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Capteurs, actionneurs et nature de l'information
En découvrant la chaîne d'information, nous avons appris à différencier un capteur d'un actionneur. nous avons aussi entrevu le fait qu'ils puissent fournir ou utiliser différents types d'informations en fonction des besoins.
Dans cette séance, nous allons approfondir ses différents composants et les types d'informations correspondants. Nous regarderons aussi comment ils s'interfacent avec la carte de traitement.
Compétence(s)
- CS 1.6 : Analyser le fonctionnement et la structure d’un objet, identifier les entrées et sorties.
- CT 2.2 : Identifier le(s) matériau(x), les flux d’énergie et d’information sur un objet et décrire les transformations qui s’opèrent.
- CT 4.1 : Décrire, en utilisant les outils et langages de descriptions adaptés, la structure et le comportement des objets.
J’ai acquis la(les) compétence(s) si :
- Je suis capable d'expliquer ce qu'est un signal analogique ou logique.
- Je suis capable d'identifier le type d'information correspondant à un capteur ou actionneur donné.
- Je suis capable d'interfacer un capteur ou un actionneur à la carte de traitement.
Les capteurs
Il existe de nombreux capteurs, boutons, sondes … pour informer sur ce qui entoure l'objet.
Ils peuvent nécessiter un contact physique (comme un bouton), ou mesurer à distance (comme un détecteur de présence). Ils s'utilisent directement dans les instructions conditionnelles du programme lorsque la valeur renvoyée est logique (vrai/faux, contact/pas_contact …) ou après comparaison à un seuil lorsque la valeur renvoyée est analogique (valeur de température, distance …).
Un capteur fournit une information logique (vrai/faux 2 états) ou une valeur analogique (valeur proportionnelle à la grandeur mesurée) qui sera analysée par la fonction traiter. Il fait parti de la fonction acquérir et il est utilisé en entrée par le programme.
Les actionneurs
Il existe de nombreux actionneurs pour communiquer avec l'environnement.
- Les actionneurs de signalisation, voyant, écran, buzzer, servent surtout à communiquer avec l'homme.
- Les actionneurs de motorisation, moteur, servo moteur, vérin, servent surtout à générer des déplacements.
- Les actionneurs de changement d'état modifient la matière d’œuvre comme une résistance chauffante ou un ventilateur …
Un actionneur réalise une action ordonnée par la fonction traiter, il fait partie de la fonction communiquer. Il informe l'utilisateur, il agit sur la chaine d'énergie … Il est utilisé en sortie par le programme.
La carte de traitement
La carte de traitement possède des entrées numérotées pour connecter les capteurs et des sorties numérotées pour connecter les actionneurs.
Elle contient un microprocesseur qui lit le programme et l'exécute. En fonction des informations des capteurs, elle agit sur les actionneurs.
Le programme doit être préparé sur un ordinateur puis compilé et téléversé dans le microprocesseur ou sa mémoire de stockage. La carte peut être ensuite déconnectée de l'ordinateur pour fonctionner en autonomie.
Soit un système servant à allumer une lampe. Si un bouton est connecté sur la broche 1 du microcontrôleur et une LED sur la broche 3. Le programme :
- regarde si la broche 1 est activé
- si oui, il active la broche 3.
- si non, il désactive la broche 3.
- il répète les 3 lignes précédentes à l'infini.
La carte de traitement appartient à la fonction traiter. Le microprocesseur exécute un programme qui interroge les capteurs sur les informations à surveiller. En fonction du programme et des réponses des capteurs, elle modifie l'état des actionneurs. Il est facile de modifier le comportement du système en changeant le programme.
La carte de traitement (et le microprocesseur) ne connaît pas le nom du capteur ou actionneur utilisé, elle connaît uniquement le numéro de la broche sur laquelle il est connecté et qu'il faut surveiller.
Numérisation d'une information
Les informations
Elles peuvent être reçus ou données :
Une information logique ne peut avoir que 2 états activée/désactivée, vraie/fausse, haut/bas, 0/1 … Elle est traduite par un signal électrique présent ou absent. C'est par exemple, pour un capteur, un Bouton appuyé ou pas, enclenché ou pas. Pour un actionneur, ce peut être une LED allumée ou pas.
Une information analogique peut avoir un nombre quelconque d'état (… infini). Elle se traduit par un signal électrique variable. C'est par exemple un capteur de température ou un actionneur qui génère un son plus ou moins fort.
Les signaux
L'ordinateur utilise des signaux numériques (suites de 0 ou 1 regroupées par octets, un octet comporte 8 éléments binaires. Pour traduite un signal électrique :
- logique, il suffit de modifier un élément binaire du signal numérique (ex. 0 ou 1).
- analogique, il faut traduire la valeur électrique en un nombre binaire utilisant 1 ou plusieurs octets (ex. nombre de 0 à 255 → 00000000, 00000001, 00000010, …, 11111111)
Chaque octet du signal numérique contient la valeur d'un point du signal analogique (voir le code binaire). On dit que l'on échantillonne (découpe en points) le signal analogique. Plus on transmet d'échantillon par seconde, meilleure est la qualité. A l'arrivée (actionneur), en reliant les points on retrouve le signal.
Signal électrique du capteur → numérisation pour la carte de traitement → signal électrique de l'actionneur
- En basse définitions“ (bleu), peu de points sont transmis et le signal manque de détail.
- En haute définition (rouge), plus de points sont transmis et le signal est plus précis.
Un signal numérique ne pourra donc pas transmettre autant d'information qu'un signal analogique.
Exemple : un disque vinyle transmettait tous les sons audibles d'une musique alors que son équivalent MP3 élimine les fréquences extrêmes ou de niveau faible si une autre existe en simultané.
La qualité des signaux numériques augmentent avec les progrès des télécommunications et les débits disponibles (SD, Full HD, 4K, 8K).
Un signal électrique analogique est échantillonné (découpé en points) pour être converti en signal analogique numérique.
Un signal numérique analogique est reconstitué (les points sont reliés) pour être converti en signal analogique électrique.
La qualité d'un signal numérique dépend du nombre de points transmis par secondes (SD, HD, 4K …). Dans tous les cas, des informations sont perdues.
Pour aller plus loin
Fiches de synthèse
