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Cours pour l'apprentissage des bases de l'électronique et de la programmation s

Cours pour l'apprentissage des bases de l'électronique et de la programmation sur Arduino Lycée Gustave Ferrié Paris 75010 M.MAY Cours pour l'apprentissage des bases de l'électronique et de la programmation sur Arduino I - Historique de ce cours...............................................................................................................................................................4 II - Consignes de sécurité...............................................................................................................................................................4 III - Préface......................................................................................................................................................................................5 IV - Introduction..............................................................................................................................................................................6 - Références........................................................................................................................................................................................6 - Bibliographie................................................................................................................................................................................6 - Les meilleurs cours en ligne................................................................................................................................................11 - À propos des schémas électroniques....................................................................................................................................11 V - Matériel nécessaire.................................................................................................................................................................12 VI - Découverte de la plateforme Arduino...................................................................................................................................13 - Schéma d'une platine Arduino Uno..............................................................................................................................................14 - Le microcontrôleur...............................................................................................................................................................14 - L'alimentation........................................................................................................................................................................15 - La connectique......................................................................................................................................................................15 - La platine d'expérimentation................................................................................................................................................16 VII - Le logiciel Arduino IDE......................................................................................................................................................17 VIII - Les bases de l'électronique..................................................................................................................................................19 - Petit rappel sur l'électricité...........................................................................................................................................................19 - Les diodes.............................................................................................................................................................................20 - Les résistances......................................................................................................................................................................21 IX - Projet 1 : le circuit électrique................................................................................................................................................24 IX-A - Le circuit électrique....................................................................................................................................................25 X - Projet 2 : faire clignoter une LED.........................................................................................................................................26 - Le logiciel Arduino IDE...............................................................................................................................................................27 - Exercice : lancer un SOS..............................................................................................................................................................33 XI - Projet 3 : faire clignoter quatre LED....................................................................................................................................34 XII - Projet 4 : introduction aux variables....................................................................................................................................37 - Une variable, qu'est-ce que c'est ?................................................................................................................................................37 - Définir les broches du microcontrôleur................................................................................................................................39 XIII- Projet 5 : les feux de circulation.........................................................................................................................................40 XIII-A - Variantes...................................................................................................................................................................43 XIV - Projet 6 : l'incrémentation...................................................................................................................................................44 XV - Projet 7 : PWM, variation en douceur d'une LED..............................................................................................................48 XVI - Projet 8 : les inputs numériques.........................................................................................................................................52 - Protéger l'Arduino.........................................................................................................................................................................52 - Résistance Pull-Down / Pull-Up...........................................................................................................................................53 - Circuit 6 : montage avec résistance pull-down (rappel au moins).......................................................................................54 - Petits exercices : bouton-poussoir et LED qui clignote.......................................................................................................58 - Le bargraphe.........................................................................................................................................................................60 - Déparasiter à l'aide de condensateurs...................................................................................................................................66 - Variation : le bargraphe à 10 LED.......................................................................................................................................67 - Variation : l'afficheur numérique..........................................................................................................................................71 - Synthèse : apprendre à compter............................................................................................................................................79 - Code 15 : apprendre à compter............................................................................................................................................81 XVII- Projet 9 : les inputs analogiques........................................................................................................................................85 - La photorésistance.............................................................................................................................................................................86 - Circuit 11 : diviseur de tension............................................................................................................................................87 - Code 16 : valeur de seuil......................................................................................................................................................88 - Code 17 : variation de la luminosité d'une LED en fonction de la lumière ambiante...........................................................89 - Code 18 : mappage de données............................................................................................................................................91 XVIII- Projet 10 : le potentiomètre..............................................................................................................................................92 - Circuit 12 : utiliser le potentiomètre pour faire varier la luminosité d’une LED..........................................................................93 - Circuit 13 : utiliser le potentiomètre pour faire varier la luminosité d’une LED..........................................................................95 - Circuit 14 : allumer les LED d’un bargraphe à l’aide d’un potentiomètre...........................................................................96 - Code 20 : fficher la valeur d'un potentiomètre à l'aide d'un bargraphe................................................................................98 XIX - Projet 11 : construire une station météo...........................................................................................................................101 - Code 21 : acquérir les données du capteur et les afficher..............................................................................................................102 Lycée Gustave Ferrié 75010 Paris Apprentissage de l’électronique par la programmation M.MAY Page 2 - Code 22 : afficher les données sur l'écran LCD................................................................................................................106 XX - Projet 12 : utiliser un servomoteur....................................................................................................................................107 - Code 23 : faire bouger le bras d’un servomoteur dans les deux sens...........................................................................................111 - Code 24 : servomoteur et gestion des tâches.....................................................................................................................112 - Code 25 : commander un servomoteur avec un potentiomètre..........................................................................................113 Lycée Gustave Ferrié 75010 Paris Apprentissage de l’électronique par la programmation M.MAY Page 3 I - Historique de ce cours Les codes utilisés dans ce cours peuvent être téléchargés à l'adresse suivante : https://arduino.education/codes/codes.zip II - Consignes de sécurité L'électricité peut être mortelle ! Pour éviter tout risque, en particulier avec des élèves, il convient de ne travailler qu'avec de la très basse tension (TBT). La tension de fonctionnement de l'Arduino se situe autour de 5 Volts. Quelques règles élémentaires de sécurité • Il ne faut jamais connecter directement l'Arduino au secteur (230 Volts alternatif). • Pour l'alimentation des projets, utiliser des blocs d’alimentation avec adaptateur secteur répondant aux normes de sécurité en vigueur. • Ne pas démonter d'appareils électroniques, sans supervision. Certains composants, comme les condensateurs, peuvent délivrer des décharges électriques mortelles, même lorsqu'ils ne sont pas connectés au secteur. • Ce cours ne permet PAS d'acquérir les compétences et notions de sécurité nécessaires pour travailler avec le secteur (230 V), ni avec l'électricité automobile (12 V). Lycée Gustave Ferrié 75010 Paris Apprentissage de l’électronique par la programmation M.MAY Page 4 Ce cours a été pensé pour des élèves (et des enseignants) qui n'ont aucune notion en programmation et en électronique. Par rapport au gigantesque potentiel de l'Arduino, il est volontairement limité, mais il s'efforce d'être progressif et surtout axé sur la pratique. Il n'est pas fait pour être suivi de manière linéaire. Il sert en effet de cadre théorique. Après les bases acquises, l'enseignant a tout intérêt à travailler en projet en s'appuyant sur ce cours. III- Préface Ainsi, l'Arduino a été conçu dès le départ dans un but pédagogique, pour être bon marché, doté d'une grande quantité d'entrées et de sorties, compatible Mac, Windows et Linux, programmable avec un langage très simple et open source. Il n'y a là que des avantages pour le monde scolaire, en particulier parce que l'Arduino se situe au croisement entre l'informatique, l'électronique et les travaux manuels (3) . L'approche pédagogique de l'Arduino est particulière. Il ne s'agit pas d'aborder la matière d'une manière linéaire, mais en bricolant et en « bidouillant » : on câble, on branche et on regarde ce que cela donne. C'est une approche par la pratique et l'expérimentation qui convient très bien à des élèves, même (et surtout) peu scolaires. Il y a bien sûr un risque de « griller » un Arduino ; mais il ne s'agit que de 30 francs de matériel, et pas d'un ordinateur à 1200 francs ! L'Arduino est un excellent outil pour le learning by doing et le project based learning. Une approche par la théorie, même si elle reste possible, serait contre-productive. La meilleure preuve que l'Arduino est parfaitement adapté aux élèves est qu'en quelques leçons, ils sont déjà prêts à réaliser des projets concrets. Note : il n'y a pas de différence entre du matériel Arduino et Genuino. Faites attention avec les copies chinoises d'Arduino. Les moins chères peuvent poser des problèmes d'utilisation assez importants (drivers nécessaires, câblage avec faux contacts…). Diduino, compatible Arduino, développé à Lausanne Lycée Gustave Ferrié 75010 Paris Apprentissage de l’électronique par la programmation M.MAY Page 5 IV - Introduction - Références Ce document est une compilation et une adaptation de textes et d'exercices, depuis les sources suivantes : Sources principales : • http://arduino.cc/fr/ ; • http://mediawiki.e-apprendre.net/index.php/Diduino-Robot ; • https://www.didel.com. Sources annexes : • http://www.mon-club-elec.fr/pmwiki_mon_club_elec/pmwiki.php?n=MAIN.ARDUINO ; • http://makezine.com/category/technology/arduino/ ; • http://www.craslab.org/arduino/livrethtml/LivretArduinoCRAS.html ; • http://arduino103.blogspot.ch ; Ce cours ne permet qu'une introduction à l'électronique. Par ailleurs, il faut noter l'excellent wiki suivant, qui propose de très nombreuses expériences sur Arduino. Idéal pour des TP ou pour donner des défis aux élèves : • www.wikidebrouillard.org/index.php?title=Catégorie:Arduino - Bibliographie Il existe de nombreux livres sur Arduino et sur l'électronique. Voici une sélection de livres que nous avons évalués et sélectionnés. Note : nous vous encourageons à commander ces livres chez votre libraire. Mais si vous désirez les commander chez Amazon, nous vous serions reconnaissants d'utiliser les liens sponsorisés ci-dessous. Ils me permettent de gagner de quoi commander un ou deux livres Arduino par année. Électronique Lycée Gustave Ferrié 75010 Paris Apprentissage de l’électronique par la programmation M.MAY Page 6 L'électronique en pratique, de Charles Platt ISBN: 978-2212135077 L'approche pédagogique de ce livre est l'apprentissage par la pratique. On commence par expérimenter et découvrir, et ensuite seulement vient la théorie pour affermir et expliciter les découvertes. Cela en fait donc un ouvrage de référence pour l'apprentissage de l'électronique à l'école ; en particulier en complément des Arduino et Raspberry Pi. Il s'agit donc d'un excellent livre pour l'enseignant. L'électronique pour les Kids, de Øyvind Nydal Dahl ISBN: 978-2212118629 Il est parfois difficile d'aborder et de faire comprendre les notions d'électricité et d'électronique aux élèves. C'est là que le livre L'électronique pour les kids vient apporter une approche intéressante : on ne s'embarrasse pas d'Arduino et de programmation. L'entier du premier tiers du livre, soit la partie 1, est consacré à l'électricité. De manière simple et pédagogique, l'enfant comprend ce qu'est l'électricité. La seconde partie permet la découverte des différents composants électroniques au travers de petits circuits, dont certains sont soudés. Enfin, la troisième partie est une approche du monde numérique, mais par l'électronique. Et c'est cette partie, elle est géniale ! On aborde les circuits logiques, le binaire… Arduino Lycée Gustave Ferrié 75010 Paris Apprentissage de l’électronique par la programmation M.MAY Page 7 Le grand livre d'Arduino, d'Erik Bartmann ISBN: 978-2212137019 Ce livre est sans doute l'un des meilleurs pour débuter sur Arduino. Il offre une introduction rapide à l'électronique et surtout le code est très bien expliqué, agrémenté de schémas. Il ne se limite enfin pas à quelques notions de base, mais va assez loin. Démarrez avec Arduino – 2e édition : Principes de base et premiers montages, par Massimo Banzi ISBN: 978-2100701520 Massimo Banzi est l'un des principaux créateurs d'Arduino. Autant dire qu'il connaît son sujet ! L'accent de cet ouvrage est mis sur une initiation à la programmation de l'Arduino, plus que sur l'électronique. À conseiller à tous les débutants. À l'aventure avec Arduino – Dès 10 ans, par Becky Stewart ISBN: 978-2212143140 Le sous-titre ; « dès 10 ans » implique que ce livre uploads/Ingenierie_Lourd/ arduino-a-z-lycee-gustave-ferrie-m-may.pdf