1-Prise en main du bouclier Open-Smart Rich.

CC by julien bernard

Le bouclier OPEN SMART Rich est une carte électronique de type bouclier (shield), il s’insère sur une carte  Arduino UNO.

Le principal intérêt pédagogique et le regroupement sans câblage des nombreux composants électroniques. En contextualisant les utilisations via des scénarios pédagogiques vous pourrez exploiter ce bouclier en classe notamment dans le cours de technologie, mathématiques et sciences du numérique…

Le bouclier regroupe différents capteurs et actionneurs.

 

Liste des actionneurs:

CC by Julien Bernard

– Une led jaune.
– Une led bleue.
– Une led Verte.
– Une led Rouge.
– Un potentiomètre.
– Quatre afficheurs 7 segments.
– Un buzzer.

Liste des capteurs:

– Deux boutons poussoirs.
– Un capteur de température et d’humidité.
– Un capteur de température.
– Un capteur de lumière.
– Un récepteur infrarouge.

 

Scénarios faciles, (Utilisation des 4 LEDS)

La led rouge est connecté sur la broche 4
La led bleue est connecté sur la broche 5
La led verte est connecté sur la broche 6
La led jaune est connecté sur la broche 7

Notez au passage que la led bleue et verte sont connectés sur une broche PWM

Scénario 1:
Étude d’une alarme factice de voiture.

CC BY
Raito Akehanareru

Dans cette activité, nous allons réaliser une alarme factice de voiture, un signal lumineux rouge clignotant faussera l’appréciation d’éventuels voleurs.
Pour ce faire, nous allons utiliser la LED rouge du bouclier, elle est connecté à la broche 4.

L’organigramme de fonctionnement.

Nous allons mettre la broche 4 à l’état HAUT pendant 500ms puis mettre l’état logique de la broche 4 à l’état BAS pendant 500ms et répéter les instructions à l’infini…

CC BY Julien bernard

Le code en C++

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const int ledrouge=4;

void setup() {

pinMode(ledrouge,OUTPUT);

}

void loop() {
 
digitalWrite(ledrouge,HIGH);
delay(500);

digitalWrite(ledrouge,LOW);
delay(500);

}
Le résultat en vidéo:
Continuité pédagogique

Une fois l’exercice maîtrisé, vous pouvez proposer aux étudiants  d’expérimenter le montage avec les 4 LEDS (La led bleue est connecté sur la broche 5,  la led verte est connecté sur la broche 6, la led jaune est connecté sur la broche 7).

La démarche pourrait être la suivante:

  1. Scénariser l’activité (feu de circulation, guirlande de fête, signaux de bateau…)
  2. Inventer l’organigramme et le faire valider par l’enseignant.
  3. Coder le programme.
  4. Tester avec la plateforme.

Un exemple de programme utilisant les 4 LEDS:


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const int ledrouge=4;
const int ledvert=5;
const int ledbleu=6;
const int ledjaune=7;


void setup() {
pinMode(ledvert,OUTPUT);
pinMode(ledbleu,OUTPUT);
pinMode(ledjaune,OUTPUT);
pinMode(ledrouge,OUTPUT);
}

void loop() {
 
digitalWrite(ledvert,HIGH);
digitalWrite(ledbleu,HIGH);
digitalWrite(ledjaune,HIGH);
digitalWrite(ledrouge,HIGH);
delay(50);
digitalWrite(ledrouge,LOW);
delay(50);
digitalWrite(ledjaune,LOW);
delay(50);
digitalWrite(ledvert,LOW);
delay(50);
digitalWrite(ledbleu,LOW);
delay(50);

}

 

 

Activité

Les objectifs validés par le professeur:

  • Reconnaître et choisir les bons composants
  • Réaliser le câblage d’un capteur
  • Comprendre comment fonctionne le capteur à Ultrasons.
  • Réaliser votre programme en C++
  • Réaliser une vidéo en LOW RESOLUTION
  • Rédiger un article avec une photo, une vidéo et du texte
  • Aller plus loin en rédigeant un paragraphe sur les leds

Répartition des rôles

Deux élèves font le câblage.
Deux élèves font le programme.

Une fois testé, un élève fait la vidéo, un fait l’article, deux élèves travaillent ensemble sur la partie aller plus loin.

Reconnaître et choisir les bons composants

Tu dois choisir pour ce montage:

  • Trois leds
  • trois résistance de 330 Ohms (à toi de trouver les couleurs)
  • des câbles.
  • l’arduino UNO et une platine de prototypage.

Pour commencer, regarder la vidéo

Réaliser votre second câblage avec 3 LEDS

Un kit pour toute l’année…

Vous allez recevoir un kit dont vous êtes responsables, les composants électroniques sont fragiles et dispendieux, ainsi une partie de vos évaluations tiendront compte du soins apporté au matériel. Dans le kit vous trouverez:

  • Un automate arduino UNO
  • Un shield de prototypage ou une plaque de prototypage
  • Des câbles – Deux moteurs pas à pas
  • Deux contrôleurs de moteur ULN 2003
  • Des résistances – Un module bluetooth
  • Un capteur Ultrasons
  • Des leds

Vous allez apprendre pendant cette année, à câbler les composants, ce n’est pas très difficile mais vous faire attention car les erreurs sont fréquentes…

L’automate arduino UNO: Une plateforme open source

cc nc sa baldiri

L’automate programmable arduino Uno sert à exécuter un programme téléverser dans sa mémoire, il met en relation des capteurs et des actionneurs par le biais d’un code de C++ et d’un logiciel arduino IDE.

Les entrées/sorties

un périphérique d’entrée est un élément qui envoie des informations vers l’automate programmable…donc l’arduino.

Un périphérique de sortie est un élément qui reçoit une information depuis l’automate programmable.

Il faut déclarer soit en entrée ou soit en sortie la ou les broche(s) au début du programme (void setup)

par exemple:

pour déclarer la broche 1,4 et 5 en entrée et 7,8 et 3 en sortie:

pinMode(1,INPUT);
pinMode(4,INPUT);
pinMode(5,INPUT);
pinMode(7,OUTPUT);
pinMode(8,OUTPUT);
pinMode(3,OUTPUT);

Les capteurs:

Leurs rôles est de mesurer une grandeur physique (température, pression, lumière, niveau, humidité…) et de la transformer en signal lisible par une entrée analogique  (A0,A1,A2…).

Un exemple de capteur analogique, le capteur de flexion, CC By Sparkfun electronique.

Les actionneurs:

ils réalisent une action physique en fonction des ordres que lui envoi le programme. Allumer un LED, faire tourner un moteur…

Plus généralement les actionneurs reçoivent un ordre leurs permettant de mettre en action (donc 1 logique) un transformateur d’énergie.

un exemple d’actionneur, un moteur Pas a Pas. Image by TIMOR CC By

0 ou 1, HIGH/LOW, TRUE/FALSE bref c’est Noir ou blanc…

Un automate de type Arduino UNO est plutôt binaire, il ne peut apprécier que deux états logiques, 1 ou 0, vrai ou faux… pour lui c’est blanc ou noir, il ne connaît pas le gris et encore moins le gris clair ou le gris foncé…
Le vocabulaire utilisé par la famille Arduino est HIGH pour l’état HAUT et LOW pour l’état BAS.

une commande utilisée courante:

digitalWrite(12,HIGH);

Envoyer un 1 logique (HIGH) via la broche 12 de l’arduino.

Mais comment faire avec un capteur analogique?

Prenons un exemple de capteur de température, nous ne pouvons nous contenter de dire: il fait chaud ou il fait froid…
Les capteurs analogiques renvoient une infinité de valeurs…

Ces valeurs seront donc lues par les entrées analogiques (A0,A1,A2…) et interprétées par le programme…

Une commande utile :

analogRead(0);

Lire la valeur de la broche analogique 0.

Le shield de prototypage ou une plaque de prototypage

Une plaque de prototypage sert à réaliser des circuits électronique sans soudure.
Avant de faire votre premier câblage, vous devez comprendre et connaître les connections électriques de la plaque.

à savoir:

  • Le + est le 5V, il faut donc mettre un connecter le Vcc ou 5V de l’arduino vers un des connecteur de la plaque, nous le verrons plus tard, vous pouvez connecter le 5V  dans n’importe quel trou pour obtenir du 5V dans toute la ligne +
  • Le – est le 0V ou ground ou GND, vous devez connecter un câble entre le GND de l’arduino et cette ligne, même remarque que pour le +, vous pouvez connecter un câble dans n’importe quelle broche pour obtenir du 0V sur toute la ligne…
  • Les numéros sur la plaque n’ont pas de rapport avec les numéros sur l’arduino.

Des broches connectées

CC JB

Certaines broches sont reliées électriquement, c’est le cas de la ligne + et – comme nous venons de le voir…

La zone centrale est divisée en deux, (ligne verte sur le schéma), nous utiliserons souvent ce séparateur pour mettre “à cheval” des composants électroniques.

les colonnes sont connectés, il faut donc ne pas mettre de composant sur une colonne car ils seront en court-circuit.

Prenons l’exemple de la led…

La led ou del (diode électroluminescente) est un composant électronique très utile, elle permet de visualiser de suite le bon fonctionnement d’un circuit.

Observez bien le câblage, l’idéal est de la connecter à cheval en utilisant le moins de place possible, comme sur le premier schéma, si cela est difficile, vous pouvez aussi utiliser plus de place comme sur le seconde schéma.

Le troisième exemple met la led en court-circuit, car les colonnes sont connectées, dans ce cas la led va griller.

Le dernier cas n’est pas conseillé même s’il fonctionne…

La chaîne d’information.

Commençons par regarder cette vidéo et interrogeons-nous sur les différents sous-ensembles de notre magnifique robot réalisé en enseignement d’exploration ICN en seconde…

Nous pouvons, assez facilement identifier les parties suivantes:

  • Le capteur à ultrasons
  • Le cerveau de notre robot ( içi un automate programmable arduino Uno)
  • Une partie qui stocke de l’énergie, des piles rechargeables
  • Deux convertisseurs d’énergie ( les moteurs)
  • Des câbles électriques qui véhiculent de l’énergie ou des informations

CC by julien bernard

Un capteur à ultrasons, jamais entendu parler…?

Et bien cela est normal, notre oreille n’est pas capable d’entendre les ultrasons… contrairement à nos amis les animaux, en effet les chiens ou les chauves souris les percoivent…
Le capteur à ultrasons comme son nom l’indique envoit des ultrasons dans l’espace et mesure le temps de retour des ondes lorsqu’il rebondissent contre un obstacle.

Ainsi nous pouvons facilement déterminer la distance avec un obstacle.

Retenons comme vitesse du son:  340m/s, nous pouvons trouver la distance avec la formule V=d/t, il ne faut pas oublier de diviser le temps par 2 (aller et retour).

La chaîne d’information

La chaîne d’information se compose souvent de trois parties:

  • Acquérir
  • Traîter
  • Communiquer

Acquérir: Souvent composée de capteur(s), cette partie mesure des grandeurs physiques, afin de donner des informations à la partie “traîter”, nous pouvons les comparer à nos cinq sens.

Traîter: On peut le comparer au cerveau de notre corps, c’est l’élèment central du système. Il traîte les informations grâce au programme dans sa mémoire et aux informations (acquéries des capteurs) , en conséquence il va communiquer des actions à réaliser à la partie énergie.

Communiquer: Cette partie sert à véhiculer les informations et les actions à réaliser par la partie énergie.

CC julien bernard

La chaîne d’énergie

Cette partie exécute les ordres de la partie information, nous pouvons les comparer à nos muscles.
Globalement, nous pouvons diviser la chaîne d’énergie en quatre parties:

  • Alimenter
  • Distribuer
  • Convertir
  • Transmettre

Alimenter: C’est la partie énergie, d’abord en stockage puisque cette partie est aussi un réservoir à énergie. (batteries rechargeables).

Distribuer: Des conducteurs électriques (câble en cuivre) véhiculent l’énergie vers les convertisseurs.

Convertir: Cette partie convertit une énergie en une autre, dans le cas des moteurs électriques, nous tranformons l’énergie électrique en énergie cinétique.

Transmettre: Cette partie ne fait pas que transmettre l’énergie d’un point A vers un point B du robot, elle amplifie ou diminue la vitesse et le couple (force en rotation).

Comment se déplace un robot “base tank”?

Nous définissons une base tank en robotique par la structure de sa base. On retrouve des convertisseurs d’énergie de chaque coté. Chaque côté est indépendant et il suffit d’actionner l’un ou l’autre pour faire déplacer le robot.

CC julien bernard

À quoi servent les engrenages ? (partie transmettre)

Nous avons vu que les engrenages (association de deux ou plusieurs roues dentées) servent à transmettre un mouvement et modifier une vitesse et un couple. Entrons dans les détails:

Considérons deux roues: La roue 1 en bleue et la roue deux en rouge. La roue 1 est deux fois plus petite que la 2. Nous comprenons facilement que lorsqu’une roue tourne dans un sens (sens horaire pour la bleue), l’autre tourne dans le sens inverse (sens trigonométrique).

Nous pouvons aussi nous dire que si la roue 1 fait un tour, alors la roue 2 n’aura fait qu’un demi-tour, nous avons donc réduit la vitesse.

Cependant il y a un autre effet, le couple (force en rotation) sera augmentée de façon inverse et proportionnelle… donc x2, nous avons un robot qui va donc monter plus facilement les pentes (mais plus doucement 🙂 ).

CC julien bernard

Chaîne d’énergie, chaîne d’information

Pour finir, nous allons réunir les deux chaînes…

CC julien bernard

Pour finir vous trouverez la fiche synthèse en cliquant sur le lien synthèse Chaine info nrj

Le cycle de vie en fonction des ventes

Un produit a une vie, depuis l’extraction des matières premières à sa mise sur le marché puis à la valorisation de l’objet inusité, nous pouvons à chaque étapes de la vie du produit mesurer des informations comme sont impact environnemental ou son volume de vente et tenter de les améliorer.

Comme introduction au domaine du marketing, lors d’un lancement de produit sur le marché une  courbe de vente «type» est obeservable en fonction du temps.

Nous pouvons ainsi donc découper le graphique en 4:

  1. la phase de lancement
  2. la phase de croissance
  3. la phase de maturité
  4. la phase de déclin

 

Chaque étape est plus ou moins longue en fonction du marché et du produit.

En effet le cycle de vie lors du lancement d’un téléphone intelligent n’est pas le même que celui d’un vélo.

Il est important pour une entreprise de savoir se situer et d’anticiper les phases de vie du produit en adoptant différentes stratégies. (Politique de prix, évolution du produit, stratégie de différenciation.

 

Si nous prenons du recul en observant la vie de l’objet dans sont intégralité, nous pouvons observé le schéma suivant.

Le schéma du cycle de vie présente de façon simplifié les étapes prises en compte lors de l’établissement des Déclarations environnementales de produits. Si 16 étapes sont définies par la norme européenne NF EN 15804, elles sont ici regroupées et réduites à sept.

 

le pdf sur le cycle de vie:

Cycle de vie.structuration et exo

 

Une plateforme open source

cc nc sa baldiri

L’automate programmable arduino Uno sert à exécuter un programme téléverser dans sa mémoire, il met en relation des capteurs et des actionneurs par le biais d’un code de C++ et d’un logiciel arduino IDE.

Les entrées/sorties

un périphérique d’entrée est un élément qui envoie des informations vers l’automate programmable…donc l’arduino.

Un périphérique de sortie est un élément qui recoit une information depuis l’automate programmable.

Il faut déclarer soit en entrée ou soit en sortie la ou les broche(s) au début du programme (void setup)

par exemple:

pour déclarer la broche 1,4 et 5 en entrée et 7,8 et 3 en sortie:

pinMode(1,INPUT);
pinMode(4,INPUT);
pinMode(5,INPUT);
pinMode(7,OUTPUT);
pinMode(8,OUTPUT);
pinMode(3,OUTPUT);

Les capteurs:

Leurs rôles est de mesurer une grandeur physique (température, pression, lumière, niveau, humidité…) et de la transformer en signal lisible par une entrée analogique  (A0,A1,A2…).

Un exemple de capteur analogique, le capteur de flexion, CC By Sparkfun electronique.

Les actionneurs:

ils réalisent une action physique en fonction des ordres que lui envoit le programme. Allumer un LED, faire tourner un moteur…

Plus généralement les actionneurs recoivent un ordre leurs permettant de mettre en action (donc 1 logique) un transformateur d’énergie.

un exemple d’actionneur, un moteur Pas a Pas. Image by TIMOR CC By

0 ou 1, HIGH/LOW, TRUE/FALSE bref c’est Noir ou blanc…

Un automate de type Arduino UNO est plutot binaire, il ne peut apprécier que deux états logiques, 1 ou 0, vrai ou faux… pour lui c’est blanc ou noir, il ne connait pas le gris et encore moins le gris clair ou le gris foncé…
Le vocabulaire utilisé par la famille Arduino est HIGH pour l’état HAUT et LOW pour l’état BAS.

une commande utilisée courante:

digitalWrite(12,HIGH);

Envoyer un 1 logique (HIGH) via la broche 12 de l’arduino.

Mais comment faire avec un capteur analogique?

Prenons un exemple de capteur de temperature, nous ne pouvons nous contenter de dire: il fait chaud ou il fait froid…
Les capteurs analogiques renvoient une infinité de valeurs…

Ces valeurs seront donc lues par les entrées analogiques (A0,A1,A2…) et interprétées par le programme…

Une commande utile :

analogRead(0);

Lire la valeur de la broche analogique 0.

Adapter sa pédagogie avec un Arduino

Les plateformes Arduino sont Open-Source (plus d’infos…) en ce sens ils sont parfaitement adapté aux valeurs et aux compétences des référenciels ou des domaines du socle 3C.

Actuellement un arduino Uno est peu onéreux, une trentaine de $CAD s’ajoute les composants électroniques. Le kit de l’inventeur est une bonne base de départ:

 

Les composant permettent de créer beaucoup de montage avec une progression pédagogique diversifiée et adaptable aux spécificités des étudiants et enseignants.

Différents montages qu’il faut contextualiser.

Les montages ne nourrissent pas nécessairement l’imaginaire des étudiants.
Une des problématiques sera de donner du sens et de l’ampleur aux projets au sein d’une démarche d’investigation, de résolution de probleme et de projet.

L’utilisation du kit Arduino de l’inventeur en complément avec une imprimante 3D est un couple vraiment pertinent.

Dans la partie design innovation et créativité et ‘a l’image des anciens programmes de technologie: la production d’un service

 

Des exemples de projet au cour du cycle 4

  1. Inventer un robot autonome avancant seulement linéairement, cycle 4, cinqui’eme
  2. Inventer un robot autonome pouvant tourner et éviter des obstacles avec un capteur ultrason cycle 4, quatrieme
  3. Inventer un robot pilotable via un smartphone, cycle 4, troisieme.

Faire clignoter un led. (notion de boucle, états logiques…)
Déclencher l’allumage d’une LED avec un BP poussoir. (notion d’évenement, entrée-sortie)
Utiliser un capteur analogique pour piloter un actionneur

image: Andrew McGill CC

Utiliser un logiciel de modélisation 3D

Vous allez devoir utiliser un modélisateur 3d pour votre projet, il en existe beaucoup, je vous en propose deux:

Le logiciel Sketchup:

Facile d’utilisation, efficace et doter d’un superbe potentiel évolutif… je vous conseille d’utiliser la version Make

https://www.sketchup.com/fr/download

Un tutoriel pour vous aider:

 

Mon tutoriel en pdf…

tuto sketchup

le logiciel libre Blender:

Puissant, complet, multi-OS dont Linux avec des possibilités infinies… et libre!  ma préconisation.
Vous pourrez aussi faire de l’animation 3D avec Blender.

https://www.blender.org/download/

la chaîne Blender france …

 

 

Mes documents

Modeleur 3D synthèse + fiche élève

document réponse 5ème

tuto sketchup

 

 Le schéma du montage électronique pour un bouton poussoir et une DEL:

L’objectif: Utiliser un bouton poussoir pour allumer une ou plusieurs LEDS

Communication:   Publier un article “Utilisation d’un bouton poussoir pour allumer mes LEDs” et y Inclure:

                                   – Une vidéo du résultat

                                   – Un schéma du montage électronique

                                    – Faire un copie de son code avec les commentaires

Temps: 1H

Pour aller plus loin : Utiliser plusieurs boutons pour interagir avec les différentes LEDS.

 

Document : le bouton poussoir

pinMode(1,OUTPUT);