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Frédéric Genevey info@edurobot.ch Arduino à l’école Cours de l'élève Édition 20

Frédéric Genevey info@edurobot.ch Arduino à l’école Cours de l'élève Édition 2016 VERSION PROVISOIRE 1 Arduino à l'école 2 Avant-propos Ce cours est publié sous l'égide de la communauté Arduino d’Edurobot.ch. Il s’agit d’une ressource éducative libre1, sous licence CC BY-NC-SA2. L’utilisation gratuite de ce cours dans le cadre d’une formation payante est tolérée. Les écoles publiques, les associations et les FabLab peuvent demander gratuitement une version Word de ce document, afin de l’adapter plus aisément à leurs besoins. Ce cours peut être téléchargé à l'adresse suivante: http;//edurobot.ch/arduino/intro.pdf Les codes utilisés dans ce cours peuvent être téléchargés à l'adresse suivante: http://edurobot.ch/arduino/codes.zip 1 http://www.wsis-community.org/pg/groups/14358/open-educational-resources-oer 2 http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ch/ Arduino à l'école 3 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. Avec les élèves, je me suis volontairement limité à travailler en courant continu avec une différence de potentiel maximum de 24 Volts. Quelques règles élémentaires de sécurité Ne jamais connecter directement l’Arduino sur le secteur (230 Volts alternatifs). Pour l’alimentation des projets, utiliser des transformateurs répondants 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. Arduino à l'école 4 Préface 6 Introduction 7 Références 7 Bibliographie 7 À propos des schémas électroniques 9 Utilisation de Fritzing 9 Découverte de la plateforme Arduino 10 Le microcontrôleur 10 L’alimentation 10 La connectique 11 Exploration des connecteurs Arduino 11 La platine d’expérimentation 12 Le logiciel Arduino 13 Les bases de l’électronique 14 Petit rappel sur l’électricité 14 Quelques ressources pour comprendre l’électricité: 14 Les diodes 15 Les résistances 16 Exercice1: le circuit électrique 18 Liste des composants: 18 Observations 18 Le circuit électrique 19 Exercice 2: faire clignoter une LED 20 Introduction 20 Liste des composants: 20 Le menu 21 Code 1: faire clignoter une LED sur la broche 13 22 Observations 22 Introduction au code 23 Le déroulement du programme 23 Le code minimal 23 La fonction 24 Les instructions 24 Les points virgules ; 24 Les accolades { } 24 Les commentaires 24 Les accents 25 Analyse du code 1 25 Modifions le code 26 Exercice 3: faire clignoter quatre LEDs 27 Liste des composants: 27 Code 2 28 Code 3 29 Exercice 4: Les feux de circulation 30 Corrigé 31 Variantes 31 Exercice 4: les variables 32 Arduino à l'école 5 Une variable, qu'est ce que c'est ? 32 Le nom d'une variable 32 Définir une variable 33 Définir les broches du microcontrôleur 33 L’incrémentation 34 Analyse du code 35 Code 5: Réaliser un chenillard sur les broches 10 à 13 avec un for 36 Exercice 5: PWM 38 Code 6: faire varier la luminosité d'une LED en modifiant la valeur PWM 38 Code 7: faire varier la luminosité d'une LED en douceur 39 Exercice 6: les inputs 41 La photorésistance 42 Circuit 3: diviseur de tension 42 Liste des composants: 42 Code 8: valeur de seuil 44 Arduino à l'école 6 Préface Lorsque Massimo Banzi et ses collègues de l’Interaction Design Institute d’Ivrea, en Italie, ont développé l’Arduino, l’objectif était de permettre aux étudiants de pouvoir disposer d’une plateforme valant le prix d’une pizza pour réaliser des projets interactifs3. 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 manuels4. 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 1’200 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. 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. Note: Il n'y a pas de différence marquante entre du matériel Arduino et Genuino. 3 Histoire de l’Arduino: http://www.framablog.org/index.php/post/2011/12/10/arduino-histoire 4 Références: http://spectrum.ieee.org/geek-life/hands-on/the-making-of-arduino et http://www.edurobot.ch/?p=1554 Arduino à l'école 7 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://www.arduino.org http://eskimon.fr/ http://eskimon.fr/ebook-tutoriel-arduino http://mediawiki.e-apprendre.net/index.php/Diduino-Robot https://openclassrooms.com/courses/programmez-vos-premiers-montages-avec-arduino Sources annexes: http://www.mon-club-elec.fr/pmwiki_mon_club_elec/pmwiki.php?n=MAIN.ARDUINO http://chamayou.franck.free.fr/spip/spip.php?article177 http://blog.makezine.com/arduino/ http://www.craslab.org/arduino/livrethtml/LivretArduinoCRAS.html http://arduino103.blogspot.ch http://www.semageek.com Ce cours ne permet qu’une introduction à l’électronique. Un cours bien plus complet et très bien fait est disponible ici: http://fr.openclassrooms.com/sciences/cours/l-electronique-de-zero Bibliographie Il existe de nombreux livres sur Arduino et sur l’électronique. Voici les trois livres que je vous conseille, pour leur côté progressif et didactique: Electronique: 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. Feuilleter ce livre sur Amazon.fr Commander sur Amazon.fr Arduino à l'école 8 Arduino: 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. Feuilleter sur Amazon.fr Commander sur Amazon.fr 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. A conseiller à tous les débutants. Commander le livre sur Amazon.fr A l'aventure avec Arduino – Dès 10 ans, par Becky Stewart ISBN: 978-2212143140 Le sous-titre; « dès 10 ans » implique que ce livre manque complètement sa cible: gros pavés de textes, présentation dense, touffue et un peu triste ainsi que de devoir attendre la page 41 avant de réaliser son premier montage (une résistance, une LED… Maintenant, ce livre a quand même des avantages certains, pour un enseignant ou un parent qui va accompagner des enfants: les exercices sont bien agencés, les explications sont claires et simples à comprendre. Les objectifs sont ambitieux, puisqu’on va aller jusqu’à aborder les registres à décalage et les servos. • Commander le livre sur Amazon.fr Arduino à l'école 9 À propos des schémas électroniques Pour réaliser les schémas électroniques, nous utilisons les outils suivants, disponibles gratuitement sur Mac et PC: Solve Elec: http://www.physicsbox.com/indexsolveelec2fr.html Fido Cadj: http://davbucci.chez-alice.fr/index.php?argument=elettronica/fidocadj/fidocadj.inc Fritzing: http://fritzing.org Utilisation de Fritzing Fritzing est un logiciel gratuit fonctionnant sur Mac, Windows et Linux, développé à l’Université de Potsdam. Il permet à la fois de réaliser des schémas électroniques, mais aussi des vues des montages électroniques. Il inclut par défaut les modules officiels Arduino, ainsi que de nombreux composants des firmes Adafruit et Sparkfun. Le logiciel Frirtzing peut être téléchargé à l’adresse suivante: http://fritzing.org Arduino à l'école 10 Découverte de la plateforme Arduino Le microcontrôleur C’est le cerveau de notre carte. Il va recevoir le programme que nous allons créer et va le stocker dans sa mémoire avant de l’exécuter. Grâce à ce programme, il va savoir faire des choses, qui peuvent être : faire clignoter une LED, afficher des caractères sur un écran, envoyer des données à un ordinateur, mettre en route ou arrêter un moteur… Il existe deux modèles d’Arduino Uno: l’un avec un microcontrôleur de grande taille, et un autre avec un microcontrôleur dit SMD (SMD: Surface Mounted Device, soit composants montés en surface, en opposition aux composants qui traversent la carte électronique et qui sont soudés du côté opposé). D’un point de vue utilisation, il n’y a pas de différence entre les deux types de microcontrôleurs. Arduino Uno Arduino Uno SMD L’alimentation Pour fonctionner, une carte Arduino a besoin d'une alimentation. Le microcontrôleur fonctionnant sous 5V, la carte peut être alimentée en 5V par le port USB ou bien par une alimentation externe qui est comprise entre 7V et 12V. Un régulateur se charge ensuite de réduire la tension à 5V pour uploads/S4/ arduino-cours-2016.pdf