diff options
Diffstat (limited to 'chapters/input.rst')
| -rw-r--r-- | chapters/input.rst | 357 |
1 files changed, 357 insertions, 0 deletions
diff --git a/chapters/input.rst b/chapters/input.rst new file mode 100644 index 0000000..f298c7a --- /dev/null +++ b/chapters/input.rst @@ -0,0 +1,357 @@ +.. -*- mode: rst -*- +.. -*- coding: utf-8 -*- + +Maintenant que nous avons vu comment contrôler les sorties de la carte Arduino, +il est temps de se poser la question d'utiliser les entrées de la carte : c'est +par ce moyen que nous allons pouvoir donner un peu de réaction à notre robot, à +travers des capteurs qui nous fournirons des informations sur le monde +extérieur. + +Utiliser Arduino comme ohmmètre +=============================== + +Lecture de la tension +--------------------- + +Il existe six ports sur la carte Arduino permettant de lire des valeurs +analogiques (`A0` — `A5`). + +Par exemple, la tension peut être lue le port `A0` sur avec l'instruction +:index:`analogRead` `analogRead(A0)` [#]_. Celle-ci est lue sur dix bits (soit +une valeur comprise entre `0` et `1023`), en fonction de la tension +d'alimentation de la carte Arduino (normalement 5 |V|). + +.. [#] https://www.arduino.cc/en/Reference/AnalogRead + +.. raw:: latex + + \begin{center} + \begin{tikzpicture}[scale=2.5] + + \foreach \x in {0,0.5,...,5} { + \pgfmathtruncatemacro\result{\x * 1023 / 5} + \draw (\x,-4pt) -- (\x,4pt) + node [below,yshift=-20] {\pgfmathprintnumber{\result}} + node [above] {$\x$ V}; + } + + \draw (0,0) -- (5.0,0); + + \end{tikzpicture} + \end{center} + +.. note:: + + Lors de l'écriture sur un port analogique, la précision est réalisée sur huit + bits (soit une valeur comprise entre `0` et `255`). Attention donc en + redirigeant l'entrée d'un port vers une sortie ! + +On peut donc utiliser la carte comme un voltmètre simple, pour mesurer une +tension entre 0 |V| et la tension d'alimentation (5 |V|). La formule suivante +permet de calculer la tension en fonction de la valeur retournée par la +fonction `AnalogRead` : + +.. math:: + + V = \frac{5 \times \mathtt{AnalogRead()}}{1023} + +Utiliser l'Arduino comme ohmmètre +--------------------------------- + +Notre premier montage pour illustrer la lecture d'une valeur consiste à +utiliser l'Arduino pour connaître la valeur d'une résistance. Nous allons +utiliser un *pont diviseur* (voir le schéma) avec une résistance connue, et une +autre dont on souhaitera déterminer la valeur : en lisant la tension +:math:`V_A`, il sera possible de déterminer la valeur de la résistance +inconnue. + +.. figure:: content/pont_diviseur.pdf + :width: 50% + :align: center + + Le pont diviseur + + + La plus simple représentation du diviseur de tension consiste à placer deux + résistances électriques en série. Ce type d'association de résistances étant + omniprésent dans les montages électriques, le pont diviseur en devient une des + notions fondamentales en électronique. + + + Il est possible de calculer facilement la valeur de :math:`V_A` dans le + montage, à la condition de connaitre les valeurs des résistances et la valeur + de la tension Vcc. La première formule à utiliser est celle de la loi d'Ohm qui + permet de citer cette équation : + + .. math:: + + I = \frac{V_\text{cc}}{R_1+R_2} + + En utilisant la loi d'Ohm une seconde fois, il est possible de déterminer + l'équation suivante: + + .. math:: + + V_a = R_2 \times I + + Dans la formule ci-dessous, il suffit de remplacer le courant :math:`I` par + sa valeur équivalente (la première équation) pour déterminer facilement + l'équation de :math:`V_A`: + + .. math:: + + V_a = R_2 \times (\frac{V_\text{cc}}{R_1+R_2}) + + **Exemple** + + Prenons les valeurs suivantes : + + - :math:`V_\text{cc}`: 9V + - :math:`R_1`: 1k :math:`\Omega` + - :math:`R_2`: 3k :math:`\Omega` + + .. math:: + + V_a &= R_2 \times \frac{V_\text{cc}}{R_1 + R_2} \\ + &= 3000 \times \frac{9}{1000+3000} \\ + & = \frac{27000}{4000} \\ + &= 6.75V + + La différence de potentiel :math:`V_A` sera égal à 6.75 |V| en utilisant les valeurs + précédentes. + +Dans notre cas, nous connaissons la tension ainsi que la valeur de la +résistance :math:`R_2`. Donc en reprenant la formule du calcul de :math:`V_A` +nous obtenons : + +.. math:: + + %V_a &= R_2 \times \frac{V_\text{cc}}{R_1 + R_2} \\ + %(R_1 + R_2) \times V_a &= R_2 \times V_\text{cc} \\ + %R_1 \times V_a + R_2 \times V_a &= R_2 \times V_\text{cc} \\ + %R_1 \times V_a &= R_2 \times V_\text{cc} - R_2 \times V_a \\ + %R_1 &= \frac{R_2 \times V_\text{cc}}{V_a} - \frac{R_2 \times V_a}{V_a} \\ + %R_1 &= \frac{R_2 \times V_\text{cc}}{V_a} - R_2 \\ + %R_1 &= R_2 \times \left(\frac{V_\text{cc}}{V_a} - 1\right) \\ + R_1 &= R_2 \times \left(\frac{1023}{\mathtt{AnalogRead()}} - 1\right) + +.. .. note:: +.. +.. +.. La dernière ligne du calcul peut se retrouver ainsi : on sait que la tension +.. lue par fonction `analogRead()` est échelonée de `0` à `1023` par rapport à +.. la tension d'alimentation, ce que l'on peut représenter dans la ligne +.. suivante : +.. +.. .. math:: +.. +.. V_A &= \frac{V_\text{cc} \times \mathtt{AnalogRead()}}{1023} && \text{donc} \\ +.. \frac{V_\text{cc}}{V_A} &= \frac{V_\text{cc}}{\frac{V_\text{cc} \times \mathtt{AnalogRead()}}{1023}} \\ +.. \frac{V_\text{cc}}{V_A} &= V_\text{cc} \times {\frac{1023}{V_\text{cc} \times \mathtt{AnalogRead()}}} \\ +.. \frac{V_\text{cc}}{V_A} &= \frac{1023}{\mathtt{AnalogRead()}} + +Contrôle théorique +~~~~~~~~~~~~~~~~~~ + +Ce programme en python permet de prédire les différentes valeurs qui seront +lues par la carte Arduino. Il reproduit (dans une certaine mesure) les erreurs +d'arrondis qui seront susceptible d'arriver sur la carte lors du calcul des +valeurs : + +.. sidebar:: Programme + + Ce programme va calculer la tension :math:`V_A`, la valeur lue par la fonction + `analogRead`, la valeur de la résistance calculée, et l'intensité qui + traverse les composants. + +.. include:: ../content/ohm.py + :code: python + +.. raw:: latex + + \pagebreak + + +Il permet de construire le tableau de valeurs suivant (avec :math:`R_2` = 1000 +:math:`\Omega`, et :math:`V_\text{cc}` = 5 |V|) : + +.. sidebar:: Tension théorique + + Ce tableau est construit à partir de la différence de potentielle théorique + au niveau de la résistance :math:`R_2`. Les valeurs réelles seront toujours + légèrement différentes lors du montage. + +=================== ================= ============= =================== +Résistance Tension théorique Valeur lue Résistance calculée +=================== ================= ============= =================== +10 :math:`\Omega` 4,95 |V| 1012 10 +220 :math:`\Omega` 4,1 |V| 838 220 +1k :math:`\Omega` 2.5 |V| 511 1 001 +10k :math:`\Omega` 0,45 |V| 93 10 000 +220k :math:`\Omega` 0,02 |V| 4 254 750 +=================== ================= ============= =================== + +Au delà de 220k :math:`\Omega`, la tension qui traverse :math:`R_2` devient si +faible que la valeur lue par la fonction `analogRead` tombe à `0`, ce qui +empêche toute mesure. En prenant une valeur plus importante pour la résistance +:math:`R_2`, la plage d'erreur sera plus faible pour des valeurs plus +importante de :math:`R_1` + +Montage +------- + +Le montage reste simple à mettre en place, il ne nécessite que deux résistances +(dont celle dont on souhaite calculer la valeur). + +.. figure:: content/arduino_ohmetre.pdf + :width: 70% + + Arduino comme ohmmètre + + La résistance :math:`R_1` sera calculée en fonction de la valeur de + :math:`R_2`. + + La résistance :math:`R_2` peut être choisie avec une valeur de + 1000 :math:`\Omega` par défaut, et changée en fonction du besoin. + +Le programme reprend la formule que nous avons calculé ci-dessus, et affiche le +résultat sur la console. + +.. code-block:: arduino + + // La résistance r2 doit être connue et + // renseignée dans le programme + int r2 = ...; + + void setup() { + Serial.begin(9600); + } + + void loop() { + + int r1 = r2 * ((1023 / (float)analogRead(A0)) - 1); + + Serial.print("R1: "); + Serial.println(r1); + + delay(1000);// wait for a second + } + +.. [#] https://www.arduino.cc/en/Serial/Print + +.. note:: + + Nous découvrons à l'occasion de ce programme la librairie `Serial` [#]_ qui + permet d'envoyer des données à l'ordinateur via le port |usb|. Il s'agit d'un + moyen pratique pour transmettre une valeur lue sur la carte. + + Nous pourrions enrichir ce schéma avec une sortie sur un écran |lcd| plutôt + que d'envoyer l'information vers l'ordinateur : nous aurons ainsi un ohmmètre + autonome ! + + +Capteur de proximité infrarouge +=============================== + +Dans un projet de robot mobile, il est nécessaire de tester la présence +d'objets à proximité pour éviter que celui-ci ne percute les obstacles. + +.. sidebar:: Capteur infrarouge + + .. image:: content/Sharp_GP2Y0A21YK.jpg + :align: center + :width: 100% + +Nous retrouvons deux types de senseurs sur les robots : des senseurs +optiques, ou par ultrasons. Le senseur Sharp relève de la première catégorie. +Il permet de détecter la présence d'un objet entre 10 et 80 cm, à partir du +retour de lumière infrarouge. + +Montage général +--------------- + +Le schéma suivant indique comment placer les différents câbles du connecteur +:smallcaps:`JST`. + +.. sidebar:: Condensateur + + Le condensateur présent sur le schéma permet ici de lisser les variations de + la tension. On l'appelle *Condensateur de découplage* [#]_. + +.. [#] https://fr.wikipedia.org/wiki/Condensateur_de_d%C3%A9couplage + +.. figure:: content/capteur_infra.pdf + :width: 100% + + Arduino, `GP2Y0A21YK` + + :Cable Rouge: +5 |V| + :Cable Noir: GND/Masse + :Cable Jaune ou Blanc: Entrée Analogique `A0` + +Tension de sortie +~~~~~~~~~~~~~~~~~ + +.. sidebar:: Tension d'entrée + + Même si le composant supporte une tension allant jusque 7 |V|, il fonctionne de + manière optimale avec des valeurs allant de 4,5 à 5,5 |V|. + +La tension de sortie, sur le fil jaune, nous indique la distance de l'objet. +Celle-ci varie entre 0,5 |V| et 3 |V| selon la distance de l'obstacle [#]_. + +.. [#] http://www.sharp-world.com/products/device/lineup/data/pdf/datasheet/gp2y0a21yk_e.pdf + +.. image:: content/gp2y0a21yk_e.pdf + :width: 100% + +.. Mesure de la tension en fonction de la distance + +Exemple +~~~~~~~ + +Ce programme lit l'entrée sur la broche `A0` et allume une |led| si un objet +est détecté à proximité (±20 |cm|) : + +.. code-block:: arduino + + + int ledPin = 9; // LED connected to digital pin 9 + + void setup() {} + + void loop() { + int sensorValue = analogRead(A0); + if (sensorValue < 220) + sensorValue = 0; + + analogWrite(ledPin, sensorValue >> 2); + delay(200); // delay 200 milliseconds + } + +.. Déclencher le capteur sur demande +.. --------------------------------- +.. +.. Plutôt que d'activer le capteur en continu, nous allons modifier le programme +.. pour n'activer la détection d'objets seulement en cas de mouvements du robot +.. (il n'est pas nécessaire de chercher à tester les obstacles si le robot ne se +.. déplace pas). Cela permettra d'augmenter l'autonomie du robot (en contre-partie +.. d'un port digital utilisé). La consommation du composant étant de 30 |mA|, nous +.. pouvons connecter directement la broche à l'Arduino, il sera capable de fournir +.. le courant nécessaire. +.. +.. Le capteur nécessite un délai minimal avant de fournir une valeur fiable. +.. +.. Créer une tension seuil +.. ----------------------- +.. +.. Nous n'avons pas un besoin réel d'évaluer la distance de l'objet, simplement de +.. pouvoir arrêter le robot s'il s'approche trop près d'un objet. Si l'on connaît +.. la distance d'arrêt souhaitée (et donc la tension) avant de construire le +.. robot, nous pouvons paramétrer le seuil de déclenchement de l'alarme, et +.. utiliser une broche digitale au lieu d'une broche analogique. + + +.. -*- mode: rst -*- +.. -*- coding: utf-8 -*- + |