Arduino ? C’est quoi ?

Le mot « Arduino » englobe un univers créatif depuis quelques années déjà. Les amateurs d’électroniques comme les chevronnés les utilisent dans leur réalisation en mode DIY.

Mais le bon résumé pour quelqu’un qui découvre ce monde serait la suivante : « c’est un matériel qui est un croisement entre un ordinateur très simplifié et un automate programmable, une carte électronique qui peut contenir un programme unique et qui s’exécute automatiquement et indéfiniment lorsqu’elle est sous tension. »

D’ailleurs en parlant de carte, il faut savoir qu’il en existe plusieurs modèles, 16 modèles à l’heure où j’écris ces lignes mais elle repose toute sure un même principe : on écrit un programme sur un ordinateur (PC, Linux ou Mac) qu’on enregistre sur la carte Arduino et qui enfin se lance. Et dans le monde d’Arduino, un programme est appelé « sketch » (croquis en français) qui peut exploiter tous les éléments de la carte mais également tous ce qui peut se connecter dessus.

Parlons un peu des caractéristiques des cartes Arduino…

Comme je disais un peu plus haut, une carte Arduino est un ordinateur très simplifié. Elle n’a pas de clavier, de souris, de haut-parleurs ni même d’écran. Elle dispose de 2 moyens de communication :

  • un port USB permettant la communication et l’échange d’informations entre la carte et votre ordinateur
  • une série de broches placées de chaque côté de la carte

Les 16 modèles comportent ces mêmes moyens de communication mais certains modèles (UNO, la Méga 2560, la Nano, la Due et la Zéro) sont très populaires car elles sont moins chères, plus faciles à prendre en main et très répandus.

Chaque modèle possède des spécificités ou fonctionnalités supplémentaires mais elles ont toutes un point commun : elles se programment toutes de la même façon avec le même langage de programmation.

L’une des caractéristiques les plus importantes d’Arduino est que les schémas de conception et les designs sont Open Source sous licence Creative Commons, ce qui signifie qu’il est autorisé pour n’importe qui à créer des cartes à l’identique ou modifiée sans avoir payé de droits aux concepteurs orignaux. Les clones des cartes Arduino sont donc 100% légaux.

Vous vous demandez surement ce qu’offre un modèle de carte Arduino plutôt qu’une autre ? Hé bien par exemple une Mega 2560 dispose de plus de broches et plus de mémoire qu’une UNO, la Nano est une carte UNO modèle très réduit où les broches sont à souder soi-même, La Due est l’un des modèles les plus puissants, le plus rapide et proposant le plus de broches de toute la gamme. Nous aborderons dans les nombreux articles la carte UNO parce que c’est le modèle le plus répandu, le moins coûteux (environ 20-25 euros en officiel et en Europe) et la plus polyvalente.

Anatomie d’une carte Arduino UNO

  1. Connecteur d’alimentation permettant de brancher un bloc secteur fournissant entre 7 et 12 Volts pour alimenter la carte lorsqu’elle n’est pas branchée par l’USB
  2. Connecteur USB qui permet de relier la carte à l’ordinateur pour y stocker votre sketch et dialoguer avec la carte
  3. Reset qui permet de réinitialiser la carte et fait redémarrer le sketch qui s’y trouve
  4. Microcontrôleur qui est le coeur de l’Arduino et qui possède un processeur et de la mémoire pour faire tourner un sketch
  5. Connecteur de programmation aussi appelé ICSP qui est une autre manière de programmer la carte mais il est nécessaire d’avoir du matériel particulier pour pouvoir le faire. C’est très peu utilisé
  6. Témoin lumineux de communication qui est composé de 2 LED indiquant qu’une communication est en cours entre l’ordinateur et la carte
  7. LED utilisateur qui est un voyant directement connecté à la broche 13 (visible un peu plus haut) de l’Arduino permettant d’expérimenter sans aucun composant externe supplémentaire
  8. Alimentation composait de 2 broches avec une tension de 5 Volts et de 3,3 Volts ainsi qu’une masse pour alimenter vos montages additionnels ou des shields, des circuits spécialement conçus pour une carte Arduino à la méthode « Plug&Play ». Il en existe pour tout et n’importe quoi : piloter un moteur, afficher des textes et des graphiques sur écran, ajouter du Wi-Fi ou une connexion réseau par câble, ajouter un récepteur GPS, envoyer des SMS, …
  9. Broche analogique composait de 6 broches qui peut être utilisée pour lire une tension et ainsi obtenir une valeur numérique correspondante
  10. Entrée/Sortie numérique est une série de broches qui peut être pilotée depuis un sketch pour être mise à +5 volts ou à la masse. Il est donc possible de lire et donc de savoir si elles sont connectées à +5 volts ou à la masse

La base en programmation et en électronique

Bon vous vous dîtes ok il me parle de programmation et d’électronique et moi je n’y connais rien.

Hé bien vous savez quoi ? Ce n’est pas grave et vous allez très vite apprendre.

Le concepteur d’Arduino a fondé cette carte dans un but éducatif et d’utilisation rapide et simple, c’est ce qui fait qu’Arduino est très populaire aujourd’hui. Vous pouvez débuter dans les 2 disciplines sans rien n’y connaître. En plus vous verrez par vous-même qu’il n’y a pas grand-chose à connaître pour commencer, juste quelques bases.

Quelques notions de base en électricité et en électronique

Il est très important de connaître quelques notions de bases en électricité et en électronique avant de commencer à manipuler et utiliser une carte Arduino. En effet, vous allez manipuler avec vos petites mains une carte où du courant électrique la traversera. Ce n’est pas un voltage très élevé bien entendu mais les bases que vous allez apprendre vous permettons de ne pas faire de mauvaises manipulations sous peine de « griller » votre carte Arduino.

Bien commençons par l’électricité. Je ne vais pas vous faire son apogée ou même son histoire car ce n’est pas l’intérêt de l’article. Il est important de bien vous représenter ce qu’est l’électricité et le meilleur moyen est de se l’imager c’est par cette métaphore : l’électricité s’écoule comme de l’eau, de l’endroit où il y en a le plus vers l’endroit où il y en a le moins.

Tout comme l’eau qui se déplace dans des tuyaux, l’électricité se déplace dans des conducteurs, le plus souvent métallique. L’eau dans un tuyau se caractérise par 2 choses : 2 grandeurs. Elle peut avoir un débit plus ou moins important et une pression plus ou moins forte. L’électricité fait de même mais on parlera de courant et de tension.

Qu’est-ce que le courant ?

Le courant (dont le symbole est « I ») se mesure suivant son intensité grâce à une unité de mesure nommée ampère (dont le symbole est « A »). Pour reprendre l’exemple de l’eau, son débit (le courant pour l’électricité) est plus important si elle circule dans des tuyaux plus gros (équivalent de câble). Exemple : un câble d’électroménager est beaucoup plus gros qu’un câble de smartphone car l’électroménager demande une intensité plus importante.

Qu’est-ce que la tension ?

La tension (dont le symbole est « U ») se mesure grâce à une unité de mesure nommée volt (dont le symbole est « V »). Plus la tension est importante, plus le nombre de volts est grand. Pour reprendre l’exemple de l’eau, imaginez que le tuyau transportant l’eau d’un point A qui est à une certaine altitude finit à un point B à une autre altitude. Plus l’altitude qui sépare les 2 points est importante, plus la pression est importante. C’est pareil pour la tension.

Vous avez peut être du mal à vous imager les scénarios ? N’ayez crainte et regardez cette image qui résume parfaitement ce que je viens de vous expliquer :

L’intensité d’un courant et la tension sont très liées par les lois de la physique et pourtant très détachées l’une de l’autre. L’eau peut avoir un débit très important et une pression peu importante. Comme vous pouvez avoir une tension énorme mais très peu de courant.

Multiplions le courant par la tension pour obtenir la puissance

Il est désormais possible de mesurer la puissance émise par la tension et le courant. Car oui un courant de 1 ampère et d’une tension de 1 volt n’est pas le même qu’un courant de 1 ampère et d’une tension de 2 volts.

Cette notion de puissance (dont le symbole est « P ») est mesuré en watt (dont le symbole est « W ») et vous allez voir le calcul est très simple. Il suffit de multiplier la tension en volts par l’intensité du courant en ampères pour obtenir la puissance en watts, ce qui donne la formule : P=U*I. Le courant de 1 ampère en 1 volt donne 1 watt. De même, qu’un courant de 1 ampère en 2 volts donne 2 watts.

Cette notion est importante dans le monde de l’électronique mais aussi dans la vie de tous les jours.

Le courant, la tension, la puissance… et enfin la résistance

Encore un petit effort, nous avons bientôt terminé. Il reste le point de la résistance à aborder. Pas mal de matériaux sont des conducteurs de courant mais certains d’entre eux laissent mieux passer le courant que d’autres. Ceux qui laissent passer le courant sont appelés des conducteurs et ceux qui ne laissent pas passer sont appelés des isolants. Il y a donc des conducteurs qui sont plus ou moins résistants au passage du courant. On peut l’imager très simplement avec l’eau encore une fois. Si on écrase un tuyau, on exerce une résistance sur le passage de l’eau et donc son débit va changer. C’est pareil pour l’électricité, si on applique une résistance sur un courant électrique, son passage sera alors limité. La résistance (dont le symbole est « R ») est mesuré en ohms (dont le symbole est « Ω »).

Il y a donc une relation entre le courant, la tension et la résistance que l’on nomme la loi d’Ohm qui est la base indispensable en électricité et qui s’exprime par ce calcul très simple : U=R*I. Une tension en volts représente la résistance en ohms qu’on multiplie par l’intensité du courant en ampère.

Grâce au courant, la tension, la puissance et la résistance, vous êtes capable de comprendre et de gérer 90% des circuits que vous rencontrez ou que vous réaliserez. La relation de ces 4 éléments se résume par des calculs très simples composés de multiplications ou divisions.

Exemple d’un circuit simple

Voici un exemple très simple pour mettre en application ces 4 éléments. Prenons une pile de 1,5 volt qui comporte une borne négative et une borne positive et on relie une résistance de 100 ohms à ses 2 bornes. C’est un circuit extrêmement simple. Nous connaissons la valeur de la tension (1,5 volt) et la valeur de la résistance (100 ohms).

Nous pouvons en déduire le courant qui circule en ampère par cette formule :

  • U = R * I donc U / R = I et en remplaçant les symboles par les valeurs connues : 1,5 / 100 = I = 0,015 ampère que l’on peut convertir en 15 mA (milliampères)

Mais on peut aussi en déduire la puissance grâce à la formule suivante :

  • P = U * I soit P = 1,5 * 0,0015 = 0,0225 watts ou encore 22,5 mW (milliwatts)

Seulement il y a un problème. Le circuit est très simple : une pile pour le courant et une résistance pour limiter le courant. Pourtant le circuit actuel consomme 22,5 mW. La question à se poser : Où s’enfuient donc ses 22,5 mW ?

Elles ne s’enfuient pas, elles se transforment en énergie thermique. En effet, la résistance va chauffer pour limiter le passage du courant. La puissance sera alors convertie en chaleur.

Résumé graphique des différentes formules possibles

Voici ce qu’on appelle la « roue électrique » qui regroupe différents calculs alliant le mélange de 2 des 4 éléments pour obtenir une finalité. Pour chaque quartier, il y a 3 formulaires différents pour calculer une finalité :

Matériel minimum pour commencer avec Arduino

Les bases de l’électronique sont nécessaires pour débuter avec Arduino, et vous venez de les apprendre. Il reste celle de la programmation mais rassurez-vous serez initier à la programmation que lorsque nous allons interagir avec le matériel. En parlant de matériel, je vais vous expliquer le matériel minimum pour commencer avec Arduino.

La première chose à savoir c’est qu’il existe des « starter kit Arduino » officieux contenant pas mal de composants pour démarrer mais pouvant être assez cher comme investissement surtout lorsque l’on commence. Ils peuvent aller de 45€ à 100€. Bien entendu, des « starter kit » non officieux existent également et bien évidemment beaucoup moins cher mais qui dit non officiel dit aussi clone de carte Arduino et des composants de basse qualité. Mais honnêtement pour débuter c’est beaucoup trop je trouve. Ayant acquis l’un de ses « starter kit » j’avoue ne jamais avoir utilisé certains des composants qui le composent, et je ne sais pas si je les utiliserais un jour.

Quoi qu’il en soit pour commencer vous devez juste acquérir une carte Arduino UNO et je vous conseille vivement une officielle.

Sources : https://www.deviotyourself.com/
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