La carte ARDUINO. 1. Qu'est-ce que la carte ARDUINO?

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1 La carte ARDUINO 1. Qu'est-ce que la carte ARDUINO? C'est un circuit imprimé comportant tous les composants électroniques nécessaires pour faire fonctionner un microcontrôleur (Atmega 328) associé à une interface USB lui permettant de communiquer avec un ordinateur. Un microcontrôleur est l'équivalent d'un petit ordinateur. Il contient un microprocesseur (unité centrale) associé à différentes mémoires et des interfaces lui permettant de communiquer avec l'extérieur, et bien sûr une horloge pour cadencer l'ensemble. L'alimentation électrique peut être fournie par le port USB ou une alimentation externe qui délivre 5V. Attention! les tensions appliquées sur les entrées ne doivent pas dépasser la tension d'alimentation sous peine de destruction du circuit. Le microcontrôleur exécute en permanence un programme qui a été copié dans sa mémoire flash (EEPROM de 32 ko) depuis un ordinateur via le port USB (interface série). Ce programme est initialisé à la mise sous tension de la carte ARDUINO ou lorsqu'on actionne le bouton poussoir "reset" sur la carte. La carte "ARDUNO uno" que nous allons utiliser dispose de 14 broches ("pin" en anglais, numérotées de 0 à 13) qui peuvent être configurées en "entrées digitales" ou en "sorties digitales" susceptibles de délivrer une intensité maximale de 40mA sous une tension égale à 0V ou 5V. Certaines de ces broches peuvent être configurées en "sorties PWM" (Pulse Width Modulation ou modulation de largeur d'impulsion). Elle possède également 6 entrées analogiques (notées A0 à A5) permettant de mesurer des tensions comprises entre 0V et 5V grâce à un convertisseur A/N à 10 bits. Les broches pin0 et pin1 ne sont pas disponibles pour l'utilisateur de la carte car elles sont utilisées pour communiquer avec l'ordinateur via le port USB, et sont notées RX (réception) et TX (transmission) sur la carte. Le port USB de la carte ARDUINO est géré par l'ordinateur comme un port série virtuel (COMx) et il est nécessaire d'installer les drivers correspondants avant d'établir la liaison ordinateur-arduino. 1

2 Répondre aux questions ci-dessous à partir des informations données page 1 et de vos connaissances: Quelle différence y a-t-il entre une entrée analogique et une entrée numérique de la carte Arduino? Combien y a-t-il d'entrées numériques disponibles pour l'utilisateur sur cette carte? et de sorties? Sont-elles utilisables simultanément? Dans quel intervalle doivent se situer les tensions appliquées aux entrées de l'arduino? Pourquoi? Sur combien de valeurs différentes sont numérisées les entrées analogiques? Quelle est la résolution de cette conversion? Une DEL (diode électroluminescente) rouge standard présente une tension de seuil U 0 2 V avec un courant d'intensité nominale I 0 10mA. Quel peut être l'intérêt de brancher une DEL sur une sortie de l'arduino? Est-il possible de la brancher directement sur une sortie numérique de l'arduino? Pourquoi? Calcule la valeur de la résistance R du conducteur ohmique nécessaire, qui doit être branché en série avec cette DEL (rappel de la loi d'ohm pour un conducteur ohmique: U=R.I). Recherche sur internet ce qu'est une sortie "PWM"? Quel peut-être son intérêt? Qu'est-ce qu'un "servo" utilisé en modélisme, quel est son rôle dans une télécommande et quel est le type de tension électrique qu'il faut lui appliquer (en plus de l'alimentation continue +5V) pour le faire tourner. Un servo peut-il être contrôlé directement par une carte Arduino? Pourquoi? A quoi peut servir une carte Arduino dans le cadre de notre cours d'isn? 2

3 2. Testons notre premier programme: 3.1. Le protocole de transfert: Ouvrir l'environnement de développement (I.D.E.) en cliquant sur l'icône qui est sur le bureau. Aller sur le site d'isn (physiquepovo.com) en utilisant Mozilla Firefox et télécharger le fichier "Blink" qui se trouve page 12. Ce programme a simplement comme objectif de faire clignoter une DEL déjà connectée entre la borne 5 de l'arduino et la masse du montage (via une résistance de protection). Copier le script du programme dans la fenêtre principale de l'i.d.e. Cliquer sur l'icône "vérifier" de façon à déceler d'éventuels bugs dans la structure du programme (cela sera surtout nécessaire pour tester nos propres programmes). La taille du programme apparait dans la fenêtre d'édition en bas. Sélectionne dans "Outils" puis "Port Série" le n du port série attribué à l'arduino. Cliquer sur l'icône "transférer (téléverser)" afin d'enregistrer ce programme dans la mémoire flash de l'arduino qui va ensuite l'exécuter en boucle Structure d'un programme Arduino: Le langage de programmation Arduino dérive du langage C++ et il en respecte les règles de syntaxe: * Une ligne qui commence par "//" est considérée comme un commentaire * Un paragraphe qui commence par "/*" et qui se termine par "*/" est considéré comme un commentaire * Toute ligne d'instruction de code doit se terminer par un point virgule ";" * Un bloc d'instructions (définition d'une fonction, boucle "while" ou "if"/"else"...) doit être délimité par des accolades ouvrantes "" puis fermantes "". * Toutes les variables doivent être déclarées, ainsi que leur type (int,float,...) avant d'être utilisées. Un programme (ou "sketch") Arduino est constitué de 2 fonctions distinctes: * La fonction de configuration "void setup" exécutée une seule fois au lancement du programme. * La fonction "void loop" qui est ensuite exécutée indéfiniment en boucle. Remarque: On peut relancer le programme en actionnant le bouton poussoir "reset" sur la carte Etude d'un exemple: le programme "Blink": int DEL = 5; ou #define DEL 5; On donne un nom à la broche 5 de façon à la repérer plus facilement dans le script: c'est celle qui est reliée à la DEL que l'on souhaite faire clignoter. On crée ainsi une nouvelle variable nommée "DEL" de type "nombre entier (int)". void setup() pinmode(del, OUTPUT); On initialise la borne 5 de l'arduino (nommée "DEL") comme une sortie. void loop() digitalwrite(del, HIGH); delay(1000); digitalwrite(del, LOW); delay(1000); Et ainsi de suite tant que le circuit est alimenté. On met la borne 5 au niveau logique haut (+5V): la diode s'allume. On attend un délai de 1000ms (soit 1s). On met la borne 5 au niveau logique bas (0V): la diode s'éteint. On attend un délai de 1000ms (soit 1s). Modifier ce script de façon à ce que ce soit la DEL reliée à la sortie numérique 6 de l'arduino qui clignote, en restant 1,5s éteinte et 0,5s allumée. Puis faire clignoter les deux DELs de façon à ce que lorsque l'une est allumée, l'autre soit éteinte. 3

4 3. Améliorons notre premier programme: 3.1. Affichage d'un texte dans le moniteur série:(blink1) Pour afficher "la DEL clignote avec une période de 2s" dans le moniteur série que l'on peut ouvrir en cliquant sur l'icône située en haut à droite de l'environnement de développement, il faut: * ouvrir la liaison série entre l'arduino et l'ordinateur via le câble USB en intégrant le script Serial.begin(9600); dans la fonction "setup" (9600 définit en baud le nombre de bits échangés par seconde). * introduire dans la fonction "loop" le script associé au texte à écrire à l'écran (en évitant les caractères accentués: é, è, ê, à,...) suivi d'un saut à la ligne: Serial.println("la DEL clignote avec une periode de 2s"); Teste ce nouveau programme et ouvre le moniteur série. Que constates-tu? Modifie le script de façon à éviter ces répétitions. Détaille ton algorithme Clignotement conditionnel:(blink2) On souhaite maintenant provoquer le clignotement ou l'allumage continu de la DEL selon que la borne 10 de la carte Arduino est portée au niveau logique haut (+5V) ou au niveau bas (0V). Pour cela, on va utiliser le bouton poussoir situé en bas à gauche de la carte: lorsqu'il est enfoncé, la borne 10 est au niveau bas, sinon elle est au niveau haut. La borne 10 de l'arduino doit-elle être configurée en entrée ou en sortie? Ecris et teste le script correspondant, après avoir conçu l'algorithme adapté à ces consignes, sachant que: * Le script pinmode(10, INPUT); initialise la borne 10 de l'arduino comme une entrée numérique. * Le script etat=digitalread(10); permet de lire l'état "haut" ou "bas" de la borne 10 de l'arduino et de le mémoriser dans une variable nommée "etat" (qui doit être définie au préalable!). Complète ce script de façon à afficher dans l'environnement de développement "la DEL est allumée" ou "la DEL clignote" une seule fois à chaque changement d'état Commande via le moniteur série:(blink3) Le moniteur série permet d'afficher des informations (textes, valeurs des variables,...) en provenance de l'arduino, mais il permet aussi d'envoyer des informations tapées au clavier de l'ordinateur vers l'arduino. L'objectif à atteindre est de provoquer l'allumage de la DEL en envoyant le caractère "A", son extinction en envoyant le caractère "E" et son clignotement en envoyant le caractère "C". Ecris et teste le script correspondant, après avoir conçu l'algorithme adapté à ces consignes, sachant que: if (Serial.available() > 0) // lit l'octet entrant s'il y a des données disponibles sur le port série lettrelue = Serial.read(); // la lettre correspondant à l'octet reçu est mémorisée dans la variable "lettrelue" if ((lettrelue = = 'A') (lettrelue = = 'E') (lettrelue = = 'C')) // le "ou" logique correspond à (ALT GR + touche 6) lettre = lettrelue; // la variable "lettre" ne peut contenir que les caractères "A","E" ou "C" en excluant tout autre caractère reçu. 4

5 4. Un shield complet pour communiquer: "danger shield" de Sparkfun Il existe sur le marché une multitude de cartes d'interfaces (appelées "shields") enfichables sur la carte Arduino, et qui permettent de relier des entrées ou sorties de l'arduino à des composants divers: capteurs de température, de lumière, potentiomètres, relais, moteurs, GPS, port Ethernet, wifi, afficheurs, écran LCD... La carte nommée "Danger shield" va nous permettre de nous familiariser avec un certain nombre d'entre-eux. Attention! * La carte est prévue pour un capteur de température de type LM335 mais est vendue avec un capteur de type TMP36 dont le câblage est différent: enlever la résistance de 10kΩ associée à ce capteur et relier la borne non connectée (en bas du capteur) au +5V disponible à proximité après enlèvement de la résistance. * Il manque aussi 3 résistances de 10kΩ entre les boutons poussoirs (borne du haut) et le +5V, afin d'assurer un niveau logique "haut" lorsque le contact est ouvert. Quels sont les composants présents sur la carte "Danger shield"? A quelles entrées ou sorties de l'arduino sont-ils reliés (voir le doc "schéma du Danger shield")? 5.1. Le programme de test "DangerShieldTest": Ce programme permet de tester, les uns après les autres, les différents composants la carte. Le bouton poussoir de gauche permet de passer d'un test au suivant, tandis que le bouton poussoir central lance le test sélectionné. Ouvre le programme "DangerShieldTest" dans l'ide Arduino. Transfère ce programme dans la mémoire interne de l'arduino. Ouvre le moniteur série et effectue les différents tests proposés. Décris clairement chacun de ces tests et précise pour chacun d'eux quelles sont les informations affichées par le moniteur série Comment afficher la température du capteur? Le circuit intégré TMP36 peut être alimenté directement sous une tension de 5V délivrée par la carte Arduino, et délivre entre la masse (GND) et la sortie V out une tension U (en mv) qui varie en fonction de la température θ (en C): U = x θ Cette relation est-elle en accord avec les indications données par le data sheet? Quelles sont les valeurs maximales et minimales envisageables pour U? U en mv Les variations de U et de θ sont-elles proportionnelles? Trace la courbe représentant les variations de U en fonction de la température θ. θ en C 6

6 Sachant que le convertisseur analogique/numérique de l'arduino travaille sur 10 bits et que la tension maximale qu'il peut mesurer est de 5,0V, quel calcul faut-il effectuer à partir de l'information donnée par le script " valeur = analogread(4); " pour afficher la température du capteur? Le script suivant est-il en accord avec tes calculs? Qu'affiche-t-il dans le moniteur série si la tension délivrée par le capteur de température est égale à 700mV? valeur = analogread(4); Serial.print("valeur lue sur l'entree A4 de l'arduino: "); Serial.println(valeur); tension = (5000/1024)*valeur; //attention! ne marche pas en écrivant 5000*valeur/1024 Serial.print("tension mesuree sur l'entree A4 de l'arduino: "); Serial.print(tension); Serial.println("mV"); temperature = (tension-500)/10; Serial.print("Temperature: "); Serial.print(temperature); Serial.println(" Celsius"); Remarques: La variable "valeur" (qui correspond au résultat de la conversion A/D de la tension présente entre la masse et l'entrée analogique A4 de l'arduino) ne peut prendre que des valeurs entières comprises entre 0 et Elle doit donc être déclarée de type "int" (codée sur 16 bits) et non pas "byte" (codée sur 8 bits donc < 256). Les variables "tension" et "température" sont des nombres décimaux à déclarer comme "float" Comment commander un afficheur 7 segments? 5 Le circuit intégré 74HC595 est un registre à décalage (ou convertisseur série parallèle). Il transforme les 8 données reçues les unes après les autres sur son entrée série "DATA" en 8 tensions présentes simultanément sur les sorties Q0 à Q7 qui peuvent alimenter les 8 DELs qui composent un afficheur 7 segments. D4 D8 ARDUINO D7 DATA CLOCK LATCH 74HC 595 Ainsi, pour afficher le chiffre 5, il faut alimenter les segments a,c,d,f,g ce qui peut se représenter par l'octet suivant: envoyé sur l'entrée DATA (données). L'entrée CLOCK (horloge) reçoit une tension en créneaux de période égale à la durée d'un bit envoyé sur l'entrée DATA. A chaque front montant sur l'entrée CLOCK, la valeur du bit présent sur l'entrée DATA est lue et mémorisée. DATA CLOCK LATCH ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ Remarque: cette liaison série est de type "synchrone" car elle nécessite une ligne d'horloge pour synchroniser les données reçues. Elle n'est pas présente dans le cas d'un port USB. ^ temps Lorsque les 8 bits de l'octet ont été lus et mémorisés par le circuit intégré, un front montant envoyé sur l'entrée LATCH (verrou) les transfère simultanément à l'afficheur 7 segments. Le script suivant permet d'afficher successivement les 10 chiffres (de 0 à 9): byte DEL[10] = B ,B ,B ,B ,B ,B ,B ,B ,B ,B ; // ce tableau à 10 cases contient les 10 octets (en binaire) correspondant chacun à un chiffre à afficher, par exemple B pour le chiffre 5 #define LATCH 7 // affectation d'un nom à chaque sortie de l'arduino utilisée #define CLOCK 8 #define DATA 4 for (i=0; i<10; i++) digitalwrite(latch,low); // blocage des sorties du registre à décalage utilisé (74HC595) pendant la réception des nouvelles données shiftout(data,clock,msbfirst,~(del[i])); // shiftout(sortie donnée, sortie horloge, ordre des bits, donnée)= sortie de type série synchrone qui génère les données et l'horloge // Attention: ~ permet d'inverser les 0 et les 1 dans le contenu du tableau DEL car l'afficheur est à anode commune (allumé si 0) digitalwrite(latch,high); // transfert de l'octet reçu sur les sorties delay(1000); // chaque chiffre reste affiché pendant 1000ms, soit 1s. 7

7 Construis un programme permettant de compter le nombre de fois où on appuie sur le bouton de droite, de décompter (compter à l'envers) le nombre de fois où on appuie sur le bouton de gauche, tandis que le bouton central permet de remettre le compteur à 0. Transfère ton programme dans l'arduino et teste-le... Que constates-tu? (compteurdecompteur0) Comment expliquer cette observation? Comment remédier à ce problème? (compteurdecompteur1) Construis un chronomètre comptant les secondes. Le bouton de gauche doit permettre de déclencher ou d'arrêter le comptage, tandis que le bouton central assure la remise à zéro. On utilisera les 2 DELs pour compter les dizaines et on fera sonner le buzzer lorsque la limite du comptage sera atteinte (30s). 5. Une interface homme-machine (IHM) pour Arduino: Voir le site du concepteur (Loïc Beaufils): et la vidéo de tutoriel Dézipper le dossier IHMArduino Transférer le programme IHM.ino dans la mémoire interne de l'arduino Exécuter le programme ArduinoIHM.exe Sélectionner le port COM de l'arduino puis cliquer sur "connectez-vous" Cliquer sur "OFF5" ou "OFF6" pour commuter les sorties 5 ou 6 de l'arduino sur "ON" et vérifier que les Dels correspondantes s'allument. Cliquer sur l'onglet "ANALOGIQUE" puis sur "ACQ A0" pour afficher la tension aux bornes du potentiomètre situé à droite de la carte "Danger Shield", ou sur "ACQ A4" pour afficher la tension aux bornes du capteur de température (θ en C = 100*U 50). La fonction oscilloscope n'est pas encore disponible à ce jour, ni la lecture des entrées digitales. Cliquer sur l'onglet "DIGITAL" puis sur la sortie 5 "OUTPUT" pour sélectionner "PWM" (modulation à largeur d'impulsion). En déplaçant le curseur qui apparait, la luminosité de la Del varie. On peut également commander la rotation de servo-moteurs. Il est possible d enregistrer une séquence de commandes en cliquant sur RECORD. C est particulièrement utile pour reproduire des mouvements de moteurs ou de servo-moteurs provoquant les déplacements de robots. Le bouton "Sauver" permet d enregistrer la séquence en fichier texte (.txt) et le bouton "Ouvrir" permet de la récupérer ensuite. 8