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La chaîne d'information : capteurs, traitement, actionneurs
Acquérir (capteurs, détecteurs), traiter (carte programmable, microcontrôleur), communiquer, signal logique et analogique, actionneurs, lien avec la chaîne d'énergie, exemples de systèmes automatisés
À propos de cette page
Ce cours de technologie en troisième sur « La chaîne d'information : capteurs, traitement, actionneurs » suit le programme officiel de technologie de troisième. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Un système automatisé, deux chaînes, Acquérir : capteurs et détecteurs, Signal logique, analogique et numérique, Traiter : carte programmable et microcontrôleur. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de troisième à réussir en technologie.
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Un système automatisé, deux chaînes
Un système automatisé accomplit une tâche sans qu'un humain intervienne à chaque instant : porte de magasin qui s'ouvre seule, volet roulant qui descend à la nuit, feu piéton. Pour décrire son fonctionnement, on le découpe en deux chaînes fonctionnelles.
Les deux chaînes. La chaîne d'information (partie commande) acquiert des informations, les traite et communique des ordres et des messages : c'est le « cerveau » du système. La chaîne d'énergie (partie opérative) alimente, distribue, convertit et transmet l'énergie pour agir sur la matière d'œuvre : ce sont les « muscles ».
| Fonction | Question à se poser | Composants typiques |
|---|---|---|
| Acquérir | Que se passe-t-il ? | bouton, détecteur de présence, capteur de température |
| Traiter | Que faut-il faire ? | carte programmable, microcontrôleur |
| Communiquer | Qui faut-il prévenir ? | écran, voyant, buzzer, émetteur radio, ordres vers la chaîne d'énergie |
Exemple : la porte automatique d'un magasin. Un détecteur de mouvement repère un client (acquérir) ; la carte électronique décide d'ouvrir (traiter) et envoie l'ordre (communiquer) ; le moteur fait coulisser les vantaux (chaîne d'énergie).
Attention ! La chaîne d'information transporte des informations, avec très peu d'énergie. Ce n'est jamais elle qui déplace, chauffe ou éclaire : elle donne des ordres à la chaîne d'énergie.
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Acquérir : capteurs et détecteurs
Acquérir, c'est prélever une information sur l'environnement (lumière, température, présence…) ou sur l'utilisateur (appui sur un bouton, télécommande) et la transformer en signal électrique que la carte peut lire.
Définitions. Un capteur transforme une grandeur physique (température, luminosité, distance, humidité…) en signal électrique. Un détecteur est un capteur particulier qui ne donne que deux états : présence ou absence, oui ou non (on dit « tout ou rien »).
| Composant | Ce qu'il capte | Information fournie |
|---|---|---|
| bouton poussoir | appui de l'utilisateur | logique |
| interrupteur de fin de course | pièce arrivée en butée | logique |
| ILS (interrupteur à lame souple) | présence d'un aimant (porte fermée) | logique |
| détecteur de mouvement infrarouge | chaleur d'une personne qui passe | logique |
| photorésistance | luminosité | analogique |
| thermistance, capteur de température | température | analogique |
| potentiomètre | position d'un bouton tournant | analogique |
| accéléromètre | mouvement, inclinaison, chocs | mesure |
| capteur à ultrasons | distance d'un obstacle | mesure (durée de l'écho) |
Exemple : le capteur à ultrasons. Il émet une salve d'ultrasons et mesure la durée de l'aller-retour de l'écho. Distance = vitesse du son × durée ÷ 2. Avec 340 m/s et un écho reçu après 5 ms : 340 × 0,005 ÷ 2 = 0,85 m.
Attention ! Ne pas oublier le « ÷ 2 » : l'onde parcourt deux fois la distance (aller et retour). Et convertir les millisecondes en secondes avant de calculer.
Astuce. On choisit un capteur selon la grandeur à mesurer, sa plage de mesure (de combien à combien ?) et sa précision.
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Signal logique, analogique et numérique
Trois formes de signal.
• Signal logique (tout ou rien, binaire) : deux états seulement, 0 ou 1, par exemple 0 V ou 5 V.
• Signal analogique : il varie de façon continue et peut prendre toutes les valeurs d'une plage (par exemple entre 0 V et 5 V), à l'image de la grandeur mesurée.
• Signal numérique : suite de nombres codés en binaire (avec des 0 et des 1). C'est la seule forme qu'un microcontrôleur sait traiter.
• Signal logique (tout ou rien, binaire) : deux états seulement, 0 ou 1, par exemple 0 V ou 5 V.
• Signal analogique : il varie de façon continue et peut prendre toutes les valeurs d'une plage (par exemple entre 0 V et 5 V), à l'image de la grandeur mesurée.
• Signal numérique : suite de nombres codés en binaire (avec des 0 et des 1). C'est la seule forme qu'un microcontrôleur sait traiter.
La conversion analogique-numérique. Une carte programmable possède un convertisseur analogique-numérique (CAN) qui transforme la tension reçue sur une entrée analogique en un nombre entier. Sur une carte Arduino, 0 V donne 0 et 5 V donne 1023 ; par proportionnalité, N = U × 1023 / 5. Sur une carte micro:bit, alimentée en 3,3 V, 1023 correspond à 3,3 V.
Exemple. Un capteur délivre 2 V : N = 2 × 1023 / 5 = 409,2, la carte lit 409. Dans l'autre sens, si la carte lit 818 : U = 818 × 5 / 1023 ≈ 4,0 V.
| Nombre de bits | Nombre de valeurs possibles (2ⁿ) |
|---|---|
| 1 bit | 2 (0 ou 1) : un signal logique |
| 8 bits | 256 (de 0 à 255) |
| 10 bits | 1 024 (de 0 à 1023) : CAN des cartes Arduino et micro:bit |
Attention ! Le nombre de bits fixe la finesse de la mesure. Avec 10 bits sur 5 V, le plus petit écart détectable est 5 / 1023 ≈ 0,005 V (environ 5 mV) : deux tensions plus proches donnent le même nombre.
Vocabulaire. « 1 / 0 », « vrai / faux », « haut / bas » : trois façons de nommer les deux mêmes états logiques.
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Traiter : carte programmable et microcontrôleur
Définitions. Un microcontrôleur est un circuit intégré (une « puce ») qui réunit sur un seul composant un processeur (il calcule), de la mémoire (elle garde le programme et les données) et des broches d'entrées-sorties. Une carte programmable (Arduino, micro:bit…) porte un microcontrôleur et tout ce qu'il faut pour l'utiliser : alimentation, connecteurs, port USB pour téléverser le programme.
Traiter, c'est exécuter le programme : lire les entrées, comparer, calculer, décider, puis mettre à jour les sorties. Le programme tourne en boucle, des milliers de fois par seconde.
| Broche | Ce qu'elle lit ou envoie | Exemples de composants reliés |
|---|---|---|
| entrée logique | 0 ou 1 | bouton, fin de course, détecteur de présence |
| entrée analogique | une tension, convertie en nombre de 0 à 1023 | photorésistance, capteur de température, potentiomètre |
| sortie logique | 0 V ou 5 V (3,3 V sur micro:bit) | voyant, buzzer, interface de puissance |
Exemple de traitement. « Si la valeur lue sur le capteur de lumière est inférieure à 300, alors allumer l'éclairage ; sinon l'éteindre. » Le seuil 300, choisi par le programmeur, transforme une information analogique en décision logique.
À savoir. Le même matériel peut réaliser des tâches différentes : c'est le programme qui décide. La manière de l'écrire est étudiée dans le chapitre « Algorithmique et programmation ».
Attention ! Un microcontrôleur n'est pas un ordinateur complet : il exécute un seul programme, stocké dans sa mémoire, pour une tâche précise. On parle de système embarqué.
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Communiquer : avec l'utilisateur et avec d'autres systèmes
Communiquer, c'est transmettre le résultat du traitement. Trois destinataires possibles :
- la chaîne d'énergie : des ordres (mettre en marche, arrêter, changer de sens) envoyés à l'interface de puissance ;
- l'utilisateur : écran, afficheur, voyant LED, buzzer, haut-parleur, vibreur ;
- d'autres systèmes : liaison filaire (câble) ou sans fil (radio, Bluetooth, Wi-Fi), détaillée dans le chapitre sur les réseaux.
Interface homme-machine (IHM). Ensemble des éléments qui permettent à l'utilisateur de donner des consignes au système (boutons, clavier, écran tactile) et d'en recevoir des informations (écran, voyants, sons). Une IHM participe donc à la fois à acquérir et à communiquer.
Exemple : une plaque de cuisson à induction. L'utilisateur appuie sur la touche « + » (acquérir) ; le microcontrôleur calcule le niveau de puissance (traiter) ; l'afficheur indique « 7 » et le voyant de chaleur résiduelle s'allume (communiquer avec l'utilisateur) ; l'ordre part vers l'électronique de puissance (communiquer avec la chaîne d'énergie).
Attention ! Un voyant qui signale « porte ouverte » communique une information : il appartient à la chaîne d'information. La lampe qui éclaire une pièce agit sur l'environnement : c'est un actionneur de la chaîne d'énergie. Même type de composant, fonction différente !
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Des ordres à l'action : interface de puissance et actionneurs
Une broche de sortie d'une carte programmable ne fournit qu'un très faible courant (environ 20 mA sous 5 V sur une carte Arduino). C'est assez pour un voyant, pas pour un moteur ou un chauffage.
Interface de puissance (ou préactionneur) : composant de la fonction distribuer de la chaîne d'énergie. Il reçoit un ordre de faible puissance et laisse passer, ou non, l'énergie vers l'actionneur. Exemples : relais, transistor, carte de commande de moteur, contacteur.
Actionneur : composant de la fonction convertir. Il transforme l'énergie reçue en action : moteur (rotation), vérin (translation), résistance chauffante (chaleur), électroaimant (attraction d'une pièce en fer), lampe (lumière), pompe (déplacement d'un liquide).
Actionneur : composant de la fonction convertir. Il transforme l'énergie reçue en action : moteur (rotation), vérin (translation), résistance chauffante (chaleur), électroaimant (attraction d'une pièce en fer), lampe (lumière), pompe (déplacement d'un liquide).
| Ordre de la chaîne d'information | Interface de puissance | Actionneur | Effet |
|---|---|---|---|
| « ouvrir » | carte de commande moteur | moteur | le portail pivote |
| « chauffer » | relais | résistance chauffante | l'air se réchauffe |
| « déverrouiller » | transistor | électroaimant (gâche) | la porte s'ouvre |
| « arroser » | relais | pompe | l'eau circule |
Attention ! Le capteur reçoit une information du monde extérieur ; l'actionneur agit sur le monde extérieur. Et la source d'énergie (pile, batterie, secteur, panneau solaire) appartient à la fonction alimenter de la chaîne d'énergie, même quand elle alimente aussi la carte.
Le lien entre les deux chaînes. C'est l'ordre : il sort de la fonction communiquer et entre dans la fonction distribuer. Un petit signal de quelques milliwatts commande ainsi des centaines de watts.
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Analyser un système automatisé
Au brevet, on demande souvent d'identifier les composants d'un système à partir d'un document. Méthode :
- repérer ce que le système doit savoir : ce sont les capteurs (acquérir) ;
- trouver où se prend la décision : la carte (traiter) ;
- lister ce qu'il affiche ou transmet (communiquer) ;
- suivre les ordres jusqu'à l'interface de puissance puis à l'actionneur (chaîne d'énergie).
| Portail automatique | Composant | Signal ou énergie |
|---|---|---|
| Acquérir | récepteur de télécommande | logique (ordre reçu ou non) |
| Acquérir | cellules photoélectriques | logique (faisceau coupé ou non) |
| Acquérir | fins de course ouvert et fermé | logique |
| Traiter | carte électronique à microcontrôleur | programme |
| Communiquer | feu clignotant orange, ordres vers la carte de puissance | logique |
| Distribuer | carte de puissance | énergie électrique |
| Convertir | moteur électrique | énergie mécanique |
Deux autres systèmes. Volet roulant automatique : capteur de luminosité et horloge (acquérir), boîtier à microcontrôleur (traiter), moteur tubulaire caché dans l'axe (convertir). Feu piéton à bouton d'appel : bouton (acquérir), contrôleur du carrefour (traiter), feux à LED et signal sonore pour les personnes malvoyantes (communiquer).
Astuce brevet. Sur un schéma, cherche d'abord la carte (traiter), puis suis les fils : ce qui arrive vers elle relève d'acquérir, ce qui en part relève de communiquer.
En bref
- Un système automatisé = une chaîne d'information (acquérir, traiter, communiquer) qui commande une chaîne d'énergie (alimenter, distribuer, convertir, transmettre) qui agit.
- Acquérir : capteurs (grandeur mesurée) et détecteurs (deux états seulement).
- Signal logique : 0 ou 1 ; analogique : toutes les valeurs d'une plage ; numérique : nombres en binaire. Le CAN convertit : N = U × 1023 / 5 sur Arduino.
- Traiter : le microcontrôleur (processeur + mémoire + entrées-sorties) exécute le programme en boucle.
- Communiquer : ordres vers la chaîne d'énergie, messages vers l'utilisateur (IHM) ou d'autres systèmes.
- L'ordre passe par une interface de puissance (distribuer) avant d'atteindre l'actionneur (convertir).
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