Arduino dévoilé : Maîtriser les projets DIY avec microcontrôleurs

De nos jours, on peut transformer presque n'importe quel objet en ordinateur. Si vous voyez une LED ou un LCD avec un clavier, quelqu'un a probablement intégré un petit ordinateur à l'intérieur. Certains de ces appareils contiennent même six, sept, ou davantage de petits ordinateurs, appelés microcontrôleurs.

Parmi eux, l'Arduino est le plus populaire. Si vous envisagez de créer votre propre appareil électronique avec un ordinateur intégré, vous devez comprendre ce que sont les microcontrôleurs et comment ils fonctionnent.

Ce n'est qu'ainsi que vous pourrez acheter quelques kits dans une boutique de composants PCB et démarrer vos projets.

Qu'est-ce qu'un Arduino ?

Ces petits ordinateurs microcontrôleurs sont généralement appelés contrôleurs embarqués ou unités de microcontrôleur (MCU). Ce sont des systèmes informatiques complets avec tout ce qu'on peut imaginer dans un ordinateur : unité centrale de traitement pour exécuter des programmes, mémoire RAM temporaire, systèmes de stockage permanents, et ports pour périphériques et accessoires.

Les microcontrôleurs sont des ordinateurs à usage unique, conçus pour effectuer seulement quelques tâches spécifiques. La plupart du temps, ils ne font tourner qu'un seul programme stocké sur une ROM, bien qu'on puisse y attacher un stockage externe. Ce sont des dispositifs à faible consommation, ce qui est leur atout : on peut les faire fonctionner entièrement sur piles.

Un Arduino est simplement une version open-source d'un microcontrôleur. Il se présente sous forme de carte de développement matériel que vous pouvez utiliser pour concevoir et construire vos propres appareils. Parfait pour les bricoleurs, amateurs et makers, « Arduino » désigne à la fois un type spécifique de conception de carte, l'entreprise qui les fabrique, et la communauté de développeurs qui les utilisent. C'est pourquoi on les trouve dans presque toutes les boutiques d'électronique ou catalogues de composants PCB.

La plateforme comprend : une carte de circuit programmable physique, le microcontrôleur lui-même, et le logiciel ou IDE (environnement de développement intégré) pour créer le programme que l'appareil exécutera. Populaire auprès des nouveaux développeurs, l'Arduino ne nécessite pas de programmateur séparé, ce qui le rend bien plus convivial que les autres kits microcontrôleurs. Il utilise même une version simplifiée du langage C++, facilitant la programmation.

1.1 Composition d'un Arduino

Les cartes Arduino intègrent plusieurs composants et interfaces préinstallés sur un seul circuit imprimé (PCB) en tant que kit microcontrôleur. Ces composants définissent un format standard qui rend le microcontrôleur plus accessible.

Les composants de base

Bien que la conception ait évolué, un kit Arduino de base comprend :

Connecteurs de broches (Pin connectors)

Il y a deux types de broches, disposées selon un motif spécifique, permettant de connecter le MCU à d'autres cartes et parties de votre appareil personnalisé. Elles permettent aussi d'attacher une carte fille, appelée « shield », à votre appareil.

• Numériques (Digital) – Connecteurs d'entrée/sortie (E/S) à état unique, qu'on peut régler sur ON ou OFF. La plupart des Arduino en ont 14.
• Analogiques (Analog) – Connecteurs multi-états pouvant lire une gamme de valeurs, pour un contrôle plus fin. Généralement 6.
• Masse (Ground) – Repérés GND, ces 3 broches permettent de mettre votre appareil à la masse.
• Alimentation (Power) – Les 4 broches 5V et 5 broches 3,3V fournissent des signaux d'alimentation aux modules complémentaires.
• Modulation de largeur d'impulsion (PWM) – 8 des broches numériques font aussi office de connecteurs PWM. Elles simulent des signaux de sortie analogiques pour des applications comme la variation d'intensité de LED.
• Référence analogique (AREF) – Parfois utilisées pour réguler des tensions externes, ces 9 broches sont rarement utilisées.

Connecteur d'alimentation

Ce connecteur alimente l'appareil et crée une alimentation basse tension pour LED, capteurs, etc. Utilisable avec un adaptateur secteur ou une petite pile.

Processeur principal

Le CPU du microcontrôleur est le cœur de la plateforme. Il permet à l'Arduino d'exécuter des commandes et de prendre des décisions basées sur les entrées et programmes en cours. La puce varie selon les types d'Arduino, mais la plupart fournissent des puces Atmel avec différentes mémoires embarquées. Modèles de processeurs standards :

• ATmega8
• ATmega168
• ATmega328
• ATmega1280
• ATmega2560

Connecteur série

La plupart des cartes Arduino ont un port USB standard pour connecter le MCU à l'ordinateur et charger de nouveaux programmes. Sur certaines cartes, le port USB sert aussi de connecteur d'alimentation.

Bouton Reset

Les cartes Arduino comportent un bouton reset. L'appuyer déclenche la broche de réinitialisation et redémarre le code en cours d'exécution. Pratique pour tester quand votre programme n'a pas de fonction redémarrage.

Indicateur LED d'alimentation

Certains MCU Arduino ont une LED d'alimentation indiquant si l'unité est allumée. Elle s'allume généralement quand vous connectez l'appareil à une source d'alimentation. Si elle ne s'allume pas, il y a probablement un problème.

LED d'émission et de réception de signal

Étiquetées TX (émission) et RX (réception), ces LED montrent l'activité de communication série. Elles donnent un indice visuel subtil quand l'unité reçoit ou transmet des données.

Régulateur de tension

Bien que non programmable par l'utilisateur, les cartes Arduino intègrent un régulateur de tension qui contrôle la tension traversant la carte. Il a ses limites, mais la plupart des projets n'excèdent pas 20 volts.

1.2 Modules complémentaires et accessoires Arduino

Les composants ci-dessus sont inclus dans tous les MCU Arduino, mais ce ne sont pas les seuls composants utilisables. Les cartes sont conformes aux normes IEEE et ISO, donc vous pouvez utiliser n'importe quelles pièces du commerce pour vos projets. Cependant, la spécification Arduino prévoit certains modules complémentaires conformes. La plupart des fournisseurs Arduino proposent donc aussi des capteurs et shields Arduino. Aucun projet Arduino n'est complet sans eux.

Capteurs

Avec un peu de code, votre Arduino peut contrôler et interagir avec une série de capteurs.

La plupart des vendeurs Arduino proposent des capteurs pour mesurer :

• Lumière
• Température
• Degré de flexion
• Pression
• Proximité
• Accélération
• Monoxyde de carbone
• Radioactivité
• Humidité
• Pression barométrique

Plaque d'essai (Breadboard) Arduino

Vous pouvez aussi vous procurer une plaque d'essai sans soudure pour votre projet. Elle permet de prototyper et d'expérimenter vos conceptions de circuits sans souder définitivement les composants sur votre PCB. La plaque d'essai n'a pas d'adaptateur d'alimentation ; vous devez utiliser des fils de liaison pour l'alimenter via la carte principale.

Shields (Cartes d'extension)

Les shields sont les pièces finales du puzzle Arduino. Ces cartes filles pré-construites s'emboîtent sur la carte Arduino principale pour ajouter des fonctionnalités.

Fonctions standard des shields :

• Contrôle de moteurs
• Connectivité Internet
• Réseautage et communication mobile/cellulaire
• Contrôleurs d'écran LCD

Les développeurs Arduino utilisent l'IDE (environnement de développement intégré) officiel Arduino, basé sur Java et open-source, fonctionnant sur Windows, Mac et Linux. Il offre un environnement unique pour écrire et tester du code en langage Processing avant de le téléverser sur l'appareil.

L'Arduino Uno — L'Arduino le plus populaire

Comme aucun projet ne se ressemble, le groupe Arduino a publié des spécifications pour plusieurs types de cartes. L'un des plus populaires est l'Arduino Uno.

Excellent choix pour les débutants, l'Arduino Uno MCU à 22 $ est une carte minimaliste. Elle ne contient que les composants essentiels, mais vous permet de concevoir votre projet à votre façon. À 25 grammes, ce PCB de 68,5 × 53,4 mm est assez léger pour tenir dans un boîtier.

La version actuelle, l'Arduino Uno R3, comprend :

• Microprocesseur ATmega328P
• 14 broches d'entrée/sortie numériques
  • 6 sorties PWM
  • LED intégrée (connectée à la broche 13)
  • Sorties de tension 5V, 3,3V et masse
• 6 broches analogiques
• Port USB
• Prise d'alimentation
• Bouton reset
• Tension de fonctionnement 5V
• 32 Ko mémoire flash
• 2 Ko SRAM et 1 Ko EEPROM

L'Uno n'est peut-être pas la première carte Arduino, mais c'est la plus utilisée activement. C'est aussi le format le plus documenté avec des tonnes de tutoriels et forums sur Internet.

Arduino Mega — Le MCU pour les GROS projets

Equivalent à quatre Uno en un, l'Arduino Mega est la carte pour vos projets massifs. Alimentée par une puce Atmel ATmega2560, la Mega apporte quatre ports série avec un port USB séparé pour l'alimentation et l'interface ordinateur. Elle possède même un processeur ATmega16U2 dédié juste pour le port USB supplémentaire. Alimentable par pile.

La Mega dispose de :

• 54 broches d'entrée/sortie numériques dont 14 compatibles PWM
• 16 broches E/S analogiques
• Port USB
• Prise d'alimentation
• Bouton reset

Le grand nombre de broches de la Mega en fait sa force. Utilisables dans les projets nécessitant de nombreuses connexions E/S numériques, LED ou boutons.

La puissance restante vient de son processeur. Le microprocesseur ATmega2560 peut tout gérer. Il offre une fréquence d'horloge de 16 MHz, 256 Ko de flash, 8 Ko de SRAM et 4 Ko d'EEPROM. Tout cela fait de l'Arduino Mega la carte de référence pour les imprimantes 3D et la robotique.

Arduino ESP8266 : Rendez vos projets sans fil

Aucune carte Arduino n'intègre le réseau sans fil. Vous ne le trouverez sur aucun shield disponible. Pour rendre votre projet sans fil, vous avez besoin d'un module Wi-Fi Arduino ESP8266.

Bien qu'il existe des modules plus récents, l'ESP8266 est l'original. Il n'est peut-être pas conçu pour fonctionner comme MCU autonome, mais votre projet en a besoin sur le marché mobile actuel.

Il offre une connectivité sans fil décente. La carte comporte des broches d'alimentation, masse, émission et réception pour connecter ces fonctionnalités à votre Arduino principal, ainsi qu'une broche marche/arrêt « chip-controlled power down » (CH_PD). Vous avez aussi une broche reset et deux broches de données GPIO.

Un inconvénient : l'ESP8266 nécessite un signal d'alimentation 5V. Il ne fonctionne pas avec le standard Arduino 3,3V.

Sous-système et framework PWM

5.1 PWM Arduino

La modulation de largeur d'impulsion (PWM) simule un signal analogique à l'aide de signaux carrés à fréquences et amplitudes variables. La plateforme Arduino utilise ces signaux pour réguler des circuits analogiques avec ses sorties numériques.

Le système PWM Arduino n'est pas un matériel séparé. Toutes les cartes Arduino intègrent les appels système. Il suffit d'écrire un programme qui les utilise. La commande crée l'onde carrée via une broche compatible.

5.2 Arduino Nano — Parfait pour les petits appareils et projets

Version la plus miniature de la plateforme Arduino, l'Arduino Nano offre les mêmes fonctionnalités que l'Uno dans un format bien plus petit, alimenté par un processeur ATmega328P et un coprocesseur Atmega168. Il utilise le même logiciel Arduino IDE que les autres cartes.

Le Nano comprend :

• 14 broches E/S numériques dont 6 compatibles PWM
• 8 broches analogiques
• Tension de fonctionnement 5V
• Bouton reset
• Port USB
• Port série
• 32 Ko mémoire flash
• 8 Ko SRAM
• 1 Ko EEPROM

Malgré sa taille, le Nano fonctionne excellemment pour :

• Systèmes embarqués
• Automatisation
• Robotique
• Systèmes de contrôle
• Instrumentation

Pourquoi choisir un Arduino plutôt qu'un Raspberry Pi ?

L'Arduino n'est pas le seul MCU sur le marché. Beaucoup d'autres offrent les mêmes fonctionnalités, dont le Raspberry Pi. Mais le Pi est un produit très différent.

D'abord, le Raspberry Pi est un ordinateur complet. L'Arduino ne l'est pas. Un micro-ordinateur n'est qu'un petit composant d'un ordinateur. L'Arduino ne fournit qu'un sous-ensemble de ce que le Pi offre. Par exemple, il ne peut exécuter que de petites applications, pas un système d'exploitation complet.

6.1 Forces et faiblesses de l'Arduino

Cela ne signifie pas que l'Arduino est inutile. Il est parfait pour les projets électroniques qui n'ont pas besoin d'un ordinateur complet. Vous le connectez directement à vos composants et capteurs, et tout fonctionne immédiatement avec peu ou pas de configuration.

L'Arduino y parvient grâce à son firmware. Le firmware est le logiciel cœur qui fait tourner les cartes Arduino. Il communique avec votre ordinateur via USB pour donner accès à toutes ses fonctionnalités programmables. Bien que remplaçable, vous n'aurez jamais à le faire. Pas besoin de redémarrer. Une fois votre code téléversé, vous pouvez l'exécuter n'importe où immédiatement. Pas besoin de clavier, écran, ou moyen de choisir une application. La carte fait le seul travail que vous lui donnez.

6.2 Le Raspberry Pi est un ordinateur complet

En revanche, le Raspberry Pi est un ordinateur entièrement fonctionnel. Il a besoin d'un système d'exploitation, ce qui nécessite des redémarrages pour rester opérationnel. La carte n'a pas de stockage interne ; vous devez fournir une carte micro-SD pour stocker les programmes. Bien qu'il ait l'Ethernet intégré, vous pouvez mettre à jour le logiciel sans retirer la carte.

Le Pi tourne sur un CPU Broadcom Arm-v6 complet avec mémoire et processeur graphique HDMI. Il fonctionne très bien avec clavier et souris, permettant de charger une variante Linux et de tout piloter depuis cette minuscule machine. C'est la plateforme idéale pour les projets nécessitant une interactivité utilisateur complète et toute cette puissance de traitement.

Cependant, cette puissance rend le Pi mal adapté aux petits projets. Par exemple, allumer une LED sur Arduino ne prend que 8 lignes de code. Le Pi nécessitera des bibliothèques supplémentaires en plus de votre code rien que pour démarrer, et encore faut-il avoir un OS déjà installé.

Cela ne veut pas dire qu'on ne peut pas utiliser les deux pour les mêmes types de projets. On peut installer des bibliothèques framework donnant au Pi les mêmes fonctionnalités qu'Arduino. Cela demande juste beaucoup plus de temps et d'efforts.

L'Arduino a aussi une plus grande communauté de développeurs. En tant que plateforme la plus populaire pour les projets électroniques, Arduino offre de nombreux tutoriels pour débutants.

Quoi qu'il en soit, vous n'avez jamais à choisir entre ces deux cartes. Elles fonctionnent très bien ensemble. Avec le bon raccordement, votre Arduino peut devenir une carte fille pour votre Raspberry Pi, donnant aux deux cartes accès aux fonctions de l'autre.

Conclusion

L'Arduino est une famille de plateformes microcontrôleurs conçue spécifiquement pour les projets électroniques DIY. Ces cartes à usage unique intègrent tout ce qu'il faut pour automatiser vos tâches et plus. Il suffit de la brancher à votre ordinateur, d'écrire du code, et de l'exécuter. Elle fait le reste.

Pour vous procurer une carte ou tout autre composant pour vos projets, contactez-nous immédiatement. Nos représentants connaissent l'Arduino et sont prêts à vous aider à choisir la carte et les modules adaptés. Nous pouvons même vous aider à obtenir les pièces pour connecter votre Arduino à un Raspberry Pi et faire passer vos appareils au niveau supérieur.