Graphique en temps réel des mesures prises par un Arduino

Cet article a été mis à jour le 7 juillet 2022 (compatibilité Python 3).

Notre objectif consiste à présenter à l'écran d'un ordinateur, sous la forme d'un graphique cartésien qui se met à jour en temps réel, les mesures prises par un capteur branché à une carte Arduino, elle-même branchée à un des ports USB de l'ordinateur. Pour ce faire, nous utiliserons un script en langage Python ainsi que les bibliothèques matplotlib et pyserial.

Circuit

Pour mes tests, j'ai utilisé en guise de capteur un simple potentiomètre contrôlant la tension à l'entrée A0 d'un Arduino Uno. Il va sans dire qu'en modifiant légèrement le sketch, vous pouvez remplacer ce potentiomètre par n'importe quel type de capteur.

Sketch de l'Arduino

Comme vous pouvez le constater ci-dessous, le sketch versé dans l'Arduino est plutôt bref. Il se limite à attendre la réception d'un message UART en provenance de l'ordinateur. Chaque fois que l'Arduino reçoit le caractère 'e", il envoie à l'ordinateur un message constitué de la mesure de l'entrée analogique A0 et de l'instant où cette mesure à été prise. Ce temps est remis à zéro lors de la réception du caractère 'i'.

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	/*
	L'Arduino émet par communication série
	les mesures d'un capteur (un potentiomètre
	branché à l'entrée A0).
	Plus d'infos:
	https://electroniqueamateur.blogspot.com/2019/12/graphique-en-temps-reel-des-mesures.html
	*/
	unsigned long tempsDebut;
	void setup() {
	Serial.begin(115200);
	}
	void loop() {
	int messageRecu = 0;
	unsigned long valeurx;
	int valeury;
	if (Serial.available() > 0) {
	messageRecu = Serial.read();
	if (messageRecu == 'i') { // commande d'initialisation
	tempsDebut = millis(); // remise à zéro du chronomètre
	}
	if (messageRecu == 'e') { // commande d'envoi de données
	valeurx = millis() - tempsDebut;
	valeury = analogRead(A0);
	Serial.println(String(valeurx)+' '+String(valeury));
	}
	}
	}

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Installation des bibliothèques matplotlib et pyserial

Le script en Python qui sera exécuté sur l'ordinateur aura besoin de la bibliothèque pyserial, qui gère la communication série, et de la bibliothèque matplotlib, qui se spécialise dans la présentation de données sous forme de graphique.

On peut les installer avec pip:

pip install pyserial
pip install matplotlib

Vous trouverez quelques informations supplémentaires concernant l'utilisation de ces bibliothèques dans ces récents billets, qui sont les précurseurs du présent article: Communiquer en Python avec un Arduino (pyserial) et Rasbperry Pi, présenter les mesures sous forme de graphique cartésien (matplotlib).

Script en Python pour l'ordinateur

Le script fait d'abord un scan des ports série actifs: s'il n'en trouve qu'un seul, il établit la connexion avec ce port. S'il en trouve plusieurs, il demande à l'utilisateur de choisir le port série souhaité. L'utilisateur doit également choisir à quelle fréquence les mesures seront prises (dans mon cas, le maximum était d'environ 1000 mesures par seconde; au-delà, le graphique ne se trace pas).

Le script envoie ensuite le message 'i' à l'Arduino afin de remettre son chronomètre à zéro, et lui envoie régulièrement le signal 'e' pour lui demander une nouvelle mesure, qui est ajoutée au graphique.

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	#!/usr/bin/env python
	# -*- coding: utf-8 -*-
	'''
	Mise en graphique des données reçues de l'Arduino,
	par le port série.
	Plus d'infos:
	https://electroniqueamateur.blogspot.com/2019/12/graphique-en-temps-reel-des-mesures.html
	'''
	# bibliothèques nécessaires pour la communication série
	import serial
	import serial.tools.list_ports
	#bibliothèques nécessaires pour le tracé du graphique
	import matplotlib.pyplot as plt
	from matplotlib.animation import FuncAnimation
	temps_pause = 50 # nombre de millisecondes entre 2 mesures consécutives
	valeurs_x = [] # données en abcisse
	valeurs_y = [] # données en ordonnée
	baud = 115200 #vitesse de la liaison série (doit être synchro avec l'Arduino)
	# routine de mise à jour du graphique
	def animate(i):
	#on envoie à l'Arduino le message de requête
	message = 'e'
	arduino.write(message.encode('utf-8'))
	donneesBrutes = arduino.readline()[:-2]
	if (donneesBrutes): # si on a reçu quelque chose
	listeDonnees = donneesBrutes.split() # on sépare l'abcisse et l'ordonnée
	valeurs_x.append(float(listeDonnees[0])/1000.0) # conversion des millisecondes en secondes
	valeurs_y.append(float(listeDonnees[1]))
	plt.cla() # on efface le graphique déjà tracé
	plt.plot(valeurs_x, valeurs_y) # tracé de la courbe
	plt.title('Mesures du capteur') # titre du graphique
	plt.xlabel('temps (s)') # identification de l'abcisse
	plt.ylabel('Valeur mesuree') # identification de l'ordonée
	print("Recherche d'un port serie...")
	ports = serial.tools.list_ports.comports(include_links=False)
	if (len(ports) != 0): # on a trouvé au moins un port actif
	if (len(ports) > 1): # affichage du nombre de ports trouvés
	print (str(len(ports)) + " ports actifs ont ete trouves:")
	ligne = 1
	for port in ports : # affichage du nom de chaque port
	print(str(ligne) + ' : ' + port.device)
	ligne = ligne + 1
	portChoisi = input('Ecrivez le numero du port desire:')
	else:
	print ("1 port actif a ete trouve:")
	portChoisi = 1
	# on établit la communication série
	arduino = serial.Serial(ports[portChoisi - 1].device, baud, timeout=1)
	print('Connexion a ' + arduino.name + ' a un baud rate de ' + str(baud))
	frequence = input("Frequence d'acquisition desiree, en Hz (max: 1000): ")
	temps_pause = 1000.0/float(frequence)
	#on envoie à l'Arduino le message d'initialisation
	message = 'i'
	arduino.write(message.encode('utf-8'))
	ani = FuncAnimation(plt.gcf(), animate, interval=temps_pause) # mise à jour du graphique
	plt.show() #affichage à l'écran
	else: # on n'a pas trouvé de port actif
	print("Aucun port actif n'a ete trouve")

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Résultat

Voici un exemple de graphique tracé pendant que je tourne lentement le bouton du potentiomètre.

À lire aussi

Puisque je m'intéresse beaucoup à l'utilisation de l'Arduino comme instrument de mesure scientifique, d'autres façons d'arriver à des résultats similaires ont été explorés dans le passé: graphique cartésien sur Android (avec MIT App Inventor 2), graphique cartésien sur écran OLED SH1106 ou sur LCD Nokia 5110,  envoi des données à un tableur (Excel ou Libre Office Calc), utilisation d'une carte Leonardo pour écrire les données dans un tableur, utilisation du service en ligne Carriots, enregistrement des données sur une carte SD, etc.

Personnellement, j'aime bien la solution abordée dans le présent article: il est facile de modifier le script Python selon nos besoins.

Yves Pelletier   (Twitter, Facebook)