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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
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.
• 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.
Les entrées et les sorties d’une bouilloire à température réglable
| Information | Elle vient de… ou va vers… | |
|---|---|---|
| entrée | appui sur la touche « 80 °C » | l’utilisateur |
| entrée | température de l’eau, mesurée par une sonde | l’environnement (l’eau) |
| sortie | voyant de la touche allumé, bips quand l’eau est à 80 °C | l’utilisateur (message) |
| sortie | ordre de chauffer, puis d’arrêter la résistance chauffante | la 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.
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.
• 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
| Constituant | Ce qu’il acquiert | Ce qu’il fournit |
|---|---|---|
| capteur de température (thermistance) | la température | une valeur |
| capteur de luminosité (photorésistance) | la lumière : sa résistance baisse quand la lumière augmente | une valeur |
| capteur à ultrasons | la distance d’un obstacle, sans le toucher | une valeur |
| capteur d’humidité | l’humidité de l’air ou de la terre | une valeur |
| accéléromètre | les mouvements, l’inclinaison, les secousses | une valeur |
| détecteur de présence infrarouge | la chaleur d’une personne qui bouge devant lui | deux états |
| interrupteur de fin de course | une pièce arrivée au bout de sa course | deux états |
| ILS (interrupteur à lame souple) et aimant | l’aimant proche ou non : porte fermée ou ouverte | deux états |
| bouton-poussoir | l’appui de l’utilisateur | deux 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.
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.
• 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 carte | Fonction |
|---|---|
| les boutons A et B | acquérir (IHM : consignes de l’utilisateur) |
| l’accéléromètre, la boussole, le capteur de température ; les LED servent aussi de capteur de lumière | acquérir (environnement) |
| le microcontrôleur | traiter (il exécute le programme) |
| les 25 LED rangées en carré de 5 sur 5 | communiquer (IHM : elles affichent des images, des lettres, des nombres) |
| l’antenne radio et Bluetooth | communiquer (avec d’autres cartes ou un smartphone) |
| sur la version 2 : le microphone et le logo tactile ; le haut-parleur | acquérir ; 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.
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.
• 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
| Constituant | Fonction | Ce qui entre | Ce qui sort |
|---|---|---|---|
| détecteur infrarouge | acquérir | la main qui s’approche | présence : oui |
| carte à microcontrôleur | traiter | présence : oui | décision : ouvrir |
| sortie de la carte, voyant | communiquer | décision : ouvrir | ordre au moteur ; voyant allumé |
| carte de commande du moteur | distribuer (chaîne d’énergie) | ordre et énergie électrique des piles | énergie 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.
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.
- 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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