Yassine Otmane voiture commandée à distance (XBEE)

ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE L’ENSEIGNEMENT TECHNIQUE

DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE

FILIERE

DIPLOME UNIVERSITAIRE DE TECHNOLOGIE

GENIE INDUSTRIEL ET MAINTENANCE

MEMOIRE DE FIN D’ETUDES

Intitulé :

Conception et Réalisation d’un véhicule

commandée à distance à base De Xbee

Réalisé par : M. YASSINE OTMANE

Encadré par: M. ZIDANE

Présenté devant le jury : - M. LOUKDACHE

- M. MIRIMI

Année universitaire : 2014/2015

Conception et réalisation d’un véhicule commandé à distance (zigbee)

2

Dédicace :

A l’âme de Mon grand-père : BOUCHAAIB NAANAA (1930-2015)

A mes chers parents,

Nulle expression ne pourra exprimer ma gratitude envers mes parents, ceux qui

m’ont accompagné en chaque pas parcouru. Je leur dédie ce modeste travail pour leur

bienveillance, leur affection et leur soutien démesurés « Que Dieu vous garde».

A mon frère,

Celui qui a toujours cru en moi et en mes compétences. Cette dédicace est en

témoignage de mon grand amour et ma gratitude infinie.

A tous mes amis.

A tous ceux qui m'aiment…


3

Remerciements :

Je voudrais tout d'abord adresser toute

ma gratitude à mon encadrant M.Nourdine

ZIDANE pour sa confiance, sa disponibilité

et surtout ses judicieux conseils, qui ont

contribué à alimenter ma réflexion.

Mes vifs remerciements vont aux

professeurs M.LOUKDACHE et

M.MIRIMI pour l’honneur qu’ils me font

de présider ce jury.

À tous ces intervenants, je présente

mes remerciements, mon respect et ma

gratitude.


4

SOMMAIRE :

I. Introduction : ..................................................................................................... 7

II. Cahier des charges fonctionnel : ....................................................................... 7

A. Objectifs de la mission : ................................................................................. 7

B. Non-objectifs :................................................................................................ 8

C. Contraintes : ................................................................................................... 8

1. Général : ..................................................................................................... 8

2. Matériel : ..................................................................................................... 8

III. Etude théorique : .......................................................................................... 11

A. Arduino UNO R3 : ....................................................................................... 11

1. Introduction : ............................................................................................ 11

2. Carte Arduino : ......................................................................................... 12

3. Vue d’ensemble : ...................................................................................... 12

4. Synthèse des caractéristiques : ................................................................. 14

5. Constituant de la carte Arduino : .............................................................. 14

B. Xbee pro : ..................................................................................................... 21

1. Introduction : ............................................................................................ 21

2. Présentation du XBee : ............................................................................. 21

3. Broches Xbee (IO Pins): ........................................................................... 22

4. Pourquoi choisir le sans fil ? .................................................................... 23

5. Xbee ou Zigbee ? ...................................................................................... 24

6. Séries 1 et 2 ? ............................................................................................ 24

7. Caractéristique des modules Xbee Pro : ................................................... 26

8. Antennes : ................................................................................................. 27

9. Communication avec l’ordinateur : .......................................................... 28

10. Alimentation : ........................................................................................ 28

11. Communication Série : .......................................................................... 29

C. Configuration des deux Xbee: ..................................................................... 31

1. Logiciel: .................................................................................................... 31

D. Moteur a courant continu : ........................................................................... 33

1. Introduction : ............................................................................................ 33

2. Le rôle ou l’utilité d’un moteur : .............................................................. 33

3. Pilotage d’un moteur : .............................................................................. 35

E. L298N : ........................................................................................................ 36


5

1. Introduction : ............................................................................................ 36

IV. Conception et simulation de l’ensemble : .................................................... 37

A. Logiciel proteus Isis : ................................................................................... 37

1. Introduction : ............................................................................................ 37

2. Conception du montage sur Proteus 8.1 : ................................................. 39

V. Réalisation pratique de l’ensemble : ............................................................... 40

VI. Conclusion : ................................................................................................. 42

Bibliographie : ……………………………………………………………………43

Annexes :………………………………………………………………………….44


6

Listes des figures :

Figure 1: carte arduino ............................................................................................ 12

Figure 2: Carte arduino Uno .................................................................................... 14

Figure 3: Logiel Arduino ......................................................................................... 19

Figure 4: Déroulement du programme arduino ....................................................... 20

Figure 5: Les broches Exbee ................................................................................... 22

Figure 6:l'idee de l'exbee dans la réalité .................................................................. 24

Figure 7: Les types de configuration d'Xbee ........................................................... 26

Figure 8: Spécifications du Xbee et Xbee-pro ........................................................ 27

Figure 9:Différentes types d'Xbee ........................................................................... 27

Figure 10: Adaptateurs Xbee ................................................................................... 28

Figure 11: Les ports series ....................................................................................... 29

Figure 12: les liaisons des communications ............................................................ 30

Figure 13:Configuration du Xbee............................................................................ 31

Figure 14: Paramétrage de Xbee ............................................................................. 32

Figure 15: Sélection du canal RF ............................................................................ 32

Figure 16: Adresse IP .............................................................................................. 33

Figure 17: Un moteur classique à courant continu 6V .......................................... 33

Figure 18: éclaté d'un MCC .................................................................................... 34

Figure 19: Montage moteur et pile .......................................................................... 35

Figure 20: Le pont en H .......................................................................................... 36

Figure 21:Fonctionnement dans sens anti-horair Figure 22:Fonctionnement......... 36

Figure 23: Le schéma interne de L298D ................................................................. 37

Figure 24: Interface du logiel et les différents composants .................................... 38

Figure 25: Interface du module ARES .................................................................... 39

Figure 26:symbole Pile 9V ..................................................................................... 39

Figure 27: Montage complet ................................................................................... 40

Figure 28: Montage pratique de l'ensemble ............................................................ 41

Figure 29: vue de dessous ....................................................................................... 41

Figure 30: Montage du châssis ................................................................................ 44

Figure 31: Montage du châssis ................................................................................ 45


7

I. Introduction :

La finalité de ce projet est de proposer une voiture télécommandée pilotée à

distance par un PC (sans fil). Les objectifs sont divers mais peuvent être placés dans

l’une de ces catégories :

l'environnement technique :

L’objectif est de capitaliser une expérience supplémentaire dans un domaine

particulier, ici, l’Arduino et sa communication. Innovation, réflexion, méthodologie.

La gestion de projet :

C’est grâce à la problématique technique que nous avons pu instaurer un

environnement de travail en mode projet. Le but est d’amener chaque collaborateur

vers un niveau organisationnel supérieur et notamment permettre de mieux planifier

les activités d’un projet, instaurer un travail en équipe et privilégier la communication.

Pour arriver au résultat final, nous aurons besoin des composants suivant :

Arduino UNO.

Xbee Pro.

Batterie 9V.

Capteur de distance Ultrason.

2 DC Moteurs (moteur à courant continu).

Arduino MEGA 2560.

Contrôleur de deux moteurs CC.

II. Cahier des charges fonctionnel : Ce cahier des charges est uniquement un document de conception, c’est à dire

qu’il ne comporte que les bases nécessaires à la conception du produit souhaité. Les

solutions techniques seront expliquées plus tard.

A. Objectifs de la mission :

Créer une carte fil pour les voitures télécommandées à distance (sans fil), à base

d’Arduino, contrôlable par ordinateur. L’utilisateur pourra contrôler la voiture dans les

4 directions. Objectifs sur le long terme : être capable de proposer la construction des

voitures à long terme dans la réalité. De plus, nous voulons proposer un système

simple capable d’être réalisé en série pour des expositions. Le code ainsi que tous les

autres documents devront être clairs, commentés et précis pour permettre la reprise du

projet en vue d’améliorations.


8

B. Non-objectifs :

Si l’utilisateur démarre plusieurs véhicules, il devra être capable de les contrôler

en essaim. Cette gestion de l’essaim ne sera pas implémentée dans ce projet (en

revanche cet objectif sera pris en compte lors de la construction des prototypes).

C. Contraintes :

1. Général :

Le budget global pour la voiture finale devra être limité (< 2500 DH).

La voiture devra être à base de composants éprouvés et de conception simple.

Le prototype doit être évolutif en vue d’amélioration (ajout capteur(s) ou

fonctionnalité(s)) tous les composants de la voiture devront être achetés dans le

commerce avec une possibilité d’achat en grande quantité, en vue d’une

construction en série.

2. Matériel :

Le châssis et toutes les parties mécaniques seront achetés dans le commerce.

La voiture aura une longueur de 20cm au maximum.

L’alimentation devra avoir une autonomie d’au moins une demi-heure,

électrique, compacte et suffisante pour alimenter tous les modules embarqués.

Le déplacement de la voiture télécommandée se fera exclusivement sur une

surface plane, lisse et horizontale. La propulsion sera assurée par un ou

plusieurs moteurs électriques directement sur les roues. La solution avec des

chenilles pourra aussi être étudiée.

2 moteurs seront présents sur la voiture, chaque moteur contrôlera deux roues.

La communication devra être par Wifi ou par Bluetooth.

la partie électronique de la voiture sera hébergée sur une carte-mère gérant une

ou des carte(s) fille(s) (la carte-mère sera une carte Arduino).

Capteur de distance Ultrason pour la détection des obstacles.

Pile 9V pour l’alimentation d’1rduino, et pile 12V pour l’alimentation des

deux moteurs.

Xbee-shield.

Adaptateur Xbee.


9

Partie

Qtt

Prix

(dh)

Arduino MEGA

1

350

Moteur à courant

continu

2

70

Xbee Pro

Série2

2

2*650

Fils (Jumper wires

pack)

1

10


10

L298N

1

120

Xbee-shield

1

150

Adaptateur Xbee

1

50

Châssis Robot

1

350

LA SOMME 2500 DH


11

III. Etude théorique :

Mon Projet et consacré à voiture commandé à distance qui est composé de :

Arduino MEGA.

2 Modules de transcommunication Xbee.

2DC Motors (moteur à courant continu).

Driver dc moteurs L298N.

Alors nous allons entamer l’étude théorique par la présentation de la technologie

des cartes embarquées appelée Arduino, principe de fonctionnement et composition et

en second lieu, les différents modules de transcommunication avec la carte Arduino et

la méthode de configuration, enfin la liaison des moteurs à courant continu en plus de

la réalisation et la simulation.

A. Arduino UNO R3 :

1. Introduction :

Le système Arduino est une carte électronique basée autour d’un microcontrôleur

et de composants minimum pour réaliser des fonctions plus ou moins évoluées à bas

coût. Elle possède une interface usb pour la programmer. C’est une plateforme open-

source qui est basée sur une simple carte à microcontrôleur (de la famille AVR), et un

logiciel, véritable environnement de développement intégré, pour écrire, compiler et

transférer le programme vers la carte à microcontrôleur.

Arduino peut être utilisé pour développer des applications matérielles industrielles

légères ou des objets interactifs (création artistiques par exemple), et peut recevoir en

entrées une très grande variété de capteurs. Arduino peut aussi contrôler une grande

variété d’actionneurs (lumières, moteurs ou toutes autres sorties matériels). Les projets

Arduino peuvent être autonomes, ou communiquer avec des logiciels sur un ordinateur

(Flash, Processing ou MaxMSP). Les cartes électroniques peuvent être fabriquées

manuellement ou bien être achetées préassemblées.

Le principe de fonctionnement est simple :

On réalise le programme sur un ordinateur.

On connecte l’ordinateur à l’Arduino via une prise USB.

On envoie le programme sur l’Arduino.

L’Arduino exécute enfin le programme de manière autonome.

La programmation se fait à l’aide d’un langage proche du C/C++, dont les bases

sont faciles d’accès. Le logiciel nécessaire fonctionne à la fois sur Mac OSX,

Windows et GNU/Linux et demande très peu de ressources. Il fonctionnera ainsi très

bien sur un ancien ordinateur.


12

2. Carte Arduino :

Figure 1: carte arduino

3. Vue d’ensemble :

La carte Arduino Uno est une carte à microcontrôleur basée sur


13

l'ATmega328 :

Elle dispose :

De 14 broches numériques d'entrées/sorties (dont 6 peuvent être utilisées

en sorties PWM (largeur d'impulsion modulée)).

De 6 entrées analogiques (qui peuvent également être utilisées en broches

entrées/sorties numériques).

D'un quartz 16Mhz.

D'une connexion USB.

D'un connecteur d'alimentation jack.

D'un connecteur ICSP (programmation "in-circuit").

Et d'un bouton de réinitialisation (reset).

Elle contient tout ce qui est nécessaire pour le fonctionnement du

microcontrôleur Pour pouvoir l'utiliser et se lancer, il suffit simplement de la

connecter à un ordinateur à l'aide d'un câble USB (ou de l'alimenter avec un adaptateur

secteur ou une pile, mais ceci n'est pas indispensable, l'alimentation étant fournie par le

port USB).

La carte Arduino Uno diffère de toutes les cartes précédentes car elle n'utilise par

le circuit intégré FTDI USB-vers-série. A la place, elle utilise un Atmega8U2

programmé en convertisseur USB-vers-série.

"Uno" signifie un en Italien et ce nom marque la venue prochaine de la version 1.0

du logiciel Arduino. La carte UNO et la version 1.0 du logiciel seront la référence des

versions Arduino à venir. La carte Uno est la dernière d'une série de carte USB

Arduino, et le modèle de référence des plateformes Arduino, pour une comparaison

avec les versions précédentes.


14

4. Synthèse des caractéristiques :

5. Constituant de la carte Arduino :

Figure 2: Carte arduino Uno


15

Le microcontrôleur : a)

Un microcontrôleur est un circuit intégré qui rassemble les éléments essentiels

d’un ordinateur : processeur, mémoires (mémoire morte pour le programme, mémoire

vive pour les données), unités périphériques et interfaces d’entrées-sorties. Les

microcontrôleurs se caractérisent par un plus haut degré d’intégration, une plus faible

consommation électrique (quelques milliwatts en fonctionnement, quelques nanowatts

en veille), une vitesse de fonctionnement plus faible (quelques mégahertz à quelques

centaines de mégahertz) et un coût réduit par rapport aux microprocesseurs

polyvalents utilisés dans les ordinateurs personnels.

L’alimentation : b)

La carte Arduino Uno peut-être alimentée soit via la connexion USB (qui fournit

5V jusqu'à 500mA) ou à l'aide d'une alimentation externe. La source d'alimentation est

sélectionnée automatiquement par la carte.

L'alimentation externe (non-USB) peut être soit un adapteur secteur (pouvant

fournir typiquement de 3V à 12V sous 500mA) ou des piles (ou des accus).

L'adaptateur secteur peut être connecté en branchant une prise 2.1mm positif au centre

dans le connecteur jack de la carte. Les fils en provenance d'un bloc de piles ou d'accus

peuvent être insérés dans les connecteurs des broches de la carte appelées Gnd (masse

ou 0V) et Vin (Tension positive en entrée) du connecteur d'alimentation.

La carte peut fonctionner avec une alimentation externe de 6 à 20 volts. Cependant,

si la carte est alimentée avec moins de 7V, la broche 5V pourrait fournir moins de 5V

et la carte pourrait être instable. Si on utilise plus de 12V, le régulateur de tension de la

carte pourrait chauffer et endommager la carte. Aussi, la plage idéale recommandée

pour alimenter la carte Uno est entre 7V et 12V.

Les broches d'alimentation sont les suivantes :

VIN. La tension d'entrée positive lorsque la carte Arduino est utilisée avec une

source de tension externe (à distinguer du 5V de la connexion USB ou autre source 5V

régulée). Vous pouvez alimenter la carte à l'aide de cette broche, ou, si l'alimentation

est fournie par le jack d'alimentation, accéder à la tension d'alimentation sur cette

broche.

5V. La tension régulée utilisée pour faire fonctionner le microcontrôleur et les

autres composants de la carte (pour info : les circuits électroniques numériques

nécessitent une tension d'alimentation parfaitement stable dite "tension régulée"

obtenue à l'aide d'un composant appelé un régulateur et qui est intégré à la carte


16

Arduino). Le 5V régulé fourni par cette broche peut donc provenir soit de la tension

d'alimentation VIN via le régulateur de la carte, ou bien de la connexion USB (qui

fournit du 5V régulé) ou de tout autre source d'alimentation régulée.

+3V3. Une alimentation de 3.3V fournie par le circuit intégré FTDI (circuit intégré

faisant l'adaptation du signal entre le port USB de votre ordinateur et le port série de

l'ATmega) de la carte est disponible : ceci est intéressant pour certains circuits

externes nécessitant cette tension au lieu du 5V). L'intensité maximale disponible sur

cette broche est de 50mA.

GND. Broche de masse (ou 0V).

Entrées et sorties numériques : c)

Chacune des 14 broches numériques de la carte UNO (numérotées des 0 à 13) peut

être utilisée soit comme une entrée numérique, soit comme une sortie numérique, en

utilisant les instructions pinMode(), digitalWrite() et digitalRead() du langage

Arduino. Ces broches fonctionnent en 5V. Chaque broche peut fournir ou recevoir un

maximum de 40mA d'intensité et dispose d'une résistance interne de "rappel au plus"

(pull-up) (déconnectée par défaut) de 20-50 KOhms. Cette résistance interne s'active

sur une broche en entrée à l'aide de l'instruction digitalWrite(broche, HIGH).

De plus, certaines broches ont des fonctions spécialisées :

Communication Serie: Broches 0 (RX) et 1 (TX). Utilisées pour recevoir

(RX) et transmettre (TX) les données séries de niveau TTL. Ces broches sont

connectées aux broches correspondantes du circuit intégré ATmega8U2 programmé en

convertisseur USB-vers-série de la carte, composant qui assure l'interface entre les

niveaux TTL et le port USB de l'ordinateur.

Interruptions Externes : Broches 2 et 3. Ces broches peuvent être

configurées pour déclencher une interruption sur une valeur basse, sur un front

montant ou descendant, ou sur un changement de valeur. Voir l'instruction

attachInterrupt () pour plus de détails.

Impulsion PWM (largeur d'impulsion modulée) : Broches 3, 5, 6, 9, 10, et

11. Fournissent une impulsion PWM 8-bits à l'aide de l'instruction analogWrite ().

SPI (Interface Série Périphérique) : Broches 10 (SS), 11 (MOSI), 12

(MISO), 13 (SCK). Ces broches supportent la communication SPI (Interface Série

Périphérique) disponible avec la librairie pour communication SPI. Les broches SPI

sont également connectées sur le connecteur ICSP qui est mécaniquement compatible

avec les cartes Mega.

I2C: Broches 4 (SDA) et 5 (SCL). Supportent les communications de

protocole I2C (ou interface TWI (Two Wire Interface - Interface "2 fils"), disponible


17

en utilisant la librairie Wire/I2C (ou TWI - Two-Wire interface - interface "2 fils").

LED: Broche 13. Il y a une LED incluse dans la carte connectée à la broche

13. Lorsque la broche est au niveau HAUT, la LED est allumée, lorsque la broche est

au niveau BAS, la LED est éteinte.

Broches analogiques : d)

La carte Uno dispose de 6 entrées analogiques (numérotées de 0 à 5), chacune

pouvant fournir une mesure d'une résolution de 10 bits (càd sur 1024 niveaux soit de 0

à 1023) à l'aide de la très utile fonction analogRead () du langage Arduino. Par défaut,

ces broches mesurent entre le 0V (valeur 0) et le 5V (valeur 1023), mais il est possible

de modifier la référence supérieure de la plage de mesure en utilisant la broche AREF

et l'instruction analogReference () du langage Arduino.

Note : les broches analogiques peuvent être utilisées en tant que broches

numériques : elles sont numérotées en tant que broches numériques de 14 à 19.

Autres broches : e)

Il y a deux autres broches disponibles sur la carte :

AREF : Tension de référence pour les entrées analogiques (si différent du

5V). Utilisée avec l'instruction analogReference ().

Reset : Mettre cette broche au niveau BAS entraîne la réinitialisation (= le

redémarrage) du microcontrôleur. Typiquement, cette broche est utilisée pour

ajouter un bouton de réinitialisation sur le circuit qui bloque celui présent sur la

carte.

Mémoire : f)

L'ATmega 328 à 32Ko de mémoire FLASH pour stocker le programme (dont

0.5Ko également utilisés par le bootloader). L'ATmega 328 a également 2ko de

mémoire SRAM (volatile) et 1Ko d'EEPROM (non volatile - mémoire qui peut être

lue à l'aide de la librairie EEPROM).

Pour info : Le bootloader est un programme préprogrammé une fois pour toute

dans l'ATméga et qui permet la communication entre l'ATmega et le logiciel Arduino

via le port USB, notamment lors de chaque programmation de la carte.

Communication : g)

La carte Arduino Uno dispose de toute une série de facilités pour communiquer

avec un ordinateur, une autre carte Arduino, ou avec d'autres microcontrôleurs.

L'ATmega 328 dispose d'une UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter

ou émetteur-récepteur asynchrone universel en français) pour communication série de


18

niveau TTL (5V) et qui est disponible sur les broches 0 (RX) et 1 (TX). Un circuit

intégré ATmega8U2 sur la carte assure la connexion entre cette communication série

vers le port USB de l'ordinateur et apparaît comme un port COM virtuel pour les

logiciels de l'ordinateur. Le code utilisé pour programmer l'ATmega8U2 utilise le

driver standard USB COM, et aucun autre driver externe n'est nécessaire. Cependant,

sous Windows, un fichier .inf est requis.

Le logiciel Arduino inclut une fenêtre terminal série (ou moniteur série) sur

l'ordinateur et qui permet d'envoyer des textes simples depuis et vers la carte Arduino.

Les LEDs RX et TX sur la carte clignote lorsque les données sont transmises via le

circuit intégré USB-vers-série et la connexion USB vers l'ordinateur (mais pas pour les

communications série sur les broches 0 et 1).

Une librairie Série Logicielle permet également la communication série (limitée

cependant) sur n'importe quelle broche numérique de la carte UNO.

L'ATmega 328 supporte également la communication par protocole I2C (ou

interface TWI (Two Wire Interface - Interface "2 fils") et SPI :

Le logiciel Arduino inclut la librairie Wire qui simplifie l'utilisation du bus I2C.

Pour utiliser la communication SPI (Interface Série Périphérique), la librairie pour

communication SPI est disponible.

Logiciel : h)

Le logiciel de programmation des modules Arduino est une application Java, libre

et multi-plateformes, servant d’éditeur de code et de compilateur, et qui peut transférer

le firmware et le programme au travers de la liaison série (RS232, Bluetooth ou USB

selon le module). Il est également possible de se passer de l’interface Arduino, et de

compiler les programmes en ligne de commande.

Le langage de programmation utilisé est le C++, compilé avec avr-g++, et lié à la

bibliothèque de développement Arduino, permettant l’utilisation de la carte et de ses

entrées/sorties. La mise en place de ce langage standard rend aisé le développement de

programmes sur les plates-formes Arduino, à toute personne maitrisant le C ou le C++.


19

Figure 3: Logiel Arduino

Le menu : i)

Bouton 1 : Ce bouton permet de vérifier le programme, il actionne un module

qui Cherche les erreurs dans le programme. Bouton 2 : Envoi du programme sur l’Arduino.

Bouton 3 : Créer un nouveau fichier.

Bouton 4 : Ouvrir un fichier existant.

Bouton 5 : Enregistrer un fichier.

Une fois le code écrit (ou collé) dans la fenêtre de programmation, il faut l’envoyer

sur l’Arduino. Pour cela, il faut cliquer sur le bouton de vérification de programme

avant d cliquer sur le bouton upload (téléverser), naturellement après avoir connecté

l’Arduino à l’ordinateur.


20

Le déroulement du programme : j)

Le programme se déroule de la façon suivante :

1. Prise en compte des instructions de la partie déclarative.

2. Exécution de la partie configuration (fonction setup( )).

3. Exécution de la boucle sans fin (fonction loop ( )): le code compris dans

la boucle sans fin est exécuté indéfiniment.

Figure 4: Déroulement du programme arduino

Fonction : k)

Fonction setup :

void setup () //fonction d'initialisation de la carte

{

//contenu de l'initialisation

//on écrit le code à l'intérieur

}

Cette fonction setup ( ) est appelée une seule fois lorsque le programme

commence. C'est pourquoi c'est dans cette fonction que l'on va écrire le code qui n'a

besoin d'être exécuté qu’une seule fois. On appelle cette fonction : "fonction

d'initialisation". On y retrouvera la mise en place des différentes sorties et quelques

autres réglages.

Fonction Loop :

Une fois que l'on a initialisé le programme, il faut ensuite créer son "coeur",


21

autrement dit le programme en lui-même.

void loop () //fonction principale, elle se répète (s’exécute) à l'infini

{

//contenu du programme

}

C'est donc dans cette fonction loop() que l’on va écrire le contenu du programme.

Il faut savoir que cette fonction est appelée en permanence, c'est-à-dire qu'elle est

exécutée une fois, puis lorsque son exécution est terminée, on le ré-exécute et encore

et encore. On parle de boucle infinie.

B. Xbee pro :

1. Introduction :

Quand il s’agit de concevoir des systèmes embarqués, interactifs ou bien quand des

objets doivent communiquer entre eux (communication série), plusieurs solutions sont

possibles. Nous explorerons ici le protocole Zigbee qui permet de communiquer par

ondes radio, c’est-à-dire sans fil. Je m’efforcerais dans un premier temps de présenter

les caractéristiques de ce protocole et d’éviter certaines confusions.

2. Présentation du XBee :

Les produits MaxStream XBee™ sont des modules de communication sans fil très

populaires fabriqués par l’entreprise Digi International. Ils ont été certifiés par la

communauté industrielle ZigBee Alliance en 2006 après le rachat de MaxStream par

Digi International. La certification Zigbee se base sur le standard IEEE 802.15.4 qui

définit les fonctionnalités et spécifications des réseaux sans fil à dimension personnelle

(Wireless Personal Area

Networks : WPANs). Nous verrons plus loin chacun des termes qui peuvent poser

problème.

Les principales caractéristiques du XBee :

– fréquence porteuse : 2.4Ghz.

– portées variées : assez faible pour les XBee 1 et 2 (10 - 100m), grande pour le

XBee Pro (1000m).

– faible débit : 250kbps.

– faible consommation : 3.3V @ 50mA.

– entrées/sorties : 6 10-bit ADC input pins, 8 digital IO pins.

– sécurité : communication fiable avec une clé de chiffrement de 128-bits.

– faible coût : 400 dh.

– simplicité d’utilisation : communication via le port série.

– ensemble de commandes AT et API.

– flexibilité du réseau : sa capacité à faire face à un noeud hors service ou à

intégrer de nouveaux nœuds rapidement.


22

– grand nombre de noeuds dans le réseau : 65000.

– topologies de réseaux variées : maillé, point à point, point à multipoint.

3. Broches Xbee (IO Pins):

Figure 5: Les broches Exbee


23

4. Pourquoi choisir le sans fil ?

À première vue, le sans-fil présente bien des avantages. Il permet de ne pas

encombrer un espace de travail, d’équiper des appareils mouvants, de communiquer

dans des endroits inaccessibles. Cependant, il faut aussi prendre en considération

d’autres paramètres :

– La communication sans fil ne sera jamais aussi fiable qu’une communication

filaire. Le signal peut être déformé par d’autres ondes et par des obstacles.

– Par conséquent, commencez toujours à tester votre système avec une

communication filaire.

– À moins de récupérer l’énergie des ondes électromagnétiques ambiantes (Free

Energy), vous aurez toujours besoin d’un fil pour alimenter votre module.

– L’environnement semble aujourd’hui saturé d’ondes électromagnétiques, on


24

parle de pollution électromagnétique.

Le XBee génère des radiations électromagnétiques alors pourquoi en rajouter ?

– La communication n’est pas 1-1 entre l’émetteur et le récepteur. En effet les

ondes radio rayonnent en cercle autour de l’émetteur. Seuls les appareils décryptant le

bon protocole peuvent différencier les informations provenant d’un module Zigbee,

d’un module Bluetooth ou de routeurs Wi-Fi, pourtant tous modulés par la même

fréquence de 2,4Ghz.

5. Xbee ou Zigbee ?

Figure 6:l'idee de l'exbee dans la réalité

Bee signifiant "abeille", le choix du nom donne l’image qu’il peut y avoir plusieurs

petits modules connectés ensemble comme une colonie d’abeilles. Au début, on peut

confondre les termes XBee et ZigBee. En fait, comme expliqué au début de l’article, le

ZigBee est un protocole de communication qui s’appuie sur le travail du groupe IEEE

802.15.4 et définit par le groupe de professionnels ZigBee Alliance. Le XBee est une

marque, un produit qui utilise le protocole ZigBee.

6. Séries 1 et 2 ?

Plusieurs produits XBee existent, ce qui peut créer quelques confusions. Il faut

retenir qu’il y a deux catégories de XBee : la série 1 et la série 2. Les modules de la

série 1 ont souvent un "802.15.4" qui s’ajoutent à leurs noms.

Les modules de la série 2 sont disponibles en plusieurs versions : XBee ZNet 2.5

(obsolète), le ZB (l’actuel) et le 2B (le plus récent). Vous avez aussi des XBee Pro,

qui font la même chose, mais avec de plus grandes capacités, notamment la portée qui

semble pouvoir aller jusqu’à 1000 mètres.

Tableau de comparaison des modules Xbee :


25

Ce qu’il faut retenir :

– les modules de la série 1 et 2 ne sont pas compatibles entre eux.

– la portée et la consommation sont sensiblement les mêmes.

– le nombre d’entrées et sorties est différent et surtout la série 2 ne possède pas de

sorties analogiques PWM.

– les topologies de réseaux possibles ne sont pas les mêmes. Avec la série 1,

l’architecture est simple : point à point (pair) ou multipoint (star). La série 2 permet

en plus de créer des réseaux plus complexes :

Maillés (mesh) ou en "arbre" (cluster tree).


26

Figure 7: Les types de configuration d'Xbee

7. Caractéristique des modules Xbee Pro :

Modulation RF : Modulation en quadrature de phase avec décalage.

Bande d’émission : 2,4GHz.

Largeurs des canaux de transmission : 5 MHz.


27

Figure 8: Spécifications du Xbee et Xbee-pro

8. Antennes :

Vous aurez aussi à choisir le type d’antennes du module. En effet, les ondes radios

ont besoin d’antennes pour émettre et recevoir les signaux.

Figure 9:Différentes types d'Xbee


28

Ce qu’il faut retenir :

– wire : simple, radiations omnidirectionnelles.

– chip : puce plate en céramique, petite, transportable (pas de risques de casser

l’antenne), radiations cardioïdes.

(Le signal est atténué dans certaines directions).

– U.FL : une antenne externe n’est pas toujours nécessaire.

– RPSMA : plus gros que le connecteur U.FL, permet de placer son antenne à

l’extérieur d’un boîtier.

9. Communication avec l’ordinateur :

Figure 10: Adaptateurs Xbee

Pour établir une communication avec l’ordinateur, il y a deux options :

L’assemblage de différents éléments comme sur l’image ou le XBee USB

Explorer. J’ai choisi la première option car un peu moins cher et plus flexible.

La communication en direct sans passer par une Arduino vous permet de

configurer rapidement votre XBee.

On verra plus loin dans les cas pratiques qu’on peut aussi configurer le module en

le branchant à l’Arduino. Donc se procurer un explorateur n’est pas indispensable,

mais c’est à conseiller pour débuter car c’est tout de même plus simple.

La communication entre l’ordinateur et le XBee se fait via une liaison série.

10. Alimentation :


29

L’alimentation doit être comprise entre 2,8V et 3,4V. Dans mes montages j’utilise

l’adaptateur qui stabilisée l’alimentation à 3,3V. Dans d’autre exemple, il semblerait

qu’assembler deux piles 1,5V ensemble soit suffisant.

Pour être plus autonome, on peut trouver des montages sur le Web avec le

régulateur de tension LM7833 qui sort directement une tension de 3,3V ou bien avec

le LM317 qui permettrait avec des valeurs de résistances adaptées d’obtenir ce que

l’on souhaite, mais je ne l’ai pas testé.

11. Communication Série :

Figure 11: Les ports series

Pour transmettre des données, il faut :

– coder les données (émetteur) pour qu’il y ait le moins de pertes possibles.

– les acheminer via un support physique.

– les décoder (récepteur) suivant les mêmes règles.

Au niveau physique, il s’agit surtout de l’envoi en série d’états électriques binaires

(0 ou +5V par exemple).

Le signal numérique est converti en signal analogique par des modems et

transporté sur des supports filaires à base de cuivre ou de fibre optique, ou bien à


30

travers le milieu aérien pour les transmissions non filaires. La transmission numérique

des données est un ensemble de techniques fascinantes, qui consiste à trouver la

meilleure solution pour transmettre les niveaux électriques représentant les bits.

Duplex / transceiver :

La communication avec le module XBee s’établit par une communication série

asynchrone. C’est très pratique, il suffit de quatre fils : deux pour l’alimentation (la

masse et le +), un pour la réception et un pour l’émission. En effet le XBee permet de

recevoir et d’émettre des données en même temps, on dit qu’il est full duplex,

contrairement à la radio FM qui envoient les

informations dans un seul sens (simplex) et au

talkie-walkie qui ne permet pas à deux émetteurs

de parler en même temps (half-simplex). On dit

aussi que le XBee est un transceiver qui est la

contraction de TRANSmitter (émetteur) et de

reCEIVER (récepteur).

Liaison série / parallèle :

On distingue ensuite deux types de communications : série ou parallèle. La

première nécessite moins de fils, toutes les données sont envoyées à la suite les unes

des autres sur le même fil. La seconde est aujourd’hui moins utilisée du fait des

perturbations dûes à la promiscuité des fils sur une nappe parallèle et aussi grâce à la

rapidité de traitement des ordinateurs actuels.

Figure 12: les liaisons des communications

Dans une liaison en série, les données sont envoyées bit par bit sur la voie de

transmission. Toutefois, étant donné que la plupart des processeurs traitent les

informations de façon parallèle, il s’agit de transformer des données arrivant de façon

parallèle en données en série au niveau de l’émetteur, et inversement au niveau du

récepteur. Ces opérations sont réalisées grâce à un contrôleur de communication (la

plupart du temps une puce UART, Universal Asynchronous Receiver Transmitter). Il fonctionne grâce à un registre à décalage. Le registre de décalage

permet, grâce à une horloge, de décaler le registre (l’ensemble des données présentes

en parallèle) d’une position à gauche, puis d’émettre le bit de poids fort (celui le plus à

gauche) et ainsi de suite.


31

"Serial: Used for communication between the Arduino board and a computer or

other devices. All Arduino boards have at least one serial port (also known as a UART

or USART) : Serial. It communicates on digital pins 0 (RX) and 1 (TX) as well as with

the computer via USB. Thus, if you use these functions, you cannot also use pins 0 and

1 for digital input or output."

C. Configuration des deux Xbee:

1. Logiciel:

Introduction XTCU: a)

CTU est une application multi-plateforme libre conçu pour permettre aux

développeurs d'interagir avec des modules RF Digi grâce à une interface graphique

simple à utiliser. Il comprend de nouveaux outils qui rendent facile à installer, à

configurer et modules RF XBee de test.

Installation du logiciel : b)

Cela ne pose pas de problème. Exécuter XCTU5250.exe et installer les drivers

USB (FTDI_Windows_Driver_Setup.exe).

Configuration des deux modules Xbee: c)

Déclaration et test du port de communication avec le module :

Figure 13:Configuration du Xbee


32

Paramétrage du module Xbee :

Figure 14: Paramétrage de Xbee

Sélection du canal RF de communication :

Figure 15: Sélection du canal RF

Adresse IP –PAN ID :

Pour avoir une communication entre les deux Xbee en les donnes même adresse

IP.


33

Figure 16: Adresse IP

D. Moteur a courant continu :

1. Introduction :

La machine à courant continu est un convertisseur d'énergie, totalement réversible,

elle peut fonctionner soit en moteur, convertissant de l'énergie électrique en énergie

mécanique, soit en génératrice, convertissant de l'énergie mécanique en énergie

électrique. Dans les deux cas un champ magnétique est nécessaire aux différentes

conversions. Cette machine est donc un convertisseur électromécanique.

2. Le rôle ou l’utilité d’un moteur :

Cette partie n'est pas un des plus simples car il va faire apparaître des notions de

mécanique qui sont indispensables pour comprendre le mouvement. Il prend en

général plusieurs heures de cours pour être bien expliqué. Nous allons donc vous faire

ici uniquement une introduction à la mécanique du moteur. Cependant, cette

introduction présente des notions très importantes pour bien comprendre la suite.

Prenons un moteur électrique des plus basiques qui soient :

Vous avez devant vos yeux un moteur électrique tel que l'on peut en trouver dans

les engins de modélisme ou dans les voitures téléguidées. Mais sachez qu'il en existe

de toute sorte, allant du miniature au gigantesque, adapté à d'autres types

Figure 17: Un moteur classique à

courant continu 6V


34

d'applications. Nous nous contenterons ici des moteurs électriques "basiques".

Transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique :

Un moteur ça fait quoi ? Ça tourne ! On dit qu'un moteur est un composant de

conversion d'énergie électrique en énergie mécanique. Les moteurs à courant continu

(ce terme deviendra plus clair par la suite) transforment l'énergie électrique en énergie

mécanique de rotation, pour être précis. Mais ils peuvent également servir de

générateur d'électricité en convertissant une énergie mécanique de rotation en énergie

électrique. C'est le cas par exemple de la dynamo sur un vélo !

Ce dernier point n'est pas à négliger, car même si dans la plupart des applications

votre moteur servira à générer un mouvement, il sera possible qu'il soit actionné "à

l'envers" et génère alors du courant. Il faudra donc protéger votre circuit pour ne pas

l’abîmer à cause de cette "injection" d'énergie non désirée.

Principe de fonctionnement du moteur à courant continu :

Figure 18: éclaté d'un MCC

Tout d'abord, nous allons prendre une bonne habitude. Le moteur à courant continu

s'appelle aussi "Machine à Courant Continu", que j'abrégerais en MCC. Le moteur à

courant continu est composé de deux parties principales : le rotor (partie qui tourne) et

le stator (partie qui ne tourne pas, statique). En électrotechnique (science traitant

l'électricité en tant qu'énergie) le stator s'appelle aussi inducteur (qui fait l'action

d’induire) et le rotor s'appelle l'induit (qui subit l'action d'induction). Sur l'image à

droite, vous pouvez observer au milieu - entouré par les aimants bleu et rouge qui

constituent le stator - le rotor composé de fils de cuivre enroulés sur un support lui-

même monté sur un axe. Cet axe, c'est l'arbre de sortie du moteur. C'est lui qui va

transmettre le mouvement à l'ensemble mécanique (pignons, chaîne, actionneur…) qui

lui est associé en aval. Dans le cas d'un robot sur roues par exemple, on va mettre la

roue sur cet axe, bien souvent par l'intermédiaire d'un réducteur qui diminue la vitesse

de rotation tout en augmentant le couple.

Description :

La machine à courant continue comporte les parties principales suivantes :

- Une partie fixe appelée STATOR qui aura le rôle d'inducteur.


35

- Une partie mobile appelée ROTOR qui aura le rôle d'induit.

L’inducteur :

Il est formé soit d'aimants permanents en ferrite soit de bobines placées autour des

noyaux polaires. Lorsque les bobines sont parcourues par un courant continu, elles

créent un champ magnétique dans le circuit magnétique de la machine notamment

dans l'entrefer, espace séparant la partie fixe et la partie mobile, où se situent les

conducteurs.

L’induit :

Le noyau d'induit est en fer pour canaliser les lignes de champ, les conducteurs

sont logés dans des encoches sur le rotor, deux conducteurs forment une spire.

3. Pilotage d’un moteur :

Maintenant que le moteur tourne à une vitesse réglable, il pourra être intéressant de

le faire tourner aussi dans l'autre sens (si jamais on veut faire une marche arrière, par

exemple, sur notre robot), voire même d'être capable de freiner le moteur. C'est ce que

nous allons tout de suite étudier dans la partie suivante en parlant d'un composant très

fréquent dans le monde de la robotique : le pont en H.

Tourner dans les deux sens : le pont en H a)

Nous allons chercher à faire tourner le moteur dans les deux sens, cette fonction

sera assurée par le « pont en H ».

Principe de pont en H :

Tout d'abord une question très simple : pourquoi le moteur tourne dans un seul sens

? Réponse évidente : parce que le courant ne va que dans un seul sens ! Pour pouvoir

aller vers l'avant et vers l'arrière il nous faut donc un dispositif qui serait capable de

faire passer le courant dans le moteur dans un sens ou dans l'autre. Par exemple si on

monte un moteur avec une pile de 9V dans un ordre quelconque, comme ci-dessous :

Figure 19: Montage moteur et pile

Essayez d'inverser les deux bornes du moteur pour observer ce qu'il se passe : le


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moteur change de sens de rotation. C'est dû au champ magnétique créé par les bobines

internes du moteur qui est alors opposé. C’est là que intervient le pont en H qui facilite

la permutation entre les deux sens sans avoir à démonter et remonter voici un pont en

H basic :

Figure 20: Le pont en H

Grace ou pont en H nous allons piloter le moteur dans les deux sens de rotation.

Pour comprendre le fonctionnement de ce pont en H (appelé ainsi par sa forme),

imaginons que je ferme les transistors 1 et 4 en laissant ouverts le 2 et le 3. Le courant

passe de la gauche vers la droite.

Si 2 et 3 fermés et 1 et 4 ouverts, le courant ira dans l'autre sens.

Figure 21:Fonctionnement dans le sens anti-horaires Figure 22:Fonctionnement dans le sens horaire

E. L298N :

1. Introduction : Le L298 est un circuit intégré monolithique dans un plomb de 15 paquets multi-

puissances et PowerSO20. Il est un double pont en H avec interface logique. Il est

d'une haute tension, à double conducteur de pont complet courant élevé conçu pour

accepter des niveaux logiques TTL standard et piloter des charges inductives telles que

des relais, des solénoïdes, DC et moteurs pas à pas. Deux entrées de validation sont

fournis pour activer ou désactiver le dispositif indépendamment des signaux d'entrée.


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Les émetteurs des transistors inférieurs de chaque pont sont connectées ensemble et à

la borne externe correspondant peuvent être utilisés pour la connexion d'une résistance

de détection externe. Une entrée d'alimentation supplémentaire est prévue de sorte que

la logique fonctionne à une tension inférieure.

Figure 23: Le schéma interne de L298D

IV. Conception et simulation de l’ensemble :

A. Logiciel proteus Isis :

1. Introduction : Proteus est une suite logicielle permettant la CAO électronique éditée par la société

Labcenter Electronics. Proteus est composé de deux logiciels principaux : ISIS,

permettant entre autres la création de schémas et la simulation électrique, et ARES,

dédié à la création de circuits imprimés.

Grâce à des modules additionnels, ISIS est également capable de simuler le

comportement d'un microcontrôleur (PIC, Atmel, 8051, ARM, HC11...) et son

interaction avec les composants qui l'entourent.


38

Le logiciel PROTEUS est composé de trois modules : L’éditeur de schéma ISIS.

Le simulateur LISA.

L’outil de conception de circuit imprimé ARES.

ISIS produit d’une part, une liste d’équipotentiels qui peut être utilisée par le

simulateur LISA et l’outil de conception de circuit imprimé ARES, d’autre part, une

liste de matériel et des rapports de contrôle des règles électriques.

LISA est un ensemble de modules de simulation lié à ISIS. Le noyau de simulation

PROSPICE est basé sur la version 3F5 du moteur SPICE publié par l’université de

Berkeley.

ARES est un module de conception de circuit imprimé compatible Windows, 98

2000 et XP. Il permet le placement des composants en mode automatique, manuel ou

semi-automatique et le routage des liaisons sur plusieurs couches en mode

automatique manuel ou semi-automatique.

Figure 24: Interface du logiel et les différents composants


39

Figure 25: Interface du module ARES

2. Conception du montage sur Proteus 8.1 :

La librairie du logiciel contient tous les composants électroniques, sauf que le

prototype de la carte Arduino doit être ajouté après l’installation parce que ce n’est pas

conventionné.

Le montage se découpe en deux blocs principaux, que nous allons détailler dans cet

ordre : un étage de puissance pour commander les deux moteurs, une carte

électronique de commande, qui a pour rôle de contrôler l'étage de puissance et

d'assurer la communication avec l'utilisateur.

Alimentation :

Nous allons assurez l’alimentation de cette étage à l’aide de pile 9V

Figure 26:symbole Pile 9V


40

Contrôleur du moteur cc « L298N » :

Comme il est déjà expliqué dans le chapitre d’étude théorique, il est un

intermédiaire entre la carte arduino et les deux MCC

Voici le montage avec les deux moteurs :

Figure 27: Montage complet

Le contrôleur L298N est branché sur les broches 13, 12, 11, 10 de la carte arduino

pour la commande ; et le module de trans-communication (Xbee) modélisé par un

moniteur virtuel dans ISIS est connecté sur les entrées Rx et Tx (broches de

communication série) , les deux moteurs connectés directement aux sorties respectives

OUT1 et OUT2 , OUT3 et OUT4.

Les broches ENABLE1 et ENABLE2 sont connectés avec une entrée logique qui a

pour valeur « 1 » ou 5volts pour assurer le fonctionnement constant du contrôleur.

V. Réalisation pratique de l’ensemble :

Nous avons tout d’abord fixée l’arduino et le controleur sur le châssis et puis après

le branchement du Xbee sur l’arduino et la connexion entre le contrôleur et l’arduino

par l’intermédiaire des fils.


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Figure 28: Montage pratique de l'ensemble

Figure 29: vue de dessous


42

VI. Conclusion :

Pour conclure, ce projet a été un bon moyen de mettre en pratique toutes nos

connaissances acquises tout au long de notre formation. En effet, les nombreuses

matières que nous avons étudiées nous ont été d’un grand secours dans la réalisation

de ce projet, surtout l’électrotechnique et l’informatique.

Ces connaissances nous ont servi aussi bien pour la programmation du cerveau

Arduino aussi bien qu’a l’utilisation du logiciel Proteus et l’exploitation de ces

diverses fonctionnalités.

Sans oublier d’améliorer la gestion d’un travail considéré un projet, comme la

confrontation de solutions techniques pour un même problème, et pour réaliser le

cahier de charges. Le temps n’a pas été de notre côté mais nous avons su dépasser ces

problèmes.


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Bibliographie :

Datasheet Arduino.

Datasheet Xbee.

Datasheet L298N.

https://zestedesavoir.com/tutoriels/537/arduino-premiers-pas-en-

informatique-embarquee/747/le-mouvement-grace-aux-moteurs/3437/le-

moteur-a-courant-continu/

http://www.arduino.cc/en/Guide/ArduinoXbeeShield

http://examples.digi.com/

https://arduino-info.wikispaces.com/MotorDrivers#L298Board

Wikipedia.org

https://zestedesavoir.com/tutoriels/537/arduino-premiers-pas-en-informatique-embarquee/747/le-mouvement-grace-aux-moteurs/3437/le-moteur-a-courant-continu/



http://www.arduino.cc/en/Guide/ArduinoXbeeShield

http://examples.digi.com/

https://arduino-info.wikispaces.com/MotorDrivers#L298Board


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Annexes :

Montage du châssis :

Figure 30: Montage du châssis


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Figure 31: Montage du châssis

Yassine Otmane voiture commandée à distance (XBEE)

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