Les objets techniques automatisés

Objet intelligent

L'informatique embarquée est l'ensemble des méthodes permettant de rendre un objet technique intelligent. L'informatique embarquée consiste à créer une chaîne d'information sophistiquée et à programmer l'objet pour qu'il puisse interagir avec son environnement.

Fonctions de l'informatique embarquée

L'informatique embarquée permet de :

• Créer une chaîne d'information de l'objet technique, en ajoutant des composants intelligents dans l'objet ;
• Coder le programme informatique de l'objet technique, grâce à un langage de programmation comme Scratch ou Python par exemple.

Composants de la chaîne d'information

La chaîne d'information de l'objet technique intelligent est composée de plusieurs éléments essentiels qui permettent à l'objet de percevoir, traiter et communiquer des informations.

Éléments principaux

Les composants principaux de la chaîne d'information sont :

• Des capteurs, qui permettent à l'objet technique de récupérer des données de son environnement ;
• Un micro-contrôleur, qui est le cerveau de l'objet : c'est lui qui exécute le programme informatique ;
• Une interface homme-machine, qui permet à l'objet de communiquer (ou d'être contrôlé) avec un humain.

Les machines automatisées

Les machines automatisées, les robots, les imprimantes 3D sont autonomes.

Composition obligatoire des machines automatisées

Ces machines doivent obligatoirement être composées :

• de capteurs,
• d'actionneurs,
• d'une ou plusieurs interfaces de commande.

Les capteurs

Ils servent à « renifler » l'environnement, c'est l'équivalent de nos 5 sens (le toucher, l'ouïe, l'odorat, le goût, la vue), ils détectent ce qui entoure la machine et lui permettent de se repérer dans son environnement.

Cela peut être des capteurs optiques (laser, infrarouge, à ultrasons), des capteurs de chaleur (thermistance), capteurs de lumière (LDR), capteurs de son (microphone), capteurs de contact (détecteur fin de course, bouton poussoir), etc.

Les actionneurs

Ils réalisent l'action finale, ce sont eux qui remplissent ce pourquoi est fait le système. Ils créent souvent un mouvement, un son, une lumière, etc.

Un moteur, un vérin, un voyant lumineux, un haut-parleur, un électro-aimant, etc.

La ou les interface(s) de commande

C'est un système intelligent qui permet de programmer et de commander les différents composants (capteurs / actionneurs). Il reçoit les informations des capteurs, les traite, et renvoie des ordres aux actionneurs pour qu'ils réalisent une action.

C'est souvent une carte électronique avec un processeur qui compose l'interface de commande, mais il peut y avoir aussi un écran LCD ou tactile en plus pour faciliter la communication avec l'utilisateur.

Capteur et signal électronique

Un capteur est un composant dont le but est de transformer un phénomène physique (température, vitesse, poids, etc.) en signal électronique. Le signal électronique produit est porteur d'une information (évolution de la température, évolution de la vitesse, etc.). Cette information sera ensuite transmise, par des fils électriques, aux autres composants de la chaîne d'information.

Types de capteurs spécialisés

Pour chaque type de phénomène physique, il existe des capteurs spécialisés pour les mesurer ou les détecter. Par exemple, on a :

• le capteur de température  
• le capteur d'hygrométrie pour mesurer l'humidité de l'air  
• le télémètre, ou capteur de distance, pour mesurer une distance  
• le bouton-poussoir pour détecter l'appui d'un utilisateur sur un bouton  
• etc.

Familles de capteurs

Les capteurs sont répartis en trois familles, en fonction de la nature de l'information qu'ils récupèrent, et du type de signal qu'ils produisent :

Caractéristiques des signaux produits

Les détecteurs produisent un signal logique qui peut directement être utilisé par un microcontrôleur ou un microprocesseur. Ils servent à détecter la présence ou l'absence de quelque chose (personne, objet, pression d'un doigt, etc.).

Les capteurs analogiques produisent un signal analogique qui doit être numérisé (transformer en données binaires) avant d'être utilisable par le microcontrôleur ou microprocesseur. Ils servent à mesurer une grandeur physique (température, vitesse, masse, etc.).

Les codeurs produisent un signal logique codé, qu'on appelle aussi signal numérique, qui peut directement être utilisé par un microcontrôleur ou un microprocesseur. Ils servent aussi à mesurer une grandeur physique.

Les types de signaux sont décrits dans le mini-cours suivant.

Capteurs et types de signaux

Un signal électronique est produit par un composant de la chaîne d'information, notamment par :

• les capteurs, chargés d'acquérir l'information ;
• les microcontrôleurs et microprocesseurs, chargés de traiter l'information.

Les trois types de signaux

Il existe trois types de signaux :

• les signaux logiques ;
• les signaux analogiques ;
• les signaux logiques codés, aussi appelés signaux numériques, qui sont liés à un protocole de communication.

Signal logique

Un signal logique est un signal électronique ne pouvant prendre que deux états : état haut et état bas. On dit que ce type de signal est binaire. L'état haut correspond à un 1 binaire, alors que l'état bas correspond à un 0 binaire.

Les fronts du signal logique

Quand le signal change d'état, on dit que le signal subit un front :

• front montant quand le signal passe de l'état bas à l'état haut ;
• front descendant quand le signal passe de l'état haut à l'état bas.

Les signaux logiques permettent de transformer en signal électronique les informations de nature binaire, comme les appuis sur un bouton-poussoir ou l'état d'une porte (ouverte ou fermée) par exemple.

Le signal ci-dessus a été produit par un bouton-poussoir, qui permet de détecter une pression du doigt d'un utilisateur (état haut = bouton enfoncé, état bas = bouton relâché).

Signal analogique

Un signal analogique est un signal électronique pouvant prendre toutes les valeurs possibles, entre un minimum (souvent 0V) et un maximum (en général quelques volts). Les signaux analogiques permettent de transformer en signal électronique les informations de nature non-binaire, comme l'évolution de la valeur d'une température ou d'une distance par exemple.

Le signal ci-dessous a été produit par un capteur de température. Ce capteur transforme une variation de 10°C, en une variation de 1V. Une température de 0°C donnera une tension de 0V.

On en déduit que, par exemple, au bout de 3s, la température mesurée vaut $2,4 \times 10 = 24 °C$.