Construire un premier circuit sur breadboard

InformatiqueTechnologieSciencesSteaMiMicroPython

Projet	Durée	Difficulté	Âge	Logiciel STeaMi testé
I-Novmicro #2	30 min	Débutant	11-99 ans	0.23.1

Matériel et Montage

• 1 carte STeaMi
• 1 câble USB de données (micro-USB pour la STeaMi V1, USB-C pour la STeaMi V2). Attention : un câble qui ne sert qu'à charger un téléphone ne fonctionnera pas.
• 1 ordinateur sous Windows, macOS ou Linux
• Un IDE compatible MicroPython : Thonny, Mu, VS Code, Vittascience, ou tout autre éditeur capable d'ouvrir une console série.
• 1 breadboard (« planche à pain », plaque de prototypage sans soudure)
• 3 LED (couleurs au choix : rouge, jaune, verte forment un beau feu tricolore)
• 3 résistances 330 Ω (pour limiter le courant à travers chaque LED)
• Câbles de connexion (« fils dupont »), idéalement mâle-mâle pour relier breadboard à breadboard, mâle-femelle ou pinces crocodile pour relier la STeaMi à la breadboard

Comment relier la STeaMi à une breadboard ?

La STeaMi expose deux familles de broches utilisables avec une breadboard :

• Le connecteur Edge (compatible micro:bit) en bas de la carte expose une vingtaine de broches GPIO, ADC et bus série. Pour s'y brancher facilement, il existe des adaptateurs « Edge connector breakout » (carte intermédiaire avec rangée de pins mâles) qu'on peut clipser sur la STeaMi puis brancher sur la breadboard avec des fils dupont.
• À défaut d'adaptateur, trois pads dorés en forme de bandes au bas de la carte (notées P0, P1, P2) acceptent directement des pinces crocodile. Plus rudimentaire mais sans matériel additionnel, et amplement suffisant pour cette première fiche.

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De quoi parle-t-on ?

Quand vous appuyez sur un interrupteur dans une pièce, démarrez une console de jeu, ou allumez le moteur d'une voiture, vous fermez un circuit électrique. Sans même y penser, vous reliez une source d'énergie (pile, prise) à un composant (ampoule, moteur, écran) via des câbles. Tous les appareils électroniques sont nés de la même expérience initiale : assembler des composants et faire passer du courant à travers eux selon un chemin précis.

Les fiches I-Novmicro précédentes utilisaient les composants déjà soudés à la STeaMi (LED RGB, écran, accéléromètre...). On change de logique ici : on va monter un circuit de toutes pièces sur une breadboard (planche à essais), brancher des LED externes à la STeaMi via son connecteur Edge, et apprendre à les piloter depuis MicroPython. C'est la base de tous les projets makers : dès qu'on veut piloter quelque chose qui n'est pas déjà sur la carte (relais, capteur exotique, ruban LED, mini-moteur), il faut savoir le câbler.

Pourquoi quitter les composants intégrés ?

La STeaMi est volontairement équipée d'un connecteur Edge et de pads externes pour qu'on puisse y brancher des composants supplémentaires. C'est ce qui permet d'élargir les expériences au-delà de ce que la carte sait faire seule. Cette fiche pose les bases, les fiches suivantes (potentiomètre, servomoteur) s'en serviront.

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Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette activité, l'élève sera capable de :

• Décrire ce qu'est une breadboard et comment elle est organisée (rangées de bus pour l'alimentation, rangées de raccordement pour les composants).
• Reconnaître l'orientation d'une LED (anode plus longue = +, cathode plus courte = -) et expliquer pourquoi il faut une résistance en série pour la protéger.
• Câbler une ou plusieurs LED externes au connecteur Edge ou aux pads de la STeaMi, avec leur résistance de protection.
• Écrire un programme MicroPython qui allume et éteint plusieurs LED branchées sur des broches GPIO différentes.
• Faire le lien entre le pin physique de la STeaMi (P6, P7, P8...) et la variable Python qui le manipule.
• Adapter ce flux pour créer des animations simples (clignotement séquentiel, feu de signalisation, compteur binaire) et transposer ces briques aux fiches suivantes qui utilisent du matériel externe (potentiomètre, servomoteur).

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Étape 1 : Construire

Comprendre la breadboard

Une breadboard (de l'anglais bread board, « planche à pain ») est une plaque de plastique percée de petits trous. Sous chaque trou, un ressort métallique mord la patte qu'on y insère, créant une connexion électrique sans soudure. C'est l'outil de prototypage le plus utilisé en électronique : on monte, on teste, on démonte, on remonte autrement.

Les trous d'une breadboard ne sont pas tous indépendants. Ils sont regroupés en bandes connectées :

• Les rangées de bus (deux longues bandes horizontales en haut et en bas, souvent marquées + et −) servent à distribuer l'alimentation sur toute la longueur de la breadboard. Tous les trous d'une même bande sont reliés entre eux.
• Les rangées de raccordement (les colonnes au centre, séparées par un sillon) servent à connecter les composants. Sur chaque ligne, les cinq trous d'un côté du sillon sont reliés entre eux (et indépendants des cinq trous de l'autre côté). Le sillon central permet de placer à cheval les composants qui ont des pattes de chaque côté (typiquement les circuits intégrés type DIP).

Pour visualiser, un dessin rapide :

+ - - - - - - - - - - - - - - - - +     ← bus du +
- - - - - - - - - - - - - - - - - -     ← bus du −
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .     ← rangées de raccordement (5 trous reliés)
. . . . . . . . . . . . . . . . . .       chaque colonne est indépendante
. . . . . . . . . . . . . . . . . .       de sa voisine
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
+----------- sillon ---------------+     ← séparation entre les deux moitiés
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
+ - - - - - - - - - - - - - - - - +
- - - - - - - - - - - - - - - - - -

Préparer l'alimentation

Avant de câbler les composants, on relie la STeaMi à la breadboard pour distribuer l'alimentation :

1. Brancher un fil entre une broche GND de la STeaMi (côté Edge ou pad GND) et la bande − (bleue ou noire) de la breadboard.
2. Brancher un autre fil entre une broche 3V3 (3,3 volts) de la STeaMi et la bande + (rouge) de la breadboard.

Désormais, chaque trou de la bande + est relié à 3,3 V, et chaque trou de la bande − est relié à GND. On peut tirer du courant depuis n'importe où sur ces bandes pour alimenter les composants.

Câbler la première LED

Une LED (Light Emitting Diode, diode électroluminescente) ne s'allume que dans un sens. Il faut respecter son orientation :

• L'anode (la patte longue, le +) reçoit le courant.
• La cathode (la patte courte, le −) le renvoie vers la masse.

Branchée à l'envers, la LED ne s'allume pas (et risque d'être détruite si la tension est trop élevée). Pour la protéger d'un courant trop fort, on met une résistance en série, typiquement 330 Ω pour une LED standard alimentée en 3,3 V.

Câblage pour cette première LED :

1. Insérer la LED dans deux trous d'une rangée de raccordement (anode à gauche par exemple, cathode à droite, sur deux rangées différentes pour éviter le court-circuit).
2. Insérer une résistance 330 Ω entre la cathode de la LED et la bande − de la breadboard.
3. Relier l'anode de la LED à une broche de sortie de la STeaMi :
   • Avec adaptateur Edge breakout : à la broche P6 (signal GPIO2_EDGE) du connecteur Edge, via un fil dupont.
   • Sans adaptateur Edge : au pad P0 (broche du bas, accessible par pince crocodile).

Quand la STeaMi écrira 1 sur cette broche, le courant ira de la broche → anode → cathode → résistance → GND, et la LED s'allumera.

Câbler les deux autres LED

Sur le même principe, brancher :

• Avec adaptateur Edge : une deuxième LED sur P7 (signal GPIO3_EDGE) et une troisième sur P8 (signal GPIO4_EDGE), chacune avec sa résistance vers GND.
• Sans adaptateur Edge : une deuxième LED sur le pad P1 et une troisième sur le pad P2 (toujours via pinces crocodile).

On a maintenant trois LED indépendamment pilotables par trois broches différentes.

Quel parcours choisir ?

Les deux variantes mènent au même résultat. Les pads P0/P1/P2 sont parfaits pour démarrer : pas d'adaptateur à acheter, branchement direct par pinces crocodile. Le connecteur Edge offre en revanche une vingtaine de broches utilisables et reste indispensable pour les fiches qui demandent plusieurs entrées/sorties simultanées (potentiomètre + LED, plusieurs capteurs, etc.).

Dans la suite de la fiche, le code et le tableau sont présentés pour les deux variantes : choisissez la ligne qui correspond à votre montage.

Connecter la STeaMi à l'ordinateur

Brancher la STeaMi en USB. La carte apparaît comme un disque amovible STEAMI et le port série devient disponible dans l'IDE choisi.

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Étape 2 : Programmer

Broches utilisées

Selon le montage choisi à l'étape précédente, les LED sont branchées soit sur le connecteur Edge (P6/P7/P8), soit sur les pads crocodile (P0/P1/P2).

Composant	Avec adaptateur Edge	Sans adaptateur (pads)	Variable Python	Comportement
LED 1	P6 (signal GPIO2_EDGE)	P0	led_1	1 = allumée, 0 = éteinte
LED 2	P7 (signal GPIO3_EDGE)	P1	led_2	1 = allumée, 0 = éteinte
LED 3	P8 (signal GPIO4_EDGE)	P2	led_3	1 = allumée, 0 = éteinte

Nom court P6 ou nom de signal GPIO2_EDGE ?

Les broches du connecteur Edge ont deux noms : un nom court style micro:bit (P6, P7, P8...) et un nom de signal explicite documenté côté STeaMi (GPIO2_EDGE, GPIO3_EDGE, etc., cf. wiki.steami.cc → Pin Mapping → Signaux). Selon la version du firmware MicroPython STeaMi, les deux notations peuvent être acceptées par Pin(...), ou seulement l'une des deux.

Le code de cette fiche utilise la forme courte Pin('P6'). Si vous obtenez ValueError: invalid pin name, essayez Pin('GPIO2_EDGE') (et 'GPIO3_EDGE', 'GPIO4_EDGE' pour les deux autres).

Programme

Le programme principal est identique pour les deux variantes. Seules les trois lignes d'initialisation des broches changent selon votre montage.

# Testée avec firmware STeaMi 0.23.1
#
# Premier circuit sur breadboard : trois LED externes connectées
# à la STeaMi. Le programme allume chaque LED à tour de rôle
# pendant une seconde, puis recommence.

from machine import Pin
from time import sleep_ms

# --- Variante AVEC adaptateur Edge breakout ---
led_1 = Pin('P6', Pin.OUT)
led_2 = Pin('P7', Pin.OUT)
led_3 = Pin('P8', Pin.OUT)

# --- Variante SANS adaptateur (pads crocodile) ---
# Commentez les trois lignes ci-dessus et décommentez
# celles ci-dessous si vous utilisez les pads P0/P1/P2.
# led_1 = Pin('P0', Pin.OUT)
# led_2 = Pin('P1', Pin.OUT)
# led_3 = Pin('P2', Pin.OUT)

while True:
    led_1.value(1)   # allume LED 1
    sleep_ms(1000)
    led_1.value(0)   # éteint LED 1

    led_2.value(1)
    sleep_ms(1000)
    led_2.value(0)

    led_3.value(1)
    sleep_ms(1000)
    led_3.value(0)

Comment ça fonctionne ?

1. Imports : Pin pour piloter les broches GPIO, sleep_ms pour les pauses entre les changements d'état.
2. Initialisation : trois broches du connecteur Edge sont configurées en sortie (Pin.OUT). À partir de ce moment, écrire 1 sur la broche y impose 3,3 V, écrire 0 la met à 0 V.
3. Boucle principale : pour chaque LED, on l'allume (value(1)), on attend 1 seconde, on l'éteint (value(0)), et on enchaîne sur la suivante.

Une LED qui ne s'allume pas ? Trois suspects à vérifier dans l'ordre :

• Polarité inversée : la LED a été branchée cathode en haut. La désinsérer et la remettre dans l'autre sens.
• Résistance absente ou mauvaise valeur : sans résistance, la LED peut griller en quelques secondes. Mauvaise valeur (trop forte) : la LED est très faible. Vérifier le marquage des bandes de couleur (orange-orange-marron-or pour 330 Ω).
• Mauvaise broche : le fil va sur la voisine plutôt que celle attendue (P5 au lieu de P6, ou un pad voisin de P0) ? Recompter sur la STeaMi en s'aidant du pin mapping officiel.
• Variante choisie ≠ code : LED branchées sur les pads P0/P1/P2 mais code laissé sur P6/P7/P8 (ou inversement). Vérifier que le code initialise bien les broches que vous avez réellement câblées.

Exécution

• Test rapide : lancer le programme depuis l'IDE (typiquement bouton Run ▶ ou F5). Les trois LED clignotent l'une après l'autre.
• Programme persistant : enregistrer le fichier sous le nom main.py sur la carte. Le programme se relance à chaque démarrage de la STeaMi, sans ordinateur.

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Étape 3 : Améliorer

Quatre défis dans l'ordre, du plus simple au plus stimulant. Le bloc d'initialisation reste le même que ci-dessus, on ne réécrit ici que la boucle principale.

Défi 1 : Animation en chenille

Faire défiler une « vague » de LED qui s'allument l'une après l'autre, puis qui s'éteignent toutes ensemble.

while True:
    led_1.value(1)
    sleep_ms(150)
    led_2.value(1)
    sleep_ms(150)
    led_3.value(1)
    sleep_ms(500)
    led_1.value(0)
    led_2.value(0)
    led_3.value(0)
    sleep_ms(500)

Défi 2 : Feu de signalisation tricolore

Avec une LED rouge, une jaune et une verte, simuler un feu de signalisation : vert pendant quelques secondes, puis jaune court, puis rouge longtemps, puis on recommence. Vérifier que la durée du jaune est plus courte que celles du vert et du rouge.

Défi 3 : Compteur binaire de 0 à 7

Trois LED, c'est aussi trois bits, donc de quoi représenter les huit nombres de 0 à 7 en binaire. Allumer/éteindre les LED selon le code binaire du nombre courant, incrémenter d'un toutes les secondes, et boucler à 0 après 7.

Nombre décimal	Bits (LED3-LED2-LED1)	LED 3	LED 2	LED 1
0	000	⚫	⚫	⚫
1	001	⚫	⚫	🟢
2	010	⚫	🟢	⚫
3	011	⚫	🟢	🟢
4	100	🟢	⚫	⚫
5	101	🟢	⚫	🟢
6	110	🟢	🟢	⚫
7	111	🟢	🟢	🟢

Indice : pour extraire le bit de poids i d'un nombre n, utiliser (n >> i) & 1.

Défi 4 : Détourner

Imaginer un autre usage des trois LED, sans contrainte. Quelques pistes :

• Un indicateur d'humeur que vous changez avec un appui sur les boutons A/B intégrés de la STeaMi (rouge = pas le moral, jaune = ça va, vert = au top).
• Un chronomètre visuel où chaque LED représente un tiers du temps écoulé.
• Un dé électronique qui s'allume une fraction de seconde sur une LED choisie au hasard à chaque appui sur le bouton A.

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Aller plus loin

Pour comprendre

• Breadboard (Wikipédia) : histoire et anatomie de la plaque d'essai. Le nom « breadboard » (planche à pain) vient des prototypes du début du XXᵉ siècle, où les amateurs vissaient leurs composants sur de vraies planches en bois.
• Diode électroluminescente (Wikipédia) : comment une LED transforme un courant en lumière, à la rencontre de la physique des semi-conducteurs. Inventée en 1962, généralisée dans nos téléphones et nos plafonds à partir des années 2000.
• Loi d'Ohm (Wikipédia) : la formule U = R × I qui explique pourquoi on met une résistance en série de la LED. Avec une LED de 2 V et une alimentation de 3,3 V, on dissipe 1,3 V dans la résistance ; pour limiter le courant à 4 mA, il faut 1,3 / 0,004 = 325 Ω, d'où le standard 330 Ω.
• Système binaire (Wikipédia) : pour le défi 3, comprendre pourquoi tout ordinateur représente les nombres en base 2.

Pour s'inspirer

• Adafruit Industries : entreprise américaine fondée par Limor Fried qui a popularisé l'électronique loisir grâce à des kits débutants extrêmement bien documentés. Aller voir leurs tutoriels « learn » est une mine pour des idées de projets STeaMi.
• Lumière artistique de Leo Villareal : l'artiste a installé en 2013 plus de 25 000 LED sous le Bay Bridge de San Francisco pour créer une œuvre lumineuse animée, The Bay Lights. Toutes les LED de la planète n'ont pas vocation à clignoter dans un projet STEM ; certaines participent à des œuvres d'art à l'échelle d'une ville.
• Concours de la Maison Hantée Open Source : tous les ans, le site Instructables organise un concours de bricolages Halloween. Les meilleurs projets utilisent justement breadboards + LED + microcontrôleur pour animer des décorations qui réagissent au mouvement, à la voix ou à la pression. Bon exemple de transposition du circuit appris ici à un objet sensoriel complet.
• Project Blinkenlights (Wikipédia anglais) : en 2001, le Chaos Computer Club a transformé la façade de la Haus des Lehrers à Berlin en écran géant 18×8 pixels en allumant et éteignant les lampes de chaque fenêtre depuis un ordinateur. Le public pouvait y jouer à Pong par téléphone. Une version XXL du circuit que vous venez de monter, avec 144 LED « fenêtres » à la place de 3 LED « breadboard ». (Page Wikipédia anglais uniquement.)

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Cette fiche fait partie du projet I-Novmicro #2 — Action EXAO. Adaptée du projet Let's STEAM (fiche r1as02-breadboard) sous licence CC BY-SA 4.0.