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Chaîne d’information : capteurs, microcontrôleur et boutons

Rappels de 6e sur le signal et l’information (émetteur, récepteur, code) ; les entrées et les sorties d’un objet ; les fonctions acquérir, traiter et communiquer ; les capteurs (température, présence, distance, luminosité) et les détecteurs ; le microcontrôleur et son programme ; l’interface humain-machine (boutons, afficheurs) ; lire une chaîne d’information fournie et trouver son lien avec la chaîne d’énergie.

À propos de cette page
Ce cours de technologie de 5e suit l’information dans un objet en quatre parties : les rappels de 6e (signal, émetteur, récepteur, code) et les entrées et sorties d’une bouilloire à température réglable ; les capteurs et les détecteurs, de la thermistance au capteur à ultrasons ; le microcontrôleur, la carte micro:bit et l’interface humain-machine ; la lecture d’une chaîne fournie, avec la poubelle à ouverture automatique.
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Information, entrées et sorties d’un objet

Une bouilloire qui s’arrête à la bonne température, une poubelle dont le couvercle se lève tout seul, un thermomètre qui bipe à la fin de la mesure : ces objets reçoivent des informations et décident de ce qu’ils font. Pour comprendre comment, on suit le chemin de l’information dans l’objet : c’est sa chaîne d’information.

Ce qu’il faut savoir • Rappel de 6e : une information, c’est ce que l’on veut faire savoir (« l’eau est chaude ») ; un signal la transporte (une lumière, un son, un courant électrique dans un fil). L’émetteur produit le signal, le récepteur le reçoit, et tous deux doivent connaître le même code.
• Les entrées d’un objet sont les informations qu’il reçoit : les consignes de l’utilisateur (un appui sur un bouton), des informations sur son environnement (une température, une présence, une distance) ou des données venues d’un autre objet (une télécommande, un smartphone).
• Ses sorties sont ce qu’il produit à partir de ces informations : des messages pour l’utilisateur ou pour un autre objet (un affichage, un voyant, un bip) et des ordres envoyés à sa chaîne d’énergie pour agir (mettre en marche un moteur, une résistance chauffante).
• Entre les deux, la chaîne d’information réalise trois fonctions, toujours dans cet ordre : acquérir les informations (capteurs, boutons), les traiter (le microcontrôleur et son programme décident), communiquer le résultat (afficheurs, voyants, sons, ordres).
• La chaîne d’information transporte des informations avec très peu d’énergie ; c’est la chaîne d’énergie (alimenter, distribuer, convertir, transmettre) qui fournit l’énergie pour agir.
ENTRÉES : informations venuesde l’utilisateur, de l’environnement, d’autres objetsACQUÉRIRcapteurs, boutonsTRAITERmicrocontrôleur et programmeCOMMUNIQUERafficheurs, voyants, sons, ordresSORTIES : messagesutilisateur, autres objetsSORTIES : ordresvers la chaîne d’énergie

Les entrées et les sorties d’une bouilloire à température réglable

InformationElle vient de… ou va vers…
entréeappui sur la touche « 80 °C »l’utilisateur
entréetempérature de l’eau, mesurée par une sondel’environnement (l’eau)
sortievoyant de la touche allumé, bips quand l’eau est à 80 °Cl’utilisateur (message)
sortieordre de chauffer, puis d’arrêter la résistance chauffantela chaîne d’énergie (ordre)

Entre ces entrées et ces sorties, une carte électronique compare sans arrêt la température mesurée à celle choisie : c’est elle qui décide quand arrêter de chauffer.

Exemples

Signal ou information ? À la fin du programme, le lave-vaisselle émet une série de bips. Émetteur : le lave-vaisselle ; signal : un son (signal sonore) ; récepteur : l’oreille de l’utilisateur ; information : « la vaisselle est lavée », que l’on comprend grâce à la notice (le code).

Entrées et sorties d’un thermomètre médical électronique. Entrées : l’appui sur le bouton de mise en marche (utilisateur) et la température du corps (environnement). Sorties : la valeur affichée sur l’écran et le bip de fin de mesure, deux messages pour l’utilisateur.

Un objet sans chaîne d’information. La lampe de chevet à interrupteur : l’interrupteur, placé sur le fil, laisse passer ou coupe directement l’énergie de la lampe. Aucune information n’est acquise ni traitée : il n’y a pas de chaîne d’information.

Réflexe — je fais la liste de ce que l’objet reçoit (ses entrées : de l’utilisateur, de l’environnement, d’un autre objet) et de ce qu’il produit (ses sorties : des messages, des ordres) ; la chaîne d’information va des unes aux autres : acquérir, traiter, communiquer.

Attention — le signal n’est pas l’information : le bip est le signal, « la vaisselle est lavée » est l’information. Et une sortie n’est pas forcément un mouvement : un message affiché sur un écran est aussi une sortie.

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Acquérir : capteurs, détecteurs et boutons

Pour réagir à ce qui l’entoure, un objet doit d’abord acquérir des informations : c’est le rôle des capteurs, des détecteurs et des boutons, qui transforment une grandeur ou une action en signal électrique que la carte électronique peut lire.

Ce qu’il faut savoir • Acquérir, c’est prélever une information sur l’environnement ou sur l’utilisateur et la transformer en signal électrique.
• Un capteur mesure une grandeur physique (température, luminosité, distance, humidité…) et délivre un signal électrique qui dépend de cette grandeur : la carte peut connaître sa valeur (22 °C, 35 cm…).
• Un détecteur est un capteur qui ne donne que deux états : présence ou absence, oui ou non (on les note souvent 1 et 0). On dit qu’il est « tout ou rien ».
• Les boutons (bouton-poussoir, touche, clavier, écran tactile) acquièrent les consignes de l’utilisateur : ils font partie de l’interface humain-machine (cas 3).
• Pour choisir un capteur, on se demande : quelle grandeur faut-il connaître ? Deux états suffisent-ils (un détecteur) ou faut-il une valeur (un capteur qui mesure) ?

Des capteurs et des détecteurs à connaître

ConstituantCe qu’il acquiertCe qu’il fournit
capteur de température (thermistance)la températureune valeur
capteur de luminosité (photorésistance)la lumière : sa résistance baisse quand la lumière augmenteune valeur
capteur à ultrasonsla distance d’un obstacle, sans le toucherune valeur
capteur d’humiditél’humidité de l’air ou de la terreune valeur
accéléromètreles mouvements, l’inclinaison, les secoussesune valeur
détecteur de présence infrarougela chaleur d’une personne qui bouge devant luideux états
interrupteur de fin de courseune pièce arrivée au bout de sa coursedeux états
ILS (interrupteur à lame souple) et aimantl’aimant proche ou non : porte fermée ou ouvertedeux états
bouton-poussoirl’appui de l’utilisateurdeux états

Le capteur à ultrasons. Il émet des ultrasons (des sons trop aigus pour l’oreille humaine) et mesure la durée de l’aller-retour de l’écho renvoyé par l’obstacle : plus l’obstacle est loin, plus l’écho met de temps à revenir. Le détecteur de présence infrarouge ne voit pas une personne immobile : il réagit à la chaleur d’un corps qui se déplace dans son champ.

Exemples

La couveuse à œufs. Pour que les œufs éclosent, la carte doit connaître la température et l’humidité de l’air dans la couveuse, à chaque instant : il faut deux capteurs qui mesurent, un capteur de température et un capteur d’humidité. Savoir seulement « chaud ou pas chaud » ne suffirait pas.

Une voiture-robot qui ralentit avant un obstacle. Elle doit savoir à quelle distance se trouve l’obstacle, et cette distance change sans arrêt : on choisit un capteur à ultrasons, qui mesure sans contact. Un interrupteur de fin de course ne réagirait qu’au choc.

La boîte aux lettres connectée. Elle doit seulement savoir si une lettre vient de tomber : oui ou non. Deux états suffisent : un détecteur convient.

Réflexe — pour un constituant qui acquiert, je me demande quelle grandeur il prélève (température, lumière, distance, présence, appui…) et combien d’états il donne : une valeur (capteur qui mesure) ou deux états seulement (détecteur).

Attention — un capteur n’agit pas : le capteur de luminosité d’un lampadaire n’éclaire rien, il prélève une information. Et un détecteur est un capteur particulier : tout détecteur est un capteur, mais un capteur qui mesure n’est pas un détecteur.

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Traiter et communiquer : le microcontrôleur et l’interface humain-machine

Une fois les informations acquises, il faut décider de ce que fait l’objet, puis le faire savoir : c’est le travail du microcontrôleur et des composants de l’interface humain-machine, souvent réunis sur une petite carte électronique.

Ce qu’il faut savoir • Traiter, c’est décider ce que fait l’objet à partir des informations acquises, en suivant un programme. C’est le rôle du microcontrôleur : un circuit intégré (une « puce ») qui réunit un processeur (il calcule), une mémoire (elle garde le programme et les données) et des broches d’entrées et de sorties.
• Une carte programmable (carte Arduino, carte micro:bit…) porte un microcontrôleur et ce qu’il faut pour s’en servir. On écrit le programme sur un ordinateur, puis on le téléverse dans la mémoire de la carte par un câble USB. Le microcontrôleur l’exécute sans arrêt, en boucle : il lit les entrées, compare, décide, puis met à jour les sorties.
• Communiquer, c’est transmettre le résultat du traitement : des messages vers l’utilisateur (afficheur, écran, voyant, buzzer, haut-parleur), des données vers d’autres objets (câble, Bluetooth, Wi-Fi, radio) et des ordres vers la chaîne d’énergie.
• L’interface humain-machine (IHM, on dit aussi interface homme-machine) regroupe ce qui permet à l’utilisateur de dialoguer avec l’objet : les boutons, le clavier, la molette, qui acquièrent ses consignes, et les afficheurs, les voyants, les sons, qui lui communiquent des informations. Un écran tactile fait les deux.
• Un actionneur (moteur, vérin, lampe qui éclaire, résistance chauffante) agit sur le monde : il appartient à la chaîne d’énergie (fonction convertir), pas à la chaîne d’information.

Une carte programmable : la carte micro:bit

Constituant de la carteFonction
les boutons A et Bacquérir (IHM : consignes de l’utilisateur)
l’accéléromètre, la boussole, le capteur de température ; les LED servent aussi de capteur de lumièreacquérir (environnement)
le microcontrôleurtraiter (il exécute le programme)
les 25 LED rangées en carré de 5 sur 5communiquer (IHM : elles affichent des images, des lettres, des nombres)
l’antenne radio et Bluetoothcommuniquer (avec d’autres cartes ou un smartphone)
sur la version 2 : le microphone et le logo tactile ; le haut-parleuracquérir ; communiquer

Un programme décide. « Si la température mesurée dépasse 26 °C, alors ouvrir la fenêtre motorisée de la véranda ; sinon la fermer. » Le nombre 26, choisi par le programmeur, sert de seuil : il transforme une mesure en décision. « Dépasser » veut dire « être strictement plus grand », « inférieur à » veut dire « strictement plus petit » : à 26 °C pile, la fenêtre reste fermée.

Exemples

Le minuteur de cuisine électronique. Les touches « min », « s » et « départ » acquièrent les consignes (IHM) ; le microcontrôleur décompte le temps (traiter) ; l’afficheur montre le temps restant et le buzzer sonne à zéro (communiquer, IHM). Ce minuteur n’a aucun actionneur : ses seules sorties sont des messages.

Deux LED sur une lampe frontale. La petite LED rouge qui s’allume pendant la recharge informe l’utilisateur : c’est un voyant, il communique. La grosse LED blanche éclaire le chemin : elle agit, c’est un actionneur de la chaîne d’énergie.

Même carte, autre programme. Avec un programme, une carte micro:bit devient un dé électronique : on la secoue (accéléromètre), elle affiche un nombre au hasard. Avec un autre, elle devient un thermomètre qui affiche la température. Le matériel n’a pas changé : c’est le programme qui décide.

Réflexe — je classe un constituant d’après ce qu’il fait : il prélève une information (capteur ou bouton : acquérir), il décide (microcontrôleur : traiter), il informe ou donne un ordre (afficheur, voyant, buzzer, liaison sans fil : communiquer), il agit sur le monde (actionneur : chaîne d’énergie).

Attention — un voyant qui informe communique, une lampe qui éclaire est un actionneur, même si ce sont deux LED. Et le microcontrôleur ne mesure rien de lui-même : il traite ce que les capteurs et les boutons lui envoient.

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Lire une chaîne d’information fournie

En 5e, la chaîne d’information d’un objet est le plus souvent fournie sur un document, sous forme de blocs. Il faut savoir la lire : reconnaître le constituant de chaque bloc, dire ce qui circule sur chaque flèche, et trouver où elle rejoint la chaîne d’énergie.

Ce qu’il faut savoir • Une chaîne d’information fournie se lit dans l’ordre des flèches : acquérir → traiter → communiquer. Dans chaque bloc : la fonction et le constituant qui la réalise ; sur chaque flèche : l’information qui passe (une présence, une valeur, une décision, un ordre), jamais une forme d’énergie.
• La chaîne d’information envoie ses ordres au bloc distribuer de la chaîne d’énergie (une carte de commande du moteur, un relais), qui laisse alors passer l’énergie vers l’actionneur : c’est le lien entre les deux chaînes.
• Pour retrouver un constituant manquant : 1. je repère la carte (traiter) ; 2. ce qui envoie des informations vers elle acquiert ; 3. ce qui reçoit ses messages ou ses ordres communique ou appartient à la chaîne d’énergie ; 4. je suis l’ordre jusqu’à l’actionneur.
• Une même fonction peut être réalisée par plusieurs solutions techniques : pour acquérir la présence d’une personne, un détecteur infrarouge, un capteur à ultrasons ou un tapis sensible au poids ; pour communiquer avec l’utilisateur, un écran, un voyant, un buzzer ou un message sur son smartphone.

Lire une chaîne fournie : la poubelle à ouverture automatique

main approchéeACQUÉRIRdétecteur infrarougeprésence : ouiTRAITERcarte à microcontrôleurdécision : ouvrirCOMMUNIQUERvoyant de la cartevoyant allumémessage à l’utilisateurALIMENTERpilesénergie électriqueDISTRIBUERcarte de commandeénergie électriqueCONVERTIRmoteur électriqueénergie cinétiqueTRANSMETTREengrenagesénergie cinétiquele couvercle s’ouvreordrechaîne d’informationchaîne d’énergie
ConstituantFonctionCe qui entreCe qui sort
détecteur infrarougeacquérirla main qui s’approcheprésence : oui
carte à microcontrôleurtraiterprésence : ouidécision : ouvrir
sortie de la carte, voyantcommuniquerdécision : ouvrirordre au moteur ; voyant allumé
carte de commande du moteurdistribuer (chaîne d’énergie)ordre et énergie électrique des pilesénergie électrique vers le moteur

Le couvercle reste ouvert tant que le détecteur voit une main, puis la carte le referme au bout de quelques secondes : cette durée est écrite dans le programme.

Exemples

Une chaîne à compléter. L’extracteur d’air d’une salle de bain : capteur d’humidité → ? → ordre au relais → moteur du ventilateur. Le bloc manquant est traiter : la carte électronique qui compare l’humidité mesurée à la valeur réglée et décide de lancer l’extraction.

Deux solutions pour une même fonction. Pour signaler que le café est prêt, une cafetière émet un bip, une autre allume un voyant, une cafetière connectée envoie une notification au téléphone : trois solutions techniques pour la fonction communiquer.

Pas d’ordre vers une chaîne d’énergie. Un thermomètre de cuisine à sonde acquiert la température de la viande, la traite et l’affiche. Sa chaîne d’information se termine par l’afficheur : il n’a aucun actionneur à commander.

Réflexe — je commence par la carte (traiter) ; ce qui arrive vers elle acquiert, ce qui part d’elle communique ; puis je suis l’ordre jusqu’au bloc distribuer de la chaîne d’énergie.

Attention — sur une chaîne d’information, les flèches portent des informations (« présence : oui », « ordre »), pas de l’énergie. Et la carte de commande du moteur reçoit un ordre, mais elle laisse passer l’énergie : elle appartient à la chaîne d’énergie (distribuer).

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Pour aller plus loin

Revoir la 6e. Signal, information, émetteur, récepteur, code et chaîne de transmission : voir « Signaux et information ».

L’objet dans son environnement. Les usagers, les données, les autres objets et le milieu qui agissent sur un objet (ses interacteurs) : voir « Objet et environnement : interacteurs et expérience de l’utilisateur ».

La chaîne d’énergie. Les fonctions alimenter, distribuer, convertir et transmettre, et les actionneurs qui reçoivent les ordres : voir « Chaîne d’énergie : formes d’énergie et constituants ».

Écrire le programme. Séquences d’instructions, événements, entrées et sorties d’un programme par blocs, et l’effet d’un paramètre changé : voir « Programmer : lire un programme et modifier ses paramètres ».

Les données. Décrire les informations d’un objet par des descripteurs et des types (nombre, texte, booléen) : voir « Données : décrire un objet avec des descripteurs » ; les faire circuler entre des appareils : « Réseau local : composants et topologie ».

En 4e et en 3e. On identifiera seul les constituants d’un objet réel, on distinguera les signaux logique, analogique et numérique, on convertira une tension en nombre et on étudiera l’interface de puissance : voir « La chaîne d’information : capteurs, traitement, actionneurs » en 3e.

À retenir
  • Un signal transporte une information d’un émetteur à un récepteur (rappel de 6e). Entrées d’un objet : les informations qu’il reçoit ; sorties : les messages et les ordres qu’il produit.
  • Chaîne d’information : acquérir (capteurs, boutons) → traiter (microcontrôleur et programme) → communiquer (afficheurs, voyants, sons, ordres).
  • Un capteur mesure une grandeur (température, luminosité, distance) ; un détecteur ne donne que deux états (présence ou absence).
  • Le microcontrôleur exécute en boucle le programme gardé dans sa mémoire ; l’interface humain-machine regroupe boutons (acquérir) et afficheurs (communiquer).
  • Les ordres de la chaîne d’information arrivent au bloc distribuer de la chaîne d’énergie ; un actionneur (moteur, lampe qui éclaire) est dans la chaîne d’énergie.

Questions fréquentes

Quelles sont les trois fonctions de la chaîne d’information ?

Acquérir (les capteurs et les boutons prélèvent les informations sur l’environnement et sur l’utilisateur), traiter (le microcontrôleur exécute le programme et décide) et communiquer (les afficheurs, voyants et sons informent l’utilisateur, et des ordres partent vers la chaîne d’énergie).

Que sont les entrées et les sorties d’un objet ?

Les entrées sont les informations que l’objet reçoit : consignes de l’utilisateur, température, présence ou distance mesurées, données d’un autre appareil. Les sorties sont ce qu’il produit : des messages (affichage, voyant, bip) et des ordres pour que sa chaîne d’énergie agisse.

Quelle est la différence entre un capteur et un détecteur ?

Un capteur mesure une grandeur physique et donne une valeur (une température, une distance). Un détecteur est un capteur qui ne donne que deux états, présence ou absence : un détecteur de présence infrarouge, un interrupteur de fin de course, un ILS.

À quoi sert un microcontrôleur, par exemple sur une carte micro:bit ?

C’est la puce qui traite : elle garde le programme dans sa mémoire et l’exécute en boucle, en lisant les capteurs et les boutons, puis en commandant l’affichage, les sons ou les ordres. Sur la carte micro:bit, les boutons A et B et les capteurs sont des entrées, les 25 LED une sortie.

Qu’est-ce qu’une interface humain-machine (IHM) ?

C’est l’ensemble des constituants qui permettent à l’utilisateur de dialoguer avec un objet : des boutons, un clavier ou une molette pour donner des consignes (acquérir), des afficheurs, des voyants ou des sons pour recevoir des informations (communiquer). Un écran tactile fait les deux.

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