Classe de probl `emes-MECATRO

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Classe de probl `emes-MECATRO

Piloter un syst ème à l’aide d’un microcontr ôleur.

Lyc´ee Carnot (Dijon), 2021 - 2022

Arnaud Maire du Poset & Germain Gondor

Sciences de l’Ing énieur (MP2I - PCSI & MPSI) CI-MECATRO-1 Piloter une microcontr ôleur Ann ée 2021 - 2022 1 / 47

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Sommaire

1 Pr ´esentation

2 Exemples de c ˆablages

3 V ´erification du fonctionnement de la carte

4 Commande simple d’un moteur avec bouton poussoir

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Pr ´esentation

Sommaire

1 Pr ´esentation Contexte

Pr ´esentation de la carte ” Arduino-Uno ”

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Pr ´esentation Contexte

De nombreux syst `emes autonomes en ´energie d’alimentation

électrique (batteries) sont équip és de moteurs à courant continu.

Ces moteurs permettent de convertir l’ énergie électrique en énergie m écanique qui sera adapt ée de mani ère à agir.

Par exemple, pour un robot tondeuse à gazon électrique, l’ énergie m écanique de rotation fournie par un moteur est adapt ée par un r éducteur et une transmission de mani ère à entraˆıner en rotation une des roues motrices qui va agir sur le sol et provoquer le d éplacement du chariot.

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La variation de vitesse d’une roue motrice est obtenue en modulant l’ énergie électrique d’alimentation du moteur à l’aide d’un hacheur.

Le hacheur est pilot é par l’unit é de traitement. Cette derni ère envoie un signal au hacheur de telle mani ère que la vitesse de rotation du moteur sera proportionnelle à ce signal.

Les chaˆınes d’ énergie peuvent être équip ées d’un ou plusieurs capteurs qui permettent d’ évaluer des grandeurs physiques comme par exemple la vitesse de rotation du moteur. Dans certains cas, les grandeurs physiques évalu ées pourront être utilis ée pour optimiser la commande du moteur. On parle de syst ème asservi.

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Unit ´e de traitement Consigne de

vitesse angulaire

Hacheur Moteur R ´educteur et transmission

Position

Capteur Batterie

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Pr ´esentation Pr ´esentation de la carte ” Arduino-Uno ”

La carteArduino-Unoest un exemple d’unit é de traitement. L’ él ément central de la carte est le microcontr ôleur. Son r ôle est de traiter les donn ées et d’assigner les sorties.

Les autres él éments principaux sont le connecteur USB, les 14 broches num ériques, les 6 brochesentr ées analogiqueset de 4 brochessor- ties de tensions de r éf érence.

Le connecteur USB assure la communication de la carte avec le micro-ordinateur, et permet son alimentation en l’absence d’une autre source d’alimentation.

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La carteArduino-Unoest un exemple d’unit é de traitement. L’ él ément central de la carte est le microcontr ôleur. Son r ôle est de traiter les donn ées et d’assigner les sorties.

Les autres él éments principaux sont le connecteur USB, les 14 broches num ériques, les 6 brochesentr ées analogiqueset de 4 brochessor- ties de tensions de r éf érence.

Le connecteur USB assure la communication de la carte avec le micro-ordinateur, et permet son alimentation en l’absence d’une autre source d’alimentation.

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Les broches num ériques peuvent être configur ées entr ée ou sortie.

Lorsqu’elles sont configur ées entr ée, ce sont obligatoirement des entr ées TOR (Tout Ou Rien, 1 ou 0). Pour être à 1, la broche doit être au potentiel 5 V et pour être à 0, au potentiel 0 V. Pour une sortie, il y a deux configurations possibles : soit elle est TOR, soit elle est num érique et cod ée sur 8 bits (1 octet), soit 256 possibilit és (de 0 à 255).

Remarque:seules les broches rep ér ées par le symbole ˜ (3, 5, 6, 9, 10 et 11) peuvent être num ériques, les autres broches ne peuvent être que TOR.

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Les broches num ériques peuvent être configur ées entr ée ou sortie.

Lorsqu’elles sont configur ées entr ée, ce sont obligatoirement des entr ées TOR (Tout Ou Rien, 1 ou 0). Pour être à 1, la broche doit être au potentiel 5 V et pour être à 0, au potentiel 0 V. Pour une sortie, il y a deux configurations possibles : soit elle est TOR, soit elle est num érique et cod ée sur 8 bits (1 octet), soit 256 possibilit és (de 0 à 255).

Remarque:seules les broches rep ér ées par le symbole ˜ (3, 5, 6, 9, 10 et 11) peuvent être num ériques, les autres broches ne peuvent être que TOR.

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Les broches entr ées analogiques permettent de mesurer à la ca- dence du quartz de cadencement l’ évolution de grandeurs physiques.

Une entr ée analogique de la carte Arduino est capable d’enregistrer un signal de 0 à 5 V d élivr é par un capteur ou par un él ément d’inter- face homme machine (par exemple un potentiom ètre). Ce signal est num éris é sur 10 bits (de 0 à 1023).

Les broches sorties de tensions de r éf érence permettent d’alimen- ter des composants ext érieurs (par exemple des capteurs) en 3,3 ou 5V.

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Les broches entr ées analogiques permettent de mesurer à la ca- dence du quartz de cadencement l’ évolution de grandeurs physiques.

Une entr ée analogique de la carte Arduino est capable d’enregistrer un signal de 0 à 5 V d élivr é par un capteur ou par un él ément d’inter- face homme machine (par exemple un potentiom ètre). Ce signal est num éris é sur 10 bits (de 0 à 1023).

Les broches sorties de tensions de r éf érence permettent d’alimen- ter des composants ext érieurs (par exemple des capteurs) en 3,3 ou 5V.

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Exemples de c ˆablages

Sommaire

1 Pr ´esentation

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C ˆ ablage d’une entr ´ee TOR avec bouton poussoir

10 kΩ

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C ˆ ablage d’une LED

220Ω

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C ˆ ablage d’une entr ´ee analogique

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V ´erification du fonctionnement de la carte

Sommaire

1 Pr ´esentation

3 V ´erification du fonctionnement de la carte Approche sch ´ema-bloc Matlab

Approche sch ´ema-bloc Xcos de Scilab Approche code Arduino

LED sur une autre broche

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V ´erification du fonctionnement de la carte

La premi ère étape dans le pilotage de microcontr ôleurs et automates est de v érifier la communication entre le PC sur lequel on programme et l’unit é de traitement de l’automate. Le plus facile est souvent de faire clignoter un diode (ou LED) . La carte Arduino est constitu ée d’une LED interne reli ée à la broche num érique 13. On se propose donc de la faire clignoter avec deux approches différentes.

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V ´erification du fonctionnement de la carte Approche sch ´ema-bloc Matlab

• lancerMatlab , puisSimulink , puisBlank Model: , puis sur l’icone des biblioth `eques .

•

A partir des él éments des biblioth èques Simulink-sources, Simulink-sinks et Arduino-common, construire le sch éma ci-dessous

• R ´eglerAmplitudea 5,` Perioda 1,` Pulse Widtha 35 et` Phase delaya 0`

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Il faut maintenant d ´esigner la cible, i.e., la carte Arduino. Pour cela :

• cliquer surTools,Run on Target HardwareetPrepare to Run

• s ´electionner dansHardware boardArduino Uno, puis cliquer sur ApplyetOk

• r ´egler le temps de simulation `ainfet au lieu deNormalprendre External

• brancher la carte Arduino au pc via le c ˆable USb, puis cliquer sur Run

Normalement, la diode situ ´ee au niveau de la patte 13, clignote.

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V ´erification du fonctionnement de la carte Approche sch ´ema-bloc Xcos de Scilab

Approche sch ´ema-bloc Xcos de Scilab

• lancerScilabpuis taper xcos() dans l’interpr ´eteur.

• A partir des él éments des biblioth èques, construire le sch éma ci-contre :

• R ´eglerAmplitudea 5,` Perioda 1,` Pulse Widtha 35 et` Phase delaya 0`

• Bienchoisir le portde communication (g ´en ´eralement COM 3).

• Cliquer sur le triangleD ´emarrer.

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V ´erification du fonctionnement de la carte Approche sch ´ema-bloc Xcos de Scilab

Normalement, la diode situ ´ee au niveau de la patte 13, clignote.

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V ´erification du fonctionnement de la carte Approche code Arduino

Approche code Arduino

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• Lancer le logiciel Arduino en cliquant sur

La fen ˆetre ci-contre apparait. Elle pr ´esente la structure du programme avec deux fonctions (void).

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La fonctionsetup()est appel ée une seule fois lorsque le programme commence. Dans cette fonction, on écrira donc le code qui n’a besoin d’ être ex écut é qu’une seule fois.

La fonctionloop()est la fonction principale du programme, elle est appel ée en permanence. Le code est ex écut é dans une boucle infinie.

En d ´ebut de programme avant la fonctionsetup, on peut d ´eclarer des variables.

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• ´Ecrire le code ci-dessous : 1 void setup() {

2 pinMode(13, OUTPUT); // configuration de la broche num´erique 13 en sortie

3 } 4

5 void loop() {

6 digitalWrite(13, HIGH) ; // Mise `a 1 de la sortie 13

7 delay(1000); // d´elai de 1000 ms soit 1s 8 digitalWrite(13, LOW) ; // Mise `a 0 de la

sortie 13

9 delay(1000); // d´elai de 1000 ms soit 1s 10 }

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• Brancher le c âble USB entre la carte et le PC ; Avant de compiler et de t él éverser ce code sur la carte Arduino, il faut s’assurer de la bonne configuration du logiciel par rapport à la carte, et du port USB.

Remarque:pour trouver le port de connexion, aller dans le gestionnaire de p ´eriph ´eriques qui se trouve dans le panneau de configuration.

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• Compiler et t él éverser le programme en cliquant sur la fl èche dans la barre d’acc ès rapide ; Remarque : lors du t él éversement les LEDs internes Tx et Rx doivent clignoter.

• V ´erifier le bon fonctionnement de la carte.

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V ´erification du fonctionnement de la carte LED sur une autre broche

LED sur une autre broche

On peut aussi faire clignoter une LED autre que celle de la carte.

Pour cela on a besoin d’une plaque d’essai (breadboard), c’est une platine pleine de trous, dans lesquels on peut piquer des pattes de composants ´electroniques ou des fils.

Dans les zones1 et 4, les trous situ és sur une m ême lignehorizontale (plus grande longueur) sont reli és électriquement.

Dans les zones 2 et 3, les trous situ és sur une m ême ligneverticale sont reli és électriquement.

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1 void setup() {

2 pinMode(13, OUTPUT); // configuration de la broche num´erique 13 en sortie

3 } 4

5 void loop() {

6 digitalWrite(13, HIGH) ; // Mise `a 1 de la sortie 13

7 delay(1000); // d´elai de 1000 ms soit 1s

8 digitalWrite(13, LOW) ; // Mise `a 0 de la sortie 13

9 delay(1000); // d´elai de 1000 ms soit 1s 10 }

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Remarque: les zones 1 et 2 servent `a l’alimentation des composants

´electroniques.

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• R ´ealiser le c ˆablage ci-dessous :

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Commande simple d’un moteur avec bouton poussoir

Sommaire

1 Pr ´esentation

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Commande simple d’un moteur avec bouton poussoir

L’objectif de cette activit ´e est de r ´ealiser la commande en rotation d’un moteur en appuyant sur un bouton poussoir avec une alimentation externe.

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vitesse angulaire

Relais Moteur R ´educteur et

transmission

Position

Capteur Unit ´e d’alimentation

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vitesse angulaire

transmission

Position

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vitesse angulaire

transmission

Position

(45)

vitesse angulaire

transmission

Position

(46)

vitesse angulaire

transmission

Position

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vitesse angulaire

transmission

Position

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Pour cela on utilise un moteur `a courant continu en actionneur et un transistor MOSFET en pr ´eactionneur. Le transistor est un composant

´electronique qui fonctionne comme un contacteur.

Il a trois pattes : deux des pattes doivent être reli ées au circuit d’alimentation du moteur et la troisi ème patte permet son pilotage. Lorsque cette troisi ème patte n’est pas aliment ée, le courant ne passe pas, lorsqu’elle est aliment ée le courant passe.

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Pour éviter les retours de charge g én ér és par le moteur en phase de d éc él ération lorsque l’arr êt est demand é, il faut utiliser une diode en parall èle du moteur en faisant attention à sa polarisation.

Pour que le transistor fonctionne correctement, il faut relier les GND de la carte Arduino et de l’alimentation externe.

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• Relier le relais `a la carte ArduinoFig1

• C âbler un bouton poussoir sur une broche entr ée num érique

• ´Ecrire le code correspondant. Pour cela :

◦ D ´efinir deux broches num ´eriques en tant que variables com moteuretappui bouton

◦ D ´efinir un variable entieretat bouton

◦ Configurer la broche correspondante `a la variablecom moteuren tant que sortie et la broche correspondante `a la variable

appui boutonen tant que entr ´ee ;

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Dans la fonction loop, ´ecrire le code correspondant au fonctionnement souhait ´e (voir ci-dessous)

La variable etat boutonpermet la lecturede l’ état de la broche num érique li ée à la variableappui bouton.

Si l’entr ée etat bouton est à 1, on met la sortie com moteur a 1,` sinon on la met à 0.

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1 const int com_moteur = 12;

2 const int appui_bouton = 8;

3 int etat_bouton = LOW;

4

5 void setup() {

6 pinMode(com_moteur, OUTPUT);

7 pinMode(appui_bouton, INPUT);

8 } 9

10 void loop() {

11 etat_bouton=digitalRead(appui_bouton);

12 if (etat_bouton == HIGH){

13 digitalWrite(com_moteur, HIGH);

14 } 15 else{

16 digitalWrite(com_moteur, LOW);

17 } 18 }

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• Compiler et t ´el ´everser le code dans la carte

• Tester le fonctionnement du syst `eme.

• R éaliser le c âblage du moteur avec une alimentation ext érieure en r églant la bonne tension (voir tension nominale du moteur) ;

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Figure1 –C ˆablage du relais