IPA05 – Arduino debutant: Découverte de la carte et du logiciel.

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Petits rappels d’électronique.

Avant de vous lancer tête baissée dans votre câblage, je pense qu’il est bon de faire un petit rappel des règles de bases en électronique.

Généralités: Tensions et courants.

En général, vos montages serons caractérisés par deux grandeurs électrique, la tension et le courant. Encore une fois évitons les grandes théories, et dans un premier temps, voici comment vous pouvez vous les représenter:

  • La tension (qui s’exprime en Volt (V)) est la grandeur que vous imposez à votre montage. Par exemple via votre pile 9V, ou vos 4 piles 1.5V en séries qui vous fournissent du 6V, ou le cable USB raccordé à un ordinateur qui vous fournit du 5V, ou votre adaptateur de téléphone qui donne du 14V…
  • Le courant (exprimé en Ampère (A)) est la grandeur que demande votre montage selon les composants que vous y mettez. Par exemple avec la même pile 9V, un montage composé d’une résistance de 10 Ohms consommera 0.9A, et un montage composé d’une résistance de 100 Ohms consommera 0.09A. Vous voyez donc qu’avec une même tension, le courant d’un circuit peut être différent.

Particularités de notre projet.

Notre « projet » consiste à faire changer l’état d’une LED en fonction de l’appui d’un bouton. Nous aurons donc besoin:

  • Une carte arduino.
  • Un bouton (et sa résistance de rappel).
  • Une LED (et par conséquent avec une résistance en série).

Nous avons déjà vu le fonctionnement du bouton dans les tout premiers chapitres.

Nous venons de parler longuement de l’arduino UNO.

Par contre parlons un peu de la résistance et de la LED.

La résistance.

La résistance (exprimée en Ohm (Ω)) est l’un des éléments les plus communs en électronique et voici ses différentes représentations (ces différences dépendent des normes des pays):

Symbole resistance

Note: En france nous la représentons par le deuxième symbole.

Cet élément vous servira principalement à controler le courant de vos montages. Par exemple, vous savez qu’un arduino UNO ne doit pas délivrer plus de 0.04A en sortie (soit 40 milli-ampère, 40mA) et c’est donc grâce à la résistance que l’on s’assurera de respecter cette condition.

Les résistances se ressemblent énormément et leurs seule différences sera quatre anneaux de couleurs (certaine peuvent en avoir cinq ou six). Ces anneaux servent à en connaitre leur valeur, et voici comment les reconnaitre:

Code couleur résistance électrique

Les deux premiers anneaux représentent la valeur « absolue » de la résistance (parfois indiquée sur 3 anneaux).

Le multiplicateur est la « puissance de 10 » de la résistance.

L’anneau de droite représente la tolérance, elle indique la tolérance autour de la précision de la résistance.

L’anneau supplémentaire (bien plus rare) est un coefficient thermique.

Exemples:

Vous cherchez une résistance de 190Ω, il vous faut donc 19*10, ce qui fait marron/blanc/marron.

Vous cherchez une résistance de 220Ω, il vous faut donc 22*10, ce qui fait rouge/rouge/marron.

Vous cherchez une résistance de 4700Ω, il vous faut donc 47*100, ce qui fait jaune/violet/rouge.

Vous cherchez une résistance de 10000Ω, il vous faut donc 10*1000, ce qui fait marron/noir/orange.

La LED (Diode Electro Luminissante).

C’est un élément qui a la particularité de s’allumer et laisser passer le courant lorsqu’on lui applique une tension dans un certain sens. En voici le symbole:

Schema led

Vous pouvez voir que ses deux bornes se nomment anode et cathode. Et bien la diode s’allume lorsque l’on applique la tension positive sur l’anode et la tension négative sur la cathode. Dans ce cas elle laisse passer le courant (on peut la considérer comme un interrupteur fermé).

Lorsqu’on l’alimente en sens inverse (le + sur la cathode et le – sur l’anode), alors elle s’éteint et ne laisse plus passer le courant (on peut la considérer comme un interrupteur ouvert).

En général, lorsqu’une LED s’allume, elle fait chuter la tension du montage d’environ 1.2V. Le courant pour avoir un éclairage optimal est de 0.02A (soit 20 mA). Pour plus de précisions, vous pouvez consulter les datasheet (document avec les caractéristiques) de celle ci.

Une formule à connaitre: La loi d’ohm.

Nous aurons besoin de trois notions:

  • La tension électrique U: s’exprime en Volt (V). C’est VOUS qui l’imposez au montage en choisissant votre source électrique (exemple: une pile de 9V, un adaptateur type téléphone à 14V, branché à un PC en USB à 5V…).
  • La résistance R:  s’exprime en Ohm ( Ω ). Elle représente la résistance qu’à un composant dans un montage.
  • Le courant I: s’exprime en ampère (A). Il représente un courant traversant une résistance.

Il existe une formule reliant ces trois notion, la loi d’ohm:

U = R * I ou I = U / R ou R = U / I 

(ces trois formules sont les mêmes, mais présentées différemment).

Et voila comment on peut les représenter dans un schéma.

  • On dit qu’une tension U est « aux borne de la résistance », c’est pour cela que nous la représentons avec une flèche allant d’une borne à l’autre de la résistance. Son potentiel négatif (son -) est à la base de la flèche, alors que son potentiel positif (son +) est à la pointe de la flèche.
  • Le courant I « traverse la résistance », c’est pour cela que sa flèche est sur le fil  de la résistance. Pour l’instant, dite vous que dans une résistance, le courant va toujours dans le sens inverse de la tension.
  • La résistance R est passive, « elle ne fait rien ».

loi d'ohm

Notez que la tension se représente toujours par une flèche en parallèle d’un (ou des) composant(s) et que le courant se représente toujours par une flèche SUR un fil.

Exemple:

Nos sorties d’arduino sortent du  +5V. Grâce à la documentation du site officiel (lien ici), on sait que l’UNO peut sortir 40 mA (milliampère, soit 0.04 A) par borne. Donc quelle est la résistance minimale que l’on puisse mettre sur une sortie? Réfléchissez y.

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Image d’attente.

La loi d’ohm: R = U / I soit R = 5 / 0.04 soit R = 125 Ohms.

Que ce passe t-il si nous mettons une résistance plus faible? Regardons le courant avec une résistance de 50 Ohms:

Donc I = U / R soit I = 5 / 50 soit I = 0.1A soit 100mA ! ! ! Le courant est 2.5 fois plus élevé que ce que votre arduino peut fournir . . . votre arduino décède. R.I.P. Uno.

Lorsque vous faites un montage, veillez à ne jamais dépasser le courant maximal que votre arduino peut supporter.

Câblons notre LED sur une sortie de l’arduino.

Voici un exemple de câblage d’une LED et d’un résistance sur un arduino:

arduino resistance led

 

Note: Donc son anode (sa patte la plus longue) est câblée sur la résistance car c’est le point le plus proche de la sortie arduino (qui représente le +). Et sa cathode (sa patte la plus courte) est câblée sur le GND (qui représente le -).

En simplifiant les choses, considérez ceci: une diode « absorbe » 1.2V. Regardez le schéma ci dessous.

(Savourez mes talents artistiques)

Arduino resistance led

Vous voyez:

  • Deux éléments:
    -Une LED avec son anode dirigée vers la pointe de la flèche U, donc vers le plus.
    – Une résistance en série avec la LED.
  • Trois flèches représentant différentes tensions:
    -U est la tension aux borne de TOUT le système (entre la sortie de l’arduino et la masse). Elle vaut donc 5V au niveau de la sortie arduino et 0v au GND.
    -Uled est la tension aux bornes de la LED. Lorsque la LED est allumée, elle vaut 1.2V (voir datasheet).
    -Ur est la tension aux bornes de la résistance.
  • Une flèche représentant le courant.
Comment calculer Ur?

La tension du montage U alimente la LED et la résistance. Donc la tension du montage U est égale à la tension de la led plus la tension de la résistance. Donc U = Ur + Uled soit Ur = U – Uled soit Ur = 5 – 1.2 soit Ur = 3.8V.

Pour qu’une LED fonctionne dans des conditions optimales, les constructeurs préconisent un courant de 0.02A (20mA). Ce courant étant inférieur aux 40mA que notre arduino peut sortir, tout va bien.  Avec tous ces éléments, calculons la résistance à mettre en série avec cette diode avec la loi d’ohm:

R = U / I soit R = 3.8 / 0.02 soit R = 190 Ohms.

Dans notre câblage, nous devrons donc mettre une résistance de 190 Ohms (ou un peu plus) en série avec notre diode.

Câblons notre bouton et sa résistance de rappel.

Un bouton se câble très facilement, ce n’est qu’un contact. Jusque là nous ne nous sommes jamais posé plus de questions, mais à l’heure de réaliser notre premier câblage, nous allons nous trouver confronté à un problème « physique », le potentiel flottant.

Voila le montage sans cette résistance de rappel de 10kOhms:

arduino led bouton sans resistance

Donc lorsque l’on appuie sur le bouton, nous ramenons du 5V sur la borne 2, mais pouvez vous me dire quelle tension est acheminée sur cette entrée lorsque l’on ne presse pas le bouton?

En réalité personne ne peut le dire, c’est un potentiel flottant. Il peut très bien valoir 0V, 1.4V, 2.9V, 4.5V… cela dépend notamment des parasites aux alentours. Maintenant imaginez que sans appuyer sur votre bouton, vous ayez 4.5V sur votre entrée (votre système deviendra imprévisible).

Alors pour lutter contre cela nous installons une résistance de rappel.

Une résistance de rappel est en réalité un résistance normale mais de grande valeur (en général 10 000 Ohms, ou 10 kOhms), reliée entre l’entrée et la masse (le 0V). Voici comment la câbler:

arduino led bouton

 

Ainsi, lorsque vous appuyez sur votre bouton, le +5V est amené sur l’entrée 2 ET la résistance. Mais la « valeur résistive » de l’entrée étant bien plus faible que la résistance de rappel, (presque) tout le courant va dans l’entrée.

Et lorsque l’on appuie pas sur le bouton (imaginez enlever le bouton du montage, la masse arrive sur l’entrée 2 via la résistance. Le potentiel n’est donc plus flottant, notre entrée reste donc bien stable à l’état bas (0V).

 Montage final de l’exemple arduino: Bouton et LED.

Voici comment à quoi devrez ressembler votre montage final:

arduino led bouton

 

  • Le bouton est relié d’un coté au 5V de l’arduino, et de l’autre à la borne 2, une résistance de rappel en parrallèle.
  • La résistance est reliée d’un coté à la borne 13 et de l’autre à l’anode de la LED.
  • La LED à son anode de reliée au bouton et sa cathode reliée au GND (le -).

Note: Pour assurer le coup j’ai choisi une résistance de 220Ω afin de ménager la LED.

Avec ce schéma sous les yeux, c’est maintenant à vous de jouer!

Conclusion.

Dans ce chapitre vous avez découvert le logiciel arduino IDE, disséqué votre premier programme grâce à celui ci et réaliser votre premier montage. C’est un grand pas mais rappelez vous que ces chapitres n’ont été qu’une initiation. Beaucoup de notions ont étaient simplifiées, mais si vous avez apprécié, il ne tient qu’à vous d’aller plus loin en vous laissant guider par votre curiosité.

En ce qui concerne ce chapitre, celui ci s’est avéré un peu plus compliqué que prévu à écrire car je n’avais pas prévu de faire une partie concernant le câblage. C’est en le relisant que je me suis aperçu que celui ci était indispensable. Alors si certains points restent trop flou, n’hésitez pas à me les faire remonter sur le forum afin que j’essais d’y apporter plus de précisions.

Le prochain chapitre (disponible ici), qui sera le dernier, sera une succession d’exemples afin de vous faire découvrir un maximum de possibilité réalisable avec cette petite bête. D’ici là continuez à découvrir le logiciel et n’hésitez pas à passer sur le forum et la chaîne youtube!

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