Pourquoi s’intéresser à l’électronique embarquée ?

Quand on parle d’"électronique", beaucoup pensent à des circuits compliqués remplis de composants mystérieux. Pourtant, l’électronique fait déjà partie de notre quotidien sans que nous nous en rendions compte : dans un smartphone, une console de jeux, une voiture, une montre connectée, un lave-linge ou même une ampoule LED.

L’électronique embarquée, c’est l’art d’utiliser de petits cerveaux électroniques — appelés microcontrôleurs — pour donner de l’intelligence aux objets.
Un microcontrôleur peut, par exemple :

• mesurer la température d’une pièce avec un capteur et allumer un ventilateur si nécessaire ;

• contrôler l’éclairage d’une maison selon la luminosité ou la présence de quelqu’un ;

• déclencher une alarme si une porte s’ouvre ;

• piloter un robot, un drone ou une petite voiture autonome ;

• envoyer des informations sur internet (objets connectés).

L’intérêt d’apprendre l’électronique embarquée est donc double :

• Comprendre ce qui nous entoure : découvrir le fonctionnement des objets que l’on utilise tous les jours.

• Créer soi-même : passer d’une idée à un objet réel capable d’interagir avec son environnement.

Dans cet atelier, nous allons utiliser un microcontrôleur très répandu : l’ESP12. Celui-ci est abordable, facile à programmer et possède le Wi-Fi intégré, ce qui permet de créer des projets connectés rapidement. Avec quelques lignes de code, vous serez capables de faire clignoter une LED, de lire la valeur d’un capteur, de piloter un moteur ou même de mettre en ligne une page web depuis votre microcontrôleur.

En résumé, apprendre l’électronique embarquée, c’est acquérir le pouvoir de donner vie à ses idées et de comprendre le monde technologique qui nous entoure. C’est une première étape vers la conception d’objets utiles, ludiques ou simplement amusants.

Quelques exemples concrets de projets avec l’ESP12

Pour mieux comprendre l’intérêt de l’électronique embarquée, voici quelques idées de projets simples mais très parlants, que vous pourrez réaliser au fil de votre apprentissage :

• Station météo connectée : mesurer la température, l’humidité ou la pression de l’air avec des capteurs, puis afficher les données sur un écran ou les envoyer sur une page web consultable depuis un smartphone.

• Interrupteur Wi-Fi : allumer et éteindre une lampe ou une multiprise à distance depuis votre téléphone, via le réseau Wi-Fi.

• Système d’alarme simple : détecter l’ouverture d’une porte avec un capteur magnétique et déclencher un buzzer ou envoyer une notification.

• Afficheur connecté : afficher un message ou une donnée (comme l’heure, la météo ou un score de match) sur un écran piloté par l’ESP12.

• Robot ou petite voiture autonome : contrôler des moteurs pour faire avancer un robot, éviter les obstacles et éventuellement le piloter via Wi-Fi.

• Mesure d’énergie : brancher un capteur pour suivre la consommation électrique d’un appareil et visualiser les données sur un tableau de bord.

Ces projets ne demandent pas beaucoup de matériel et permettent rapidement de voir un résultat concret. L’idée est de commencer petit (par exemple faire clignoter une LED) puis d’ajouter peu à peu des capteurs, des actionneurs et de la logique pour construire des systèmes plus intelligents.

Les microcontrôleurs

Présentation générale

Un microcontrôleur est un composant électronique intégré utilisé pour contrôler des dispositifs ou des systèmes électroniques. Il s’agit d’un composant électronique qui combine divers éléments essentiels pour l’exécution de tâches spécifiques.

Nous pouvons décomposer un microcontrôleur en différentes parties, comme le montre la figure suivante :

Les différentes parties sont les suivantes :

• Unité centrale de traitement CPU ou microprocesseur: Le cœur d’un microcontrôleur est le microprocesseur, qui est responsable de l’exécution des instructions du programme.

• Mémoire : Un microcontrôleur dispose généralement de deux types de mémoire :

  • qui permettent de se connecter à divers composants externes tels que capteurs, actionneurs, écrans, claviers, etc. Ces E/S permettent au microcontrôleur d’interagir avec le monde extérieur.
    

    En fonction de certaines applications spécifiques, un microcontrôleur peut intégrer des périphériques spécifiques tels que des convertisseurs analogique-numérique (CAN), des interfaces de communication (comme UART, SPI, I2C), des compteurs/timers, des PWM (Pulse Width Modulation), etc.

    

    Ces périphériques spécifiques seront abordés par la suite.
    Il existe d’innombrables familles de microcontrôleurs, cependant, les notions sont identiques et nous retrouvons physiquement de nombreux points communs, à savoir les broches d’entrées/sorties, l’horloge...

  L’unité centrale de traitement

  Le microprocesseur est le composant qui va réaliser tous les calculs et l’enchaînement des instructions demandées par l’utilisateur. Ce même utilisateur va rédiger un programme qui sera stocké dans la mémoire du microcontrôleur.

  L’horloge

  L’horloge d’un microcontrôleur est un composant essentiel qui régule le rythme d’exécution des instructions du processeur et de nombreuses autres opérations temporisées dans le microcontrôleur. L’horloge est responsable de la synchronisation de toutes les activités internes du microcontrôleur et assure que les opérations se déroulent de manière cohérente et prévisible.
  c’est un signal périodique ayant souvent l’allure suivante : Dans le cas de notre ESP-12, le microcontrôleur est cadencé à 80 MHz.

  L’alimentation

  Notre microcontrôleur doit être alimenté avec une tension spécifique sous peine de l’endommager. La plupart des microcontrôleurs supportent le 3.3V qui est la tension standard. Pour les microcontrôleurs un peu plus anciens, on retrouve fréquemment du 5V et pour les plus modernes, on descend généralement à 1.8V.

  Périphériques d’entrée/sortie

  💡

  Depuis le début, on me parle d’entrée/sortie, mais qu’est-ce donc ?

  Pour définir ce qu’est une entrée ou une sortie, on se place toujours d’un point de vue du microcontrôleur.

  • Une entrée est une voie par laquelle des données, des signaux ou des informations sont introduits dans notre microcontrôleur. Les entrées permettent au système de recevoir des informations de l’extérieur ou d’autres composants internes pour effectuer des opérations ou prendre des décisions en fonction de ces données.
    Par exemple, les capteurs reliés au microcontrôleur sont vus comme une entrée pour le système.

  • Une sortie est une voie par laquelle un système ou un dispositif transmet des données, des signaux ou des informations à l’extérieur ou vers d’autres composants internes. Les sorties sont utilisées pour afficher des informations, contrôler des dispositifs externes, communiquer des résultats ou des réponses, etc. Par exemple, une LED est vue comme une sortie pour notre microcontrôleur.

  

  En résumé, les entrées sont des canaux par lesquels des informations entrent dans un système, tandis que les sorties sont des canaux par lesquels des informations sortent du système.

  Les niveaux compatibles

  Même si un microcontrôleur est prévu pour fonctionner avec une certaine tension d’alimentation, il faut vérifier la tension que peuvent supporter les broches d’entrées/sorties.

  Les GPIO

  Les GPIO sont des broches génériques qui peuvent être configurées en sortie ou bien en entrée. Ces broches ne gèrent que les états logiques booléens, c’est à dire qu’il n’y a que 2 niveaux possibles : HAUT et BAS.
  Ces broches sont donc utilisées pour lire des signaux logiques, modifier l’état d’un commutateur (relais....).

  Les périphériques I2C

  Le terme I2C désigne un protocole de communication entre plusieurs périphériques. Cette section sera abordée plus spécialement dans la section )}

La programmation

Les cartes Arduino se programment en C++. Pour plus d’informations, se
reporter à la section La programmation du microcontrôleur.

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