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INSFP de Médéa Section : S4 Electrotechnique Apprentissage Cours Microprocesseu

INSFP de Médéa Section : S4 Electrotechnique Apprentissage Cours Microprocesseur/Microcontrôleur (Arduino-Uno) I - Microprocesseur Le concept de microprocesseur a été créé par la Société Intel. Cette Société, créée en 1968, était spécialisée dans la conception et la fabrication de puces mémoire. Un microprocesseur est un circuit intégré complexe caractérisé par une très grande intégration il se présente donc sous la forme d’un circuit intègre muni d’un nombre généralement important de broches. Exemples : • Intel 8085, 8086 et Zilog Z80 : 40 broches, DIP (Dual In-line Package) ; • Motorola 68000 : 64 broches, DIP ; • Motorola 6809 : 40 broches, DIP ; • Intel 80386 : 196 broches, PGA (Pin Grid Array). Les applications des systèmes à microprocesseurs sont multiples et variées :  Ordinateur  console de jeux  calculatrice  télévision  téléphone portable  distributeur automatique d’argent  robotique  lecteur carte à puce  automobile  instrumentation  etc.… Un microprocesseur a besoin de certains éléments pour fonctionner :  de la mémoire morte dite ROM (principalement pour stocker le programme) ;  de la mémoire vive dite RAM (principalement pour stocker les variables) ;  des périphériques (principalement pour interagir avec le monde extérieur).  une horloge pour le cadencer (principalement à quartz) Ces différents blocs sont reliés par 3 Bus (voir figure1 et figure2) :  le bus d'adresse qui permet au microprocesseur de sélectionner la case mémoire ou le périphérique auquel il veut accéder pour lire ou écrire une information;  le bus de données qui permet le transfert des informations entre les différents blocs ; ces informations seront soit des instructions soit des données en provenance ou à destination de la mémoire ou des périphériques ;  le bus de contrôle qui indique si l'opération en cours est une lecture ou une écriture, si un périphérique demande une interruption etc. Cours Microcontrôleur(Arduino) Page 1 Figure-1- Schéma fonctionnel du up  Horloge: sert à cadencer le programme.  Reset : sert à réinitialiser l’exécution du programme.  Signaux de commande :  Bus d’adresses : sert à adresser les cases mémoires.  Bus de données : utilisé pour transférer les données entre le up et les périphériques E/S.  Bus de commande : sert à commander les périphériques. Exemple : microprocesseur 6809 Figure-2- Circuit correspondant au microprocesseur 6809 Un système minimal à microprocesseur peut être représenté par le schéma fonctionnel suivant : Figure-3- Système minimal à microprocesseur Cours Microcontrôleur(Arduino) Page 2 I-1 Exemple d’un système à microprocesseur Figure-4- Diagramme fonctionnel d’un système à up 6809 II- Microcontrôleurs Un microcontrôleur est un circuit intégré programmable réunissant tous les éléments d’une structure à base de microprocesseur. Voici généralement ce que l’on trouve à l’intérieure d’un tel composant.  Un microprocesseur (CPU).  De la mémoire vive (RAM).  De la mémoire morte (ROM, EEPROM).  Des interfaces séries/parallèles pour connexion des entrées/sorties.  Des convertisseurs Analogiques/ Numériques CAN.  Des Timers pour générer des signaux avec une grande précision.  Etc… En conséquence la structure interne d’un microcontrôleur est illustrée par le schéma de la figure suivante : Cours Microcontrôleur(Arduino) Page 3 Figure-5- Architecture interne d’un microcontrôleur Par conséquent, on peut utiliser un microcontrôleur pour des déférentes applications dans différents domaines comme par exemple l’automatique, l’asservissement, le frigorifique, le domaine médical, l’automobiles, Robotique, etc… II-1 Les différents fabricants de microcontrôleurs On distingue plusieurs fabricants, à savoir Atmel, Microchip, Motorola, etc… Atmel : Atmega 328, Atmega16, etc… Microchip : PIC16F84, PIC16F876, PIC16F877, etc… Motorola : 68HC11, 68HC11, 68HC05,etc… II-2 Le Microcontrôleur Arduino Le microcontrôleur Arduino est une carte de développement conçue et réalisée par des jeunes étudiants de nationalité italienne. Arduino est construit à base de microcontrôleur Atmel, on peut distinguer plusieurs types de cartes Arduino. II-3 Les différentes cartes d’Arduino Il existe une multitude de cartes Arduino différentes, toutes faites pour une plage d’utilisation spécifique. Voici les catégories principales : 1. Arduino Uno : la carte "Uno" est la meilleure carte pour commencer. Elle possède 14 entrées sorties digitales et 6 entrées analogiques, il est à base de microcontrôleur ATmega328. Cours Microcontrôleur(Arduino) Page 4 Cette carte dispose :  de 14 broches numériques d'entrées/sorties (dont 6 peuvent être utilisées en sorties PWM (largeur d'impulsion modulée)),  de 6 entrées analogiques (qui peuvent également être utilisées en broches entrées/sorties numériques),  d'un quartz 16Mhz,  d'une connexion USB,  d'un connecteur d'alimentation jack,  d'un connecteur ICSP (programmation "in-circuit"),  et d'un bouton de réinitialisation (reset). 2. Arduino Micro : cette carte est la plus petite de la marque. Elle est très utile pour faire des projets qui nécessitent d’avoir un microcontrôleur de petite taille, et malgré celle-ci, cette carte possède plus d’entrées/sorties que la carte Uno. Cette carte dispose :  de 14 broches numériques d'entrées/sorties (dont 6 peuvent être utilisées en sorties PWM (largeur d'impulsion modulée)),  de 8 entrées analogiques (qui peuvent également être utilisées en broches entrées/sorties numériques),  d'un quartz 16Mhz, Cours Microcontrôleur(Arduino) Page 5  d'une connexion mini-USB,  d'un connecteur d'alimentation jack,  d'un connecteur ICSP (programmation "in-circuit"),  et d'un bouton de réinitialisation (reset). 3. Arduino Mini : la carte "Mini" à la même caractéristique que la carte "Uno", mais est proposé dans un format plus petit. Elle est donc très utilisée dans des projets qui nécessitent un encombrement minimal tout en gardant un nombre d'entrées/sorties raisonnable 4. Arduino Mega : La carte Arduino Mega est une carte à microcontrôleur ATmega2560. Elle contient tout ce qui est nécessaire pour le fonctionnement du microcontrôleur; Pour pouvoir l'utiliser et se lancer, il suffit simplement de la connecter à un ordinateur à l'aide d'un câble USB (ou de l'alimenter avec un adaptateur secteur ou une pile, mais ceci n'est pas indispensable, l'alimentation étant fournie par le port USB). Cette carte dispose :  de 54 (!) broches numériques d'entrées/sorties (dont 14 peuvent être utilisées en sorties PWM (largeur d'impulsion modulée)),  de 16 entrées analogiques (qui peuvent également être utilisées en broches entrées/sorties numériques),  d'un quartz 16Mhz,  d'une connexion USB,  d'un connecteur d'alimentation jack,  d'un connecteur ICSP (programmation "in-circuit"),  et d'un bouton de réinitialisation (RESET). II-4 Etude théorique de la carte Arduino-Uno La carte d’Arduino-Uno est une carte de développement à microcontrôleur Atmel (ATmega328 dont la programmation peut être réalisée en langage C), elle contient également des composants complémentaires qui facilitent la programmation et l'interfaçage avec d'autres circuits. Elle possède un régulateur linéaire 5 V et un oscillateur à quartz 16 MHz (voir la figure-6-). Cours Microcontrôleur(Arduino) Page 6 L'Arduino utilise la plupart des entrées/sorties du microcontrôleur pour l'interfaçage avec les autres circuits. Il possède 14 entrées/sorties numériques, dont 6 (3, 5, 6, 9, 10,11) peuvent produire des signaux PWM et 6 entrées analogiques (A0 à A5) comme le montre la figure suivante. Figure-6- Constitution de l’Arduino-Uno  A : ce sont les broches dites numériques (0 ou 1) ou « tout ou rien » ; elles offrent en sortie du 5 V ou 0 V et acceptent en entrée du 5 V ou 0 V sur le même principe.  B : ce sont les broches dites analogiques, valeur entre 0 V et 5 V  C : les différentes broches d'alimentation : - sortie 5 V (+) - sortie 3,3 V (+) - les masses (−) - entrée reliée à l'alimentation (7 V-12 V) II-5 Programmation de la carte Arduino La programmation de la carte Arduino se fait par des différents logiciels, à savoir le logiciel Arduino qui est basé sur le langage C. Ce logiciel n’est qu’un environnement de développement intégré (IDE), en outre il est téléchargeable gratuitement des différents sites internet et existe en plusieurs versions, Il nous permet :  D’éditer le programme  De compiler le programme  De transférer le programme dans la carte Arduino via le port USB La figure suivante montre l’interface du logiciel IDE : Cours Microcontrôleur(Arduino) Page 7 Figure-7-  Le cadre N°1 : ce sont les options de configuration du logiciel.  Le cadre N°2 : il contient les boutons qui vont nous servir lorsque l’on va programmer l’Arduino.  Le cadre N°3: ce bloc va contenir le programme que nous allons créer.  Le cadre N°4 : celui-ci est important, car il va nous aider à corriger les fautes dans notre programme. II-5-1 Les boutons de l’interface IDE : Figure-8- Les différents boutons du logiciel Arduino  Bouton 1 : permet de vérifier le programme.  Bouton 2 : permet de charger (téléverser) le programme dans la carte Arduino .  Bouton 3 : crée un nouveau fichier. Cours Microcontrôleur(Arduino) Page 8  Bouton 4 : ouvre un fichier.  Bouton 5 : enregistre le fichier.  Bouton 6 : ouvre le moniteur série. !Fin de formule inattendueII-5-2 Structure d’un programme. Un programme Arduino simple peut être structuré selon la figure suivante : Figure-9- Structure d’un programme - Commentaires : Toujours écrire des commentaires sur le programme soit en multiligne, en écrivant entre des /*….. */, soit sur une seule ligne uploads/Management/ cours-microcontroleur.pdf