Les microcontrôleurs : cours de Bac pro CIEL

Une télécommande, une machine à laver, un jouet qui clignote, le contrôle d'un moteur de voiture : dans chacun de ces objets, un petit composant lit des informations, décide, puis agit. Ce composant est un microcontrôleur ⁵.

En Bac pro CIEL, tu rencontres ce composant partout. Quand tu installes un objet connecté, quand tu étudies une carte électronique ou quand tu te demandes comment un équipement peut être attaqué ou reprogrammé, tu travailles sur un microcontrôleur. Comprendre ce qu'il contient et comment il fonctionne est donc une base solide pour la suite du programme, notamment pour le chapitre sur les capteurs et les objets connectés.

Ce cours suppose que tu connais déjà les composants électroniques de base (résistance, LED, transistor) et la différence entre un signal analogique et un signal numérique. Nous allons voir :

• ce qu'est un microcontrôleur et ce qu'il contient ;
• en quoi il diffère d'un microprocesseur d'ordinateur ;
• sa place entre les capteurs, l'interface homme-machine et les actionneurs ;
• sa mémoire et la façon de le programmer ;
• quelques familles et cartes que tu croiseras en atelier ;
• comment le raccorder correctement, avec un calcul concret.

Prenons les quatre ensembles un par un.

• Le processeur exécute les instructions du programme, l'une après l'autre.
• Les mémoires gardent le programme (mémoire morte) et les valeurs en cours de calcul (mémoire vive) ⁵.
• Les périphériques sont des blocs spécialisés intégrés à la puce, comme un temporisateur (timer) ou un chien de garde (watchdog) ⁵.
• Les interfaces d'entrées-sorties relient la puce au monde extérieur : broches numériques, liaisons de communication comme l'USB ou l'Ethernet pour certains modèles ⁵.

Sur une carte d'ordinateur classique, ces fonctions sont réparties sur plusieurs composants séparés. Ici, tout est dans un seul boîtier. C'est ce qui explique que le microcontrôleur soit si répandu : un seul composant suffit pour faire fonctionner un petit système.

Côté fonction, la documentation pédagogique de la filière industrielle le résume ainsi : le microcontrôleur est programmable, il traite les informations venues des capteurs et pilote le fonctionnement global du système ¹. Retiens cette phrase : elle décrit le rôle du composant dans tous les montages que tu rencontreras.

Le processeur de ton ordinateur est un microprocesseur polyvalent. Il a besoin de mémoires et de composants autour de lui pour fonctionner. Le microcontrôleur, lui, regroupe tout dans une seule puce et vise une tâche précise.

Les caractéristiques générales du microcontrôleur par rapport au microprocesseur polyvalent sont les suivantes ⁵ :

• un degré d'intégration plus élevé ;
• une consommation électrique plus faible ;
• une vitesse plus modeste, de quelques mégahertz jusqu'à plus d'un gigahertz selon les modèles ;
• un coût réduit.

Remplacer un montage fait de nombreux composants séparés par une seule puce fait baisser la taille, la consommation et le prix du produit ⁵. Cela a permis d'introduire l'informatique dans une foule d'objets du quotidien ⁵.

Un système technique automatisé suit presque toujours la même chaîne.

1. Des capteurs mesurent ou détectent : présence, distance, température, lumière ¹³.
2. Le microcontrôleur reçoit ces informations, exécute son programme et décide ¹.
3. Il commande alors une action : allumer un voyant, déclencher un moteur, afficher un message ¹.

Pour dialoguer avec l'utilisateur, le système dispose aussi d'une interface homme-machine (IHM) : boutons pour donner des ordres, afficheurs pour rendre compte ¹.

Un microcontrôleur n'a d'intérêt que s'il sait quoi faire. Ses instructions sont stockées dans une mémoire programmable, qui contient le programme pilotant l'application à laquelle la puce est dédiée ⁴. Cette mémoire est non volatile : elle conserve son contenu même lorsque l'alimentation est coupée ⁴.

C'est pour cela qu'un appareil se remet à fonctionner tout seul quand tu le rallumes : la puce exécute le programme contenu dans sa mémoire morte dès la mise sous tension ⁵.

Comment écrit-on le programme dans la puce ?

Il y a plusieurs façons de procéder. La programmation ISP présente un avantage : la puce reste en place dans le montage complet, sans qu'on ait à la dessouder ou à l'extraire. Elle passe par le bus standard JTAG, ou par un autre bus, qui appartient parfois au constructeur ⁵. Pour les PIC, la programmation « in situ » utilise l'interface ICSP de Microchip : un petit connecteur ajouté sur la carte suffit pour reprogrammer le composant déjà soudé, sans l'enlever ⁶. Un programmateur spécialisé reste possible, surtout en production ⁶.

Le programme est rédigé dans un langage de programmation. Avec les STM32 vus en BTS, c'est le langage C : organisation d'un programme, fonction main, autres fonctions, directives #include et #define ². Côté PIC, un compilateur issu de GCC, appelé MPLAB C30, couvre les familles 16 bits de Microchip ⁶.

Il existe de nombreux fabricants et de nombreuses familles. Le fonctionnement reste voisin, seuls les détails changent : nombre de broches, taille des mémoires, vitesse, outils de développement.

Les PIC. Les microcontrôleurs PIC forment une famille de la société Microchip ⁶. Un PIC est une unité de traitement à laquelle on a ajouté des périphériques internes : on peut ainsi réaliser des montages sans composants annexes, et il fonctionne seul après programmation ⁶. Le nom d'un modèle se lit comme un code : par exemple, le PIC18LF4682-I/P appartient à la famille PIC18, en basse tension (L), avec mémoire flash (F), modèle 4682, température de gamme industrielle (I) et boîtier DIL40 ⁶. Les PIC32MX, introduits en novembre 2007, sont des modèles 32 bits qui atteignent 100 MHz pour certains dérivés ⁶.

Les STM32. Ils servent de support à des travaux pratiques dans le référentiel du BTS Systèmes numériques ². Tu les retrouveras sans doute si tu poursuis en BTS.

Les cartes d'initiation. L'Arduino Esplora ³ et la micro:bit ¹ sont des cartes prêtes à l'emploi : le microcontrôleur y est déjà câblé avec ses connecteurs, ce qui permet de se concentrer sur le programme.

Le microcontrôleur communique avec l'extérieur par ses broches. Une broche configurée en entrée lit un état (bouton appuyé ou non) ou une tension (capteur). Une broche en sortie impose un niveau de tension pour commander un composant (LED, relais, buzzer).

Sur la carte étudiée dans la ressource académique, la puce est prévue pour fonctionner entre 3,3 V et 5 V ⁴. Il faut donc vérifier la tension d'alimentation admissible dans la documentation avant tout branchement : une tension trop élevée peut détruire la puce.

Beaucoup d'objets fonctionnent sur pile pendant des mois. La plupart des microcontrôleurs peuvent se placer dans un état de sommeil où leur consommation est très faible ⁵. Un signal envoyé par l'un de leurs périphériques, par exemple un temporisateur, une broche d'entrée-sortie ou un chien de garde, les réveille ⁵.

Prends un capteur de porte : il dort presque tout le temps, puis un contact se ferme, un signal arrive sur une broche, la puce se réveille, envoie un message, puis se rendort. La faible consommation, déjà citée comme avantage du microcontrôleur ⁵, prend tout son sens ici.