Arduino: Introduction, Tools, and Applications in Modern Electronics

8. un bouton de réinitialisation (reset).

Université Libre de TunisA.U : 2021/20224éme année Génie Industriel5Figure. 2 La carte Arduino UNO

Alimentation

La carte Arduino Uno peut-être alimentée soit via la connexion USB (qui fournit 5V jusqu'à

500mA) ou à l'aide d'une alimentation externe. La source d'alimentation est sélectionnée

automatiquement par la carte.

L'alimentation externe (non-USB) peut être soit un adapteur secteur (pouvant fournir

typiquement de 3V à 12V sous 500mA) ou des piles. L'adaptateur secteur peut être connecté

en branchant une prise 2.1mm positif au centre dans le connecteur jack de la carte. Les fils

en provenance d'un bloc de piles peuvent être insérés dans les connecteurs des broches

de la carte appelées Gnd (masse ou 0V) et Vin (Tension positive en entrée) du connecteur

d'alimentation.

Les broches d'alimentation sont les suivantes :

 VIN. La tension d'entrée positive lorsque la carte Arduino est utilisée avec une source de

tension externe (à distinguer du 5V de la connexion USB ou autre source 5V régulée).

Université Libre de TunisA.U : 2021/20224éme année Génie Industriel6 3.3V. Une alimentation de 3.3V fournie par le circuit intégré FTDI (circuit intégré faisant

l'adaptation du signal entre le port USB de votre ordinateur et le port série de l'ATmega) de la

carte est disponible : ceci est intéressant pour certains circuits externes nécessitant cette tension

au lieu du 5V). L'intensité maximale disponible sur cette broche est de 50mA

 GND. Broche de masse (ou 0V).

Mémoire

L'ATmega 328 a 32Ko de mémoire FLASH pour stocker le programme (dont 0.5Ko également

utilisés par le bootloader). L'ATmega 328 a également 2ko de mémoire SRAM (volatile) et 1Ko

d'EEPROM.

Pour info : Le bootloader est un logiciel permettant de lancer un ou plusieurs systèmes

d'exploitation (multiboot), c'est-à-dire qu'il permet d'utiliser plusieurs systèmes, à des moments

différents, sur la même machine..

Entrées et sorties numériques

Chacune des 14 broches numériques de la carte UNO (numérotées des 0 à 13) peut être utilisée

soit comme une entrée numérique, soit comme une sortie numérique, en

utilisant les instructions PinMode(), digitalWrite() et digitalRead() du langage

Arduino. Ces broches fonctionnent en 5V. Chaque broche peut fournir ou recevoir un

maximum de 40mA d'intensité et dispose d'une résistance interne de "rappel au plus" (pull-up)

(déconnectée par défaut) de 20- 50 KOhms. Cette résistance interne s'active sur une broche

en entrée à l'aide de l'instruction digitalWrite(broche, HIGH).

De plus, certaines broches ont des fonctions spécialisées :

 Communication Serie: Broches 0 (RX) et 1 (TX). Utilisées pour recevoir (RX) et

transmettre (TX) les données séries de niveau TTL. Ces broches sont connectées aux broches correspondantes du circuit intégré ATmega8U2 programmé en convertisseur USB-

vers-série de la carte, composant qui assure l'interface entre les niveaux TTL et le port USB

de l'ordinateur.

 Interruptions Externes: Broches 2 et 3. Ces broches peuvent être configurées pour

déclencher une interruption sur une valeur basse, sur un front montant ou descendant, ou

sur un changement de valeur. Voir l'instruction attachInterrupt() pour plus de détails.

 Impulsion PWM (largeur d'impulsion modulée): Broches 3, 5, 6, 9, 10, et 11.

Fournissent une impulsion PWM 8-bits à l'aide de l'instruction analogWrite().

Université Libre de TunisA.U : 2021/20224éme année Génie Industriel7 SPI (Interface Série Périphérique): Broches 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK).

Ces broches supportent la communication SPI (Interface Série Périphérique) disponible avec

la librairie pour communication SPI. Les broches SPI sont également connectées sur le

connecteur ICSP qui est mécaniquement compatible avec les cartes Mega.

 I2C: Broches 4 (SDA) et 5 (SCL). Supportent les communications de protocole I2C (ou

interface TWI (Two Wire Interface - Interface "2 fils"), disponible en utilisant la librairie

Wire/I2C (ou TWI - Two-Wire interface - interface "2 fils") .

 LED: Broche 13. Il y a une LED incluse dans la carte connectée à la broche 13. Lorsque la

broche est au niveau HAUT, la LED est allumée, lorsque la broche est au niveau BAS, la

LED est éteinte.

Broches analogiques

La carte Uno dispose de 6 entrées analogiques (numérotées de 0 à 5), chacune pouvant fournir

une mesure d'une résolution de 10 bits (càd sur 1024 niveaux soit de 0 à 1023) à l'aide de la très

utile fonction analogRead() du langage Arduino. Par défaut, ces broches mesurent entre le 0V

(valeur 0) et le 5V (valeur 1023), mais il est possible de modifier la référence supérieure de la

plage de mesure en utilisant la broche AREF et l'instruction analogReference() du langage

Arduino.

Note : les broches analogiques peuvent être utilisées en tant que broches numériques : elles sont numérotées en tant que broches numériques de 14 à 19.

Autres broches Il y a deux autres broches disponibles sur la carte :

 AREF : Tension de référence pour les entrées analogiques (si différent du 5V). Utilisée avec

l'instruction analogReference().

 Reset : Mettre cette broche au niveau BAS entraîne la réinitialisation (= le redémarrage) du

microcontrôleur. Typiquement, cette broche est utilisée pour ajouter un bouton de

réinitialisation sur le circuit qui bloque celui présent sur la carte.

Université Libre de TunisA.U : 2021/20224éme année Génie Industriel8Communication

La carte Arduino Uno dispose de toute une série de facilités pour communiquer avec un

ordinateur, une autre carte Arduino, ou avec d'autres microcontrôleurs. L'ATmega 328 dispose

d'une UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter ou émetteur-récepteur asynchrone

universel en français) pour communication série de niveau TTL (5V) et qui est disponible sur

les broches 0 (RX) et 1 (TX). Un circuit intégré ATmega8U2 sur la carte assure la connexion

entre cette communication série vers le port USB de l'ordinateur et apparaît comme un port

COM virtuel pour les logiciels de l'ordinateur. Le code utilisé pour programmer l'ATmega8U2

utilise le driver standard USB COM, et aucun autre driver externe n'est nécessaire. Cependant,

sous Windows, un fichier .inf est requis.

Le logiciel Arduino inclut une fenêtre terminal série (ou moniteur série) sur l'ordinateur et qui

permet d'envoyer des textes simples depuis et vers la carte Arduino. Les LEDs RX et TX sur la

carte clignote lorsque les données sont transmises via le circuit intégré USB-vers-série et la

connexion USB vers l'ordinateur (mais pas pour les communications série sur les broches 0 et

1).

Une librairie Série Logicielle permet également la communication série (limitée cependant) sur

n'importe quelle broche numérique de la carte UNO.

L'ATmega 328 supporte également la communication par protocole I2C (ou interface TWI

(Two Wire Interface - Interface "2 fils") et SPI.

2.3. Synthèse des caractéristiques

Microcontrôleur Tension de fonctionnement Tension d'alimentation (recommandée) Tension d'alimentation (limites) Broches E/S numériques Broches d'entrées analogiques Intensité maxi disponible par broche E/S (5V) Intensité maxi disponible pour la sortie 3.3V 50 mA Intensité maxi disponible pour la sortie 5V Fonction de l'alimentation utilisée - 500 mA

ATmega328 5V 7-12V 6-20V 14 (dont 6 disposent d'une sortie PWM) 6 (utilisables en broches E/S numériques) 40 mA (ATTENTION : 200mA cumulé pour l'ensemble des broches E/S)

Mémoire Programme Flash

max si port USB utilisé seul 32 KB (ATmega328) dont 0.5 KB sont utilisés par le bootloader Mémoire SRAM (mémoire volatile) 2 KB (ATmega328) Mémoire EEPROM (mémoire non volatile) 1 KB (ATmega328) Vitesse d'horloge

16 Hz

Université Libre de TunisA.U : 2021/20224éme année Génie Industriel93. La carte Arduino Zero

La carte Arduino Zero (Figure 3) est une simple et puissante 32-bit extension de la plate-forme

établie par l'ONU. Le conseil Zéro élargit la famille en fournissant des performances accrues,

permettant une variété de possibilités de projets pour les appareils, et agit comme un outil

éducatif grand pour apprendre sur le développement d'applications 32 bits.

Figure. 3 La carte Arduino Zero.

4. La carte Arduino Mega

La carte Arduino Mega (Figure 4) est une autre carte qui offre toutes les fonctionnalités des

précédentes, mais avec des options en plus. On retrouve notamment un nombre d’entrées et de

sorties plus importantes ainsi que plusieurs liaisons séries.

Figure. 4 La carte Arduino "Mega"

Université Libre de TunisA.U : 2021/20224éme année Génie Industriel105. La carte Arduino Leonardo

Est une carte microcontrôleur basée sur l’ATmega32u4. Il dispose de 20 broches numériques

d'entrée/sortie (dont 7 peuvent être utilisées comme sorties PWM et 12 entrées en tant

analogiques), un oscillateur à quartz 16 MHz, une connexion micro USB, une prise

d'alimentation, d'une embase ICSP et un bouton de réinitialisation. Il contient tout le nécessaire

pour soutenir le microcontrôleur; simplement le connecter à un ordinateur avec un câble USB

ou de la puissance avec un adaptateur ou d'une batterie AC-DC pour commencer. Le Leonardo

diffère de toutes les cartes précédentes en ce que le ATmega32u4 a intégré la communication

USB, ce qui élimine la nécessité d'un processeur secondaire. Cela permet à la Leonardo

apparaisse à un ordinateur connecté comme une souris et un clavier, en plus d'un (CDC) port

série / COM virtuel.

Figure. 5 La carte Arduino « Leonardo »

Université Libre de TunisA.U : 2021/20224éme année Génie Industriel11VI. Outil de développement IDE d’Arduino

Le logiciel qui permet de programmer votre carte Arduino porte le nom d’IDE, ce qui signifie

Integrated Development Environment ou encore Environnement de Développement Intégré.

En effet, cette application intègre l’édition des programmes, le téléversement dans la carte

Arduino et plusieurs bibliothèques. L’IDE existe pour les trois systèmes d’exploitation.

Lancez l’IDE. Dans le menu Fichier, allez chercher le programme Blink donné en exemple

(Fichier -> Exemples -> 01. Basic -> Blink). Connectez votre carte Arduino en USB à votre

ordinateur. Si votre carte est une carte Uno, vous devez lire en bas à droite de

l’IDE « Arduino/Nano ATmega328 sur COM7 » (Nano et 7 sont des exemples). Avant de

téléverser ce programme dans votre carte Nano, vérifiez dans Outils que le type de carte est

bien une Nano et que le port est bien COM7 (Figure 7), sinon changer les options. Téléversez

le programme et observez la LED qui clignote à la fréquence de 2 Hz (une seconde allumée et

une seconde éteinte). Si c’est le cas, l’IDE est parfaitement installé et vous allez pouvoir

programmer vos cartes.

Figure. 7 Connexion de la carte Arduino

Université Libre de TunisA.U : 2021/20224éme année Génie Industriel12V. Présentation de l’interface IDE 1. Description

Le logiciel IDE Arduino a pour fonctions principales :







de pouvoir écrire et compiler des programmes pour la carte Arduino

de se connecter avec la carte Arduino pour y transférer les programmes

de communiquer avec la carte Arduino

Cet environnement de développement intégré (EDI) dédié au langage Arduino et à la

programmation des cartes Arduino comporte (Figure. 8) :











une BARRE DE MENUS comme pour tout logiciel une interface graphique (GUI),

une BARRE DE BOUTONS qui donne un accès direct aux fonctions essentielles du

logiciel et fait toute sa simplicité d'utilisation,

un EDITEUR (à coloration syntaxique) pour écrire le code de vos programmes, avec

onglets de navigation,

une ZONE DE MESSAGES qui affiche indique l'état des actions en cours,

une CONSOLE TEXTE qui affiche

les messages concernant

le résultat de

la

compilation du programme.

Figure. 8 Présentation de la fenêtre IDE Arduino

Université Libre de TunisA.U : 2021/20224éme année Génie Industriel13Le logiciel Arduino intègre également :

 Un TERMINAL SERIE (Figure. 9) qui permet d'afficher des messages textes reçus de la

carte Arduino et d'envoyer des caractères vers la carte Arduino. Cette fonctionnalité

permet une mise au point facilitée des programmes, permettant d'afficher sur l'ordinateur

l'état de variables, de résultats de calculs ou de conversions analogique-numérique : un

élément essentiel pour améliorer, tester et corriger ses programmes.



Sur votre ordinateur, il faut ouvrir la fenêtre terminal de l'IDE Arduino : pour ce faire, un

simple clic sur le bouton « Sérial Monitor ».

 La fenêtre « Terminal » s'ouvre alors :



Il faut alors régler le débit de communication sur la même valeur que celle utilisée par le

programme avec lequel nous allons programmer la carte Arduino.

Figure. 9 Le moniteur série (Terminal série).

Université Libre de TunisA.U : 2021/20224éme année Génie Industriel142. Principe général d’utilisation

Le code écrit avec le logiciel Arduino est appelé un programme (ou une séquence - sketch en

anglais) :

 Ces programmes sont écrits dans l'éditeur de texte. Celui-ci a les fonctionnalités

usuelles de copier/coller et de rechercher/remplacer le texte.

 la zone de messages donne l'état de l'opération en cours lors des sauvegardes, des

exportations et affiche également les erreurs.

 La console texte affiche les messages produits par le logiciel Arduino incluant des

messages d'erreur détaillés et autres informations utiles.

 la barre de boutons vous permet de vérifier la syntaxe et de transférer les

programmes, créer, ouvrir et sauver votre code, et ouvrir le moniteur série.

 la barre des menus vous permet d'accéder à toutes les fonctionnalités du logiciel

Arduino.

2.1. Description de la barre des boutons

La barre des boutons comporte (voir les détaille figure. 10) :

Vérifier/compiler : Vérifie le code à la recherche d'erreur.

Stop : Stoppe le moniteur série ou les autres boutons activés.

Nouveau : Crée un nouveau code (ouvre une fenêtre d'édition vide).

Ouvrir : Ouvre la liste de tous les programmes dans votre "livre de programmes". Cliquer

sur l'un des programmes l'ouvre dans la fenêtre courante.

Note: en raison d'un bug dans Java, ce menu ne défile pas. Si vous avez besoin d'ouvrir un

programme loin dans la liste, utiliser plutôt le menu File > Sketchbook.

Sauver : Enregistre votre programme.

Transférer vers la carte : Compile votre code et le transféré vers la carte Arduino. Voir ci-

dessous "Transférer les programmes" pour les détails.

Moniteur Série : Ouvre la fenêtre du moniteur (ou terminal) série.

Figure. 10 Détaille de la barre des Boutons.

Université Libre de TunisA.U : 2021/20224éme année Génie Industriel152.2. Transfert des programmes vers la carte Arduino



Pour

première

programmation

de

la

carte,

aller

dans

le menu

File>Examples>Digital>Blink: un programme s'ouvre dans la fenêtre éditeur.

 Appuyez alors sur le bouton Vérifier de la barre d'outils pour lancer la vérification du code.



Si tout va bien, aucun message d'erreur ne doit apparaître dans la console et la

zone de message doit afficher Compilation terminée attestant que la vérification s'est

bien déroulée comme montre la figure. 11.

Figure 11. La console IDE Arduino. Avant de transférer votre programme vers la carte Arduino, vous devez vérifier que vous avez

bien sélectionné la bonne carte Arduino depuis le menu Tools>Board (Outils>Carte). Les

cartes sont décrites ci-dessous. Votre carte doit évidemment être connectée à l'ordinateur via un

câble USB.

Vous devez également sélectionner le bon port série depuis le menu Tools > Serial

Port (Outils > Port Série) : 

Sous Winsows, c'est probablement COM1 ou COM2 (pour une carte série) ou COM4,

COM5, COM7 ou supérieur (pour une carte USB) - pour trouver le bon, vous pouvez chercher

dans la rubrique des ports série USB dans la section des ports du panneau de configuration ou

du gestionnaire de périphériques.

Figure 12. La téléversement du programme vers la carte Arduino.

Université Libre de TunisA.U : 2021/20224éme année Génie Industriel16Le Langage Arduino

Le programme Arduino comprend :







une entête déclarative une partie « configuration » qui ne sera exécutée qu'une fois (fonction setup( ) ) une partie constituée d'une boucle sans fin que le programme répètera à l'infini « fonction loop( ) » : c'est le cœur du programme.

3- Structure : Fonctions de base :

Ces deux fonctions sont obligatoires dans tout programme en langage Arduino :

 

void setup()

void loop() setup()

Description :

La fonction setup() est appelée au démarrage du programme. Cette fonction est utilisée pour initialiser les

variables, le sens des broches, les librairies utilisées. La fonction setup n'est exécutée qu'une seule

fois, après chaque mise sous tension ou reset (réinitialisation) de la carte Arduino.

Syntaxe : void setup() { … } Description : loop ()

Après avoir créé une fonction setup(), qui initialise et fixe les valeurs de démarrage du programme,

la fonction loop () (boucle en anglais) fait exactement ce que son nom suggère et s'exécute en boucle sans

fin, permettant à votre programme de s'exécuter et de répondre. Utiliser cette fonction pour contrôler

activement la carte Arduino.

Syntaxe : void loop () { …. }

Université Libre de TunisA.U : 2021/20224éme année Génie Industriel17Objectif : L’objectif de cette partie est d’écrire des programmes en

Travaux Pratiques

langage Arduino qui utilisent les LEDs et les boutons poussoirs, d'implanter

ces programmes et de faire des investigations pertinentes.

TP 1 : On désire clignoter une LED à l’aide d’un Arduino Uno comme donnée par la figure suivante :

Le fonctionnement normal est décrit par le chronogramme suivant :

Préparation du montage et programmation de la carte Arduino :

 Commencer par réaliser le montage indiqué sur plaque d'expérimentation

 Proposer un programme Arduino répondant à ce cahier de charge.

 Ensuite, tester le programme.

Le programme:

void setup() {

// initialiser la pin digitale (13) LED_BUILTIN comme sortie. pinMode(13, OUTPUT);

}

// la fonction de boucle loop() // boucle infinie

void loop() {

digitalWrite(13, HIGH); // allumer la LED (HIGH est le niveau de tension) delay(1000); // attendre une seconde digitalWrite(13, LOW); // éteignez la LED en réduisant la tension delay(500); // attendre 500ms }

Université Libre de TunisA.U : 2021/20224éme année Génie Industriel19TP 2 : On désire clignoter 3 LEDs à l’aide d’un Arduino Uno comme donnée par la figure suivante :

TP3 : On désire commander une LED à l’aide d’un bouton poussoir via un ArduinoUno comme montre le schéma du montage suivant:

Le matériel nécessaire pour réaliser le montage :











une plaque d'essai pour montage

des straps une LED rouge

une résistance 220 Ohms une résistance de 10KOhms un bouton poussoir

Préparation du montage et programmation de la carte Arduino :

 Commencer par réaliser le montage indiqué sur plaque d'expérimentation

 Ecrire un programme langage Arduino qui permet de faire allumer la LED suite

à l’action sur le bouton poussoir pour une durée de 1s puis s'éteint .

 Ensuite, tester le programme.

Université Libre de TunisA.U : 2021/20224éme année Génie Industriel202/Le programme

const int ledPin = 13; const int ledPin1 = 12; const int buttonPin = 2;

void setup() {

pinMode(ledPin, OUTPUT); //initialiser la pin digitale (13) ledPin comme sortie.

pinMode(ledPin1, OUTPUT); //initialiser la pin digitale (12) ledPin1 comme sortie.

pinMode(buttonPin, INPUT); // initialiser la pin bouton (2) comme entrée (as an input). } void loop() // boucle infinie {

if (digitalRead(buttonPin) == HIGH) // si le bouton (buttonPin ) est enfoncé. Si c'est le cas, l'état du bouton est élevé :

{ digitalWrite(ledPin, HIGH); // allumer ledPin digitalWrite(ledPin1, HIGH); //allumer ledPin1

delay(1000);

}

else

{

digitalWrite(ledPin, LOW); // éteindre la ledPin digitalWrite(ledPin1, LOW); //éteindre la ledPin1

delay(1000);

}

}

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