Initiation à l’électricité et l’électronique

Préalable : on va se limiter à une introduction très incomplète de l’électronique et nous feront de nombreuses approximations qui nous suffirons pour réaliser notre système d’arrosage.

Pour aller plus loin, il est recommander de se tourner vers de vrais supports (livres, mooc, etc.)

Électricité

L’électricité est physiquement liée à un déplacement d’électrons, particules chargées électriquement qui se déplacent en suivant des conducteurs.

Par analogie, on peut comparer l’électricité au déplacement de l’eau dans des tuyaux :

  • la pression peut s’apparenter à la tension électrique ;
  • le débit peut s’apparenter à l’intensité électrique.

Tension

Salto Angel, Canaima, Venezuela Diego Delso – CC BY 3.0

Cela correspond à la différence de potentielle entre deux points, la hauteur de la chute d’eau ou le dénivelé d’une conduite forcée. Elle s’exprime en Volt.

Dans nos exercices on va utiliser des tension de moins de 15v qui sont sans danger pour le corps humain. Attention, une surtension peut détruire des composants électroniques.

Courant

Murchison Falls, Uganda Rharnisch – Domaine public

Cela correspond à l’intensité, la quantité d’énergie déplacée au travers d’un conducteur, c’est aussi le débit de l’eau. Elle s’exprime en Ampère.

Pour nous, nous utiliseront des milli-ampères (mA) qui sont 1/1000è d’ampère. Attention, une intensité produit généralement un dégagement d’énergie thermique (chaleur) lorsque qu’elle traverse un conducteur résistant ; cette chaleur peut faire fondre des circuits électroniques.

Résistance

La résistance d’un corps indique ça capacité à s’opposer au passage du courant ; elle s’exprime en Ohm. On parle aussi d’impédance mais celle-ci n’est pas nécessairement constante lorsque la tension est modulée. Le barrage est l’illustration d’un élément qui s’oppose au passage de l’eau et qui crée une différence de hauteur d’eau… et d’ailleurs il transforme cette « énergie » en électricité.

Pour nos exercices, nous avons a notre disposition des résistance étalonnées dont les valeurs s’étalent entre quelques Ohm et plusieurs millions d’Ohm (MΩ).

Loi d’Ohm

Il existe une loi qui décrit la relation entre résistance, tension et courant :

U = R * I

Cette loi permet de prédire l’intensité traversant un élément suivant la tension appliquée et sa résistance propre : I = U / R.

Loi des nœuds (Kirchhoff)

Cette loi exprime mathématiquement que l’électricité ne se stocke pas, et donc qu’en un point la somme des courants arrivants et partants s’annule.

Elle ne s’applique plus quand des phénomènes capacitifs ou inductifs rentrent en jeu… mais dans nos exercices cela n’arrivera pas.

Électronique logique

Afin de répondre aux besoins des ordinateurs qui ne connaissent que des états VRAI ou FAUX (HAUT ou BAS) des circuits électroniques ont été développés, c’est l’électronique logique (math. discrète) à opposer à l’électronique analogique qui manipule des tensions continues.

Dans nos exercices nous manipuleront des tensions de 0 ou de 5v. Des valeurs intermédiaires donnent des résultats indéfinis et les circuits peuvent avoir des comportements imprévisibles.

Fonctions logiques

Les fonctions logiques sont apparues avec cette électronique logique. On trouvera, les plus simples comme :

Puis, par assemblage des fonctions plus complexes, comme par exemple :

  • Mémoire à 1 bit (Bascule RS) :
  • Compteur (TTL 7490) :
  • Multiplexeur / démultiplexeur :

On peut aussi générer des “horloges”, de signaux périodiques en forme de carré qui permettent de synchroniser différentes fonctions…

L’assemblage des toutes ces fonctions permet de réaliser des systèmes dits « en logique câblée » dont le comportement est lié à l’organisation des fonctions.

Microcontrôleur

La logique câblée a ses limites, autant en terme de souplesse (chaque fois une nouvelle organisation des fonctions) qu’en capacité de réutilisation et variété des composants (des milliers de fonctions disponibles).

On est alors passé à une logique programmable. Son comportement est lié à un programme stocké en mémoire qui est exécuté. Ce programme est une suite d’instructions atomiques (indécomposables).

Fonctions

Cette fonction logique est le processeur. Il regroupe en principe :

  • Une gestion du programme (adresse) qui analyse des instructions,
  • Une Unité Arithmétique et Logique (UAL / ALU) qui assure des calculs de fonctions atomiques (ET, OU ou additions) et qui retourne des résultats et des états.
  • Suivant les configurations, les processeurs ont une mémoire restreinte mais d’accès extrêmement rapide à l’UAL : des registres (accès direct). En plus le processeur peut gérer une mémoire externe de plus grande capacité. Il faut parfois récupérer les informations de la mémoire externe et la copier dans les registres pour manipuler ces données avant de les replacer dans la mémoire (accès indirect).

Architecture

Il existe deux grande familles d’organisation des fonctions :

  1. Architecture Von Neumann
  2. Architecture Harvard :

Avec la réduction des circuits (pas de gravure), l’intégration des fonctions a augmenté jusqu’à permettre le regroupement de nombreuses fonctions complexes autour du processeur. L’ensemble peut maintenant tenir dans un seul composant électronique.

Atmel® / Microchip®

Dans le cas de nos ateliers le composant utilisé est l’Atmel ATmega328, il regroupe :

  • un processeur RISC (à jeu d’instructions réduit) 8 bits, capable d’exécuter jusqu’à une instruction par temps d’horloge à 20 MHz (20 Mips).
  • 32k octets pour le programme (réinscriptible) ;
  • 1024 octets d’eeprom (inscriptibles un à un et conservés en cas de coupure de courant) ;
  • 2ko de mémoire vive (perdue en cas de coupure de courant) ;
  • 32 registres “à tout faire” (accès direct) ;
  • 3 compteurs indépendants ;
  • des ports de communication série (USART, 2-wire, SPI) ;
  • un convertisseur Analogique / Numérique à 6 canaux et d’une précision de 10 bits (1024 niveaux) ;
  • un “chien de garde” avec son propre oscillateur ;
  • différents modes d’économie d’énergie (en arrêtant certaines fonctions) lui permettant une consommation comprise entre 0,2 mA et 0,75µA et même une veille à 0,1µA.

Il fonctionne entre 1.8 et 5.5 volts.

Attention, nous l’utiliserons avec une alimentation unique (et constante) de 5 volts.

Diagramme des fonctions

Malgré sa vitesse, sa puissance reste limitée et est bien adaptée pour de petits automatismes ou asservissements.

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