Sciences de l'ingénieur (Spé) — Chaînes d'énergie et d'information
Les chaînes d'information
Capteurs, traitement de l'information, communication et interfaces homme-machine
Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
La chaîne d'information décrit le parcours de l'information depuis l'acquisition d'une grandeur physique jusqu'à la commande de la chaîne d'énergie. Elle comprend trois fonctions : acquérir (mesurer une grandeur physique grâce à un capteur, comme un capteur de température LM35 qui délivre 10 mV/°C), traiter (analyser les données et prendre des décisions via un microcontrôleur ou un automate programmable), et communiquer (transmettre les ordres à la chaîne d'énergie et informer l'utilisateur via un écran, des LED ou une liaison série). Par exemple, dans un système de régulation de température, un capteur mesure la température ambiante, le microcontrôleur compare cette valeur à la consigne et envoie un ordre au radiateur via un relais. La chaîne d'information pilote la chaîne d'énergie : c'est elle qui décide quand et comment distribuer l'énergie.
La **chaîne d'information** commence par l'**acquisition** : un **capteur** transforme une grandeur physique (température, distance…) en **signal électrique** exploitable. Le type de capteur détermine la suite du traitement.
- Un **capteur** transforme une **grandeur physique** (température, pression, distance) en **signal électrique**.
- **Capteurs analogiques** : signal continu proportionnel (potentiomètre, **LM35**, jauge de contrainte).
- **Capteurs logiques (TOR)** : deux états $0$ ou $1$ (interrupteur, fin de course, capteur à effet Hall).
- **Capteurs numériques** : valeur numérique directe (codeur incrémental, ultrason **HC-SR04**).
- Caractéristiques : **étendue de mesure**, **sensibilité**, précision, temps de réponse, **résolution**.
- Le **CAN** (convertisseur analogique-numérique) transforme un signal analogique en valeur numérique sur $n$ bits.
Exemple
Le **LM35** délivre $10\ \mathrm{mV}$ par degré. À $25$ °C, il sort $250\ \mathrm{mV}$. Lu par un CAN $10$ bits ($0$ à $1023$) sous $5\ \mathrm{V}$, cela donne $\dfrac{0{,}250}{5} \times 1023 \approx 51$.
Piège à éviter
Erreur fréquente : confondre **TOR** (logique, deux états) et **analogique** (continu). Un détecteur de fin de course est **TOR** ; un potentiomètre est **analogique**.
Le **traitement** est le « cerveau » : il lit les capteurs, applique un **algorithme** et décide des ordres à envoyer. C'est lui qui transforme une mesure en décision.
- Le traitement est assuré par un **microcontrôleur** (Arduino, STM32), un **automate (API)** ou un ordinateur.
- Le programme **lit les entrées** (capteurs), **exécute l'algorithme** et **commande les sorties** (actionneurs).
- **Traitement séquentiel** : les actions s'enchaînent étape par étape (modélisé par un **grafcet**).
- **Traitement combinatoire** : la sortie dépend uniquement de la combinaison des entrées (portes **ET**, **OU**, **NON**).
- Le **CNA** (convertisseur numérique-analogique) reconvertit un signal numérique en analogique si nécessaire.
- Le **temps de cycle** doit être assez court pour réagir en **temps réel**.
Exemple
Régulation de température : le programme lit le capteur ($22$ °C), le compare à la consigne ($20$ °C) ; comme $22 > 20$, il **coupe** le chauffage. C'est un traitement séquentiel à test conditionnel.
Piège à éviter
Le **CAN** convertit le signal du **capteur** vers le calculateur (entrée) ; le **CNA** fait l'inverse (sortie). Inverser leur rôle est une confusion classique.
L'information doit enfin être **transmise** : à l'utilisateur (écran, LED) ou à d'autres composants (bus série). Chaque **protocole** a ses avantages selon la vitesse et le nombre de fils.
- **Homme-machine** : écran **LCD**, LED, buzzer, boutons, clavier, interface tactile.
- **Machine-machine** : liaison série (**UART**, **SPI**, **I2C**), Bluetooth, Wi-Fi, **bus CAN**.
- **UART** : transmission **asynchrone** bit par bit, vitesse en **bauds** (ex. $9600\ \mathrm{bauds}$).
- **I2C** : **deux fils** (**SDA**, **SCL**), un maître et plusieurs esclaves, adressage sur $7$ bits.
- **SPI** : plus **rapide** que l'I2C mais plus de fils (**MOSI**, **MISO**, **SCK**, **CS**).
- Le **sans fil** (Bluetooth, Wi-Fi) permet le pilotage à distance et l'**IoT**.
Exemple
Un écran LCD I2C n'utilise que $2$ fils (SDA, SCL) à l'adresse $\mathtt{0x27}$, là où un afficheur parallèle en demanderait $6$ ou plus : l'I2C économise des broches du microcontrôleur.
Piège à éviter
L'**UART** est **asynchrone** (pas de fil d'horloge) : les deux correspondants doivent être réglés sur la **même vitesse** en bauds, sinon les données sont illisibles.
La chaîne d'information **pilote** la chaîne d'énergie : c'est elle qui décide **quand** et **comment** distribuer l'énergie. La distinction **boucle ouverte / boucle fermée** est ici fondamentale.
- La chaîne d'information **commande** la chaîne d'énergie via des **pré-actionneurs** (relais, transistor, **pont en H**).
- Ses capteurs **mesurent** des grandeurs issues de la chaîne d'énergie : c'est la **rétroaction**.
- **Boucle ouverte** : agit **sans vérifier** le résultat. **Boucle fermée** : **corrige en continu**.
- Exemple de **boucle fermée** : un **thermostat** mesure la température et ajuste le chauffage.
- L'**interface homme-machine (IHM)** permet de donner des consignes et de lire les informations.
Exemple
Régulateur de vitesse de voiture : la **consigne** est $90\ \mathrm{km/h}$. Un capteur mesure la vitesse réelle ; en montée, elle tombe à $85$, l'écart ($+5$) commande plus de puissance moteur. La **boucle fermée** ramène la vitesse à la consigne.
Piège à éviter
En **boucle ouverte**, aucune correction n'est possible : si une perturbation survient (vent, pente), l'erreur n'est jamais rattrapée. Seule la **boucle fermée** compense les perturbations.
Quiz - Les chaînes d'information
10 questions
Articles utiles
Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur Les chaînes d'information, extraits du quiz de révision.
Quelles sont les trois fonctions de la chaîne d'information ?
Réponse :
Acquérir, traiter, communiquer
La chaîne d'information se décompose en : Acquérir (capteurs) → Traiter (microcontrôleur) → Communiquer (IHM, liaisons).
Un capteur transforme :
Réponse :
Une grandeur physique en signal électrique
Le rôle d'un capteur est de convertir une grandeur physique mesurée (température, distance, pression) en un signal électrique exploitable.
Quel est le rôle d'un CAN ?
Réponse :
Convertir un signal analogique en valeur numérique
Le CAN (Convertisseur Analogique-Numérique) transforme un signal analogique continu en une valeur numérique codée sur n bits.
Quel type de capteur est un interrupteur de fin de course ?
Réponse :
Capteur logique (TOR)
Un interrupteur de fin de course est un capteur TOR (Tout Ou Rien) : il ne délivre que deux états (0 ou 1, ouvert ou fermé).