I sensi della macchina
Gli esseri umani percepiscono il mondo attraverso cinque sensi: vista, udito, tatto, olfatto, gusto. Ogni senso è, in fondo, un sistema di trasduzione — trasforma uno stimolo fisico (fotoni, onde sonore, pressione, molecole chimiche) in segnali nervosi che il cervello interpreta. I sensori fanno esattamente la stessa cosa per le macchine: trasformano grandezze fisiche del mondo reale in segnali elettrici che un microcontrollore o un computer può elaborare.
La differenza rispetto ai sensi biologici è che i sensori artificiali possono percepire grandezze che i nostri sensi non raggiungono: radiazioni ionizzanti, campi magnetici, accelerazioni, pressioni atmosferiche, frequenze ultrasoniche, posizioni GPS con precisione metrica. In questo senso, i sensori estendono la percezione ben oltre i limiti biologici.
Definizione e trasduzione
Un sensore è un dispositivo che rileva una grandezza fisica dell’ambiente — chiamata misurando — e la converte in un segnale elettrico proporzionale, interpretabile da un sistema di elaborazione.
Il processo di conversione si chiama trasduzione, e il sensore è tecnicamente un trasduttore. La catena di trasduzione segue sempre la stessa logica:
Classificazione dei sensori
I sensori si classificano secondo diversi criteri. I due più importanti riguardano il tipo di segnale prodotto e la necessità di alimentazione esterna.
Per tipo di segnale — Analogici vs Digitali
Per alimentazione — Attivi vs Passivi
Richiedono un’alimentazione esterna per funzionare. La generano internamente oppure la ricevono dal circuito. Esempi: sensori di umidità capacitivi, radar, sonar, sensori a infrarossi attivi.
Non richiedono alimentazione esterna: sfruttano l’energia della grandezza fisica che misurano. Esempi: termocoppie (generano tensione dalla differenza di temperatura), fotocellule (corrente dalla luce).
Parametri chiave di un sensore
Quando si sceglie un sensore per un progetto, bisogna valutare alcune caratteristiche tecniche fondamentali:
I principali sensori — funzionamento e applicazioni
Temperatura — il sensore più diffuso
Luce — fotoresistenze e fotodiodi
La resistenza diminuisce all’aumentare dell’intensità luminosa (da MΩ al buio a poche centinaia di Ω alla luce diretta). Sensore analogico passivo, economicissimo.
Misura l’illuminamento in lux con alta precisione. Output digitale via protocollo I²C — il microcontrollore riceve direttamente il valore in lux senza ADC.
Movimento e presenza — PIR e ultrasuoni
Rileva la variazione di radiazione infrarossa emessa dai corpi caldi (persone, animali). Output digitale: segnale HIGH quando rileva movimento, LOW altrimenti. Non emette nulla — è passivo.
Emette un impulso ultrasonico a 40 kHz e misura il tempo che impiega a tornare dopo aver rimbalzato su un ostacolo. Formula: distanza = (tempo × 340 m/s) / 2
Umidità, pressione, gas
Accelerometro e giroscopio — i sensori dello smartphone
Il modulo MPU-6050 integra in un singolo chip MEMS un accelerometro a 3 assi (misura l’accelerazione lineare) e un giroscopio a 3 assi (misura la velocità angolare). I 6 assi di misura (3 accelerazione + 3 rotazione) danno la piena libertà di orientamento nello spazio — da cui “6 DOF” (Degrees of Freedom).
GPS — posizione assoluta sulla Terra
Il GPS (Global Positioning System) non è tecnicamente un sensore nel senso tradizionale — non misura una grandezza fisica locale. Riceve segnali radio da almeno 4 satelliti e, calcolando la differenza di tempo di arrivo, determina la propria posizione geografica con precisione metrica.
Con 3 satelliti si determina una posizione 2D (longitudine, latitudine). Il 4° satellite è necessario per eliminare l’errore di sincronizzazione degli orologi e ottenere la quota (3D). Più satelliti = maggiore precisione.
Il modulo GPS più usato nei progetti Arduino. Output NMEA via UART (es. $GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,,*47). Richiede 30-60 secondi per il primo fix.
Sensori MEMS — la miniaturizzazione che ha cambiato tutto
La tecnologia MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) ha permesso di costruire sensori meccanici con dimensioni micrometriche, integrabili direttamente nei chip di silicio insieme all’elettronica di elaborazione. Questo ha reso possibile inserire accelerometri, giroscopi, barometri e microfoni nei telefoni cellulari senza aumentarne le dimensioni o il peso in modo significativo.
Il microfono MEMS è formato da un diaframma micrometrico sospeso su una cavità nel silicio. Le onde sonore fanno vibrare il diaframma, modificando la distanza tra esso e una piastra fissa sottostante.
Questa variazione di distanza cambia la capacità elettrica del condensatore formato dalle due piastre. La variazione di capacità viene amplificata, convertita in tensione, poi digitalizzata dall’ADC integrato nello stesso chip.
Dal mondo analogico al digitale — la conversione ADC
Il mondo fisico è analogico — la temperatura varia in modo continuo, il suono è un’onda continua, la luce è un flusso continuo di fotoni. I microcontrollori sono dispositivi digitali — elaborano solo numeri interi discreti. Tra questi due mondi serve un traduttore: il convertitore analogico-digitale (ADC, Analog-to-Digital Converter).
Come funziona l’ADC — campionamento e quantizzazione
Il Teorema di Nyquist — campionare abbastanza velocemente
Per ricostruire fedelmente un segnale analogico dalla sua versione digitale, la frequenza di campionamento deve essere almeno il doppio della frequenza massima del segnale che si vuole catturare.
Visualizzazione — analogico vs digitale campionato
- Un sensore è un trasduttore: converte una grandezza fisica (misurando) in un segnale elettrico proporzionale. I parametri chiave sono range, risoluzione, accuratezza, sensibilità e tempo di risposta
- Sensori analogici: segnale continuo, richiedono ADC esterno (es. LDR, termistore NTC). Sensori digitali: ADC integrato, comunicano via I²C/SPI/UART (es. DHT22, BH1750, MPU-6050)
- Ogni categoria ha i propri campioni di riferimento: temperatura (NTC, DHT22, termocoppia), luce (LDR, BH1750), movimento (PIR, HC-SR04), posizione (GPS NEO-6M), orientamento (MPU-6050 a 6 DOF)
- La tecnologia MEMS ha miniaturizzato i sensori meccanici in chip microscopici, rendendoli integrabili negli smartphone e in qualsiasi dispositivo indossabile
- L’ADC converte il segnale analogico in digitale tramite campionamento (quante volte al secondo) e quantizzazione (quanti livelli). Il Teorema di Nyquist stabilisce che la frequenza di campionamento deve essere almeno il doppio della frequenza massima del segnale, per evitare l’aliasing