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.
Acquérir → Traiter → Communiquer ; le bloc Traiter commande la chaîne d'énergie et reçoit une mesure de retour (boucle fermée).
- 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
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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).