arduino : premiers pas en informatique embarquée

533 Pages·2016·10.04 MB·French

ARDUINO : PREMIERS PAS EN
INFORMATIQUE EMBARQUÉE
Eskimon, olyte
19 février 2016

Table des matières
1 Introduction 7
1.0.1 Apprentissagedesbases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Découverte de l’Arduino 9
2.1 Présentationd’Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Qu’est-cequec’est? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 PourquoichoisirArduino? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.3 LescartesArduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.4 Listed’achat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Quelquesbasesélémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.1 Lecourant,latensionetlamasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.2 Larésistanceetsaloi! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.3 Lemicrocontrôleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.4 Lesbasesdecomptage(2,10et16) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 Lelogiciel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.1 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.2 Interfacedulogiciel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.3 Approcheetutilisationdulogiciel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4 Lematériel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4.1 Présentationdelacarte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4.2 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.3 Fonctionnementglobal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.5 LelangageArduino(1/2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.5.1 Lasyntaxedulangage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.5.2 Lesvariables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.5.3 Lesconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.6 LelangageArduino(2/2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.6.1 Lesboucles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.6.2 Lesfonctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.6.3 Lestableaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3 Gestion des entrées / sorties 95
3.1 Notrepremierprogramme! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.1.1 Ladiodeélectroluminescente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.1.2 Parquoioncommence? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.1.3 Créerleprogramme:lesbonsoutils! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.1.4 Commenttoutcelafonctionne? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.2 Introduireletemps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.2.1 Commentfaire? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.2.2 FaireclignoterungroupedeLED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.2.3 Réaliserunchenillard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3
Tabledesmatières
3.2.4 Fonctionmillis() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.3 TPFeuxdesignalisationroutière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.3.1 Préparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.3.2 Énoncédel’exercice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.3.3 Correction! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.4 Unsimplebouton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.4.1 Qu’est-cequ’unbouton? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.4.2 Récupérerl’appuidubouton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3.4.3 InteragiraveclesLED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.4.4 Lesinterruptionsmatérielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
3.5 Afficheurs7segments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
3.5.1 Premièreapproche:côtéélectronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
3.5.2 Affichersonpremierchiffre! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
3.5.3 Techniquesd’affichage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
3.5.4 UtilisationdudécodeurBCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3.5.5 Utiliserplusieursafficheurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
3.5.6 Contraintesdesévènements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
3.6 [TP]Parking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
3.6.1 Consigne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
3.6.2 Correction! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
4 La communication avec Arduino 195
4.1 Généralitéssurlavoiesérie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
4.1.1 Communiquer,pourquoi? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
4.1.2 LanormeRS232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
4.1.3 ConnexionsérieentreArduinoet… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
4.1.4 Audelàd’Arduinoaveclaconnexionsérie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
4.2 Envoyeretrecevoirdesdonnéessurlavoiesérie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
4.2.1 Préparerlavoiesérie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
4.2.2 Envoyerdesdonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
4.2.3 Recevoirdesdonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
4.2.4 [Exercice]Attentionàlacasse! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
4.3 [TP]Baignadeinterdite! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
4.3.1 SujetduTPsurlavoiesérie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
4.3.2 Correction! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
4.3.3 Améliorations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
4.4 [Annexe]Ordinateuretvoiesériedansunautrelangagedeprogrammation . . . . 240
4.4.1 EnC++avecQt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
4.4.2 EnC#(.Net) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
4.4.3 EnPython . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
5 Les grandeurs analogiques 257
5.1 Lesentréesanalogiquesdel’Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
5.1.1 Unsignalanalogique:petitsrappels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
5.1.2 Lesconvertisseursanalogiques–>numériqueouCAN . . . . . . . . . . . . 259
5.1.3 Lectureanalogique,onyvient… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
5.1.4 Exempled’utilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
5.1.5 Unemeilleureprécision? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
4
Tabledesmatières
5.2 [TP]Vu-mètreàLED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
5.2.1 Consigne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
5.2.2 Correction! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
5.2.3 Amélioration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
5.3 Etlessorties“analogiques”,enfin…presque! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
5.3.1 Convertirdesdonnéesbinairesensignalanalogique . . . . . . . . . . . . . 284
5.3.2 LaPWMdel’Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
5.3.3 TransformationPWM->signalanalogique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
5.3.4 ModifierlafréquencedelaPWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
5.4 [Exercice]Uneanimation“YouTube” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
5.4.1 Énoncé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
5.4.2 Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
6 Les capteurs et l’environnement autour d’Arduino 315
6.1 Généralitéssurlescapteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
6.1.1 CapteuretTransducteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
6.1.2 Uncapteur,çacapte! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
6.1.3 Lescaractéristiquesd’uncapteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
6.2 Différentstypesdemesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
6.2.1 ToutOuRien,uncapteurquisaitcequ’ilveut . . . . . . . . . . . . . . . . 323
6.2.2 Capteursàrésistancedesortievariable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
6.2.3 Capteursàtensiondesortievariable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
6.2.4 Étalonnersoncapteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
6.3 Descapteursplusévolués . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
6.3.1 Capteuràsortieenmodulationdelargeurd’impulsion(PWM) . . . . . . . . 354
6.3.2 Capteuràsignaldesortiedefréquencevariable . . . . . . . . . . . . . . . 358
6.3.3 Capteurutilisantunprotocoledecommunication . . . . . . . . . . . . . . 360
7 Le mouvement grâce aux moteurs 363
7.1 Lemoteuràcourantcontinu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
7.1.1 Unmoteur,çafaitquoiaujuste? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
7.1.2 Alimenterunmoteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
7.1.3 Piloterunmoteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
7.1.4 EtArduinodanstoutça? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
7.2 Unmoteurquiadelatête:leServomoteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
7.2.1 Principeduservomoteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
7.2.2 Lacommanded’unservomoteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
7.2.3 Arduinoetlesservomoteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
7.2.4 L’électroniqued’asservissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
7.2.5 Unpeud’exercice! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
7.2.6 Testerunservomoteur“non-standard” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
7.3 Apetitspas,lemoteurpas-à-pas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
7.3.1 Lesdifférentsmoteurspas-à-pasetleurfonctionnement . . . . . . . . . . 440
7.3.2 Seservirdumoteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
7.3.3 UtilisationavecArduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
8 L’affichage, une autre manière d’interagir 465
8.1 LesécransLCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
8.1.1 UnécranLCDc’estquoi? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
5
Tabledesmatières
8.1.2 Quelécranchoisir? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
8.1.3 Commentons’ensert? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
8.2 VotrepremiertextesurleLCD! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
8.2.1 EcriredutextesurleLCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
8.2.2 Sedéplacersurl’écran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
8.2.3 Créeruncaractère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
8.3 [TP]SupervisionavecunLCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
8.3.1 Consigne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
8.3.2 Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
9 Internet of Things : Arduino sur Internet 493
9.1 Découvertedel’EthernetsurArduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
9.1.1 Unréseauinformatiquec’estquoi? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
9.1.2 LeshieldEthernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
9.1.3 Unpeudevocabulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
9.2 ArduinoetEthernet:client . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
9.2.1 ClientetrequêtesHTTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
9.2.2 Utilisationdushieldcommeclient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
9.2.3 Exercice,lirel’uptimedeEskimon.fr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
9.3 ArduinoetEthernet:serveur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
9.3.1 Préparerl’Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
9.3.2 Répondreetservirdesdonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
9.3.3 Agirsurunerequêteplusprécise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
9.3.4 Sortirdesonréseauprivé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
9.3.5 FaireuneinterfacepourdialogueravecsonArduino . . . . . . . . . . . . . 528
10Conclusion 533
10.1 Allerplusloin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
10.2Remerciements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
6
1 Introduction
Bienvenueàtoutesetàtouspouruntutorielsurl’électroniqueetl’informatiqueensemble!:)
Cequenousallonsapprendreaujourd’huiestunmélanged’électroniqueetdeprogrammation.
Onvaeneffetparlerd’informatiqueembarquéequiestunsous-domainedel’électroniqueetqui
al’habiletéd’unirlapuissancedelaprogrammationàlapuissancedel’électronique.
Nousallons,dansunpremiertemps,voircequ’estl’électroniqueetlaprogrammation.Puisnous
enchaînerons sur la prise en main du système Arduino, un système d’informatique embarquée
grandpublic.Enfin,jevousferaiuncourstrèsrapidesurlelangageArduino,maisilposerales
basesdelaprogrammation.Unefoiscesétapespréliminairesachevées,nouspourronsentamer
notrepremierprogrammeetfaireunpasdansl’informatiqueembarquée.
1.0.1 Apprentissage des bases
Lecoursestcomposédefaçonàcequelesbasesessentiellessoientregroupéesdanslespremières
parties.C’est-à-dire,pourcommencerlalecture,vousdevrezlirelesparties1et2.Ensuite,les
parties3et4sontégalementessentiellesetsontàliredansl’ordre.
Aprèscela,vousaurezacquistouteslesbasesnécessairespourpoursuivrelalecturesereinement.
C’est seulement alors que vous pourrez sélectionner les chapitres selon les connaissances que
voussouhaitezacquérir.
7

2 Découverte de l’Arduino
Danscettepremièrepartie,nousferronsnospremierspasavecArduino.Nousallonsavanttout
voirdequoiils’agitexactement,essayerdecomprendrecommentcelafonctionne,puisinstalle-
ronslematérieletlelogicielpourensuiteenchaînersurl’apprentissagedulangagedeprogram-
mationnécessaireaubonfonctionnementdelacarteArduino.Soyezdoncattentifafindebien
comprendretoutcequejevaisvousexpliquer.Sanslesbases,vousn’irezpasbienloin…;)
2.1 Présentation d’Arduino
Commentfairedel’électroniqueenutilisantunlangagedeprogrammation?Laréponse,c’estle
projetArduinoquil’apporte.Vousallezlevoir,celui-ciaétéconçupourêtreaccessibleàtouspar
sasimplicité.Maisilpeutégalementêtred’usageprofessionnel,tantlespossibilitésd’applica-
tionssontnombreuses.
2.1.1 Qu’est-ce que c’est?
UneéquipededéveloppeurscomposéedeMassimoBanzi,DavidCuartielles,TomIgoe,GianlucaMartino,
DavidMellisetNicholasZambettiaimaginéunprojetrépondantaudouxnomdeArduinoetmettant
enœuvreunepetitecarteélectroniqueprogrammableetunlogicielmultiplateforme,quipuisse
êtreaccessibleàtoutunchacundanslebutdecréerfacilementdessystèmesélectroniques.Étant
donnéqu’ilyadesdébutantsparminous,commençonsparvoirunpeulevocabulairecommun
propreaudomainedel’électroniqueetdel’informatique.
2.1.1.0.0.1 Une carte électronique
Une carte électronique est un support plan, flexible
ourigide,généralementcomposéd’epoxyoudefibredeverre.Ellepossèdedespistesélectriques
disposéessurune,deuxouplusieurscouches(ensurfaceet/oueninterne)quipermettentlamise
enrelationélectriquedescomposantsélectroniques.Chaquepisterelietelcomposantàtelautre,
defaçonàcréerunsystèmeélectroniquequifonctionneetquiréaliselesopérationsdemandées.
9
2 Découvertedel’Arduino
Figure : Exemple de carte électronique : Ar-
duinoSeverino-(CC-BY-SA,arduino.cc)
Figure : Carte Arduino Duemilanove -
(CC-BY-SA,arduino.cc)
Évidemment, tous les composants d’une carte électronique ne sont pas forcément reliés entre
eux.Lecâblagedescomposantssuitunplanspécifiqueàchaquecarteélectronique,quisenomme
leschémaélectronique.
10