Programmation embarquée avec Arduino

En clair. Bases de la programmation C/C++ sur microcontrôleur.

Ce qu'on te demande au bac STI2D : maîtriser le vocabulaire de « Programmation embarquée avec Arduino », savoir refaire les calculs ou raisonnements du cours et les appliquer à un cas concret.

Conseil de révision. Relis d'abord l'encadré, puis fais le quiz : si tu bloques, reprends la partie correspondante du cours.

Introduction

Programmer une carte Arduino consiste à écrire un firmware C/C++ qui pilote un microcontrôleur AVR (UNO, Nano) ou ARM (MKR, Nano 33). L'écosystème est simple, très documenté, idéal pour prototyper.

Environnement

• Arduino IDE 2.x (moderne, autocomplete, debug).
• PlatformIO dans VS Code (multi-plateforme, gestion bibliothèques, tests).
• CLI arduino-cli pour l'intégration continue.
• Bibliothèques : Wire (I2C), SPI, Servo, WiFi (ESP), FastLED.

Structure d'un programme

#include <DHT.h>
DHT dht(4, DHT22);

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  dht.begin();
  pinMode(13, OUTPUT);
}

void loop() {
  float t = dht.readTemperature();
  Serial.println(t);
  digitalWrite(13, t > 25 ? HIGH : LOW);
  delay(2000);
}

GPIO, ADC, PWM

• digitalRead / digitalWrite : 0 / 5 V.
• analogRead (10 bits sur UNO, 12 sur ESP32).
• analogWrite (PWM, 8 bits, 490 Hz).
• tone() pour piloter un buzzer.

Communication

• Serial.print() : UART USB pour debug.
• Wire.begin() : I2C multi-esclave.
• SPI.begin() : capteurs et écrans rapides.
• SoftwareSerial : port série logiciel supplémentaire.

Interruptions

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), montisr, RISING);
volatile int compteur = 0;
void montisr() { compteur++; }

Cas d'usage : bouton poussoir sans debounce logiciel, encodeur incrémental, RTC pulse.

Multitâche non bloquant

Éviter delay(), utiliser millis() :

unsigned long lastToggle = 0;
if (millis() - lastToggle > 500) {
  digitalWrite(LED_BUILTIN, !digitalRead(LED_BUILTIN));
  lastToggle = millis();
}

Frameworks : Scheduler (SAMD), TaskScheduler (AVR).

Stockage

• EEPROM interne (1 kB sur UNO).
• SD Card via SPI.
• LittleFS sur ESP.

Cas concret : station météo

• DHT22 (T°/humidité), BMP280 (pression, altitude), BH1750 (lumière).
• Écran OLED 128×64 SSD1306 (I2C).
• Envoi ThingSpeak via ESP8266.
• Alim solaire 6 V + batterie Li-ion + BQ25504.
• Consommation moyenne 30 mA en deep sleep.

Bonnes pratiques

• Nommer variables clairement (temperatureCelsius).
• Séparer setup/loop en fonctions.
• Utiliser const et #define pour les constantes.
• Contrôler la mémoire (Arduino UNO n'a que 2 kB SRAM).
• Documenter le brochage.

Exemple chiffré 1 — budget temps de la boucle

Sur un UNO (ATmega328P, 16 MHz), une itération de loop() contenant une lecture DHT22 (bloquante ~250 ms), un Serial.print à 115 200 bauds (40 octets → $40 \times 10 / 115\,200 = 3{,}5$ ms) et un calcul flottant (~0,1 ms) dure ≈ 254 ms.

Fréquence d'échantillonnage maximale : $f = 1/0{,}254 \approx 3{,}9$ Hz. Pour cadencer un asservissement à 100 Hz, il faut donc supprimer les attentes bloquantes (delay, capteurs lents) et passer à une machine à états + millis(), ou à un timer matériel.

Exemple chiffré 2 — résolution du convertisseur

CAN 10 bits, référence 5 V :

$q = \frac{V_{ref}}{2^n} = \frac{5}{1\,024} = 4{,}88\ \text{mV/LSB}$

Avec un LM35 (10 mV/°C), la résolution en température vaut $4{,}88/10 = 0{,}49$ °C. En passant $V_{ref}$ à 1,1 V interne : $q = 1{,}07$ mV → 0,107 °C, soit un gain d'un facteur 4,5 sans changer de capteur.

Exemple chiffré 3 — consommation et autonomie

Nœud capteur sur 2 piles AA (2 400 mAh) :

$I_{moy} = \frac{0{,}15 \times 59 + 12 \times 0{,}3 + 45 \times 0{,}7}{60} = \frac{8{,}85 + 3{,}6 + 31{,}5}{60} = 0{,}73\ \text{mA}$

$t = \frac{2\,400}{0{,}73} \approx 3\,288\ \text{h} \approx 137\ \text{jours}$

En espaçant les émissions à une toutes les 10 minutes, $I_{moy}$ tombe à ~0,21 mA et l'autonomie dépasse 15 mois.

Squelette non bloquant à connaître

const unsigned long PERIODE = 100; // ms
unsigned long precedent = 0;

void loop() {
  unsigned long maintenant = millis();
  if (maintenant - precedent >= PERIODE) {
    precedent += PERIODE;      // pas de dérive cumulée
    mesurer();
    asservir();
  }
  gererCommunication();        // exécuté en continu
}

Points-clés à retenir

• delay() gèle tout le programme : il est proscrit dès qu'il y a plusieurs tâches.
• Toujours vérifier que le temps d'exécution de la boucle est très inférieur à la période d'échantillonnage souhaitée.
• La consommation moyenne se calcule en pondérant chaque état par sa durée : c'est elle, et non le pic, qui fixe l'autonomie.