Comprendre les sciences en modélisant avec Arduino

Ce qu’est Arduino

Arduino est une plateforme libre permettant de concevoir et de réaliser des projets électroniques: fabriquer des objets qui bougent, qui s’allument, qui répondent à des demandes, qui facilitent différentes tâches en les robotisant. Avant tout, Arduino est une carte électronique sur laquelle on branche différentes composantes que l’on contrôle grâce à la programmation. Les microcontrôleurs de ce genre, on en trouve partout: dans les jouets animés des enfants, dans un micro-ondes, dans nos télécommandes, dans les thermomètres électroniques, dans les montres, etc. Comme il s’agit d’un produit libre de droits, il existe les cartes originales Arduino et d’autres de divers fabricants, qui nécessitent des pilotes d’installation propres à chacune, généralement fournis à l’achat.

De quel matériel ai-je besoin?

Pour débuter avec Arduino, il existe différents ensembles de base comprenant une carte de prototypage, une platine (breadboard) pour y construire les circuits électroniques, des condensateurs, des résistances, des câbles, des diodes électroluminescentes (DEL), différents capteurs et interrupteurs. Certains ensembles proposent plutôt de réaliser un bolide et comporteront donc des roues et des moteurs. LilyPad comprend des éléments semblables, mais destinés à la fabrication d’objets textiles. Vous y trouverez donc du fil à coudre conducteur et une carte de prototypage beaucoup plus petite qui pourra être dissimulée plus facilement.  Les ensembles proposés dans les commandes rattachées au Plan d’action numérique en éducation vous permettront de vous familiariser avec cette technologie et vous pourrez très simplement faire l’achat des composantes manquantes à peu de frais par la suite.

Récemment, Google s’est associé à Arduino pour produire une trousse destinée spécifiquement aux sciences. On y trouve des capteurs pour mesurer l’intensité de la lumière, la température, les mouvements et les champs magnétiques. Les enseignants ont accès à du contenu pédagogique qui permet de réaliser neuf projets inspirants en sciences. Dans ce cas particulier de laboratoire de physique, il n’est pas nécessaire de programmer ni de comprendre les notions d’électronique, il s’agit davantage de collecter des données.

Procéder à l’installation

Il est recommandé de demander l’assistance d’une technicienne ou d’un technicien pour procéder à l’installation du logiciel de programmation et surtout des pilotes d’installation de votre carte de prototypage.  Le logiciel Arduino IDE permet de créer votre programme, de le tester puis de le transférer dans sur la carte, à l’aide du câble USB fourni. Les guides de démarrage reçus avec les différents ensembles vous proposent des lignes de code préprogrammées qui faciliteront la réalisation de vos premiers projets. Le langage utilisé est le langage C. Ne paniquez pas, coder et programmer n’est pas si difficile puisque l’on peut chercher en ligne des milliers de programmes partagés par une large communauté d’utilisateurs d’Arduino. De plus, vous aurez tout intérêt à classer les petites pièces de manière à bien les retrouver le temps venu.

Tinkercad: un incontournable pour les branchements et la programmation

Tinkercad, que vous utilisez probablement déjà pour vos projets de modélisation 3D, propose un espace dédié à Arduino. On y trouve la reproduction de nombreuses cartes et de tous les accessoires électroniques que vous possédez physiquement dans vos centres.

L’interface de Tinkercad vous permet de brancher toutes les composantes sur votre carte en respectant les notions de base des circuits électriques. On peut facilement connecter des interrupteurs, des DEL, sans oublier les résistances. Cette interface permet à l’enseignant de réaliser différents montages et d’en obtenir un schéma qui peut par la suite être intégré à tout document pédagogique. Thinkercad offre la possibilité de programmer en Scratch et même de faire afficher le code en langage C qui y correspond. De cette manière, il est possible de se servir de Tinkercad pour créer une base de programmation à réutiliser dans Arduino IDE.

Des exemples de projets

Mentionnons d’abord que les branchements électroniques avec les cartes Arduino sont très sécuritaires puisque les adultes travaillent avec un faible voltage. La tension d’alimentation de la carte est de 5 Volts. On branche généralement une pile 9 Volts à la carte ou on lui fournit le courant nécessaire par l’alimentation USB de l’ordinateur. Comme on peut brancher plusieurs lumières aux circuits, on peut rapidement créer différents montages en série ou en parallèle. Pour éviter de griller les DEL, l’utilisation de résistances s’impose. La loi d’Ohm (Tension= courant X résistance) ainsi que le code de couleurs se rattachant aux résistances sont des notions à aborder pour réaliser l’ensemble des projets. En quelques minutes, les adultes peuvent brancher des DEL, les faire clignoter à des intervalles qu’ils définissent, les faire changer de couleur, brancher un petit buzzer piézoélectrique pour créer des bruits et éventuellement faire jouer des airs connus (on trouve des programmes pour différentes pièces musicales, en expérimentation nous avions fait jouer le thème musical de Star Wars).

Rapidement, on se rend compte qu’on peut assez simplement créer des feux de circulation qui fonctionnement exactement comme dans le monde réel. En vous procurant un écran à cristaux liquides, vous pourrez afficher différentes données saisies par des capteurs, par exemple faire afficher du temps, une température, ou encore un décompte, des instructions, etc. Un projet très intéressant qui est actuellement en expérimentation au centre de Sainte-Anne-des-Monts est la création d’une station météo semblable à la suivante:

De petits moteurs peuvent aussi être intégrés à ces circuits et permettre la réalisation de petits appareils qui tournent (ventilateur) ou se déplacent (bolides).

Des cartes pour tous les goûts

Arduino, c’est une belle porte d’entrée par les sciences pour le prototypage en général à partir de l’électronique. De façon plus globale, différentes cartes de prototypage sont disponibles, spécialisées pour différents usages. Des cartes pour créer des objets connectés (souvent sans fil via les réseaux) vous permettront, par exemple, de brancher votre grille-pain à internet. Certaines cartes permettent de récolter des biosignaux et sont liées à des projets portant sur la santé. Des cartes comme LilyPad ou Gemma vous serviront à développer des vêtements interactifs. Si, finalement, vous songez à construire des prototypes beaucoup plus complexes, certaines cartes comme la Raspberry Pi, qui sont de réels petits ordinateurs, sauront amener vos projets aussi loin que votre imagination!

Références

Le livre de projets Arduino, Scott Fitzgerald et Coll., distribué avec l’ensemble Arduino Starter Kit

36 expériences de physique avec Arduino, W. van Dreumel, Éditions Elektor, 2016

Arduino à l’école, Frédéric Genevey et Jean-Pierre Dulex, edurobot.ch, en ligne http://arduino.education/wp-content/uploads/2018/01/Arduino_cours.pdf

L’électronique en pratique, 34 expériences ludiques, Charles Platt, Eéditions Eyrolles, 2016

Le grand livre d’Arduino, Erik Bartmann, Éditions Eyrolles, 2018

http://cartesmagiques.fr/ 

 

 

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