Activité initiation Arduino

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1 2015 Activité initiation Arduino 0

2 SOMMAIRE TABLE DES ILLUSTRATIONS (FIGURES)... 3 INTRODUCTION... 4 COMPOSITION DE LA PLATEFORME ARDUINO... 4 UTILISATION DE LA BREADBOARD... 6 LISTE DU MATERIEL FOURNI KIT INITIATION... 7 LOGICIELS NECESSAIRES... 8 DIRECTIVES POUR CHAQUE EXERCICE EXERCICE 1 - BLINKY LED OBJECTIFS SCHEMA DE CABLAGE TECHNOLOGIE DES COMPOSANTS PRINCIPALES FONCTION A DECOUVRIR LE PROGRAMME LES ECUEILS PREVISIBLES EXERCICE 2 - BLINKY LED AND DIALOG PC OBJECTIFS SCHEMA DE CABLAGE PRINCIPALES FONCTION A DECOUVRIR LE PROGRAMME TRAVAIL A FAIRE EN SUPPLEMENT LES ECUEILS PREVISIBLES EXERCICE 3 DETECTION D UN NIVEAU DE SEUIL DE TENSION ANALOGIQUE OBJECTIFS SCHEMA DE CABLAGE TECHNOLOGIE DES COMPOSANTS PRINCIPALES FONCTION A DECOUVRIR LE PROGRAMME LES ECUEILS PREVISIBLES TRAVAIL A FAIRE EN SUPPLEMENT EXERCICE 4 EFFET DE FONDU D UNE LED OBJECTIFS SCHEMA DE CABLAGE TECHNOLOGIE DES COMPOSANTS PRINCIPALES FONCTION A DECOUVRIR LE PROGRAMME LES ECUEILS PREVISIBLES EXERCICE 5 VARIATEUR DE LUMINOSITE D UNE LED OBJECTIFS CONSEILS EXERCICE 6 CAPTEUR DE TEMPERATURE OBJECTIFS SCHEMA DE CABLAGE TECHNOLOGIE DES COMPOSANTS

3 6.4. LE PROGRAMME A REALISER CONSEILS EXERCICE 7 AFFICHEUR 7 SEGMENTS OBJECTIFS SCHEMA DE CABLAGE TECHNOLOGIE DES COMPOSANTS TRAVAIL A REALISER EXERCICE 8 COMPTEUR

4 Table des illustrations (Figures) Figure 1 Arduino Uno... 4 Figure 2 Environnement de développement Arduino... 5 Figure 3 Support breadboard pour le câblage de schéma électrique... 6 Figure 4 Liste du matériel fourni Kit Initiation... 7 Figure 5 Le poste de travail principal... 8 Figure 6 Schéma de câblage Exercice Figure 7 Technologie Exercice Figure 8 Exemple de programme pour l Exercice Figure 9 Schéma de câblage Exercice Figure 10 Exemple de programme pour l Exercice Figure 11 Schéma de câblage Exercice Figure 12 Technologie Potentiomètre Exercice Figure 13 Exemple de programme pour l Exercice Figure 14 Schéma de câblage Exercice Figure 15 Technologie Signal PWM Exercice Figure 16 Exemple de programme pour l Exercice Figure 17 Les objectifs de l exercice Figure 18 Schéma de câblage Exercice Figure 19 Technologie Exercice Figure 20 Schéma de câblage Exercice Figure 21 Ecriture des caractères sur un afficheur 7 segments Figure 22 Exemple d afficheur 7 segments en cathode commune Figure 23 Schéma du 74HC4511 et de sa table de vérité

5 Introduction Arduino is an open-source electronics prototyping platform based on flexible, easy-to-use hardware and software. It's intended for artists, designers, hobbyists, and anyone interested in creating interactive objects or environments. Figure 1 Arduino Uno Arduino can sense the environment by receiving input from a variety of sensors and can affect its surroundings by controlling lights, motors, and other actuators. The microcontroller on the board is programmed using the Arduino programming language (based on Wiring) and the Arduino development environment (based on Processing). Arduino projects can be stand-alone or they can communicate with software running on a computer (e.g. Flash, Processing, MaxMSP). The boards can be built by hand or purchased preassembled; the software can be downloaded for free. The hardware reference designs (CAD files) are available under an open-source license, you are free to adapt them to your needs. Arduino received an Honorary Mention in the Digital Communities section of the 2006 Ars Electronica Prix. The Arduino team is: Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino, and David Mellis First page of website arduino.cc Composition de la plateforme Arduino La Carte microcontrôleur UNO: Cette carte est constituée d un microcontrôleur Atmega328 (32K de mémoire programme), et d une interface d entrée sortie directement utilisable. Elle comporte tout ce qui est nécessaire à la prise en charge du microcontrôleur. Il vous suffit de la connecter à un ordinateur à l'aide d'un cordon USB et/ou de l'alimenter avec un adaptateur c.a./c.c. ou une batterie. Pour le TP la carte sera alimentée via le port USB. Caractéristiques : ATmega MHz, mémoire Flash de 32 Ko, RAM de 2 Ko, EEPROM de 1 K 14 x GPIO (dont 6 sorties PWM) 4

6 6 x entrées analogiques (A 0 A 5 ) Prise en charge des bus SPI et I²C Connecteur USB Embase ICSP Bouton Reset D un environnement de développement - EDI: Celui-ci permet l édition des programmes en langage C et assembleur De compiler, vérifier la syntaxe du programme et générer le firmware (verify/compile) De charger (upload to I/Oboard) le firmware dans la mémoire du microcontroleur De dialoguer avec la carte lors de son fonctionnement (serial monitor) Il fournit des bibliothèques de code pour étendre les fonctionnalités. Pour le lancer exécuter le programme \arduino.exe Sélectionner la liaison série COM_XX (menu Tools\serial_port) Figure 2 Environnement de développement Arduino La plateforme Arduino va donc permettre : de lire des informations analogiques ( lecture de valeurs de tension issues de capteur T par exemple) de lire des états logiques ( état de capteurs tout ou rien, boutons, fins de course,..) de piloter avec un signal PWM des actionneurs ( commande de moteurs CC, ) de piloter des sorties tout ou rien ( relais, diodes, afficheurs,..) de dialoguer avec une autre partie commande par la liaison série/usb Le programme écrit en langage C sera compilé et chargé dans la mémoire du microcontroleur. Ce programme (firmware) assure l ensemble de ces dialogues. Il est au moins constitué de 2 fonctions : La fonction void setup() qui assure l initialisation des E/S du microcontroleur, elle est appellée une seul fois au démarrage de l application ( alimentation du processeur ou RESET). Les interfaces d entrées/sorties(i/o) binaires peuvent être programmées en entrée ou en sortie. La fonction void loop() qui contient les instructions et appels à d autres fonctions du programme qui est indéfinimment executé. 5

7 Utilisation de la breadboard La breadboard est un support pour câbler un schéma électrique. Elle sera utilisée pour réaliser le schéma électrique et relier celui-ci aux entrées sorties de la carte microcontrôleur Arduino UNO. Figure 3 Support breadboard pour le câblage de schéma électrique Sur la figure ci-dessus de la breaboard nous avons rajouté les lignes grisées qui permettent de définir les liaisons électriques 2 points reliés par un trait gris sont connectés électriquement. 6

8 Liste du matériel fourni KitBox initiation Arduino UNO + Câble USB 1 Breadboard + cables 1 LED Rouge (La plus grande patte c est l anode +) 4 Resistances: 220 Ohms (Rouge-Rouge- Brun) x 8 8 Resistances: 330 Ohms (Orange- Orange-Brun) 1 Potentiomètre 1 Switch 2 Buzzer 1 LM35 (capteur temperature) 1 74HC4511 (décodeur afficheur) 1 Afficheur 7 segments 1 Figure 4 Liste du matériel fourni KitBox Initiation 7

9 Logiciels nécessaires Arduino ( Frtizting ( Figure 5 Le poste de travail principal 1 - Installez l environnement de développement Arduino, pour cela télécharger la version sur arduino.cc. Utilisez la version avec installeur si vous êtes administrateur de poste. 2 - une fois installé (version Windows), une entrée menu Arduino dans la barre de lancement vous permet de lancer l IDE Arduino. 3 - Connectez à l aide du câble USB l Arduino et le PC, normalement le driver s installe automatiquement. Si cette connexion vous retourne une erreur liée à l installation du driver, referez-vous au site web pour finir l installation du driver (vous devez être administrateur de votre poste pour cette étape) : 4- Installation de Fritzing (pas de difficulté particulière) Directives pour chaque exercice Il vous est demandé pour chaque exercice : De câbler le circuit De recopier/ou développer le programme De tester votre réalisation De bien comprendre ce que vous avez fait!. 8

10 1. Exercice 1 - Blinky LED 1.1. Objectifs Le programme ci-après génère un train de signaux carrés sur la sortie digitale n 13. La Led rouge est branchée sur cette sortie, en série avec une résistance pour limiter le courant. Elle s allume quand la sortie N 13 est à l état haut : 5V 1.2. Schéma de câblage 1.3. Technologie des composants Figure 6 Schéma de câblage Exercice 1 Figure 7 Technologie Exercice 1 9

11 LED : composant optoélectronique qui émet de la lumière lorsqu il est parcouru par un courant. La LED ne laisse passer le courant que dans un seul sens Anode vers Cathode. On reliera donc la borne Anode au + (broche la plus longue) et la borne Cathode au de la source d alimentation. On évitera de brancher la diode directement à la source d alimentation et on utilisera en série une résistance pour limiter le courant 15 ma par exemple. La LED rouge produit une chute de tension d environ 1.8V ( cette chute de tension dépend aussi de la technologie de la LED et de sa couleur). On peut écrire 5V = U LED + U R = R. I => R = 3.2 = 213 Ohms Principales fonction à découvrir delay(ms) : pauses the program for the around of time ms (in milliseconds) pinmode(pin,output) : configure the pin in OUTPUT digitalwrite(pin,high) : set TRUE digital output pin Le programme Figure 8 Exemple de programme pour l Exercice Les écueils prévisibles Problème Causes Remèdes La Led ne s éclaire Vous avez connecté la LED à l envers Brancher correctement la LED pas La compilation génère une erreur Vous utilisez des points de la breadboard non reliés entre eux électriquement Vous n avez pas sélectionné le bon type de carte dans le menu de l environnement de développement Outils -> Type de carte? Vous avez fait une erreur de syntaxe, n avez-vous pas oublié un point-virgule à la fin de chaque ligne Analysez bien le schéma de câblage tel qu il vous est donné, ainsi que le schéma électrique de la breadboard, et corrigez si nécessaire Mettre UNO si vous avez une carte Arduino Uno Interprétez l erreur que vous retourne la compilation en particulier la localisation de l erreur 10

12 2. Exercice 2 - Blinky LED and dialog PC 2.1. Objectifs Le Firmware dans l Arduino renvoi des informations sur le PC connecté via le port USB. Cela peut être très utile pour relier l Arduino à d autres périphériques, mais aussi très utile pour avoir l état d une variable ou du programme dans la phase débogage. Pour cela on utilise le moniteur de liaison série disponible sur l EDI, pour recevoir des informations depuis la liaison USB/série entre l ordinateur et la carte microcontrôleur. Une fois le programme chargé dans le microcontrôleur, il faut ouvrir le serial monitor sur le PC (menu tools de l IDE arduino- >serial monitor). A vous de décoder, comprendre et faire fonctionner ce programme Schéma de câblage Figure 9 Schéma de câblage Exercice 2 11

13 2.3. Principales fonction à découvrir Serial.begin(vitesse) initialisation de la liaison série «vitesse»=9600bauds Serial.print(texte) envoi vers le PC le contenu de «texte» Serial.println(texte) envoi vers le PC le contenu de «texte», rajoute un saut de ligne à la fin, et un retour en début de ligne 2.4. Le programme Figure 10 Exemple de programme pour l Exercice Travail à faire en supplément Modifier ce programme pour changer la période de la trame du signal carré 2.6. Les écueils prévisibles Problème Causes Remèdes Vous avez oublié d initialiser la liaison série dans le setup du programme Aucun caractère ne s affiche dans le moniteur série La compilation génère une erreur La vitesse de transmission de données n est pas la bonne Vous avez fait une erreur de syntaxe, n avez-vous pas oublié un point-virgule à la fin de chaque ligne Ajouter serial.begin dans la fonction setup de votre programme Arduino. Dans notre cas, la vitesse de transmission des données par la liaison série doit être de Interprétez l erreur que vous retourne la compilation en particulier la localisation de l erreur 12

14 3. Exercice 3 Détection d un niveau de seuil de tension analogique 3.1. Objectifs Le programme ci-après détecte un seuil de tension analogique pour allumer une LED. Une résistance variable, reliée au 5V, est branché sur la broche A0 de l Arduino. Cette broche est une entrée analogique pouvant récupérer une tension entre 0V et 5V. Une LED rouge est branchée sur la sortie digitale n 3. L objectif est d allumer ou d éteindre la LED selon les conditions suivantes : Si A0 > 2,5V alors on allume la LED. Sinon on éteint la LED Schéma de câblage Figure 11 Schéma de câblage Exercice 3 13

15 3.3. Technologie des composants Potentiomètre Un potentiomètre (appelé familièrement potar) est un type de résistance variable à trois bornes, dont une est reliée à un curseur se déplaçant sur une piste résistante terminée par les deux autres bornes. Ce système permet de recueillir, entre la borne reliée au curseur et une des deux autres bornes, une tension qui dépend de la position du curseur et de la tension à laquelle est soumise la résistance. Figure 12 Technologie Potentiomètre Exercice Entrée analogique Arduino La carte Arduino contient un canal de 6 entrées analogiques, et d un convertisseur 10-bit analogiquenumérique. Cela signifie qu il convertit les tensions d'entrée (plage 0-5 volts) en valeurs entières entre 0 et (2^10)-1 (soit de 0 à 1023). Cela donne une résolution de: tensionmax 2 nbits = = 0,0049 volt par unité 3.4. Principales fonction à découvrir AnalogRead(pin) : Lit la valeur de la broche analogique spécifiée «pin». Cette fonction retourne une valeur entière entre 0 et

16 3.5. Le programme 3.6. Les écueils prévisibles Les données en entrée ne correspondent pas à celle attendues Figure 13 Exemple de programme pour l Exercice 3 Problème Causes Remèdes Vous avez inversé le branchement au niveau Brancher correctement le du potentiomètre potentiomètre La compilation génère une erreur Vous utilisez des points de la breadboard non reliés entre eux électriquement La compilation génère une erreur Analysez bien le schéma de câblage tel qu il vous est donné, ainsi que le schéma électrique de la breadboard, et corrigez si nécessaire Vous avez fait une erreur de syntaxe, n avez-vous pas oublié un point-virgule à la fin de chaque ligne 3.7. Travail à faire en supplément Modifier le programme pour afficher dans le moniteur série la valeur de la tension détectée par l Arduino, mais aussi l état de la LED (ON ou OFF) 15

17 4. Exercice 4 Effet de fondu d une LED 4.1. Objectifs Le programme ci-après permet la décoloration d'une LED. Un bouton poussoir est relié sur la broche 3 de l Arduino (configuré comme une entrée). Une LED est connecté à la proche 9 de l Arduino (configuré en sortie). L objectif est de créer un effet de fondu de luminosité de la LED lors d un appui sur un bouton. Afin de créer cet effet de fondu, on utilise un signal PWM (Pulse Width Modulation) permettant de moduler le signal de sortie (plus de détail dans la partie 5.3 de ce chapitre) Schéma de câblage Figure 14 Schéma de câblage Exercice 4 16

18 4.3. Technologie des composants Définition d un signal PWM (définition reprise du site Arduino) Pulse Width Modulation, or PWM, is a technique for getting analog results with digital means. Digital control is used to create a square wave, a signal switched between on and off. This on-off pattern can simulate voltages in between full on (5 Volts) and off (0 Volts) by changing the portion of the time the signal spends on versus the time that the signal spends off. The duration of "on time" is called the pulse width. To get varying analog values, you change, or modulate, that pulse width. If you repeat this on-off pattern fast enough with an LED for example, the result is as if the signal is a steady voltage between 0 and 5v controlling the brightness of the LED. In the graphic below, the green lines represent a regular time period. This duration or period is the inverse of the PWM frequency. In other words, with Arduino's PWM frequency at about 500Hz, the green lines would measure 2 milliseconds each. A call to analogwrite() is on a scale of 0-255, such that analogwrite(255) requests a 100% duty cycle (always on), and analogwrite(127) is a 50% duty cycle (on half the time) for example. Figure 15 Technologie Signal PWM Exercice 4 17

19 4.4. Principales fonction à découvrir digitalread(pin) : Lit la valeur de la broche numérique spécifiée «pin». Cette fonction retourne une valeur HIGH (niveau binaire 1) ou LOW (niveau binaire 0). analogwrite(pin,value) : Génère une tension analogique «(signal PWM) sur la broche «pin» 4.5. Le programme 4.6. Les écueils prévisibles Figure 16 Exemple de programme pour l Exercice 4 Problème Causes Remèdes La LED n est pas bien connectée La LED ne s éclaire pas Brancher correctement la LED (sens + pin Arduino) La compilation génère une erreur Vous utilisez des points de la breadboard non reliés entre eux électriquement Le bouton n est pas bien connecté La compilation génère une erreur Analysez bien le schéma de câblage tel qu il vous est donné, ainsi que le schéma électrique de la breadboard, et corrigez si nécessaire Brancher correctement le bouton poussoir (vérifier le sens) Vous avez fait une erreur de syntaxe, n avez-vous pas oublié un point-virgule à la fin de chaque ligne 18

20 5. Exercice 5 Variateur de luminosité d une LED 5.1. Objectifs A partir des exercices précédents, nous vous demandons de remplir l objectif suivant : Faire varier la luminosité d une LED à partir d un potentiomètre Figure 17 Les objectifs de l exercice Conseils Faire le bilan des entrées/sorties et des composants que vous avez besoin Faire le montage électronique sur la breadboard Si nécessaire, préparer votre programme sur papier (fonction principale, type de variable nécessaire, schéma bloc.) Ecrire votre programme de manière structuré et bien commenté Tester et valider les objectifs. N hésitez pas à tester progressivement votre programme. Vous pouvez l écrire de manière continue en validant chaque fonction principale séparément. 19

21 6. Exercice 6 Capteur de température 6.1. Objectifs L exercice suivant a pour objectif de récupérer une valeur de température à partir d un capteur analogique (le LM35) et d envoyer une valeur en degré au moniteur série. Ce capteur est connecté sur une des broches des entrées analogiques de l Arduino Schéma de câblage Figure 18 Schéma de câblage Exercice 6 20

22 6.3. Technologie des composants Figure 19 Technologie Exercice 6 Le capteur de température LM35 est très facile à utiliser puisqu il suffit de l alimenter avec ses broches VCC et GND. La broche centrale correspond au signal de la température sous forme d une tension analogique qui est proportionnel à la température en degré Celsius. La conversion elle aussi est simple puisqu un volt correspond à 100 degrés Celsius Le programme à réaliser Maintenant, vous devez écrire un programme permettant de lire la tension du capteur sur l entrée analogique A0 de l Arduino et de la convertir en degré Celsius. Cette valeur de température devra s afficher sur le moniteur série du logiciel Arduino. Donner la précision de mesure de température (Rappel : les entrées analogiques de l Arduino dispose d un convertisseur 10-bit analogique-numérique Conseils Faire le bilan des entrées/sorties et des composants que vous avez besoin Faire le montage électronique sur la breadboard Attention au sens de branchement du capteur de température Bien réfléchir sur le calcul de conversion Tension/Température Si nécessaire, préparer votre programme sur papier (fonction principale, type de variable nécessaire, schéma bloc.) Ecrire votre programme de manière structuré et bien commenté Tester et valider les objectifs. 21

23 7. Exercice 7 Afficheur 7 segments 7.1. Objectifs Le circuit ci-après permet d afficher un chiffre sur un afficheur 7 segments. L'afficheur 7 segments est connecté sur un décodeur BCD 74HC4511. On spécifie le chiffre à afficher en utilisant des fils de prototypage câblés sur les entrées BCD du décodeur et reliés au +5V ou 0V. On utilisera des résistances de 220ohms pour limiter le courant dans les diodes de l'afficheur comme dans l'exercice N 1. Dans un premier temps, la platine Arduino servira seulement pour l alimentation des composants 7.2. Schéma de câblage 7.3. Technologie des composants Figure 20 Schéma de câblage Exercice Afficheur 7 segments Les afficheurs 7 segments sont un type d'afficheur très présent sur les calculatrices et les montres à affichage numérique. Les caractères (des chiffres, bien que quelques lettres soient utilisées pour l'affichage hexadécimal) s'écrivent en allumant ou en éteignant des segments (LEDs), au nombre de sept. Quand les 7 segments sont allumés, on obtient le chiffre 8. Figure 21 Ecriture des caractères sur un afficheur 7 segments 22

24 Mais comment fonctionne ce composant? Comme son nom l'indique, il y a 7 LEDs dans un afficheur 7 segments (8 en comptant le point rouge en bas à droite). Il existe principalement deux types d'afficheurs: anode commune et cathode commune. Cathode commune veut simplement dire : relié à la masse, s'allume avec un état haut Anode commune : relié à l'alimentation, s'allume avec un état bas. Petit exemple rapide pour comprendre. Imaginons que c'est un afficheur 7 segments en cathode commune : 3 et 8 seront à la masse. Si on veut afficher "1", il faudra mettre 5V sur 6 et 4 (tous les autres à 0V), Pour un "8" il faudra tous les mettre à 5V (sauf 3 et 8 bien sûr). Figure 22 Exemple d afficheur 7 segments en cathode commune Il y a donc 8 pins à commander. Si nous souhaitons trois afficheurs, nous devrons utiliser ainsi 24 pins. Ce qui fait énormément de fils à brancher. Du coup, des décodeurs ont été inventé pour simplifier ces branchements Décodeur 74HC4511 Le décodeur 74HC4511 permet à l aide de 4 pins d en commander 8 à partir de la table de vérité cidessous. Figure 23 Schéma du 74HC4511 et de sa table de vérité 23

25 A partir des signaux envoyés sur les pins A,B,C et D du décodeur, il est possible d activer les sorties a, b, c, d, e, f, g correspondant aux pins d entrées de l afficheur 7 segments. Par exemple, si D=0, C=0, B=0 et A=1, les sorties b et c du décodeur sont activées. Ainsi, les segments b et c de l afficheur 7 segments sont allumés. Le chiffre 1 est ainsi représenté Travail à réaliser Nous vous demandons d effectuer le schéma de câblage présenté juste avant. Quel caractère s affiche sur l afficheur 7 segments? 24

26 8. Exercice 8 Compteur Pilotage à l aide de l arduino Il suffit de reprendre le schéma de câblage précédent et de relier 4 sorties digitales de l Arduino aux 4 entrées du décodeur Programme avec décodeur Vous pouvez alors écrire un programme permettant d afficher des chiffres sur un afficheur 7 segments. Vous pouvez utiliser la fonction bitread(x,n) qui retourne l état du n bit du mot X. Pour aller plus loin, vous pouvez imaginer de créer un compteur de 0 à 9 à chaque fois que vous appuyez sur un bouton poussoir ou encore d afficher la valeur du chiffre des unités de la température issus du capteur LM35 (utilisation de la fonction arduino bitread() 25