Mesure de la température à l'aide d'un montage Arduino et représentation graphique des données avec python

Le micro-contrôleur Arduino est programmable facilement dans un langage ressemblant à du C, via le logiciel spécifique et libre, Arduino[1].

Il suffit de le brancher en USB à un ordinateur sur lequel le logiciel est installé pour qu’il soit reconnu. On peut ensuite (après avoir sélectionné le modèle de carte utilisée et le port COM sur lequel on est branché) lui « téléverser » un script qu’il gardera en mémoire même hors tension.

Les scripts suivent en général la structure suivante : une définition des constantes et variables utilisées, une boucle d’initialisation (qui sera exécutée une fois à chaque démarrage de l’Arduino) et une boucle de fonctionnement (qui sera exécutée en boucle jusqu’à l’arrêt de l’Arduino).

Le script utilisé ici est disponible au téléchargement à la fin de cet article, il est commenté et présenté dans les figures 3 à 5 (la plupart des fonctions ont des noms transparents, mais vous pouvez trouver leur description détaillée sur la page de référence des fonctions Arduino [2]).

La température ambiante est définie à cet endroit (on peut modifier la valeur si besoin). Ici nous avons choisi une température de 22°C (cette fiche ayant été rédigée un jour de printemps à Lyon), figure 3.

Figure 3.  Définition des constantes et variables

Dans la boucle d’initialisation (figure 4), on définit les broches ou sorties numériques sur lesquelles sont branchées les LEDs. On s’assure que les LEDs sont initialement éteintes. Et on débute également une communication via le port série (l’utilisation du port série sera décrite dans la section 4).

Figure 4.  Boucle d’initialisation

Dans la boucle de fonctionnement (figure 5), on relève la température mesurée en fonction du temps écoulé depuis le démarrage de l’Arduino (en ms) pour l'envoyer sur le port série. On actualise aussi l’état (allumé ou éteint) des LEDs en fonction de la température mesurée.

Ici, on a choisi arbitrairement que les LEDs s’allument respectivement pour des températures de +2°C, +4°C, +6°C et +8°C par rapport à la température ambiante définie au début du script. À la fin de la boucle, on impose un temps de pause de 10 ms, pour que deux mesures de températures successives ne soient pas trop rapprochées (on peut modifier cette valeur si besoin).

Figure 5.  Boucle de fonctionnement

Une fois le script téléversé dans la mémoire de l’Arduino, celui-ci peut fonctionner de façon autonome (tant qu’il est alimenté). Lorsque la température est comprise entre 24°C et 26°C, on observe, en effet que la première LED s'allume, figure 6.

Figure 6.  Température comprise entre 24°C et 26°C

En faisant chauffer le capteur entre ses doigts, on mesure maintenant une température comprise entre 28°C et 30°C, figure 7.

Figure 7.  Température comprise entre 28°C et 30°C

Il est également possible d’utiliser l’Arduino pour envoyer des données numérisées (la mesure de température ici) vers un ordinateur. Pour cela, nous utilisons la fonction Serial.print()[3] qui permet d’envoyer des chaînes de caractères via le port série. Le logiciel Arduino dispose d’un moniteur série qui permet de visualiser toutes les chaînes de caractères envoyées par l’Arduino (voir figures 8 et 9). Le port série matériel relie l'Arduino à l'ordinateur via la connectique USB, il est aussi partagé sur les broches 0 et 1 de l'Arduino (par exemple pour connecter deux Arduino).

Figure 8.  Mise en évidence de l’icone permettant d’ouvrir le moniteur série du logiciel Arduino

Figure 9.  Fenêtre du moniteur série dans laquelle on peut visualiser les mesures de températures envoyées par l’Arduino à l’ordinateur

La colonne de gauche contient le temps (en ms) écoulé depuis le démarrage de l’Arduino, la colonne de droite contient la température (en °C) mesurée à chaque itération de la boucle de fonctionnement. Ici on constate que la température oscille entre 20 et 21°C.

Ce moniteur série est assez limité : il ne permet que la visualisation en temps réel d’une série de valeurs. Pour aller plus loin, nous proposons l’utilisation d’un script Python, qui aura pour rôle de récupérer sur le port série les données envoyées par l’Arduino, et de les représenter graphiquement.

Le script Python est disponible au téléchargement à la fin de cet article. Il est commenté et présenté sur la figure 10.

Figure 10.  Script python pour importer les librairies utiles, définir les paramètres et importer les données transmises par l'arduino

On peut maintenant faire une représentation graphique des mesures, figure 11.

Figure 11.  Script python pour représenter les données de températures transmises par l'arduino

Remarque : Le code Python présenté ici est minimaliste, il se contente de lire ligne par ligne les données envoyées sur le port série par l’Arduino et de stocker les valeurs dans un tableau, pour les exploiter ultérieurement. Une version plus élaborée et détaillée est disponible sur git-hub et permet de faire de la visualisation de signal en temps réel (comme sur un oscilloscope) : https://github.com/aberut/arduino-oscillo, [4].