Ce cours donne les bases théoriques et pratiques nécessaires à une bonne compréhension et utilisation des microcontrôleurs. De nombreux exemples seront abordés. Des exercices seront proposés, compatibles avec les cartes à microcontrôleurs Arduino ou LaunchPad MSP430G.
1.1 Rappels d'électricité
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En provenance du cours de École Polytechnique Fédérale de Lausanne
Comprendre les Microcontroleurs
50 notes
À partir de la leçon
Semaine 1 : électronique et logique
Durant cette première semaine, nous allons poser quelques bases nécessaires à la suite du cours. Ceux qui sont déjà familiers avec l'électronique n'auront aucune peine à comprendre : nous n'allons qu'effleurer quelques sujets. Mais prenez la peine de suivre en détail les explications. En effet, elles seront orientées vers les concepts dont nous aurons impérativement besoin pour comprendre les Microcontrôleurs.Que ceux qui ont de la peine avec l'électronique et pour qui ces notions sont nouvelles ne s'inquiètent pas : en effet, il leur sera possible de continuer le MOOC même sans avoir maîtrisé ces bases. Ils auront l'occasion de les assimiler progressivement lorsqu'ils feront de la pratique durant les semaines qui viennent.
Rencontrer les enseignants
Jean-Daniel NicoudHon. Prof.
Informatique
Pierre-Yves RochatChargé de cours
EPFL, Génie mécanique
On commence ce cours par un rappel d'électricité.
Vous connaissez les grandeurs, on va parler de résistance
et des résistances, et un peu des condensateurs, et on
va surtout s'intéresser aux diodes lumineuses, les LED que
l'on va trouver dans beaucoup de nos exemples de programmes.
Le microcontrôleur est entouré par des circuits périphériques, et
doit être alimenté par une source de tension
avec ce qu'on appelle la main, ce qu'on appelle le grant, le zéro volt.
Et de l'autre côté, nous avons une tension qui sera, dans tous nos
cas, cinq volts, qu'on appelle parfois le VCC au niveau des circuits intégrés.
Alors, la tension est donc de cinq volts, le
courant va dépendre du microprocesseur et des circuits annexes.
Le processeur seul est dans les dix milliampères.
La résistance, vous connaissez la loi d'Ohm.
La puissance s'exprime en watts, c'est le produit de la tension par le courant.
L'énergie s'exprime en joules, mais on utilise peu cette unité.
Au niveau domestique, eh bien, vous connaissez le kilowatt-heure.
Du côté des piles et accumulateurs, on parle des capacités, un milliampère-heure.
Tant de milliampères pendant une heure, c'est ce que peut donner la pile.
Cette capacité n'a évidemment rien à voir avec la capacité des
condensateurs qui s'exprime en nanofarad ou en microfarad.
Un petit problème pour commencer.
Vous avez une pile cinq volts, un système microcontrôleur
dont on a estimé la résistance à dix ohms.
Quel est le courant?
Eh bien, vous appliquez la loi d'Ohm.
Le courant, c'est la tension sur la résistance U sur R,
donc cinq volts divisé par dix ohms, ça
fait 0,5 ampère, 500 milliampères.
L'ampèremètre que je branche ici m'indique une valeur différente, plus faible.
Pourquoi?
Là, il faut réaliser que des résistances, il y en a partout.
Il y en a dans le fil, mais surtout il
y a une résistance très importante à l'intérieur des piles.
Cinq volts veut dire qu'un processus chimique qui
génère une tension de cinq volts, qui génère des
électrons, mais ces électrons doivent traverser le, l'intérieur
de la pile, et ça implique une résistance non négligeable.
Donc, si on fait l'hypothèse que la résistance interne de la pile est de un
ohm, ont une résistance totale de 11 ohms, donc un courant de 454 milliampères.
C'est important de comprendre ce phénomène, parce que si le
moteur démarre avec un accoup de courant non négligeable, vous
allez avoir une chute de tension sur l'alimentation, et il
faut s'assurer que le processeur va accepter cette chute de tension.
Bien, les résistances, vous en avez des grandes, vous avez la
résistance des bricoleurs avec son code de couleurs plus ou moins facile à décoder.
Industriellement, on utilise plus que les résistances montées en surface,
SMD, et vous en remarquez une petite quantité autour des microcontrôleurs.
À quoi servent-elles?
Eh bien, imaginez que vous avez une entrée sur un microcontrôleur.
Vous ne connaissez pas la tension de cette
entrée, puisque elle est ce qu'on appelle flottante.
Donc, ça peut être assez iii dans, dans certains cas.
On aime bien connaître l'état logique des lignes, et ce qu'on fait, c'est
que on câble une résistance assez élevée de l'ordre de 50
kiloohms que l'on appelle pull-up, et qui va garantir
que l'on a sur cette entrée une tension de
cinq volts, et pas quelque chose qui est mal défini, qui oscille,
et cetera.
On verra que cette résistance, on
peut la programmer à l'intérieur du microcontrôleur.
On pourrait aussi avoir une résistance pull-down
qui imposerait un état zéro volt.
Donc ça, c'est les résistances des
tirages que l'on rencontrera à plusieurs occasions.
On voit aussi des résistances en série, et ça, c'est dans le
cas où une sortie du microcontrôleur doit être protégée contre
les courts-circuits, parce que si le microcontrôleur impose du
cinq volts, et que on a une connexion au zéro
volt, eh bien, un courant important peut s'établir.
Il est limité par la résistance interne de la sortie du microcontrôleur, mais
que l'on essaie d'avoir aussi faible que possible, donc il va y avoir échauffement.
Donc, on peut rajouter une résistance série supplémentaire qui évidemment
va réduire la tension de sortie quand on câble un élément.
Bien, les condensateurs, ils ont différentes formes.
Les gros condensateurs sont utilisés pour filtrer l'attention principale, et vous
voyez qu'autour d'un microcontrôleur, vous avez des petits condensateurs.
Il y a celui-ci et celui-ci qui ont une valeur de l'ordre de 100
nanofarads, alors que celui-ci est dans les 100 microfarads.
Et pourquoi une capacité si faible?
C'est parce qu'en fait ce qu'on cherche à filtrer ici,
est un signal qui évolue lentement, autour de 50 Hertz.
Alors que au niveau du processeur, on a des variations extrêmement rapides, des
impulsions de consommation de courant quand
les circuits, à l'intérieur du processeur commutent.
Alors, ces impulsions de quelques nanosecondes
doivent être filtrées avec des condensateurs les
plus proches de pattes du circtuit pour
éviter la chute de tension des conducteurs.
Autour des quartz, vous trouvez aussi des capacités
qui elles font seulement 22 picofarads, et qui
sont là pour faire en sorte que le quartz oscille mieux.
Donc ça, ce sont des capacités qui ont un rôle logique, et celles
dont on a parlé avant, c'est uniquement du filtrage.
Bien, la résistance évidemment, on l'utilise
énormément avec les, avec des diodes lumineuses.
La diode lumineuse est toujours câblée avec une résistance,
on va voir pourquoi il faut limiter le courant.
Et puis maintenant, si on la connecte, si on connecte cette
résistance que je mets toujours du côté de la patte courte pour
qu'on ne perde pas ce repère utile de la patte longue
qui est l'anode, et de la patte courte qui est la cathode.
Eh bien, le courant va passer à travers la diode et va allumer.
Et maintenant, eh bien, si on veut câbler un
processeur, mettre un microcontrôleur, eh bien, on a une
solution qui est de dire quand un microcontrôleur mettra
sur sa patte du cinq volts, la diode va s'allumer.
Mais on pourrait tout aussi bien envisager la solution où le
microcontrôleur doit imposer du zéro volt pour que la diode s'allume.
Alors, laquelle est préférable?
De nouveau, les électroniciens préfèrent le zéro volt pour des raisons
de constructions internes des transistors, on ne pourra pas rentrer dans ces détails.
Donc voilà, expliquons mieux cette diode lumineuse.
Et pour cela, vous connaissez les, les graphiques dans
lesquels on représente le courant en fonction de la tension.
La loi d'Ohm, avec une résistance, vous donne la proportionnalité, c'est linéaire.
Et si vous avez typiquement une tension de cinq volts, avec une résistance
d'un kiloohm, eh bien, vous allez avoir un courant de cinq miiliampères, voilà.
Alors maintenant, si on considère un
diode lumineuse, sa caractéristique n'est pas linéaire.
Vous savez tous qu'une diode ne laisse passer que le courant que dans un sens.
Mais en plus de ça, vous avez un seuil de conductivité, et pour une
diode rouge, c'est à partir de 1,3, 1,4 volts, que tout à coup,
le courant commence à passer, et il commence à passer avec une résistance
interne extrèmement faible, ce qui veut dire que la pente ici, est très élevée.
Et si vous dépassez 1,5 volts, eh bien, vous voyez que le courant va gicler vers
les 50, 100 milliampères, la diode fera un petit flash, et puis c'est terminé.
Donc, ce que l'on fait, c'est que on rajoute une diode de
protection, une résistance série qui va limiter le courant.
Et d'un point graphique, et bien on aura aucun courant jusqu'à 1,5 volts, et puis
ensuite, augmentation linéaire pratiquement du courant.
Et vous voyez que puisqu'on perd 1,5 volts dans la diode,
eh bien, pour cinq volts, eh bien, on a 3,5 milliampères.
Alors, on peut maintenant envisager différentes solutions.
Quel est le courant, dans ce cas-là?
Eh bien, on a, mettons 1,5 volts ici, trois volts ici.
Il nous reste deux volts à travers la résistance.
Donc, on aura un courant, une série, deux volts sur un kiloohm, deux milliampères.
Dans ce deuxième cas, on a voulu partager une résistance entre deux diodes.
Alors, d'un côté, il y a une rouge, de l'autre côté, il y a une bleue.
Donc, j'ai pas dit que les diodes avaient des tensions très différentes.
Le bleu et le rouge, le blanc sont plutôt dans les trois volts.
Que se passe-t'il?
Eh bien, dès que vous dépassez 1,5 volts, c'est la diode rouge
qui prend tout le courant, et la diode bleue ne va jamais s'allumer.
Et même si vous mettez deux diodes rouges
en parallèle, elle n'auront pas exactement la même caractéristique,
la même courbe de transfert, et puis l'une
des deux va être un petit peu plus lumineuse.
Puisqu'elle devient plus lumineuse, qu'elle prend plus de courant, sa
tension augmente, donc l'autre va pouvoir récupérer un petit peu.
Donc, il faut toujours avoir des
résistances propres à chaque, à chaque diodes.
Et là, la question, c'est j'ai une diode rouge ici, qui va bien avec deux kiloohms,
j'aimerais mettre à côté une diode bleue, qu'elle doit être la résistance?
Alors là, c'est plus un problème électrique, on
peut naurellement dire, je veux le même courant.
Mais ma donnée, c'était d'avoir la même sensation lumineuse.
Et là, les diodes ont des différences de, d'efficacités lumineuses considérables,
et c'est spécifié, mais les spécifications ne sont pas évidentes à bien lire.
Donc, on est amené parfois à tamponner
pour fixer des valeurs de résistances équilibrées.
Dernier petit truc qui vous rendra service.
Pour vérifier une diode lumineuse, vous pouvez simplement prendre une petite pile
ronde de type CR1632 par exemple, et brancher directement la diode dessus.
Me direz-vous, on doit toujours mettre une résistance en série sur la diode.
Oui, mais là, la résistance, elle est à l'intérieur de, de la pile.
C'est une pile qui n'a pas été conçue pour débiter du
courant comme la plupart des piles, elle a été conçue pour
durer, et garantir par exemple, que votre, votre horloge, à l'intérieur du
microcontrôleur fonctionne, même si il y a coupure, disparition du courant.
Donc là, vous avez de l'ordre du kiloohm, à l'intérieur de la, des résistances.
C'est la, le courant va être limité.
Voilà, on a donc vu le rôle des résistances et condensateurs, et on a
mieux compris comment utiliser une LED dans un montage.
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