza Registrare Elaborare
- 8. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 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
- 9. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 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
- 10. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 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
- 11. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 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
- 12. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 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
- 13. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 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
- 14. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 ACCENSIONE DI LED AL VARIARE DELLA TEMPERATURA COL SENSORE LM35 CHE COMUNICA CON ARDUINO La nostra prima applicazione con le classi terze e quarte
- 15. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 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
- 16. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 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
- 17. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 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 •=
- 18. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 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 4883,4 1024 5000 ==
- 19. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 Conversione A/D qVN /= N (numero binario espresso in decimale) 0 50 100 150 200 250 300 350 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 V(mV) N N
- 20. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 La conversione A/D Convertitore A/D Da 0 a 1023 Micro processore ARDUINO -‐55°C a 150°C
- 21. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 come elabora i bit il microcontrollore T (°C) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 50 100 150 200 250 300 350 Numero binario Temperatura T (°C) N k q T = N k q T =
- 22. ITS Giua, Cagliari -‐ 26 Marzo 2015 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