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Capteurs et actionneurs

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Objectifs
  • Distinguer capteurs et actionneurs.
  • Connaitre quelques capteurs et actionneurs courants.
  • Identifier un algorithme de contrôle.
  • Écrire un programme simple sur une carte programmable.
Points clés
  • Un capteur est un dispositif qui transforme une grandeur physique en un signal électrique.
  • Un capteur est soit Tout ou Rien (TOR), soit analogique.
  • Un actionneur est un dispositif capable de produire une action physique à partir de l’énergie qu’il reçoit.
Pour bien comprendre
  • Un système informatique embarqué reçoit des informations du monde réel par le moyen de capteurs. Il mémorise et traite ces informations par le microprocesseur, puis renvoie des informations vers le monde réel par l’intermédiaire des actionneurs.
  • Le programme présent sur la carte est en permanence exécuté (boucle infinie) lorsque le système informatique embarqué est alimenté électriquement.
1. Les capteurs (ou senseurs)
a. Définition
Un capteur est un dispositif qui transforme une grandeur physique en un signal électrique.

Principe d’un capteur

Ce sont les capteurs qui envoient les informations en entrée du système informatique embarqué.

Il existe deux types de capteur.

Les capteurs logiques

Les capteurs logiques adressent un signal qui ne peut prendre que 2 états possibles (oui/non, 0/1, absence/présence d’un phénomène).

On appelle les capteurs de ce type les T.O.R. (Tout Ou Rien).

Les capteurs analogiques

Les capteurs analogiques adressent un signal qui est proportionnel au phénomène physique détecté (température, luminosité, longueur, etc.).

Le signal de sortie est analogique, il n’est donc pas directement exploitable par le microprocesseur. Pour palier à cela, il faut ajouter un Convertisseur Analogique Numérique (CAN). Certains capteurs en possèdent un et donnent une sortie numérique.

b. Quelques capteurs courants

Il existe une multitude de capteurs pour un usage varié.
Voici quelques capteurs courants.

Le bouton poussoir
Le bouton poussoir est un capteur Tout Ou Rien (appuyé/relâché).

Il permet par exemple la gestion des événements.

Exemple d’utilisation
Lorsqu’un piéton appuie sur le bouton d’un feu tricolore, cela va permettre de faire passer le feu tricolore au rouge.

Bouton poussoir
La photorésistance
La photorésistance permet de détecter la présence de lumière.

Sa résistance est proportionnelle à la quantité de lumière qu'elle reçoit.

Ce composant est présent partout, notamment pour les fonctions d’économiseur d’énergie : appareil photo, smartphone.


Photorésistance
Le capteur ultrason
Le capteur ultrason est un capteur de distance.

Ce capteur comporte un émetteur et un récepteur d'onde, ce qui permet de calculer la distance d'un objet en face de lui en comparant les temps d'émission et de réception de l'écho (en connaissant la vitesse de propagation du son : environ 340 m/s).

Exemple d’utilisation
On le retrouve pour la détection des obstacles sur les robots aspirateurs.

Capteur ultrason
La thermistance
La thermistance est une résistance qui dépend de la température et qui permet donc de la déterminer facilement.
Exemple d’utilisation
On la trouve dans les stations météo.

Thermistance
2. Les actionneurs (ou actuateurs)
a. Définition
Un actionneur est un dispositif capable de produire une action physique à partir de l’énergie qu’il reçoit.

Principe d’un actionneur

Les actionneurs transforment les informations reçues du programme du système informatique embarqué pour activer un moteur, une LED, etc.

b. Quelques actionneurs courants

Tout comme les capteurs, il existe un grand nombre d’actionneurs, en voici quelques exemples.

La LED
La LED est un voyant qui permet, à partir d'un courant électrique, de produire un signal lumineux.
Exemple d’utilisation
On l'utilise pour avertir l'utilisateur de l'état de fonctionnement d'une machine (vert, rouge).

Exemples de LED
Le buzzer
Le buzzer est un actionneur qui permet, à partir d'un courant électrique, de produire un bruit.
Exemple d’utilisation
On l'utilise pour une alarme sonore dans les détecteurs de fumée.

Petit buzzer
Le moteur à courant continu
Le moteur à courant continu est un actionneur qui permet, à partir d'un courant électrique continu, de faire tourner un mécanisme.
Exemple d’utilisation
On l’utilise pour faire tourner les roues d’un robot.

Petit moteur à courant continu
L’électrovanne
L’électrovanne est un actionneur qui permet de contrôler, à partir d'un courant électrique, le débit d'un liquide.
Exemple d’utilisation
On l'utilise dans un système d'arrosage automatique.

Électrovanne
3. La programmation d'un système informatique embarqué

Avant d’écrire le programme d’un système informatique embarqué, il est primordial de connaitre les fonctionnalités et les paramètres de la carte programmable.

Il faut donc parcourir de manière attentive la documentation technique de cette dernière. Il est ensuite nécessaire d’exprimer le problème à résoudre sous la forme d’un algorithme.

On prend le cas d’une problématique simple : on souhaite afficher sur la matrice de LED (25 petites LEDs situées au centre) d’une carte micro:bit le chiffre 0 si la bouton A n’est pas appuyé et le chiffre 1 s’il est appuyé.


Carte micro:bit avec son bouton A (à gauche)
et la matrice LED (au centre)
Remarque
On notera que tous les éléments sont bien présents pour faire un système informatique embarqué : le bouton poussoir A comme capteur, la matrice LED comme actionneur et le microprocesseur de la carte.

L’algorithme (on parle d’algorithme de contrôle) correspondant à notre problème est le suivant en pseudo-code.

Tant que la carte fonctionne
      Si le bouton A est appuyé Alors
           Afficher 1 sur la matrice de LEDs
      Sinon
           Afficher 0 sur la matrice de LEDs

Il reste maintenant à le programmer dans le langage de programmation compris par la carte : dans notre cas il s’agit du langage Python. Il faut pour cela repérer dans la documentation technique les instructions spécifiques aux capteurs et aux actionneurs.


Programme Python correspondant

Pour tester ce programme et l'exécuter sur la carte, il faut d’abord l’implanter dans le microprocesseur. Cette action s’appelle généralement le téléversement ou le flashage. Il se réalise le plus souvent à l’aide d’un câble USB.


Résultat lorsque le bouton A est relâché (à gauche)
et lorsqu’il est appuyé (à droite)

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