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Guide démarrage Arduino - MCHobby - Wiki

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Les Arduino Uno, Mega, Duemilanove et Arduino Nano s'alimentent automatiquement depuis le port USB ou depuis le connecteur d'alimentation de la carte. Si vous utilisez un Arduino Diecimila, vous devez vous assurez que vous avez configuré votre carte pour qu'elle soit alimentée par le port USB (la source d'alimentation est sélectionnée à l'aide d'un cavalier).

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Partie I : Aperçu de la plateforme Arduino et ses cartes d'interface ( shields)

Véritable mini-ordinateur au succès planétaire, traitant les données provenant de composants et capteurs divers (capteur de température, luminosité, mouvement ou boutons-poussoirs, etc.) et communiquant des ordres pour allumer des lampes ou actionner des moteurs électriques, la carte électronique Arduino permet de créer et prototyper de véritables objets numériques interagissant avec le milieu extérieur.

L'environnement de programmation qui l'accompagne propose un IDE et un langage basé sur les langages C / C++.

La communauté libre du monde Arduino contribue largement à diffuser les ressources permettant la création d'objets numériques à moindre coût et accessibles à toutes personnes motivées ayant même des connaissances modestes dans les domaines de l'informatique et l'électronique.

7 commentaires

Article lu fois.

Il s'adresse aux débutants en programmation des microcontrôleurs voulant rejoindre les adeptes du mouvement Do It Yourself dans le domaine du Physical Computing (1). Évidemment, en grand écumeur des forums Developpez.net, la programmation en général ne vous effraie pas. Vous aimeriez juste profiter de votre métier, votre passion pour la programmation, pour interagir avec le monde physique, piloter des robots, automatiser la montée/descente de vos volets déroulants en fonction de l'ensoleillement, construire votre propre station météo et déclencher des alarmes selon des seuils de température, etc.

Seulement vos connaissances en physique/électricité/électronique remontent à vos années lycée, une éternité... Quant à souder vous-même des composants électroniques, n'en parlons pas... Évidemment vous serez obligé de vous y mettre si votre projet doit prendre de l'ampleur, mais pas tout de suite.

Vous avez déjà entendu parler de la plateforme Arduino, peut-être même acheté votre Arduino Uno (une vingtaine d'euros au moment de la rédaction de ces pages) avec quelques composants de base (plaque de câblage rapide avec quelques fils, LED, résistances...) et programmé votre premier " Hello World " (programme qui consiste à faire clignoter la LED intégrée à la carte via la broche n° 13). Vous avez peut-être même déjà commencé à combler vos lacunes en électronique de base, suivi quelques tutoriels pour allumer une, deux puis trois LED voire plus. Classique et indispensable pour débuter...

Ce tutoriel va reprendre un peu tout cela notamment dans cette première partie, mais il propose également d'aller un peu plus loin avec l'utilisation de capteurs évolués, la découverte des cartes d'interface (ou shields) et de bibliothèques tierces. Le programme est vaste, mais les ressources proposées vous permettront de vous lancer dans des projets plus ambitieux en vous tenant le plus possible à l'écart du fer à souder.

L'objectif reste le même que celui de la communauté Arduino, découvrir et s'amuser...

Vous souhaitez créer votre premier robot à moindre coût ? De nombreux kits à base d'une carte Arduino sont disponibles sur le Net :

Ce petit robot roulant à vocation pédagogique possède deux roues indépendantes motorisées et peut être équipé de multiples capteurs pour détecter des obstacles, suivre une ligne au sol, etc.

La structure de cet objet ludique et pluritechnique est résumée dans le diagramme fonctionnel ci-dessous (merci à l'Éducation nationale à qui j'ai emprunté ces magnifiques diagrammes ) :

La partie inférieure comporte la " chaîne d'énergie " dont le rôle est d'adapter/convertir le flux d'énergie rentrant (de nature électrique) en énergie mécanique utilisable au niveau des deux roues motrices.

La partie supérieure comporte la " chaîne d'information ". Les flèches en bleu constituent donc des flux d'information. Cette partie doit acquérir les informations renvoyées par les capteurs (luminosité pour suivre une ligne noire au sol, ultrason pour détecter les obstacles...), les traiter et communiquer les " ordres de commande " à la chaîne d'énergie, éventuellement informer l'utilisateur (signal sonore ou lumineux par exemple).

Il apparaît clairement que c'est dans la chaîne d'information dévolue principalement au traitement de l'information que notre carte Arduino joue son rôle.

Il apparaît également que la carte Arduino est incapable de transmettre directement " la puissance " aux moteurs électriques. Effectivement chacune de ses entrées/sorties numériques peut absorber ou délivrer un courant électrique maximum de 40 mA sous 5 Volts (sans dépasser les 200 mA pour l'ensemble des entrées/sorties) ce qui est insuffisant étant donné le courant typiquement absorbé par ce genre de moteur électrique.

C'est pour cela que vous devez passer par une " carte d'interface " (ici à base de relais) qui à partir des " ordres de commande " communiquée par l'Arduino (signaux véhiculant de l'information de faible puissance électrique) permet de " distribuer " une puissance adaptée à chaque moteur.

Si vous n'avez pas tout assimilé à cette description, retenez au moins ceci :

Le rôle de la carte Arduino est de véhiculer de l' " information " (signaux électriques de faible puissance), et non de transmettre directement de la puissance à un actionneur tel un moteur électrique.

Ceux qui ont essayé de transmettre de la puissance sans passer par ces composants d'interface ont seulement réussi à transmettre des signaux... de fumée

Il existe de nombreux modèles de cartes Arduino, la plus populaire étant probablement la Uno.

Le document ci-dessous(2) vous donne un aperçu de l'organisation de la carte (dimensions : 65 x 52 mm) dans sa version Uno.

III-A. Le microcontrôleur▲

Au moment de la rédaction de ces lignes, le cœur de la carte Arduino Uno est un microcontrôleur de la famille AVR, un Atmel Atmega 328P.

Ce microcontrôleur renferme dans un seul composant :

un processeur 8 bits à architecture RISC ;

de la mémoire avec des espaces physiques séparés :

mémoire Flash (32 Ko) pour les programmes,

mémoire vive SRAM (2 Ko) pour les données,

mémoire EEPROM (2 Ko) pour les données de sauvegarde ;

toute la logique d'horloge (16 MHz) ;

des circuits d'interface et des périphériques d'entrée-sortie permettant au processeur d'accéder au monde extérieur :

des Timers/Counters (T/C) 8 et 16 bits,

génération des signaux PWM,

des interfaces de communication série (UART, SPI, TWI compatible I2C...),

un convertisseur Analogique-Numérique (A/D Conv.),

etc.

Un processeur à 16 MHz et 32 Ko de mémoire Flash pour stocker vos programmes, ces chiffres peuvent prêter à sourire en comparaison des GHz et des Go de votre ordinateur personnel. Mais avec son format carte de crédit et une consommation inférieure au Watt, la carte Arduino satisfera pourtant vos premières exigences en termes d'embarqué.

III-B. L'alimentation▲

Elle a lieu sous une tension de 5 Volts. Elle peut provenir soit de la prise USB lorsque la carte est reliée à l'ordinateur, soit d'un bloc secteur externe (tension entre 7 et 12 Volts, 1 Ampère) via la prise jack standard.

Comme la carte consomme très peu (0,5 W), elle peut également être alimentée par une simple pile 9 V.

Les régulateurs montés sur la carte permettent de fournir des tensions stabilisées à 3,3 ou 5 Volts pour alimenter des périphériques (capteurs, shields...).

Les tensions appliquées aux entrées ne doivent pas dépasser la tension d'alimentation sous peine de détruire le circuit.

III-C. Les entrées/sorties▲

Ce sont les deux rangées de connecteurs de part et d'autre de la carte qui permettent sa connexion au monde extérieur.

III-C-1. Les entrées/sorties numériques D0 à D13▲

III-C-2. Les entrées analogiques A0 à A5▲

IV-A. Installation▲

IV-B. Premier pas dans l'IDE▲

Voici à quoi ressemble l'IDE (Windows), ici avec le programme de démonstration Blink :

Ce premier programme se contentera de faire clignoter la LED jaune témoin qui se trouve près du connecteur D13 de la carte Arduino Uno.

Avant de télécharger le programme dans la carte, il faut relier l'ordinateur et la carte via le câble USB :

Une fois le port activé et reconnu sur l'ordinateur, il faut éventuellement désigner le bon dans l'interface :

Finalement, le processus de rédaction du programme jusqu'à son téléchargement dans la carte peut être résumé grâce au schéma suivant :

IV-C. Le langage de programmation ▲

Sous Windows par exemple, lorsque vous lancez la compilation dans l'IDE, ce sont les outils de la suite WinAVR avec son compilateur GCC qui prennent le relais.

En fait, vous programmez dans un langage propre à Arduino dont la structure s'apparente aux langages C/C++. Mais lorsque vous évoquez une fonction Arduino, non standard C/C++, et pourtant reconnue et coloriée comme un mot-clé dans l'éditeur, vous faites appel en toute transparence à une ou plusieurs bibliothèques rédigées en C ou C++ qui seront incluses à la compilation.

En enveloppant le langage C/C++ de cette manière, les concepteurs de l'IDE ont pu simplifier sa syntaxe et l'adapter aux possibilités de la carte. De nombreuses fonctionnalités de haut niveau sont ainsi proposées à l'utilisateur novice qui n'a plus à se soucier de la logique interne du microcontrôleur.

Revenons au programme de démonstration Blink :

 int led = 13;void setup() {pinMode(led, OUTPUT);}void loop() {digitalWrite(led, HIGH);delay(1000);digitalWrite(led, LOW);delay(1000);}

La structure d'un programme Arduino, rédigé dans l'éditeur, ressemble à ceci et doit toujours comporter les fonctions setup() et loop() :

 void setup() {}void loop() {}

Nous n'allons pas ici décrire toutes les instructions du langage Arduino, vous trouverez les références et la syntaxe sur le site officiel :

Nous insistons tout de même sur les fonctions implantées pour la gestion des entrées/sorties de la carte :

Fonction

Description (partielle)

pinMode()

Configuration des broches numériques en entrée ou en sortie.

digitalWrite()

Pour une broche numérique configurée en sortie, cette instruction permet de mettre son niveau logique à HAUT ou BAS.

digitalRead()

Lecture du niveau logique (HAUT ou BAS) d'une broche numérique configurée en entrée.

analogWrite()

La carte ne possède pas de Convertisseur Numérique Analogique. Il n'est donc théoriquement pas possible d'obtenir une tension continue qui soit l'image d'une valeur numérique (pas de sortie analogique). Il est par contre possible d'en reproduire le comportement en générant un signal rectangulaire ( PWM ou MLI) de rapport cyclique réglable. Beaucoup de composants (LED, moteur électrique à courant continu) agissent comme des filtres passe-bas et fonctionnent comme s'ils étaient alimentés sous une tension continue égale à la valeur moyenne du signal.

analogRead()

Lecture de la valeur de la tension présente sur une entrée analogique (A0 à A5 sur la Uno).
La fonction retourne la valeur issue de la Conversion Analogique Numérique, soit une valeur comprise entre 0 et 1023 (convertisseur 10 bits).

Ainsi, dans la boucle infinie loop() :

void loop() {digitalWrite(led, HIGH);delay(1000);digitalWrite(led, LOW);delay(1000);}

La broche n° 13, reliée à la LED intégrée à la carte, passe alternativement du niveau logique HAUT (HIGH) au niveau logique BAS (LOW) après un délai d'une seconde, ce qui la fait clignoter.

Comme vous le voyez à travers cet exemple, les concepteurs du langage ont prévu d'interfacer facilement vos programmes avec le monde extérieur.

Une carte Arduino seule, même si vous disposez de quelques LED, résistances, boutons poussoir, etc. n'est pas d'une grande utilité et reste dans ce cas limitée à des fins d'apprentissage. Si vous voulez aller plus loin et piloter les moteurs de votre robot, vous devrez passer par une interface dédiée (des composants sur une carte électronique).

Une fois de plus, sous la poussée de la communauté Arduino, de nombreux fabricants proposent une pléthore de cartes d'interface capables de couvrir la majorité des besoins (capteurs, relais de puissance, commande de moteurs, Internet, affichage sur matrice LED ou écran LCD, communication Wifi...).

V-A. Qu'est-ce qu'un shield ?▲

Un shield est une carte d'interface spécialement dédiée à l'Arduino. Ces cartes ont des dimensions sensiblement voisines de la carte Arduino et peuvent s'enficher directement sur les connecteurs de celle-ci.

Il est bien sûr impossible de recenser entièrement ici les centaines de shields existant sur le marché (dont quelques-uns référencés sur le site officiel). Vous trouverez une liste de fabricants et/ou distributeurs de shields pour Arduino dans la sitographie en fin de tutoriel.

On peut tout de même en signaler quelques-uns bien pratiques et donner une idée(3).

V-A-1. Pour le prototypage▲

V-A-2. Pour l'affichage▲

V-A-3. Pour la commande des moteurs▲

V-A-4. Pour communiquer▲

V-B. Comment bien choisir son shield▲

Certains shields sont mieux pensés que d'autres et tout peut se compliquer si vous devez empiler les shields les uns sur les autres, car un seul ne suffit pas.

En voulant combiner les caractéristiques de plusieurs shields, vous risquez de faire rentrer certaines de leurs fonctionnalités en conflit matériel et/ou logiciel. Telle carte ne pourra pas s'empiler sur telle autre, car les broches de la carte du dessus sont trop courtes pour s'enficher correctement sur la carte du dessous à cause d'un composant trop épais. Telle bibliothèque logicielle dédiée à un shield rentre en conflit avec celle d'un autre shield. Ou encore plus rageant, les connecteurs des différents shields partagent le ou les mêmes connecteurs de la carte Arduino.

Et je passe sur les problèmes d'alimentation, d'interférences radio/électriques, etc.

Disons que tout se passe bien si vous n'utilisez qu'un seul shield. Dès que vous commencez à vouloir les empiler, vous devez potasser la documentation constructeur (les data sheets) afin de détecter les éventuels conflits.

Les fabricants proposent en principe sur leur site les documents nécessaires à la mise en œuvre : schéma électrique, data sheet, exemple d'utilisation, etc.

Le site Internet http://shieldlist.org vous propose un moteur de recherche intégré avec des centaines de références pour choisir vos shields.

Pour chaque shield référencé, vous trouverez les caractéristiques principales ainsi qu'un schéma d'allocation des broches bien utile.

À noter que si l'allocation des broches du shield rend le nombre de connecteurs disponibles insuffisant pour d'autres utilisations, vous devrez probablement passer au modèle supérieur comme l' Arduino Mega qui dispose de connecteurs supplémentaires et qui peut parfaitement recevoir les shields conçus initialement pour la Uno.

Processing est un environnement de développement et un langage de programmation basé sur le langage Java adapté à la création plastique et graphique interactive.

Pourquoi on vous parle de ça maintenant ?

Il nous suffit d'observer l'IDE Processing sur la copie d'écran ci-dessous. Cela ne vous rappelle rien ?

La philosophie de Processing est aussi la facilité. Outre ses dispositions pour le graphisme et le multimédia, sa bibliothèque Serial permet la communication sérielle entre l'Arduino et l'ordinateur hôte. L'alliance parfaite...

Voici une vidéo de démonstration qui montre l'utilisation combinée d'une carte Arduino Uno reliée par un câble USB à un PC muni du logiciel Processing.

Votre navigateur ne supporte pas la lecture de cette vidéo (HTML5).

Un module boussole électronique est connecté à la carte Arduino. Le programme implanté dans le microcontrôleur se contente de récupérer les données du module (angle de rotation par rapport au nord) et les transmettre périodiquement par la liaison série établie via le câble USB (port COM virtuel).

Le programme hôte Processing du PC récupère les données numériques pour animer l'aiguille de la boussole à l'écran.

Arduino et Processing, les deux font la paire... Si vous maîtrisez l'un, l'autre vous sera déjà familier.

Comme vous avez pu le constater, ce qui prime dans Arduino, c'est sa simplicité qui permet de mettre en œuvre de nombreux objets numériques à moindre coût sans être un spécialiste du fer à souder ou de la programmation des microcontrôleurs. C'est cette qualité-là qui donne à Arduino le succès planétaire qu'on lui connaît.

Vous êtes maintenant paré à réaliser votre premier prototype dans la deuxième partie de ce tutoriel :

Partie II : Réalisation d'un prototype à base d'Arduino

Je remercie vivement Bktero et deletme pour leur relecture technique et leurs conseils avisés.

Merci également à Maxime et Benjamin pour leurs travaux sur la boussole électronique et qui sont à l'origine de la vidéo.

Je remercie également l'ami ClaudeLELOUP pour sa relecture orthographique.

IX-A. En langue française▲

IX-B. En langue anglaise▲

IX-C. Fabricants et/ou distributeurs de shields pour Arduino▲

Vous avez aimé ce tutoriel ? Alors partagez-le en cliquant sur les boutons suivants :

En gros et au sens large, une discipline qui marie l'informatique, la physique et l'électronique, s'intéressant aux systèmes physiques interactifs qui utilisent des logiciels et des matériels s'interfaçant avec des capteurs, des actionneurs électriques, etc.

Les images des shields suivantes proviennent du site https://www.sparkfun.com et sont sous licence CC BY-NC-SA 3.0

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Partie I : Aperçu de la plateforme Arduino et ses cartes d'interface ( shields ) Véritable mini-ordinateur au succès planétaire, traitant les données provenant de composants et capteurs divers (capteur de température, luminosité, mouvement ou boutons-poussoirs, etc.)

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RobUno est un robot très évolutif et simple à programmer. Son interface de commande est une carte arduino Uno. Il peut se programmer avec le logiciel mBlock (Scratch 2.0) rendant la programmation accessible à tous les publics. Son faible coût et sa programmation par blocs sont parfaitement adaptés aux nouveau programmes de technologie.

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Espace pédagogique : technologies et sciences des ingénieurs - des blocs Scratch convertis en code Arduino

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Le caractère open source du logiciel Scratch nous a permis de demander à l'équipe de Makeblock de le modifier, devenant ainsi mBlock. Voici la démarche pour convertir le langage graphique en code Arduino et le téléverser dans la carte.

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Ressources pour la Technologie au College

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Professeur de Technologie en collège, région PACA (France), j'ai souhaité tout d'abord mutualiser mes ressources accumulées depuis longtemps. A présent, mon but est de créer une veille technologique et pédagogique à partager avec toutes les personnes, enseignantes ou non, intéressées par l'éducation technologique.