Capteurs — Mesurer le monde physique avec précision¶

Un capteur mal choisi contamine toute la chaîne de mesure : des données inexactes prises pour vraies sont plus dangereuses qu'une absence de données.

Principes de sélection¶

Avant de choisir un capteur, définir quatre paramètres :

1. Grandeur mesurée et étendue de mesure (plage min–max attendue)
2. Précision et résolution requises — la précision est l'écart à la vraie valeur ; la résolution est la plus petite variation détectable
3. Interface avec le MCU — I2C, SPI, UART, 4-20 mA, tension analogique
4. Conditions environnementales — température ambiante, humidité, vibrations, IP requis

Capteurs de température¶

Technologies comparées¶

Conseils de sélection¶

• DHT22 : suffisant pour les applications domotique/agriculture. Temps de réponse lent (2 s). À éviter en environnement industriel.
• DS18B20 : excellente rapport qualité/prix, adressage 1-Wire, idéal pour les chaînes de capteurs distribuées (jusqu'à 100 nœuds sur un seul fil).
• PT100/PT1000 : référence industrielle IEC 60751. Résistance à 0°C de 100 Ω (PT100) ou 1 000 Ω (PT1000). Nécessite un circuit de mesure (pont de Wheatstone + ampli instrumentation ou CI dédié MAX31865).
• Thermocouple : indispensable au-delà de 200°C. L'amplificateur MAX31856 gère la compensation de soudure froide et communique en SPI.

Capteurs d'humidité¶

Capacitif vs résistif¶

Les capteurs d'humidité relative (HR) sont soit capacitifs soit résistifs :

• Capacitif (SHT31, BME280, HIH6130) : un polymère hygroscopique modifie la capacité d'un condensateur. Précision ±1–2 % HR, bonne stabilité à long terme, hysterèse faible. C'est la technologie dominante.
• Résistif (HS1101, anciens DHT11) : l'humidité modifie la résistance d'un matériau. Moins précis (±3–5 % HR), moins stable dans le temps, peu utilisé en industriel.

Le SHT31 (Sensirion) est la référence : ±2 % HR sur 0–100 %, ±0,3°C, I2C, boîtier DFN hermétique résistant aux condensats. En version SHT35 : ±1,5 % HR pour les applications de métrologie.

Capteurs de pression¶

Barométrique — BMP280 / BMP390¶

Le BMP280 (Bosch Sensortec) mesure la pression atmosphérique entre 300 et 1 100 hPa avec une résolution de 0,18 Pa, soit une résolution altimétrique de ~1,5 cm. Il inclut un capteur de température. Interface I2C ou SPI. Usage : altimétrie, météo, détection de chute pour drones.

Industriel 4-20 mA¶

Pour la pression de fluides (eau, air comprimé, gaz), les transmetteurs industriels à boucle de courant 4-20 mA sont la norme :

• 4 mA = 0 % de la plage → 20 mA = 100 % de la plage
• La boucle de courant est immune aux chutes de tension sur le câble (jusqu'à 1 000 m)
• Détection de rupture câble facile : < 4 mA = défaut
• Exemple : SITRANS P200 (Siemens), ACT20 (Weidmüller), ou capteurs OEM sous 50 €

La conversion 4-20 mA vers numérique se fait via une résistance shunt (250 Ω → 1–5 V) puis ADC, ou via un circuit dédié (AD421, XTR105).

IMU — Unités de Mesure Inertielle¶

Degrés de liberté (DoF)¶

Composants de référence¶

MPU6050 (InvenSense/TDK) : 6 DoF, I2C, intègre un DMP (Digital Motion Processor) pour le calcul de quaternions en temps réel. Très répandu, documenté, prix < 1 € en volume. Limite : réservé aux prototypes et aux produits de faible criticité — discontinué par TDK en faveur du ICM-42688.

LSM6DSL / LSM6DS3 (STMicroelectronics) : 6 DoF, I2C + SPI, machine learning core intégré (détection de pattern sans charge CPU), plage de température industrielle. Référence recommandée pour la production.

BNO055 (Bosch) : 9 DoF avec fusion de capteurs embarquée dans le composant (sortie quaternion, euler, vecteur de gravité). Élimine le besoin d'implémenter un filtre de fusion côté firmware. Interface I2C ou UART.

Capteurs de vision¶

Modules caméra bas coût¶

LiDAR et TOF¶

• TFmini-S (Benewake) : LiDAR compact, portée 0,1–12 m, précision ±6 cm, UART ou I2C, 100 Hz. Usage : détection d'obstacles robotique, niveau de réservoir.
• VL53L1X (STMicroelectronics) : capteur ToF (Time-of-Flight) laser classe 1, portée jusqu'à 4 m, I2C, ultra compact (2,8 × 2,8 mm). Usage : présence/distance courte, robotique.
• RPLidar A1/A2 (Slamtec) : LiDAR 360°, 5,5 m (A1) ou 8 m (A2), 2 000–4 000 points/s, UART. Usage : cartographie SLAM, navigation autonome.

Capteurs industriels : boucle 4-20 mA et encodeurs¶

Boucle 4-20 mA¶

Outre la pression, la boucle 4-20 mA standardise de nombreux transducteurs industriels : débit (débitmètre électromagnétique), niveau, pH, conductivité, turbidité. Le câblage est simple (2 fils), la distance couverte est grande, et la robustesse au bruit électromagnétique est excellente dans les environnements industriels.

0-10 V¶

Alternative à la boucle de courant, la sortie 0-10 V est plus sensible aux pertes resistives sur câble mais plus facile à connecter à un ADC standard. Courante sur les capteurs de qualité d'air (CO2, VOC) et les transmetteurs de température industriels.

Encodeurs rotatifs¶

Les encodeurs rotatifs mesurent la position angulaire ou la vitesse d'un axe. Deux types :

• Incrémental : sorties A/B en quadrature + optionnel index Z. Le MCU compte les impulsions pour déduire la position relative. Résolution : de 100 à 10 000 impulsions/tour. Interface : GPIO + timer (mode encoder). Exemple : LPD3806.
• Absolu : donne la position absolue sans initialisation. Interface : SPI (SSI), BISS-C, EnDat. Plus coûteux, indispensable pour les axes dont la position initiale est inconnue au démarrage.

Chaîne d'acquisition¶

flowchart LR
    subgraph Physique
        GP[Grandeur\nphysique\nT°C, P, acc.]
    end

    subgraph Transducteur
        S[Capteur\nDHT22 / PT100\nIMU / 4-20 mA]
    end

    subgraph Conditionneur
        C[Amplificateur\nouConvertisseur\nI/V ou U/I]
    end

    subgraph Numerisation
        ADC[ADC\n12–24 bits]
    end

    subgraph MCU
        FW[Firmware\nFiltrage\nCalibration]
    end

    subgraph Sortie
        VAL[Valeur\ncalibrée\nen unité SI]
    end

    GP --> S
    S -->|Signal brut\nanalogique ou numérique| C
    C -->|Signal conditionné\n0–3,3 V ou numérique| ADC
    ADC -->|Valeur entière N bits| FW
    FW --> VAL

Ce qu'il faut retenir¶

• Le capteur doit être sélectionné avec sa plage de mesure, sa précision, son interface et ses conditions environnementales — pas uniquement par son prix.
• PT100/PT1000 et thermocouples sont les références industrielles pour la température ; DS18B20 est le compromis optimal pour le terrain.
• La boucle 4-20 mA est le standard industriel pour les transmetteurs distants : immunité au bruit, détection de rupture câble incluse.
• Les IMU 6 DoF (LSM6DS3) avec machine learning core embarqué permettent la détection d'événements sans consommer de ressources MCU.

Chapitre suivant : Actionneurs — relais, moteurs, vannes : transformer l'énergie électrique en action mécanique en toute sécurité.