Le développement des microcontrôleurs et de la robotique accessible a introduit un nouvel outil pour les enseignants de sciences : les capteurs externes aussi appelés capteurs modulaires. Ces petits dispositifs, souvent basés sur la technologie MEMS, permettent de mesurer facilement et à faible coût des phénomènes physiques, chimiques ou biologiques. Cet article explore leur utilisation en classe, les options disponibles pour s’en procurer, ainsi que les capteurs les plus adaptés aux cours de sciences.
Pourquoi utiliser des capteurs externes en cours de sciences ?
La plupart des collèges et lycées sont équipés de matériel expérimental, quelle valeur ajoutée pourrait donc apporter des capteurs externes ? Ces petits outils modernes, simples et abordables, offrent une réelle valeur ajoutée. Leur flexibilité et leur polyvalence permettent de dépasser les limites des équipements classiques, en ouvrant la voie à une approche plus expérimentale et adaptée à de nombreux sujets :
Diversité. Quel que soit le sujet étudié, il existe des capteurs adaptés pour mesurer des phénomènes variés : température, pression atmosphérique, humidité, CO2, composés volatils, particules fines, azote ou ozone. Ils s’intègrent facilement aux cours de physique, biologie ou chimie, ainsi qu’à des projets interdisciplinaires comme l’étude des écosystèmes ou des phénomènes climatiques. Ces outils offrent aux enseignants la possibilité de proposer des activités variées et accessibles, sans nécessiter un matériel coûteux ou complexe.
Simplicité d’utilisation. Les capteurs externes sont simples à utiliser et se connectent facilement à des microcontrôleurs comme Arduino, micro:bit ou ESP32. De nombreux tutoriels gratuits en ligne permettent une prise en main rapide. Pour éviter la programmation, le boîtier FizziQ Connect offre une solution clé en main : il lit, enregistre et partage les mesures avec des smartphones ou tablettes via l’application gratuite FizziQ, simplifiant leur utilisation en classe.
Accessibilité financière. Contrairement aux équipements scientifiques traditionnels, souvent coûteux et limités à des usages spécifiques, ces capteurs sont disponibles à des prix très raisonnables tout en offrant des performances précises et fiables. Cela permet aux établissements scolaires de multiplier les expériences scientifiques, de les rendre accessibles à un plus grand nombre d’élèves, et de diversifier les thématiques explorées, le tout sans alourdir les budgets.
Où trouver et comment choisir les capteurs pour vos projets scientifiques ?
Popularisés par le développement des microcontrôleurs et des applications robotiques, les capteurs sont désormais largement disponibles auprès de revendeurs spécialisés dans l’électronique ou le matériel éducatif. Parmi eux, on peut citer Vittascience, A4 Technologies, GoTronic, ou Distrelec, qui offrent une vaste gamme adaptée aux besoins des classes et des projets.
Ces revendeurs proposent des capteurs issus de nombreux fabricants. L’une des principales différences entre eux réside dans le type de connectique utilisée. Nous privilégions pour notre part les connecteurs Grove, basés sur le standard HYP 2.0, très répandu parmi les fabricants. Cette connectique robuste et fiable est particulièrement adaptée à un usage scolaire grâce à sa simplicité d’utilisation et sa durabilité.
Parmi les fabricants de capteurs faciles à mettre en œuvre, trois acteurs majeurs se distinguent :
M5Stack : Propose des capteurs avec un connecteur Grove et un boîtier intégré, offrant une protection supplémentaire pour le circuit électronique. Idéal pour les environnements éducatifs ou les projets nécessitant une manipulation fréquente. Lien : M5Stack
Seeed Studio : Offrant une large gamme de capteurs économiques basés sur le standard Grove, ils constituent un excellent choix pour les écoles ou les projets à budget limité. Lien : Seeed Studio
DFRobot : La gamme de capteurs Gravity est également basée sur le standard HYP 2.0, mais avec une inversion des pôles + et - par rapport aux capteurs de Seeed Studio. Une simple inversion des fiches permet de les rendre compatibles avec d’autres capteurs. Lien : DFRobot
Les standards de communication des capteurs
Une caractéristique importante à considérer lors du choix d’un capteur est son type de communication. Il est préférable de choisir un format simple à mettre en oeuvre comme le standard I2C ou la sortie analogique.
Voici les principaux standards :
I2C (Inter-Integrated Circuit) : Très populaire, ce standard série bidirectionnel utilise deux lignes (SDA pour les données et SCL pour l’horloge) et permet de connecter plusieurs capteurs sur un même connecteur, chacun ayant une adresse unique. Il est fiable et adapté à la plupart des projets éducatifs.
1-Wire : Ce protocole utilise une seule ligne de données pour connecter plusieurs capteurs. Bien que moins courant, il est utilisé par des capteurs spécifiques comme la sonde de température étanche DS18B20, très répandue et économique.
Analogique : Ce type de capteur produit une tension proportionnelle à la grandeur mesurée. Il nécessite un convertisseur analogique-numérique (ADC) pour être lu par un microcontrôleur. Bien qu’il ne permette pas le multiplexage, il reste très courant et simple à utiliser.
TTL (Transistor-Transistor Logic) : Utilisé pour transmettre des signaux numériques compatibles avec les niveaux de tension standards des microcontrôleurs (3,3V ou 5V), il est courant dans les capteurs GPS et d’autres dispositifs numériques.
Les normes I2C et analogique dominent largement le marché, représentant environ 95 % des capteurs disponibles. Elles combinent simplicité et flexibilité, ce qui en fait des solutions idéales pour l’enseignement et les projets scientifiques.
Mise en oeuvre
De nombreux tutoriels détaillent la manière de connecter et d'utiliser chaque capteur avec un microcontrôleur. Ces ressources, souvent disponibles directement sur la page du fabricant, incluent des instructions claires et des exemples de code prêts à l’emploi. Par exemple, pour le capteur de température et de pression atmosphérique ENV IV de M5Stack, la page dédiée fournit toutes les informations nécessaires, y compris le programme compatible avec Arduino.
Pour ceux qui souhaitent éviter la programmation ou préfèrent utiliser un logiciel d’acquisition comme FizziQ, le boîtier FizziQ Connect constitue une solution pratique et rapide. Ce dispositif se connecte facilement à une large gamme de capteurs disponibles dans le commerce grâce à son connecteur au format HYP 2.0 (compatible Grove). Une liste complète des capteurs compatibles avec FizziQ Connect est accessible ici : Liste des capteurs compatibles.
Nous avons ainsi exploré les différentes possibilités qu’offrent les capteurs externes. Passons maintenant à une sélection de 15 capteurs incontournables pour étudier les sciences en classe.
Mesure température ambiante et hygrométrie (SHT30)
Le capteur SHT30 permet de mesurer la température ambiante et l’humidité relative avec une grande précision. Il peut fonctionner dans des environnements allant de -40°C à 125°C pour la température et de 0 à 100 % d’humidité. En classe, il est idéal pour des expériences sur les variations climatiques, ou la mesure d'humidité pour les sciences de la vie et de la terre. C'est un capteur versatile consommant peu d'électricité intégré avec le capteur QMP6988 de pression atmosphérique dans le capteur Env III de M5 Stack.
Pour en savoir plus : Sensirion - SHT30 Datasheet
Capteur de pression atmosphérique (QMP6988)
Le QMP6988 est un capteur extrêmement précis pour la mesure de la pression atmosphérique (300-1100 hPa). Il permet aux élèves de réaliser des expériences sur les variations de pression en fonction de l'altitude, ou les conditions météorologiques, ou la pression dans des sytèmes fermés. Il est intégré au capteur Env III de M5 Stack.
Pour en savoir plus : QST QMP6988 Datasheet
Mesure TVOC et eCO2 (SGP30)
Le capteur SGP30 mesure la concentration de composés organiques volatils (COV) et de CO2 dans l’air, ce qui permet aux élèves d’étudier la qualité de l’air intérieur. En classe, ce capteur peut être utilisé pour analyser les impacts des émissions de COV dans différents environnements (comme une salle de classe fermée) ou pour surveiller la qualité de l'air lors d’expériences sur la ventilation.
Il faut noter que ce capteur donne une mesure appelée eCO2, qui est une estimation du CO2, dérivée des émissions de COV. Il reflète généralement la qualité de l’air intérieur et est calculé en se basant sur la corrélation entre la présence de COV et les niveaux typiques de CO2 dans les espaces clos. Ce capteur est par contre très bon marcgé comparé aux capteurs dédiés de mesure du CO2 comme le SCD40.
Pour en savoir plus : SGP30 - Sensirion
Capteur de lumière (BH1750)
Le capteur de lumière BH1750 est conçu pour mesurer l'intensité lumineuse ambiante de 1 à 65 535 lux. Ce capteur permet de réaliser des expériences sur la luminosité dans différents environnements, par exemple en étudiant l’effet de la lumière naturelle et artificielle sur la croissance des plantes, ou en explorant comment la lumière varie en fonction de la position géographique ou de l'heure de la journée.
Pour en savoir plus : ROHM BH1750 Datasheet
Mesure concentration CO2 (SCD40)
Le capteur SCD40 permet de mesurer la concentration de CO2 dans l’air, un paramètre essentiel pour comprendre la qualité de l’air et les processus de respiration des êtres vivants. En classe, les élèves peuvent analyser les variations de CO2 dans des environnements clos ou ouverts, ou encore étudier l'effet de la photosynthèse des plantes sur la concentration de CO2 dans une serre.
Le SCD40 utilise la technologie de spectroscopie photoacoustique infrarouge pour mesurer directement la concentration de CO2 dans l’air. Ce capteur fonctionne en envoyant une lumière infrarouge (IR) à travers un petit échantillon d'air. Les molécules de CO2 absorbent cette lumière à une longueur d'onde spécifique, ce qui cause une augmentation de la température de l'échantillon d'air. Cette chaleur entraîne des variations de pression, créant ainsi de minuscules ondes acoustiques.
Le capteur détecte ces ondes acoustiques à l’aide de microphones ultra-sensibles, puis les convertit en un signal électrique proportionnel à la concentration de CO2. Cette méthode est extrêmement précise, même dans des environnements avec de faibles concentrations de CO2, et offre une excellente stabilité à long terme.
Pour en savoir plus : SCD40 - Sensirion
Sonde de température étanche (DS18B20)
Le capteur DS18B20 est une sonde de température numérique qui offre une plage de mesure de -55°C à +125°C avec une précision de ±0,5°C entre -10°C et +85°C. Il est conçu pour des environnements difficiles et peut être immergé dans des liquides ou utilisé dans des conditions humides grâce à son boîtier étanche.
Une des fonctionnalités intéressantes du DS18B20 est la possibilité de connecter plusieurs sondes sur le même bus de données grâce à son interface One-Wire. Cela signifie que vous pouvez utiliser deux ou plus de ces capteurs simultanément pour obtenir des mesures de température à différents points d’une expérience, tout en utilisant une seule connexion de communication, ce qui simplifie l'installation.
Elle peut être utilisée pour des expériences en chimie ou en sciences de l’environnement, comme la mesure de la température de l’eau lors de réactions chimiques, ou encore pour surveiller des conditions climatiques dans des environnements humides.
Pour en savoir plus : DS18B20 - Maxim Integrated
Voltmètre courant continu (convertisseur A/D ADS1115)
Le convertisseur A/D ADS1115 est un voltmètre permettant de mesurer de faibles tensions continues jusqu'à ±36V. En classe, il est parfait pour des expériences en électricité et électronique, notamment pour mesurer la tension dans des circuits simples ou pour analyser la variation de tension lors de la charge/décharge de batteries. On peut associer au Voltymètre un Ampèremètre pour les mesures d'intensité.
Pour en savoir plus : ADS1115 - Texas Instruments
Thermomètre infrarouge 2 (MLX90614)
Ce capteur infrarouge mesure la température des objets à distance sans contact, avec une plage de -70°C à 380°C. Il est idéal pour des expériences où l'on veut mesurer la température d'objets difficiles d'accès ou très chauds. Les élèves peuvent l'utiliser pour analyser la dissipation thermique des matériaux ou mesurer la température des corps dans des expériences physiques.
Pour en savoir plus : MLX90614 - Melexis
Balance 5kg (convertisseur A/D HX711)
Le convertisseur A/D HX711, associé à une balance, permet de mesurer des masses avec une grande précision, jusqu’à 5 kg. Ce capteur est parfait pour des expériences en physique et en chimie, comme la mesure de la masse de réactifs lors de réactions chimiques ou l’étude des relations entre force et masse dans des systèmes mécaniques.
Pour en savoir plus : HX711 Datasheet
Mesure de fréquence cardiaque et oxymétrie (MAX30100)
Le capteur MAX30100 permet de mesurer la fréquence cardiaque et le taux d’oxygène dans le sang (SpO2). Ce capteur est parfait pour des expériences en biologie, notamment pour étudier les effets de l'effort physique sur le corps humain ou pour observer les changements de la fréquence cardiaque en réponse à des activités comme la respiration ou l’exercice.
Pour en savoir plus : MAX30100 - Maxim Integrated
Détecteur UV (GUVA S12SD)
Le capteur UV GUVA-S12SD de Seeed Studio est un capteur analogique conçu pour mesurer l’intensité des rayons ultraviolets (UV) dans une plage de longueurs d’onde de 200 nm à 370 nm, couvrant les UV-A et UV-B. Il convertit l’intensité UV en une tension analogique proportionnelle (de 0V à 1V), ce qui le rend facile à utiliser avec des microcontrôleurs comme Arduino. Compact et économe en énergie, ce capteur est idéal pour des applications telles que la surveillance de l’indice UV, le suivi de la lumière solaire ou l’étude des effets des UV sur les matériaux et les organismes vivants.
Pour en savoir plus : GUVA S12SD -UV Datasheet
Détecteur de particules fines (HM3301)
Le capteur HM3301 permet de mesurer la concentration de particules fines (PM2.5, PM10) dans l'air, un indicateur clé de la qualité de l'air. En classe, il est idéal pour des expériences sur la pollution atmosphérique, en comparant la concentration de particules fines dans différents environnements urbains et ruraux ou lors de l’utilisation de différentes sources d’énergie.
Pour en savoir plus : HM3301 - Seeed
Capteur de pression - M5 Stack
Ce capteur mesure la pression exercée sur une surface, offrant des résultats précis pour des expériences en physiqueou en mécanique. Il permet d'analyser la pression dans des systèmes fermés ou d’étudier la relation entre force et surface dans des contextes de compression et de traction.
Pour en savoir plus : M5Stack Pressure Sensor
Mesure de distance (VL53L0X)
Le capteur VL53L0X utilise un laser pour mesurer la distance à un objet, avec une précision de quelques millimètres sur une plage allant jusqu’à 2 mètres. Les élèves peuvent l'utiliser pour des expériences sur la réflexion de la lumière, la vitesse de déplacement d'objets, ou pour créer des projets de cartographie ou de détection d'obstacles en robotique.
Le capteur VL53L0X de STMicroelectronics utilise une technologie de ToF (Time-of-Flight) . Cette technologie repose sur l'envoi d'un faisceau laser infrarouge qui rebondit sur un objet, puis revient au capteur. Le VL53L0X mesure le temps que met ce faisceau à effectuer l'aller-retour, appelé temps de vol ou Time-of-Flight, et utilise cette donnée pour calculer la distance précise entre le capteur et l'objet.
Pour en savoir plus : ST VL53L0X Datasheet
Mesure de Champ Magnétique (BMM150)
Le BMM150 est un magnétomètre numérique trois axes conçu pour mesurer la direction et l’intensité des champs magnétiques avec précision. Compact et économe en énergie, il consomme seulement 170 µA en fonctionnement, ce qui le rend idéal pour les applications mobiles ou embarquées.
Le BMM150 est facile à intégrer à des microcontrôleurs et systèmes embarqués, et il peut être utilisé pour des projets éducatifs ou scientifiques nécessitant des mesures précises du champ magnétique terrestre ou des analyse de champ magnétiques faibles.
Pour en savoir plus : https://www.bosch-sensortec.com/products/motion-sensors/magnetometers/bmm150/
Conclusion
FizziQ Connect, en s'associant à une large gamme de capteurs économiques mais performants, offre aux enseignants et aux élèves une plateforme puissante et flexible pour explorer une variété de concepts scientifiques en classe. De plus Fizziq Connect est versatile pusiqu'on peut configurer de nouveaux capteurs qui ne sont pas définis en standard.
Grâce à la compatibilité avec des capteurs disponibles dans le commerce, les utilisateurs peuvent mesurer à moindre coût une plus grande variété de paralmètresphysiques tels que la température, la pression atmosphérique, la qualité de l'air, et bien plus encore, pour des expériences pratiques dans des domaines allant de la physique à la biologie en passant par l'environnement.
L'intégration facile de capteurs, l'adaptabilité aux projets éducatifs variés, et la possibilité de combiner plusieurs sondes en simultané font de FizziQ Connect un outil pédagogique incontournable. Que ce soit pour mesurer la concentration de CO2, analyser la lumière ou surveiller la température dans des environnements extrêmes, FizziQ Connect transforme l'apprentissage scientifique en rendant les expériences accessibles, interactives et pertinentes.
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