Les grandes familles de capteurs - Maxicours

Les grandes familles de capteurs

Objectifs
  • Connaitre et différencier les trois familles de capteurs.
  • Comprendre l'impact du choix d'une famille de capteurs sur un prototype.
  • Connaitre quelques capteurs usuels.
Points clés
  • Il y a trois familles de capteurs : les capteurs analogiques, les détecteurs et les capteurs numériques.
  • Le signal produit est différent selon le type de capteur utilisé : signal analogique, signal logique ou signal logique codé.
  • La connaissance d'une dizaine de capteurs de base permet de développer de très nombreux produits.
1. Les familles de capteurs
a. Les capteurs analogiques
Un capteur analogique est un capteur qui transforme un phénomène physique en signal électrique analogique.

Un signal électrique analogique est un signal électrique qui peut prendre toutes les valeurs possibles entre une valeur minimale et une valeur maximale.

L’opération de transformation s'appelle la transduction. La tension du signal sera directement liée à la valeur du phénomène physique capturé.

Exemple
Un capteur de température analogique pourra fournir une tension proportionnelle à la température qu'il mesure.
Pour chaque augmentation de 1 °C à partir de 0 °C, la tension augmentera de 0,1 V.
Remarque
Il est rare que la tension soit simplement proportionnelle à la valeur du phénomène, mais en général la formule de passage de l'un à l'autre est donnée dans la fiche technique du capteur.

Un capteur analogique fournit une tension analogique qui ne sera pas directement exploitable par un cerveau numérique, comme un microcontrôleur ou un microprocesseur.

Remarque
Les cartes Arduino, micro:bit et celles à base d'ESP8266 comportent un microcontrôleur.
Les cartes Raspberry Pi, les ordinateurs et les smartphones comportent des microprocesseurs.

Pour qu'un microcontrôleur ou un microprocesseur puisse utiliser l'information d’un capteur analogique, il faudra préalablement que le signal soit numérisé par un composant qu'on appelle un CAN.

Remarque
La plupart des cartes comportant un microcontrôleur possèdent un CAN intégré. Ce n’est généralement pas le cas des produits comportant un microprocesseur.
b. Les détecteurs
Un détecteur est un capteur qui transforme un phénomène physique en signal électrique logique.

Un signal électrique logique est un signal électrique qui ne peut prendre que deux valeurs. Ces deux valeurs sont nommées « état haut » et « état bas ».

L'état haut correspond souvent à la tension la plus haute que peut prendre le signal, communément 3,3 V ou 5 V, et l'état bas correspond à la tension la plus basse, communément 0 V.

Remarques
  • Les signaux logiques sont aussi appelés signaux binaires.
  • Les détecteurs sont aussi appelés capteurs tout-ou-rien (TOR), capteurs binaires ou capteurs logiques.
Exemple
Un détecteur de mouvement infrarouge pourra détecter la présence ou l'absence de mouvement dans une pièce.

Les microcontrôleurs et les microprocesseurs sont capables de directement exploiter les signaux fournis par les détecteurs car ce sont des signaux binaires.

c. Les capteurs numériques
Un capteur numérique est un capteur qui effectue successivement :
  • la transduction d'un phénomène physique en signal électrique analogique ;
  • la numérisation du signal analogique en signal logique.

Le signal logique produit n'est pas un simple signal binaire comme celui produit par les détecteurs : c'est un signal logique codé. Cela signifie qu'il utilise un langage, appelé norme ou protocole de communication, pour transmettre sous forme binaire une information complexe comme un nombre, une lettre, un mot, un texte complet, etc.

Remarque
Les capteurs numériques sont aussi appelés codeurs.
Exemple
Un capteur de température numérique va mesurer puis transmettre la valeur 16,9 °C à un microcontrôleur en se servant du protocole UART.

Voici à quoi ressemble le signal logique codé qui permet de transmettre cette valeur.
Remarque
Voici quelques normes ou protocoles de communication courants utilisés par les codeurs : UART, I2C, SPI, oneWire.

Chaque donnée que le capteur numérique transmet est donc un signal logique composé de plusieurs valeurs binaires (à l'état haut ou l'état bas) : ces valeurs binaires sont appelées des bits. L'ensemble des bits qui permettent de transmettre une donnée s'appelle une trame.

Exemple
La trame que le capteur de température numérique transmet au microcontrôleur par UART comporte 11 bits.
  • Le bit 1 est un bit de start, qui permet d'indiquer que la trame débute.
  • Les bits 10 et 11 sont des bits de stop qui permettent d'indiquer que la trame se termine.
  • Les bits 2 à 9 sont les bits de data qui permettent de transmettre la donnée. Ici, la valeur binaire vaut (10101001)2, ce qui correspond en décimal à (169)10 qui est la valeur que le capteur transmet pour 16,9 °C.
    Remarque : 1 × 20 + 0 × 21 + 0 × 22 + 1 × 23 + 0 × 24 + 1 × 25 + 0 × 26 + 1 × 27 = 169

À chaque fois que le capteur numérique veut transmettre une valeur au microcontrôleur ou au microprocesseur, il doit lui envoyer une trame complète.

Exemple
Le signal suivant montre comment se déroule la transmission de température par le capteur numérique durant environ 14 s, dans le cas où il transmet une nouvelle valeur de température toutes les 4 s.

Les microcontrôleurs et les microprocesseurs sont capables de directement exploiter les signaux fournis par les capteurs numériques car ce sont des signaux binaires.

Remarque
Il faut néanmoins préciser au microcontrôleur ou au microprocesseur le protocole de communication utilisé et lui indiquer comment le lire. Cela se fera en utilisant des bibliothèques logicielles.
2. Les capteurs usuels
a. Environnement
Photorésistance

Une photorésistance est une résistance variable dont la valeur en ohm change en fonction de la luminosité. Associée à un petit montage électronique, elle permet de créer un capteur de luminosité analogique.

Remarque
Il existe des composants analogues pour mesurer la température, l'humidité, la flexion, la force, etc.
Il existe aussi des capteurs numériques pour mesurer la luminosité.
Capteur de température

Un capteur de température permet de mesurer et de transmettre la température sous forme de signal électrique. Il existe de nombreux types de capteurs de température, aussi bien analogiques que numériques.

Remarque
De nombreux capteurs de température mesurent aussi l'hygrométrie, il peut être utile de prendre ce type de capteur 2-en-1 lors d'un projet.
b. Distance et mouvement
Capteur de distance

Un capteur de distance est un capteur qui permet de mesurer et de transmettre la distance qui se trouve entre le capteur et un obstacle. Il existe principalement deux technologies.

  • Les capteurs de distance ultrason qui fonctionnent avec le son, et qui sont souvent des capteurs analogiques.
  • Les capteurs de distance laser qui fonctionnent avec la lumière, et qui sont souvent des capteurs numériques.
Détecteur de mouvement infrarouge

Un détecteur de mouvement infrarouge est un détecteur qui produit un signal logique à l'état haut quand il détecte un mouvement ou à l'état bas dans le cas contraire.

Il fonctionne en détectant les changements dans la manière dont son environnement émet du rayonnement infrarouge.

Remarque
Les êtres vivants à sang chaud émettent des infrarouges du fait de leur chaleur, ce capteur les détectera donc s'ils bougent. Il ne pourra en revanche pas détecter les mouvements d’un robot ou d’un objet.
Centrale inertielle

Une centrale inertielle est un ensemble de capteurs qui permettent de détecter et de mesurer les changements de position ou de vitesse d'un objet.

Il y a, au maximum, trois composantes dans une centrale inertielle :

  • un accéléromètre qui permet de mesurer une accélération linéaire ;
  • un gyroscope qui permet de mesurer une accélération angulaire ;
  • un magnétomètre qui permet de mesurer l'orientation par rapport à un champ magnétique.

Une centrale inertielle produit un signal logique codé, c'est donc un capteur numérique.

c. Interface homme-machine
Bouton poussoir

Un bouton poussoir permet, associé à un petit montage électronique, de détecter l'appui d'un utilisateur sur le bouton. C'est donc un détecteur. C'est un composant de base des IHM, interfaces homme-machine.

Remarque
Il existe aussi des commutateurs qui peuvent maintenir deux ou plusieurs positions.
Potentiomètre

Un potentiomètre est un capteur analogique, basé sur une résistance variable, qui permet à un utilisateur de choisir une valeur précise, pour un réglage par exemple.

Il existe :

  • des potentiomètres rotatifs, avec un bouton qu'on fait tourner ;
  • des potentiomètres à glissière, avec un curseur qu'on fait glisser.

C'est un autre composant important pour la réalisation d’IHM.

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