Programmation d'un microcontrôleur : cours de 1re SI

Autour de toi, beaucoup d'objets réagissent à leur environnement : un volet qui se ferme à la tombée de la nuit, un thermomètre qui change de couleur, une barrière qui se lève. Derrière ces comportements, il y a presque toujours un microcontrôleur que quelqu'un a programmé.

En sciences de l'ingénieur, le programme d'enseignement de spécialité des classes de première et de terminale générales a été fixé par le Bulletin officiel spécial n° 1 du 22 janvier 2019 ¹. Dans ce cadre, programmer ne consiste pas à écrire du code pour le plaisir : on cherche à faire réaliser une fonction à un système réel, en respectant un cahier des charges.

Les ressources pédagogiques publiées pour les enseignants présentent le microcontrôleur à travers son rôle, ses entrées et sorties, sa programmation et des exemples de programmes, avec en particulier le module Arduino ². Ces quatre idées forment le plan de ce cours.

Tu as déjà vu comment l'information s'exprime sous forme numérique (codage de l'information) et comment on combine des états vrai/faux (logique combinatoire). Ces deux notions servent ici : un microcontrôleur manipule des nombres, et ses décisions reposent sur des conditions logiques.

Un système automatisé a besoin de trois fonctions : acquérir une information, la traiter, agir. Le microcontrôleur assure le traitement : il lit des informations venant de capteurs et commande des actionneurs ou des voyants. Un document de formation de l'académie de Caen consacre une partie de son contenu au rôle du microcontrôleur et à ses entrées-sorties ².

On ne commence jamais par écrire des lignes de code. On commence par répondre à la question : que doit faire le système ? Un TP publié sur les ressources pédagogiques vise justement à ce que l'élève sache concevoir la logique de son programme, sous forme d'algorithme, à partir de ce qu'exige le cahier des charges ³.

Pour passer de l'idée au programme, on utilise un schéma. Dans le TP « niveau laser de chantier », la première partie consiste à compléter l'algorigramme de fonctionnement du laser, la seconde à créer le programme avec le logiciel Flowcode ³. Un autre TD propose de traduire un algorithme en organigramme de programmation, puis de simuler le comportement pour un microcontrôleur PIC ³.

Le programme d'un microcontrôleur n'a généralement pas de fin : tant que le système est alimenté, il doit continuer à surveiller et à agir. D'où une structure en deux temps, que tu retrouveras quel que soit le langage ou le logiciel.

Trois outils suffisent pour la grande majorité des programmes de ce niveau.

Beaucoup de capteurs fournissent une tension qui varie de façon continue. Pour que le programme la traite, elle doit être convertie en nombre : c'est le lien avec le codage de l'information vu avant. Les ressources sur les composants « System on Chip » mentionnent d'ailleurs une partie numérique et une partie analogique dans le même système ⁵.

Le temps. Un microcontrôleur exécute ses instructions très vite. Pour qu'une LED clignote de façon visible, il faut insérer une temporisation, c'est-à-dire une pause de durée choisie. La période d'un clignotement est la durée d'un cycle complet allumé + éteint ; sa fréquence est son inverse : $f = \frac{1}{T}$.

Un programme qui compile n'est pas forcément un programme qui fonctionne. Parmi les compétences travaillées dans les projets de première en spécialité SI figurent « traduire un algorithme en un programme exécutable » et « valider un modèle numérique de l'objet simulé » ⁴. Les deux se complètent : on écrit, puis on vérifie.