Réaliser un projet arduino

Présentation du projet expérimental et numérique

Le programme d’enseignement scientifique de Première prévoit un travail qui se déroulera sur une douzaine d’heures, dans des conditions matérielles qui permettent un travail pratique effectif en petits groupes d’élèves.
Le projet s’articule autour de la mesure et des données qu’elle produit, qui sont au cœur des sciences expérimentales. L’objectif est de confronter les élèves à la pratique d’une démarche scientifique expérimentale, de l’utilisation de matériels (capteurs et logiciels) à l’analyse critique des résultats.

Le projet expérimental et numérique comporte trois dimensions :

  • utilisation d’un capteur éventuellement réalisé en classe ;
  • acquisition numérique de données ;
  • traitement mathématique, représentation et interprétation de ces données. Selon les projets, l’une ou l’autre de ces dimensions peut être plus ou moins développée.
    L’objet d’étude peut être choisi librement, en lien avec le programme ou non. Il s’inscrit éventuellement dans le cadre d’un projet de classe ou d’établissement.
    L’objectif n’est pas d’introduire des notions nouvelles.

Liens avec le programme de l’enseignement scientifique première (extraits)

Comprendre la nature du savoir scientifique et ses méthodes d’élaboration


Le savoir scientifique résulte d’une construction rationnelle. Il se distingue d’une croyance ou d’une opinion. Il s’appuie sur l’analyse de faits extraits de la réalité complexe ou produits au cours d’expériences. Il cherche à expliquer la réalité par des causes matérielles.}

Identifier et mettre en œuvre des pratiques scientifiques

Le scientifique, au cours de son activité de production du savoir, met en œuvre un certain nombre de pratiques qui, si elles ne sont pas spécifiques de son travail, en sont néanmoins des aspects incontournables. Quelques mots-clés permettent de les présenter : observer, décrire, mesurer, quantifier, calculer, imaginer, modéliser, simuler, raisonner, prévoir le futur ou remonter dans le passé.

Identifier et comprendre les effets de la science sur les sociétés et sur l’environnement

Les sociétés modernes sont profondément transformées par la science et ses applications technologiques. Leurs effets touchent l’alimentation (agriculture et agroalimentaire), la santé (médecine), les communications (transports, échange d’information), l’apprentissage et la réflexion (intelligence artificielle), la maîtrise des risques naturels et technologiques, la protection de l’environnement, etc. La compréhension de ces transformations est indispensable à la prise de décision ; elle distingue l’approche purement scientifique d’autres approches (économiques, éthiques, etc.). De même, les activités humaines exercent sur l’environnement des effets que la science permet de comprendre et de contrôler.}

Une place réservée à l’observation et l’expérience en laboratoire

La pratique expérimentale des élèves est essentielle. En particulier, il est bienvenu, chaque fois que possible, de créer les conditions permettant un travail de laboratoire fondé sur diverses formes de manipulations et d’observations. Ainsi, l’élève se livre lui-même à la confrontation entre faits et idées et comprend, en la pratiquant, la construction du savoir scientifique.

Un usage explicité des outils numériques

Des outils numériques variés trouvent des applications dans le cadre de l’enseignement scientifique : logiciels de calcul ou de simulation, environnements de programmation, logiciels tableurs, etc. Il convient d’associer leur usage par les élèves à la compréhension au moins élémentaire de leur nature et de leur fonctionnement.

mise en situation :

Une étude menée par des scientifiques de l’université de Miami montre que l’augmentation de la vapeur d’eau dans l’atmosphère est due au réchauffement climatique provoqué par les gaz à effet serre.

Sources

https://global-climat.com/2014/07/28/la-vapeur-deau-et-le-rechauffement-climatique/

https://www.pnas.org/content/early/2014/07/23/1409659111?sid=5c542756-c85b-461c-affe-906cf67bbd35

Problème :

L’augmentation de la température de la planète provoque une augmentation de la vapeur d’eau dans l’atmosphère quelle conséquence sur l’effet de serre ?

Travail possible sur la conception du protocole

Principe de l’expérience :

Mesurer la différence de vitesse d’augmentation de température et la température obtenue à l’équilibre thermique des deux systèmes (effets de serre différents) dans deux enceintes avec des teneurs en vapeur d’eau différentes.

Matériels et montages

Montage arduino effet de serre
Le montage représenté ci-contre est constitué
d’une carte Arduino et de son shield grove
deux sondes grove temperature & humidity sensor pro (AM2302/DHT22)branchées sur les ports D4 et D5 du shield
montage effet de serre
Sous deux cloches à salades éclairées par 2 halogènes identiques les deux sondes sont suspendues.
L’atmosphère de l’enceinte 1 est appauvrie en vapeur d’eau grâce à un verre de montre contenant de la potasse KOH.
L’atmosphère de l’enceinte 2 est enrichie en vapeur d’eau grâce à un verre de montre contenant de l’eau liquide.

Le montage amène une réflexion des élèves sur les précautions scientifiques de départ des conditions expérimentales pour la validité de l’expérience.

Lampes avec ampoules identiques, égales distances, sondes bien identiques (temps de polarisation)…

Mise en fonction de la carte arduino par les élèves

La programmation de la carte arduino se fait par l’intermédiaire de lDE arduino et se fait en langage C++.

Voir utilisation de l’Environnement de Développement Intégré de arduino.

Le programme disponible sur ce site pour ce projet est un programme complet généraliste, simple et très annoté, permettant de gérer 2 sondes de température et humidité branchées sur les ports D du shield grove.

Ce programme est libre de droit, diffusable et modifiable à condition d’en citer les auteurs et modificateurs successifs.

Ce programme utilise des bibliothèques DHP.cpp et DHT.h qui doivent être placées dans le même répertoire que le programme .ino ou le répertoire des bibliothèques de l’IDE.

Mais plusieurs possibilités sont envisageables en fonction du niveau informatique des élèves ayant choisi ce projet. Il est possible de modifier le programme ou de donner des versions plus ou moins complètes du programme à téléverser dans la carte arduino.

En sachant que en mathématiques la programmation python au lycée aborde la notion de boucles et l’usage de listes les élèves doivent pouvoir comprendre les programmes utilisés..

Possibilité d’utiliser ardublock…

la récolte des données

peut se faire de plusieurs manières par le port com3 de l’ordinateur.

  • possibilité 1 : Visualisation directe des données dans le moniteur série de l’IDE arduino

et capture par un copier-coller du contenu de la fenêtre (ctrl+a puis ctrl+c)

cette première manière permet de vérifier que la carte arduino envoie bien les données attendues et que l’ordinateur les reçoit bien.

  • possibilité 2 : utilisation du logiciel puTTY pour capturer les données provenant de l’USB de la carte arduino (Logiciel à installer en même temps que l’IDE arduino par votre service informatique)

voir la fiche utilisation de puTTY

avantage de cette dernière solution : permet de générer un fichier texte (.log) dans lequel les données sont enregistrées ce qui facilite l’importation dans un tableur et l’enregistrement sur de longues durées.

Utilisation d’un tableur pour mettre en forme les données

Les fonctionnalités classiques de création d’un graphique sont utilisées pour choisir les données pertinentes et les communiquer.

Remarque : les logiciels sont basés sur le système anglo-saxon qui met des points pour matérialiser les virgules. Si vous utilisez libre office ou open office, pensez à remplacer tous les points par des virgules pour retrouver un format numérique utilisable pour les graphiques.

Voici un exemple de résultats obtenus en 60 minutes de mesure.

Série de données importées dans un tableur.Graphique obtenu.
données dans tableur
effet de serre humidité libreoffice

Il est possible d’utiliser un programme python d’affichage graphique « affichage_temperatures_et_humidite.py » utilisant les bibliothèques numpy, pyplot et une fonction d’extraction du fichier csv « csvtolist.py ».

rappel important et remarque

Ce programme utilise des bibliothèques DHP.cpp et DHT.h qui doivent être placées dans le même répertoire que le programme .ino ou le répertoire des bibliothèques de l’IDE.

Pour simplifier l’utilisation de python le package édupython a été choisi.

Ce package souvent utilisé par les professeurs de mathématique et en SNT est fréquemment installé dans les lycées.

Il a l’avantage d’inclure, dans sa dernière version, et sans modification, de nombreuses bibliothèques qui permettent de travailler les calculs mathématiques, les graphiques, le traitement des images, les fichiers csv…

Voici un exemple de graphe obtenu en python.
effet de serre humidité python

exploitation des résultats

Après une augmentation plus rapide au début dans l’enceinte avec davantage de vapeur d’eau, la température se stabilise mais à des valeurs supérieures (26°C) dans l’enceinte avec 70 % d’humidité contre 23°C dans l’enceinte avec une faible humidité (30 %).

Un équilibre thermique différent est obtenu dans les deux enceintes.

Il y a donc déplacement de l’équilibre thermique du système à une température plus élevée. (remarque : les oscillations synchronisées entre température et humidité observées dans l’enceinte humide sont peut être liées à l’energie utilisée pour l’évaporation de l’eau ou simplement aux oscillations du capteur de la sonde …)

Sur le même principe, il est possible de faire varier un autre gaz à effet de serre, le CO2.

Projet expérimental et numérique en SVT : mesure de l’effet de serre en fonction du CO2

Lien possible avec le programme de spécialité SVT de terminale

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Partie dans la partie Reconstituer et comprendre les variations climatiques passées Ouverture possible sur la complexité de la prédiction et des modèles climatiques qui doivent intégrer le fait que de nombreux paramètres du modèle varient les uns en fonction des autres.

d’autres projets expérimentaux

Utiliser un microcontrôleur arduino en Sciences de la Terre au lycée : Mettre en évidence la transmission de chaleur par convection, capturer des données et les traiter dans un tableur ou par un programme python.

Utiliser un microcontrôleur arduino en Sciences de la Terre au lycée : Obtenir des données sur le transfert de chaleur par conduction dans les roches et les traiter dans un tableur ou par un programme python.

Projet expérimental et numérique en SVT : mesurer la croissance de végétaux en faisant varier les conditions de culture et traiter les données dans un tableur ou un programme en python.

Projet expérimental et numérique en SVT : Mesurer l’effet de serre pour différents taux de CO2 en utilisant un microcontrôleur arduino et traiter les données récoltées dans un tableur ou un programme en python.

liens utiles

IDE arduino

https://www.arduino.cc/

edupython

http://edupython.tuxfamily.org/

logiciel putty

https://www.putty.org/

acheter des cartes et des sondes

Dans beaucoup de lycées en raison de la réforme du lycée 2019 demandant de la programmation d’objets connectés, il y a des cartes arduino. Voyez avec vos collègues de physique, de numérique (SNT, NSI…) ou de mathématiques.

Le site original

https://www.seeedstudio.com/category/Grove-c-1003.html

Des sites qui prennent les mandats administratifs

https://www.generationrobots.com/fr/249-grove

https://boutique.semageek.com/fr/75-grove

https://www.technologieservices.fr/produits/robotique-et-programmation/cartes-programmables/modules-grove.html

http://duinoedu.com/store1/33-04-modules-grove

https://www.jeulin.fr/produits/technologie/robotique/grove.html

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