Intégrez le monde des makers grâce au kit de démarrage convivial Arduino

Des centaines de ressources sont dédiées aux « makers », des personnes qui veulent apprendre à construire des dispositifs pour appréhender et réagir à l'environnement qui les entoure. Pour les ingénieurs comme pour les non-ingénieurs, il s'agit d'une sous-culture créative à laquelle chacun peut participer pour apprendre et encadrer le monde de l'électronique, des systèmes de contrôle, des micro-ordinateurs, des capteurs et des actionneurs. L'une des manières les plus simples de se familiariser avec ce monde est d'utiliser un kit de démarrage de l'icône des makers, Arduino.

Arduino commercialise des cartes de microcontrôleurs et les logiciels associés pour la communauté matérielle et logicielle open-source. Ces cartes à circuits électroniques combinent des microcontrôleurs avec une mémoire vive (RAM), une mémoire en lecture seule (ROM) et des circuits intégrés associés pour former des plateformes de prototypage électroniques open-source dotées de tous les composants requis pour réaliser une série de projets makers bien documentés.

Cet article présente le kit de démarrage Arduino selon l'expérience personnelle de l'auteur (un ingénieur).

Le kit de démarrage Arduino

Le kit de démarrage Arduino comprend tout le nécessaire pour lancer 15 projets (Figure 1).

Figure 1 : Le kit de démarrage Arduino associe une carte de microcontrôleur Arduino UNO à une sélection de composants électroniques et un livret de 171 pages sur les projets Arduino pour initier le public au monde de l'électronique interactive. (Source de l'image : Arduino)

Le kit de démarrage utilise la célèbre carte de microcontrôleur Arduino UNO qui est basée sur le circuit intégré de microcontrôleur ATmega328P de Microchip Technology (Figure 2).

Figure 2 : La carte Arduino UNO contient tous les éléments requis pour prendre en charge le microcontrôleur ATmega328P. (Source de l'image : Arduino, annotation par DigiKey Electronics)

La carte UNO inclut 14 broches entrée/sortie numériques, dont 6 prennent en charge la modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour contrôler la luminosité LED et le volume sonore. Six entrées analogiques sont soutenues par un convertisseur analogique-numérique (CAN) à approximations successives avec une résolution de 10 bits à un taux de conversion de 15 Kéch./s à pleine résolution. L'horloge intégrée inclut un quartz de 16 MHz. Le port USB fourni permet une connexion simplifiée à un ordinateur. La carte peut être alimentée via le port USB ou un jack d'alimentation intégré. La source d'alimentation est sélectionnée automatiquement.

Même si l'UNO inclut un chargeur d'amorçage pour la programmation normale, celui-ci peut être contourné pour permettre la programmation du microcontrôleur via une embase ICSP (programmation série en circuit). Enfin, la carte UNO est dotée d'un bouton de réinitialisation pour simplifier le rétablissement d'une condition par défaut, si nécessaire.

Le processeur ATmega328P est un microcontrôleur 8 bits basse consommation utilisant une architecture RISC (processeur à jeu d'instructions réduit) améliorée (Figure 3). L'architecture RISC utilise des instructions exécutées en un seul cycle d'horloge, résultant en une vitesse d'exécution très élevée.

Figure 3 : Schéma fonctionnel du microcontrôleur ATmega328P 8 bits utilisé dans l'Arduino UNO. Il inclut une architecture RISC avec exécution d'instructions rapide à un cycle. (Source de l'image : Microchip Technology)

L'ATmega328P présente une mémoire embarquée sous la forme de segments de mémoire non volatile, y compris une mémoire programme Flash de 32 Ko, une mémoire EEPROM de 1 Ko et une mémoire SRAM de 2 Ko. L'ATmega328 sur l'Arduino UNO est pré-programmé avec un chargeur d'amorçage qui permet à l'utilisateur de charger un nouveau code sans recourir à un programmateur matériel externe. Le chargeur d'amorçage occupe 500 octets dans la mémoire programme Flash. La puce contient plusieurs interfaces de données série, dont un émetteur-récepteur universel asynchrone (UART), une interface périphérique série (SPI) et une interface à deux fils, également appelée bus I²C.

Le kit de démarrage Arduino est disponible dans cinq langues différentes. Il contient la carte de microcontrôleur Arduino UNO et tous les composants nécessaires à la réalisation de 15 projets différents. Un livret de 171 pages sur les projets Arduino permet de guider l'utilisateur pendant ces projets. Il couvre les éléments matériels et logiciels relatifs à l'utilisation d'Arduino UNO en tant que cerveau de tous les projets.

Explication claire des dispositifs et de la terminologie

L'un des problèmes que les débutants rencontrent souvent lorsqu'ils explorent pour la première fois le monde de l'électronique et de la programmation est leur méconnaissance des dispositifs et de la terminologie associés. Le livret sur les projets Arduino permet d'éliminer ce problème en présentant un guide des différentes pièces du kit, qui inclut 134 composants électroniques, ainsi que la carte Arduino UNO. Cette section illustre une image de chaque type de composant avec la description de sa fonction. Elle présente à la fin le symbole schématique de chaque pièce.

Étant donné que les débutants ne sont peut-être pas familiarisés avec les cartes de prototypage électroniques ou les montages d'essai, une section du manuel montre comment le montage d'essai inclus fournit une méthode sans soudure pour connecter les composants. Elle schématise les modèles des barres conductrices sur le montage d'essai et explique le fonctionnement des bus d'alimentation. Cela permet d'éliminer une grande partie de la confusion associée à la première utilisation de la carte de prototypage du kit.

La description générale des composants dans le livret de projets est suivie d'un aperçu de la configuration de la carte UNO, ciblant les connexions, les indicateurs et les commutateurs interactifs de la carte. Cette section établit le vocabulaire matériel utilisé dans les sections subséquentes.

La section suivante fournit des instructions de base sur l'installation du logiciel Arduino sur un système d'exploitation Windows, Mac ou Linux. Le principal logiciel utilisé est l'environnement de développement intégré (IDE) d'Arduino, qui peut être téléchargé depuis le site Web d'Arduino. L'IDE est un environnement logiciel utilisé pour créer un code exécutable qui peut être téléchargé sur la carte Arduino UNO.

Démarrer des projets

Après le chargement du logiciel IDE, le guide présente les étapes requises pour établir la communication entre l'ordinateur hôte et la carte UNO via une connexion USB. Des liens de référence vers la section de dépannage d'Arduino et la section de référence de l'IDE sont fournis en cas de difficultés. À ce stade, l'utilisateur peut démarrer des projets.

Chaque projet inclut des instructions détaillées sur la manière de sélectionner les composants requis (les « ingrédients », avec des illustrations propres à chaque projet) et sur la façon de les interconnecter sur la carte de prototypage. Par exemple, le Projet 02 d'interface d'aéronef (Spaceship Interface) permet de câbler un interrupteur et trois LED pour créer un « panneau de commande » afin de déterminer l'action que les LED suivent en appuyant sur l'interrupteur. Chaque présentation de projet du manuel fournit une durée estimée pour réaliser le projet (dans ce cas, 45 minutes). La « liste d'ingrédients » pour le Projet 02 inclut un interrupteur à bouton-poussoir, trois LED, trois résistances de 220 Ω et une résistance de 10 kΩ. Le circuit est raccordé au montage d'essai de prototypage à l'aide de fils de connexion prédécoupés et dénudés. Une page de cette section est dédiée à l'apprentissage de la lecture des codes de couleur des résistances pour les futurs projets indépendants de l'utilisateur.

Le circuit câblé est représenté avec les illustrations du livret de projets à la Figure 4. Le livret de projets montre le câblage en formats graphiques et schématiques. La comparaison des deux images permet à l'utilisateur d'apprendre rapidement à interpréter les symboles schématiques et les interconnexions des composants.

Figure 4 : Instructions de câblage du livret de projets et câblage réel du prototype et des cartes UNO. Les instructions sont fournies sous formes graphiques et schématiques. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Le côté logiciel du projet constitue l'étape finale du processus. Les microcontrôleurs, tels que l'ATmega328P sur l'Arduino UNO, utilisent des instructions de programmation de très bas niveau, appelées code machine. Ce code est essentiellement une série de nombres binaires contrôlant le matériel interne. Aucun codage manuel en langage machine n'est requis. La programmation s'effectue dans un langage de plus haut niveau qui est traduit en plusieurs étapes en commandes binaires compréhensibles par le microcontrôleur, ce qui permet de considérablement simplifier le processus de programmation. L'outil utilisé est l'IDE intégré d'Arduino, précédemment mentionné.

Le Projet 02 se poursuit avec une instruction sur le code logiciel, qu'Arduino appelle sketch ou croquis. Toutes les étapes nécessaires sont présentées dans le croquis, expliquant la fonction des instructions codées (Figure 5).

Figure 5 : Le programme ou croquis pour le Projet 02 illustré dans l'éditeur de programme de l'IDE d'Arduino. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

L'utilisateur peut entrer le code manuellement ou le télécharger à partir du menu déroulant Fichier (Figure 6).

Figure 6 : Les croquis pour tous les projets sont disponibles dans l'IDE d'Arduino. L'utilisateur peut les sélectionner ou entrer le code manuellement, selon ses préférences. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Une fois le code entré, il peut être compilé en utilisant l'entrée Vérifier/Compiler dans le menu déroulant Croquis de l'interface IDE. Le compilateur vérifie l'absence d'erreurs de syntaxe ou autre dans le code. L'interface IDE indique lorsque la compilation est terminée et que le code est prêt à être téléchargé vers la mémoire de programme Flash de la carte UNO. La fonction de téléchargement est également initiée depuis le menu déroulant Croquis. Après la programmation de la carte UNO, la LED verte doit s'allumer. En appuyant sur l'interrupteur à bouton-poussoir, la LED verte s'éteint et les LED rouges clignotent alternativement.

Ces étapes simples masquent une bonne partie de la « magie » de la programmation, comme l'assemblage, la liaison et le chargement, en traduisant les commandes de haut niveau en code binaire pour exécuter le microcontrôleur. Le débutant pourra acquérir ces connaissances avec le temps et l'expérience, mais ce n'est pas nécessaire à ce stade pour commencer à s'amuser.

À ce stade, le livret de projets pose quelques questions à l'utilisateur sur la façon dont le programme peut être modifié, invitant l'utilisateur à expérimenter avec le croquis. En avançant dans les projets, la complexité des circuits et des programmes augmente, étendant ainsi l'expérience et les connaissances de l'utilisateur.

Conclusion

Grâce à sa plateforme de prototypage open-source, sa sélection de composants électroniques et son logiciel convivial, le kit de démarrage Arduino inclut tout ce dont les ingénieurs et non-ingénieurs ont besoin pour s'initier au monde des makers électroniques. Pour des astuces de prototypage et des idées supplémentaires, visitez Maker.io et recherchez les projets qui vous intéressent.