Introduction aux microcontrôleurs¶
Qu’est-ce qu’un microcontrôleur ?¶
Un microcontrôleur est un circuit intégré regroupant un micro-processeur, de la mémoire et des périphériques sur la même puce. Contrairement à un microprocesseur classique, un microcontrôleur est surtout utilisé pour une application spécifique.
De nos jours, les microcontrôleurs sont présents un peu partout : dans les appareils domestiques, médicaux, de télécommunication, dans les voitures, les avions, l’industrie, …
Apparus dans les années 70, les microcontrôleurs à architecture 8 bits ne sont pas près de disparaître. Très peu chère, on les retrouve dans des petites applications (ex. télécommande). Par exemple, la célèbre carte Arduino UNO fonctionne avec un microcontrôleur 8 bits !
Carte Arduino UNO (microcontrôleur Atmel ATMEGA 328)
Actuellement, la tendance est aux microcontrôleurs 32 bits (ex. ARM Cortex-M, STM32, …) qui sont plus adaptés aux applications plus évoluées. C’est ce type de microcontrôleur qui a permis le portage du langage Python (MicroPython) au sein des microcontrôleurs. Les cartes Micro:bit, Pyboard ou encore à base d’ESP32 en sont les parfaits exemples !
Carte micro:bit
Carte PyBoard (microcontrôleur STM32)
Carte ESP-WROOM-32 (microcontrôleur ESP32)
Les différents types de microcontrôleurs¶
Plusieurs critères permettent de différencier les microcontrôleurs : leur architecture, le nombre et le type de périphériques d’entrées/sorties, le langage de programmation, …
Ces deux derniers points sont à prendre en considération. En particulier, au lycée, le choix de Python comme langage de programmation des microcontrôleurs paraît logique.
En pratique, la plupart des manuels de sciences physiques et des fabricants de matériel spécialisé se sont tournés vers les populaires cartes Arduino même si le langage de programmation utilisé n’est pas du Python mais du C/C++ ! Cependant, il existe des solutions de pilotage d’une carte Arduino en langage Python avec le librairies Nanpy ou encore PyFirmata.
Pourquoi des microcontrôleurs en sciences physiques ?¶
Le monde actuel est fortement imprégné par le numérique. Par exemple, les téléphones portables et les objets connectés comportent une multitude de capteurs mesurant des grandeurs très variées comme la température, la fréquence cardiaque, la pression, l’accélération, les ondes sonores, …
Il est donc important d’expliquer comment s’effectue la mesure d’une grandeur physique analogique un appareil numérique.
Il en est de même pour la génération de signaux (ex. son) à partir d’un appareil numérique.
Les fonctions d’un microcontrôleur¶
Les microcontrôleurs permettent principalement de :
- générer de signaux (ex. son, impulsion de commande, …).
- mesurer des tensions (ex. adaptation de capteurs analogiques, acquisition de signaux, …).
- mesurer des durées (ex. période, fréquence, temps caractéristique, …).
Les microcontrôleurs en sciences physiques¶
De manière générale, les microcontrôleurs sont utilisés :
- pour réaliser des petites applications (ex. thermomètre, télémètre à ultrasons, …) en rapport avec un cours ou un TP ;
- dans des projets (enseignement scientifique).
Avec des capteurs, il est en plus possible de :
- réaliser des mesures (ex. température, célérité son, pression, …) ;
- faire de l’acquisition de données en mode autonome (ex. mesure de pression sur un ballon sonde) ou mode connecté (branché à un ordinateur).