Shield De Prototypage Uno

Le shield de prototypage pour Arduino Uno est une carte d’extension passive qui se broche sur la Uno comme n’importe quel shield. Elle prolonge les broches de la carte à l’identique et laisse au centre une grille de pastilles cuivrées au pas de 2,54 mm, sur laquelle on soude les composants d’un montage définitif.

Il ne contient aucun composant actif : c’est une carte de circuit imprimé, une grille de trous métallisés et des rangées de connecteurs. Il prend la suite de la plaque d’essai. Un montage mis au point sur une plaque d’essai finit toujours par se défaire : un fil Dupont sort de son logement au transport, une vibration fait bouger une liaison, et l’on cherche la panne pendant une heure. Le shield de prototypage règle ce problème une fois pour toutes : les composants y sont soudés, les liaisons sont en étain, et le montage devient une carte que l’on branche et que l’on range.

Ce qu’un shield de prototypage change sur un Uno

• Le montage ne bouge plus. Un composant soudé sur la grille reste en place, qu’il soit transporté, posé dans un boîtier ou soumis aux vibrations d’un moteur ou d’un relais.
• La Uno et son circuit forment une seule carte. Plus de plaque d’essai à côté, plus de nappe entre les deux : l’ensemble se range et s’alimente comme un seul module.
• Les liaisons deviennent définitives. Une fois le schéma vérifié, chaque fil est coupé à la bonne longueur et soudé à sa pastille.
• Les broches de la Uno restent accessibles. Les rangées de connecteurs sont là, à la même place que sur la carte du dessous : on peut piquer un fil ou un module à trois broches sans rien dessouder.
• Le connecteur ICSP reste disponible. Il permet de reprogrammer la carte autrement que par le port USB.
• Un shield coûte une place, pas deux. La Uno équipée tient dans le même volume qu’avant, alors qu’avec une plaque d’essai posée à côté il faut deux fois la surface.

Caractéristiques techniques

La zone de prototypage se lit en deux parties

La grille centrale n’est pas uniforme. Une pastille de cette zone n’est reliée à rien d’autre qu’elle-même : c’est ce qui permet d’y poser un composant sans créer de contact involontaire. Au milieu de la grille courent en revanche deux bandes de pastilles reliées entre elles dans le sens de la longueur : celles-là servent de rail d’alimentation.

Les rails d’alimentation

Une bande porte le positif, l’autre la masse. Il faut les raccorder à la Uno par un fil soudé entre la bande et une broche 5 V, puis entre la seconde bande et une broche GND : tant que ce fil n’existe pas, les rails ne sont reliés à rien et les composants qui s’y appuient ne sont pas alimentés. C’est le seul câblage obligatoire du shield, et c’est l’oubli le plus fréquent sur un premier montage.

Les pastilles isolées

Une résistance, un condensateur, une LED ou un petit circuit intégré se soudent sur trois ou quatre pastilles voisines, et l’on relie l’ensemble aux broches de la Uno par des bouts de fil fins soudés dans les trous du bord de la grille. Deux pattes voisines qui ne doivent pas se toucher se soudent sur deux pastilles séparées d’au moins un trou, ce qui évite tout pont d’étain involontaire.

Applications

• Montage définitif d’un projet d’école ou de fin d’études — le circuit soudé, la carte se présente et se transporte sans risquer de se débrancher.
• Commande d’un relais ou d’un moteur — les fils d’un module de puissance se soudent à demeure, sans broche tordue ni fil qui glisse.
• Bargraphes, matrices de LED, claviers — les composants discrets se placent sur la grille et les broches de commande remontent aux connecteurs de la Uno.
• Capteurs éloignés — un détecteur de mouvement ou un capteur de température reçoit son câble au plus près, la partie fragile restant soudée sur le shield.
• Maquettes et démonstrations — un montage qui voyage, se rebranche et fonctionne au premier essai, sans chercher quel fil va où.
• Apprentissage de la soudure — la grille offre des dizaines de pastilles pour s’exercer sur de vrais composants, avec un résultat utilisable.

Mini-projet : un chenillard huit LED soudé à demeure

Huit LED alignées qui s’allument l’une après l’autre, dans un sens puis dans l’autre : c’est le montage qui montre le mieux à quoi sert un shield de prototypage. Il tient dans la grille centrale, ne comporte aucune pièce mobile, et une fois soudé il fonctionne à chaque mise sous tension, sans qu’aucun fil ne puisse bouger.

Matériel

Câblage

Les huit LED sont alignées sur une rangée de la grille, pattes écartées de deux trous : la patte longue vers le haut, la patte courte vers le bas. Chaque patte longue reçoit d’abord sa résistance, soudée dans une pastille voisine, puis un fil qui repart vers la broche correspondante de la Uno. Toutes les pattes courtes se rejoignent sur le rail de masse.

La résistance est indispensable et n’est pas décorative : sans elle, la LED reçoit directement le 5 V de la carte, absorbe plus de courant qu’elle n’en supporte et grille en quelques secondes. Une seule résistance pour plusieurs LED ne convient pas non plus : les LED ne partageraient pas le courant de façon égale et l’une des huit éclairerait bien plus faiblement que les autres.

Le programme

/*
 * Chenillard huit LED soude sur un shield de prototypage Uno
 * Carte : Arduino Uno R3
 * Cablage : LED 1 a 8 sur les broches 2 a 9, une resistance 220 ohms par LED,
 *           les huit cathodes reunies sur le rail de masse
 *
 * Composants, brochage et fiche complete : www.marocproduits.com
 */
const byte NOMBRE_LED      = 8;
const byte PREMIERE_BROCHE = 2;    // la LED 1 est sur la broche 2
const unsigned long PAS    = 120;  // duree d'allumage d'une LED, en millisecondes
void eteindreTout() {
  for (byte i = 0; i != NOMBRE_LED; i = i + 1) {
    digitalWrite(PREMIERE_BROCHE + i, LOW);
  }
}
void setup() {
  // Les huit broches pilotees par le shield passent en sortie
  for (byte i = 0; i != NOMBRE_LED; i = i + 1) {
    pinMode(PREMIERE_BROCHE + i, OUTPUT);
  }
  // Tout eteint au demarrage, pour ne pas laisser une LED allumee
  eteindreTout();
}
void loop() {
  // Allumage de la gauche vers la droite
  for (byte i = 0; i != NOMBRE_LED; i = i + 1) {
    digitalWrite(PREMIERE_BROCHE + i, HIGH);
    delay(PAS);
    digitalWrite(PREMIERE_BROCHE + i, LOW);
  }
  // Retour de la droite vers la gauche
  for (byte i = NOMBRE_LED; i != 0; i = i - 1) {
    digitalWrite(PREMIERE_BROCHE - 1 + i, HIGH);
    delay(PAS);
    digitalWrite(PREMIERE_BROCHE - 1 + i, LOW);
  }
}

Le programme allume une seule LED à la fois, l’éteint, puis passe à la suivante : c’est la boucle qui crée le déplacement. La constante PREMIERE_BROCHE reporte les numéros de broches au même endroit : si vous câblez la première LED sur la broche 4 au lieu de la 2, une seule ligne change et le reste du programme suit. La durée PAS se règle de la même façon : 120 millisecondes donnent un déplacement lisible, une valeur plus faible accélère le chenillard, une valeur plus grande le ralentit.

Un shield à souder, trois voisins à connaître

Le même shield pour l’Arduino Mega

Le Mega a son propre gabarit : le shield de prototypage pour Arduino Mega reprend la même grille de soudure et le même principe, avec les rangées de connecteurs plus longues. Un shield câblé pour la Uno ne se broche pas utilement sur un Mega : la moitié des broches de la carte du dessous ne serait pas ramenée.

Prototyper sans souder, sur le même shield

Si le montage doit encore changer souvent, la soudure est prématurée. Une mini plaque d’essai de 170 points se pose au centre du shield, sur laquelle les composants s’enfoncent et ressortent sans laisser de trace, et l’on passe à la soudure quand le schéma est arrêté. Des fils mâle-mâle complètent alors le montage. C’est la façon la plus rapide de mettre au point le chenillard ci-dessus avant de le souder.

Un shield de capteurs

Pour un projet où l’on branche et débranche des capteurs à trois fils toutes les cinq minutes, un shield de capteurs Uno V5 est plus pratique : chaque broche y dispose de son fil d’alimentation et de sa masse. Le shield de prototypage reste l’outil du montage que l’on ne veut plus toucher.

Des bornes à vis plutôt qu’une soudure

Quand les fils sont plus épais ou destinés à changer, une plaque à bornes à vis pour Uno rend le même service sans fer à souder : chaque fil se serre au tournevis. Soudure et bornes répondent à deux besoins différents, et les deux plaques ne s’empilent pas utilement.

Questions fréquentes

Faut-il souder les connecteurs du shield ?

Non, les rangées de connecteurs sont déjà en place. La partie à travailler est la grille centrale : ses pastilles sont libres, c’est là que se soudent les composants du montage.

Le shield gêne-t-il le téléversement des programmes ?

Non. La règle à retenir concerne deux broches précises : les repères 0 et 1 sont ceux de la liaison série de la Uno. On évite d’y souder un montage qui les sollicite en permanence, sinon le téléversement d’un programme peut échouer. Toutes les autres broches sont libres.

Peut-on empiler un autre shield par-dessus ?

Oui, à condition de prévoir la hauteur. Une fois des composants soudés sur la grille, le shield du dessus ne s’emboîte plus toujours : un module plat passe, un shield à boutons ou à afficheur se heurte à ce qui dépasse. Dans le doute, deux cartes valent mieux qu’un empilement forcé.

Quels composants peuvent se souder sur la grille ?

Tout ce qui a des pattes traversantes au pas de 2,54 mm : résistances, condensateurs, diodes, LED, transistors, circuits intégrés en boîtier DIP, connecteurs, bornes et bouts de fil. Les composants CMS, à souder en surface, ne conviennent pas.

Avec quel étain travailler ?

De l’étain pour électronique, avec du flux incorporé, et un fer réglé autour de 350 °C pour les pastilles traversantes. Une tresse à dessouder ou une pompe évite d’abîmer une pastille quand un composant est mal placé.

Comment éviter les ponts d’étain ?

En espacant les composants d’au moins un trou et en ne déposant l’étain que sur la pastille et la patte, pas sur la piste voisine. Un pont se contrôle à l’œil : deux pastilles brillantes reliées par un bourrelet d’étain doivent être séparées de nouveau.

La carte Arduino est-elle fournie ?

Non. Le produit est le shield de prototypage ; la carte Uno, son câble USB et les composants se commandent séparément. Le kit Arduino Uno regroupe la carte et de quoi démarrer si le shield est votre première carte d’extension.

À combiner avec

• Uno R3 avec câble USB — la carte sur laquelle le shield se broche
• LED 5 mm rouges et résistances 220 ohms — le chenillard du mini-projet, ou n’importe quel montage à LED
• Fil à souder et pince coupante — de quoi souder proprement et couper les pattes
• Mini plaque d’essai 170 points — pour valider le schéma avant de le souder
• Fils mâle-mâle de 10 cm — les liaisons de mise au point sur la Uno
• Capteur de mouvement infrarouge PIR — un détecteur à trois fils pour un montage qui ne bouge plus
• Boîtier pour Uno — pour enfermer la carte et son shield une fois le montage soudé
• Câble d’alimentation 9 V — pour faire tourner le montage sans ordinateur
• Plaque à bornes à vis pour Uno — la même idée de shield, mais sans soudure