Cours Arduino et Programtion Pr. F. NADIR.pdf

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Algorithme et
programmation C
Département Génie Electrique
Pr. Fatima Ezzahra NADIR
Année Universitaire : 2022 - 2023

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Présentation
Arduino est un projet créé par une équipe de développeurs, composée de six
individus. Cette équipe a créé le "système Arduino", comme outil qui va permettre
aux débutants, amateurs ou professionnels de créer des systèmes électroniques plus
ou moins complexes. Le gros avantage de l'électronique programmée c'est qu'elle
simplifie grandement les schémas électroniques et par conséquent, le coût de la
réalisation et la charge de travail à la conception d'une carte électronique.
ARDUINO
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Présentation
Le système Arduino nous permet de réaliser un grand nombre de choses, qui ont
une application dans tous les domaines. L'étendue de l'utilisation de l'Arduino est
gigantesque. A l’aide d’Arduino, on peut :
 Contrôler les appareils domestiques
 Fabriquer votre propre robot
 Faire un jeu de lumières
 Communiquer avec l'ordinateur
 Télécommander un appareil mobile
 etc.
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Partie Matériel
Il s'agit d'une carte électronique basée autour d'un microcontrôleur Atmega du fabricant
Atmel. Elle permet, à partir des événements détectés par des capteurs, de traiter puis
commander des actionneurs, elle représente une interface programmable.
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Carte Arduino
Capteur
Actionneur
ou
Pré-actionneur
Ou
Afficheur
Présentation

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Il existe différents carte Arduino:
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Arduino Uno
Arduino Mega
Arduino Nano
Arduino Leonardo
Partie Matériel
Types de Carte Arduino

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Il existe différents carte Arduino:
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Arduino Genuino
Arduino Seeduino
Arduino Micro
Partie Matériel

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Les paramètres à prendre en compte pour le choix de la carte sont :
 Le prix,
 La dimension,
 Le nombre d’entrée sorties,
 Le poids,
 La taille mémoire,
 Les connecteurs disponibles,
 La fréquence de l’horloge.
 ….
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Partie Matériel

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Partie Matériel Choix de la carte

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Exemple : Arduino UNO
 Alimentation: via port USB ou 7 à 12 V
sur connecteur d’alimentation
 Microprocesseur: ATMega328
 Mémoire flash: 32 KB
 Mémoire SRAM: 2 KB
 Mémoire EEPROM: 1 KB
 Interfaces:
- 14 broches d'E/S dont 6 PWM
- 6 entrées analogiques 10 bits
- Bus série, I2C et SPI
 Intensité par E/S: 40 mA
 Tension de fonctionnement 5V.
 Fréquence : 16 MHz
Partie Matériel

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Les cartes d’extensions s'enfichent sur la carte Arduino telles que : les Relais,
les carte de commande des moteurs, lecteur carte SD, les shilds Ethernet, WIFI,
GSM, GPS, Afficheurs LCD, ...
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Module Ethernet Module GSM Commande Moteurs
Partie Matériel Les cartes d'extension (Shields)

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Le Logiciel
Arduino IDE (Environnement de Développement Intégré) est un environnement
fonctionnant sur divers systèmes d’exploitation (Windows, Mac OS, Gnu/Linux).
Il permet de programmer la carte Arduino à l’aide d’un logiciel gratuit et open
source, développé en Java. Son rôle est l’édition, la compilation et le transfert du
programme dans la carte via le port USB.
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Le code source en
langage haut niveau en
C/C++
Langage bas niveau ou
langage machine ou
langage binaire
(fichier.hex)
Traduction en
langage
machine
« Compilation »
IDE Arduino

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Partie Logiciel
Après l’installation de l’IDE d’arduino, on
se trouve devant une interface permettant de
programmer le microcontrôleur :
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Le Logiciel
1 : permet de vérifier votre programme.
2 : Ce bouton permet de téléverser le programme.
Le logiciel va transférer votre programme compilé
(transformé en langage machine) dans la mémoire du
microcontrôleur de l'Arduino. Une fois cette
opération effectuée, l'Arduino gardera ce programme
en mémoire et l'exécutera tant qu'il sera alimenté en
électricité. Il sera donc autonome et ne dépendra plus
de l'ordinateur !
ARDUINO
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Le Logiciel
3 : Créer un nouveau programme.
4: Ouvrir un programme existant.
5 : Enregistrer son programme.
6 : Moniteur série.
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Le Logiciel
7 : Choix du type de la carte
8 : Choir du processeur
9 : Choix du port de communication
Série
ARDUINO
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Avec Arduino, on utilise un code minimal pour crée un programme. Il permet de
diviser le programme en deux grosses parties :
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La syntaxe du langage
void setup() //fonction d'initialisation de la carte
{
//contenu de l'initialisation
}
void loop() //fonction principale, elle se répète (s’exécute) à l'infini
{
//contenu de votre programme
}

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Avec Arduino, on utilise un code minimal pour crée un programme. Il permet de
diviser le programme en deux grosses parties :
ARDUINO
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La syntaxe du langage
void setup() //fonction d'initialisation de la carte
{
//contenu de l'initialisation
}
void loop() //fonction principale, elle se répète (s’exécute) à l'infini
{
//contenu de votre programme
}
On y retrouvera la mise en
place des différentes
sorties et quelques autres
réglages. C'est un peu le
check-up de démarrage
Il s ’agit d’une
boucle infinie où on
écrit le contenu du
programme.

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Pour faire des communications entre différents supports, il existe différents
moyens, tels que : les bus CAN, le bus I²C, la communication série. Cette dernière
aussi appelée RS232, est intégrée par défaut dans la carte Arduino. Dans sa forme
la plus simple, elle ne nécessite que 3 fils : 2 pour l'émission/réception et 1 pour la
masse afin d'avoir un référentiel électrique commun. La communication série est
soumis à un protocole de communication, qui représente des règles prédéfinis pour
établir un bonne communication entre les terminaux.
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Communication par la liaison série

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 La liaison simplex : Il n'y a qu’un seul émetteur et un seul récepteur. Par
exemple, seul l'ordinateur peut envoyer des données à la carte Arduino.
 La liaison half-duplex : elle permet tour à tour d'émettre et de recevoir des
données. Les transferts de données sont autorisés dans les deux sens mais jamais
en même temps.
 La liaison full-duplex : désigne un fonctionnement bidirectionnel simultané. À
tout moment, les deux modems peuvent recevoir et émettre des données.
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Les types de liaison série

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Transmission et Réception des données
Les données sont envoyées bit par bit sur la voie de transmission. Toutefois,
étant donné que la plupart des processeurs traitent les informations de façon
parallèle, il s'agit de transformer des données arrivant de façon parallèle en
données en série au niveau de l'émetteur, et inversement au niveau du récepteur.

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Protocole de communication RS232
Pour envoyer un octet de donnée on suit les étapes suivantes:
1. Envoi du bit de début ou bit de start, Il possède un niveau logique NL0.
2. Envoi des 8 bits (un mot ou un byte) de données bit par bit.
3. Envoi du bit de parité (cette information n’est pas obligatoire), il représente le
nombre de 1 dans la donnée transmise, s’il est pair, le bit de parité est égale au
NL0, s’il est impaire, il est égale au NL1.
4. Envoi du bit de fin ou bit de stop, Il possède un niveau logique NL1.

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LSB MSB
MSB (Most Significant Bit) : poids fort LSB (Less Significant Bit) : poids faible

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La norme RS232 définit les niveaux de tension qui
doivent être utilisés pour l'échange de données.
Cependant, le micro-contrôleur sur la carte Arduino
n'utilise que des tensions de 0 et 5V (sauf pour ses
entrées analogiques). Or, la norme RS232 nous impose
ceci :
 Le NL0 doit être une tension comprise entre -3V et -
25V
 Le NL1 doit être une tension comprise entre +3V et
+25V:

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Utiliser la liaison série avec Arduino
La transmission par voie série se fait, grâce à l'électricité. Cependant, les niveaux
électriques (les tensions) ne sont pas toujours les mêmes :
 Pour l’ordinateur : utilise des niveaux de -12V à +12V, en utilisant le câble l’usb, les
niveaux seront donc toujours du5V maximum. Ensuite, un composant intégré à Arduino se
chargera de simuler une voie série et tout devient transparent pour votre ordinateur. Il vous
suffit donc juste d'utiliser le câble USB et de le relier.
 Pour Arduino : utilise les niveaux de 0 ou 5V, cependant pour communiquer avec des
composants électrique, on utilise l’adaptation de niveau. Afin de faire cette conversion, un
composant est placé entre les deux supports. Le but de ce composant sera de faire
l'adaptation afin que tout le monde se comprenne.

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La vitesse de communication
Quand on utilise la voie série, il faut définir la vitesse à laquelle sont transférées
les données. En effet, comme les bits sont transmis un par un, la liaison série envois
les données en un temps prédéfini. Par exemple, on pourra envoyer une totalité de
9600 bits par secondes (9600 bps). Avec cette liaison, on peut envoyer entre 75 et
115200 bits par secondes.

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Configuration de la liaison série
Pour utiliser la liaison série et communiquer, on utilise un objet qui est intégré dans
l'ensemble Arduino : l'objet Serial. Pour initialiser l'objet Serial, ainsi que définir la vitesse
à laquelle ces deux dispositifs vont communiquer, on utilise l’instruction suivante au niveau
de la fonction de configuration setup() :
void setup()
{
Serial.begin(9600); //on démarre la liaison en la réglant à une vitesse de 9600 bits par seconde.
}

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Envoyer des données
Pour que la carte arduino envoie des donnée à un récepteur, on utilise les fonction print()
et println() :
 print() : cette fonction permet d'envoyer des données sur la liaison série. On peut par
exemple envoyer un caractère, une chaine de caractère ou d'autres données.
 println() : c'est la même fonction que la précédente, elle permet simplement un retour à
la ligne à la fin du message envoyé.

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void setup()
{
Serial.begin(9600); //on démarre la liaison en la réglant à une vitesse de 9600 bits par seconde.
Serial.print("DUT GE");
Serial.println("EST AGADIR");
Serial.println("Département Génie Electrique");
}

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 Envoyer une valeur :
 Envoyer une valeur réel et spécifier le nombre de chiffre après la virgules :
Serial.print("3.1415926535");
Serial.print("3.1415926535", 4);

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 Envoyer la valeur d’une variable :
Serial.print(Variable);

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Réception des données
Pour vérifier si on a reçu des données, il faut
régulièrement interroger la carte pour lui demander si des
données sont disponibles dans son buffer de réception.
Un buffer est une zone mémoire permettant de stocker
des données sur un cours instant. Dans notre situation,
cette mémoire est dédiée à la réception sur la voie série.
Il en existe un, aussi pour l'envoi de donnée, qui met à la
queue les données à envoyer et les envoie dès que
possible. Pour cela, on utilise la fonction available() de
l'objet Serial. Cette fonction renvoie le nombre de
caractères dans le buffer de réception de la liaison série.
void loop()
{
int Data_Dispo = Serial.available();
if(Data_Dispo > 0)
{
//Lire puis faire un traitement
}
}

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Une fois que l'on sait qu'il y a des
données, il faut aller les lire pour les
utiliser au niveau du traitement. La
lecture se fait avec la fonction read() :
Réception des données
void loop()
{
int Data=0;
int Data_Dispo = Serial.available();
while(Data_Dispo > 0)
{
Data=Serial.read();
Serial.prinln(Data);
}
}

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1. Définir les broches du microcontrôleur en créant une variable définissant la broche
utilisée.
2. Au niveau de la fonction setup(), à l’aide de la fonction pinMode(), définir la broche
utilisée en sortie du microcontrôleur. Cette fonction prend en paramètre :
• Le nom de la variable que l'on a défini à la broche.
• Le type de broche que cela va être (entrée ou sortie).
Sortie TOR : Allumer une LED
const int led_rouge = 2;
void setup()
{
pinMode(led_rouge, OUTPUT);
}
Gestion des entrées sorties digitales

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3. Au niveau de la fonction loop(), Définir le programme de la gestion de la sortie, en
l’activant à l’état haut (HIGH) ou l’état bas (LOW),
void loop()
{
digitalWrite(led_rouge, HIGH);
}

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Pour introduire le notion de temps au niveau d’Arduino, on utilise la fonction delay().
La fonction admet un paramètre, qui est le temps pendant lequel, on veut mettre en pause
le programme. Ce temps doit être donné en millisecondes.
Gérer le temps

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Exemple : Clignotement d’une LED
void loop()
{
digitalWrite(led_rouge, HIGH);
Delay(1000);
digitalWrite(led_rouge, LOW);
Delay(1000);
}

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1. Définir les broches du microcontrôleur en créant une variable définissant la broche
utilisée.
2. Au niveau de la fonction setup(), à l’aide de la fonction pinMode(), définir la broche
utilisée en entrée du microcontrôleur.
Entrée TOR : Récupérer l’état d’une entrée
const int Bouton = 2;
pinMode(Bouton, INPUT);
pinMode(Bouton, INPUT_PULLUP);
pinMode(Bouton, INPUT_PULLDOWN);
On utilise ses deux instructions, pour éviter de laisser
l’entrée en l’air. L’état haute impédance (en air), peut
avoir n’importe quelle valeur comprise entre 0 et 5 V et
peut être interprétée comme un LOW ou un HIGH par la
fonction digitalRead() .

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3. Au niveau de la fonction loop(), définir le programme en fonction de l’état de l’entrée,
en utilisant la fonction digitalRead()
void loop()
{
etat = digitalRead(Bouton);
if(etat == HIGH)
//action lorsque le bouton est appuyé
else
//action lorsque le bouton est relâché
}

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1kΩ
Bouton poussoir

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Exercice
Réaliser un jeux de lumière qui contient 6 LEDs et qui se manipule comme suit :
- L’ordre du jeux est donné par un bouton.
- Le jeux de LEDs se répète 5 fois.

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Gestion des entrées sorties Analogiques
Définition
une valeur analogique ne s’exprimée pas par 0 ou 1 (0 ou 5V). Elle peut prendre
une infinité de valeurs dans un intervalle donné. Dans le cas d’arduino, la grandeur
analogique pourra varier de 0 à 5V. Puisque le traitement se fait au niveau du
microcontrôleur et qui reçoit une information numérique, d’où l’intérêt
d’implémenter un convertisseur analogique numérique. Ce dispositif, permet de
convertir des grandeurs analogiques en grandeurs numériques. La valeur
numérique obtenue sera proportionnelle à la valeur analogique fournie en entrée.

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Pour lire une entrée analogique, on utilise la fonction analogRead(pin). Cette
fonction permet de lire la valeur lue sur une entrée analogique de l'Arduino. Elle
prend en argument, le numéro de l'entrée analogique à lire, et retourne la valeur lue
qui est un entier représentant le résultat de la conversion analogique->numérique,
dont la valeur est comprise entre 0 et 1023
Entrée Analogique : Lire une entrée Analogique
const int MonCapteur = 3;
void loop()
{
valeurLue = analogRead(MonCapteur);
}

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Entrée Analogique : Lire une entrée Analogique
Potentiomètre

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La PWM (Pulse Width Modulation) ou Modulation à Largeur d'Impulsion
(MLI), est un signal de fréquence fixe qui a un rapport cyclique qui varie avec le
temps suivant les ordres qu'elle reçoit. Le rapport cyclique est mesuré en pour cent
(%). Plus le pourcentage est élevé, plus le niveau logique 1 est présent dans la
période et moins le niveau logique 0 il est. Et inversement. Le rapport cyclique du
signal est donc le pourcentage de temps de la période durant lequel le signal est au
niveau logique 1.
Sortie : PWM ou MLI

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Sortie : PWM ou MLI
Veff=E
𝑇𝑜𝑛
𝑇

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1. Définir sur la carte Arduino, la broche qui est compatible avec la génération d'une
PWM. Par exemple pour Arduino UNO, elles sont repérées par le symbole tilde ~ (3,
5, 6, 9, 10 et 11).
2. Définir la fréquence de la PWM. Par exemple, la fréquence par défaut de
l'Arduino UNO est de 490 Hz pour les pins 3, 9, 10, 11 et de 980 Hz pour les pins 5 et
6 afin de dimensionnement du circuit lissage en cas de besoin.
Sortie : PWM ou MLI

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Pour utiliser la PWM, Arduino intègre une fonction toute prête, qui est la fonction
analogWrite(). Cette fonction prend deux arguments en paramètres :
 Le premier est le numéro de la broche où l'on veut générer la PWM.
 Le second argument représente la valeur du rapport cyclique à appliquer. Cette
valeur ne s'exprime pas cette valeur en pourcentage, mais avec un nombre entier
compris entre 0 et 255.
Sortie : PWM ou MLI
const int Pin_PWM = 3;
void loop()
{
analogWrite(Pin_PWM, 150);
}

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Exercice
Un capteur de température mesure la température d’un four entre (0°C à 100°C) qui est
l’image de 0 à 5V :
 Si la température est supérieure à 80°C, allumer une LED rouge, afficher le message :
« Le four est chaud », au niveau du moniteur série et allumer Led Rouge.
 Si la température est inférieure à 20°C, allumer une LED bleu, afficher le message :
« Le four est froid », au niveau du moniteur série et allumer Led Bleu.
 Si la température est compris entre 20°C et 80°C, allumer une LED verte, afficher le
message : « La température du four est moyenne», au niveau du moniteur série et allumer
Led Verte.
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