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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

  1. 1. ITS  Giua,  Cagliari  -­‐  26  Marzo  2015   Dal  Liceo  Scien,fico  ‘Sergio  Atzeni’    di  Capoterra   I  sensori   cose  che  comunicano  con  le  cose  
  2. 2. 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  
  3. 3. ITS  Giua,  Cagliari  -­‐  26  Marzo  2015               SISTEMA   CONTROLLORE   SENSORI  ATTUATORI   I  sensori  comunicano  con  i  disposi,vi  di  un  sistema  di  controllo  
  4. 4. 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    
  5. 5. 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
  6. 6. 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  
  7. 7. 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  
  8. 8. 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
  9. 9. 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  
  10. 10. 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  
  11. 11. 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
  12. 12. 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      
  13. 13. 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  
  14. 14. 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    
  15. 15.       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  
  16. 16. 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 •=
  17. 17. 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 ==
  18. 18. 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
  19. 19.       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
  20. 20. 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 =
  21. 21. 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  

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