Conception et réalisation d’un éclairage public automatisé

Résumé


L’objectif de ce projet, est de doter les espaces publics, d’un système d’éclairage commandé automatiquement, permettant d’assurer la perception nocturne et la sécurité pour les usagers, et de réduire en parallèle les pertes énergétiques et la pollution lumineuse  résultante de ce service.

Ce système d’éclairage est géré  par le microcontrôleur de type PIC 18F4550, qui, combiné à une photorésistance et à un potentiomètre vise à adapter le seuil de déclenchement d’éclairage selon la luminosité ambiante.

De plus, le montage a pour fonction secondaire, de renseigner l’utilisateur sur l’état des lampes, le degré de la luminosité et de la température ambiante.

Ce présent rapport présente le travail réalisé en termes d’approche, de conception, ainsi que la réalisation du prototype.

Introduction générale


Les besoins en énergie électrique vont sans cesse grandissants, en effet la consommation d’énergie électrique se multiplie tous les dix ans.

De gros efforts sont entrepris dans la recherche de moyens nouveaux à utiliser pour produire cette électricité qui intervient chaque jour d’avantage dans la vie des hommes.

Il existe pour cet usage de l’électricité un potentiel d’économie d’énergie important qui nécessite la mise en œuvre d’une approche méthodologique cohérente sans nuire à ses deux objectifs fondamentaux que sont le confort et la sécurité des usagers.

Plusieurs  démarches sont mises en œuvre, afin de gérer d’une façon optimale, la consommation  de l’énergie électrique, dont l’éclairage public en prend une part considérable.

Le moyen le plus ultime d’optimisation d’un réseau d’éclairage public, est la gestion de son fonctionnement permanent  par le biais d’un système de commande automatisé.

C’est dans ce contexte que s’inscrit notre projet de fin d’étude qui consiste à réaliser un système d’éclairage automatisé, permettant la réduction de la consommation énergétique, le tout avec une mesure et un affichage de la luminosité et de la température ambiante.

Le présent rapport trace les phases du déroulement du travail effectué pour réaliser ce projet.

  Le chapitre I, «  Idée de projet », traite la problématique du système d’éclairage d’une approche fonctionnelle, et présente le document des concepts et exigences du projet.

  Le chapitre II, « Identification des blocs », est consacré entièrement à l’étude théorique des différents éléments et blocs qui constituent notre montage tout en analysant ce dernier suivant une approche en termes d’automatisme.

  Le chapitre III, aborde les différentes étapes de la conception assistée par ordinateur de notre projet d’une façon hiérarchique de l’édition du schéma électrique jusqu’à l’édition de la plaquette du circuit imprimé.

     Le chapitre IV, « Réalisation du prototype », décrit les procédures suivies, lors de la réalisation du projet, accompagné des images donnant un aperçu des différentes phases de la fabrication du prototype, tout en mentionnant les contraintes dont nous avons fait face et les solutions envisagées.

CHAPITRE I : Idée de projet


C’est  là que, toutes les idées innovatrices ont fait apparition dans le domaine électronique. Plusieurs dispositifs et services électroniques ont été conçus pour répondre à un besoin particulier ou pour résoudre un grand nombre de problèmes modernes.

La clé de la conception électronique réside en premier lieu, à définir une méthodologie de la conception. L’une des méthodes consiste à déterminer le problème auquel il faut trouver une solution. Cette approche nous favorisera une meilleure compréhension de la conception en général. Ensuite nous étudierons le processus de la conception électronique en deux étapes qui va aboutir à l’introduction du sujet de notre projet.

I-METHODOLOGIE: IDENTIFICATION DU PROBLEME

1- L’ECLAIRAGE PUBLIC

L’éclairage public joue un rôle important dans la perception nocturne des espaces publics (identification des différents usagers, perception de leur comportement, détection des obstacles éventuels de la voirie), Participant ainsi à la sécurité et au confort public des usagers.

2-ANALYSE FONCTIONNELLE

i-Définitions

Comme son nom l’indique, l’analyse fonctionnelle consiste à chercher, ordonner, caractériser les fonctions d’un produit à l’aide du diagramme des interactions, appelé aussi diagramme  pieuvre. Ce dernier représente les fonctions de service par des liaisons entre le produit et les éléments extérieurs.

Or, une fonction d’un produit est une action réalisée par un produit pour  combler un besoin de l’utilisateur.

Cette fonction de service peut être :

  •  Fonction principale (FP) : Fonction pour laquelle le produit a été crée, elle relie le produit avec deux éléments extérieurs.
  •  Fonction de contrainte (FC) : Des réactions ou des adaptations à des éléments de l’environnement, elle relie le produit avec un élément extérieur.
Diagramme pieuvre

Avant de dresser le digramme des interactions, il nous faut d’abord, déterminer les fonctions de service d’un système d’éclairage, d’où la définition des besoins que doit satisfaire ce service  que nous avons rédigé dans le tableau I-1 ci-dessous par ordre de priorité, suivi du diagramme pieuvre d’un système d’éclairage (Fig. I-1)

Tableau I-1. Les fonctions de service d’un systéme d’éclairage
FP Eclairer les espaces publics pour les usagers.
FC1 Favoriser la sécurité publique aux usagers.
FC2 Favoriser le confort visuel dans les espaces publics.
FC3 Réduire le gaspillage de l’énergie électrique.
FC4 Convivialité et embellissement des espaces publics.
 FIGURE I-1. DIAGRAMME PIEUVRE D’UN SYSTEME D’ECLAIRAGE
FIGURE I-1. DIAGRAMME PIEUVRE D’UN SYSTEME D’ECLAIRAGE

II-Méthodologie: Identification des solutions

Même si son rôle demeure indispensable, l’éclairage public représente un gaspillage énergétique conséquent, et peut être source de perturbations pour les écosystèmes et la santé humaine. Il convient ainsi de trouver des solutions à la fois, pour lutter contre la pollution lumineuse et pour réaliser des économies d’énergie.

Nous nous limiterons volontairement ici à citer quelque brèves indications sur certains systèmes de commande utilisés dans la gestion de l’éclairage public.

  •         Les cellules astronomiques : ce système d’allumage simultané, s’adapte aux heures de lever et de coucher de soleil.
  •        Les modules de gradation : Permettent de réduire la consommation des lampes en fonction du trafic routier.
  •       Les ballasts électroniques : Permettent de réguler la tension et de réduire la consommation, en augmentant la durée de vie des lampes de 6 à 12 mois.

Nous allons aborder maintenant l’idée de notre projet et la façon dont nous voulons la concrétiser, qui aura pour objectif majeur la gestion de l’éclairage public.

III- Conception électronique

1-DOCUMENTS DES CONCEPTS ET DES EXIGENCES

Cette partie décrira brièvement notre projet. On se contentera de présenter  l’énoncé du projet, suivi de la liste des objectifs et d’un bref exposé sur le principe de fonctionnement du circuit.

  • Enoncé du projet

Nous proposons de concevoir et de réaliser le prototype de travail d’un système d’éclairage commandé par le PIC 18F4550 via une photorésistance et un potentiomètre.  Ce montage ne permet non seulement d’adapter le seuil d’éclairage, mais encore de renseigner l’usager sur la température ambiante, le degré ainsi que le type de la luminosité ambiante.

  • Objectifs

Notre projet a pour but majeur  de gérer l’éclairage public à travers un dispositif bon marché, fiable, économique, d’autre part ce dispositif doit contribuer  à la baisse de l’énergie électrique en termes de consommation, sans pour autant nuire à la sécurité publique et au confort visuel de l’usager.

  •  Principe de fonctionnement

Notre système de commande vise à adapter l’intensité d’éclairage selon la luminosité ambiante. Cette dernière varie en fonction du jour aussi bien que la nuit.

Le principe en demeure simple : Une photorésistance  du type LDR03 est montée en pont diviseur avec une résistance, le signal envoyé est proportionnel à l’intensité lumineuse captée, un potentiomètre  détermine la  sensibilité lumineuse ajustable à volonté qui, n’est en outre, que la valeur seuil  à partir de laquelle la lampe s’allume ou bien s’éteint. Le microcontrôleur du type PIC 18F4550 compare et traite en permanence ces deux valeurs  qui lui sont communiquées par ses entrées, qui, via un programme approprié, assure la commande de l’éclairage tout en affichant l’état des lampes et le type de la luminosité ambiante.

Un capteur de température  du type LM355 délivre à l’entrée du microcontrôleur un signal proportionnel à la température ambiante, en opérant de la même façon que pour la photorésistance, le microcontrôleur traite ce signal et affiche la mesure correspondante sur un afficheur LCD du type NOKIA 3310 dont le menu d’affichage sera géré par des boutons poussoirs.

2-Dessins de conception : le schéma synoptique

Les dessins de conception réunissent en général le schéma synoptique du système, le schéma électrique ainsi que le plan du boîtier. Dans cette partie nous nous contenterons de présenter le schéma synoptique accompagné de brèves indications expliquant le rôle des unités élémentaires de notre montage ; le schéma électrique et le plan du boîtier étant abordés  ultérieurement  au chapitre III et IV.

Le schéma de la figure I-2 illustre les unités fonctionnelles de notre système d’éclairage, on y découvre :

-Les entrées du système constituées par :

  •   Les capteurs de lumière et de température respectivement la LDR03 et le LM355.
  •   Le potentiomètre qui détermine la sensibilité lumineuse de l’éclairage.
  •   Les boutons poussoirs qui gèrent le menu d’affichage.

-L’unité de commande et de traitement basée sur le microcontrôleur du type PIC18F4550.

-Les sorties du système constituées par :

  •  L’afficheur  à cristaux liquides LCD du type NOKIA 3310 qui sert à afficher la température ainsi que l’état des lampes et le type de la luminosité ambiante.
  •  Quatre lampes halogènes alimentées sous une tension de12V.
 FIGURE I-2. SCHEMA SYNOPTIQUE DU SYSTEME D’ECLAIRAGE
FIGURE I-2. SCHEMA SYNOPTIQUE DU SYSTEME D’ECLAIRAGE

Après avoir analysé  et étudié la démarche de la conception en deux étapes, nous allons nous intéresser dans le chapitre suivant  à la description détaillée et au fonctionnement de chaque bloc constitutif  du montage.

Chapitre II:Identification des blocs


En conception électronique, il est important de voir le système électronique dans son ensemble et d’en comprendre le fonctionnement. En premier lieu, nous identifierons les blocs qui constituent notre montage définissant ainsi la liaison entre ces différentes unités.

Notre système d’éclairage se compose des deux parties primordiales caractéristiques d’un système automatisé : la partie commande et la partie opérative. Analysons ces deux parties :

Partie commande

Avant d’analyser ce bloc, définissons tout d’abord le terme ‘partie de commande’.

La partie commande d’un système automatisé donne des ordres et des signaux à l’opérateur. Son programme gère l’ensemble de ses échanges d’informations. Elle reçoit les consignes de l’opérateur et les comptes-rendus de la partie opérative. Elle renseigne l’opérateur sur le déroulement des opérations.

Cette fonction de commande est assurée dans notre montage, par le microcontrôleur de type PIC18F4550 (figure II-1) que nous vous proposons  d’en faire le point de connaissance dans la section qui suit.

I-Le choix du microcontrôleur

Le microcontrôleur, avons-nous dit est l’unité de commande sur laquelle est basée notre système d’éclairage, ce qui conduit à se demander quelle famille de ces circuits intégrés choisir. Nous nous limiterons volontairement ici à donner les critères principaux afin d’effectuer le choix le plus approprié :

  •   Le nombre d’entrées/sorties nécessaires pour l’application.
  •  Le ou les circuits de la famille doivent être facilement disponibles sur le marché.
  •  Le prix des circuits doit être à la portée.
  •  L’existence d’un CAN si l’application envisagée nécessite un Convertisseur    Analogique/Numérique.
  •  La rapidité d’exécution.

Dans un premier temps, nous étions amenés à choisir le PIC 16F876A pour sa rapidité et sa simplicité de programmation. Ce n’est que lorsque nous sommes arrivés au stade de la réalisation que nous avons découvert que notre montage nécessite une famille de pics plus appropriée d’où le choix du PIC 18F4550 pour des raisons que nous allons aborder dans le chapitre IV consacré à la réalisation.

II-Le microcontrôleur PIC 18F4550

FIGURE II-1. APPARENCE : PIC 18F4550
FIGURE II-1. APPARENCE : PIC 18F4550

Voilà un terme qui, à lui seul, évoque tout un programme, tant ses applications sont nombreuses.

Ces microcontrôleurs méritent bien une introduction. En effet, ils ont été conçus sur une architecture dite HARVARD (RISC) et non sur un modèle VON NEUMANN (COMPLEX).

L’architecture HARVARD utilisée par les microcontrôleurs PICS est basée sur deux bus de données. Un bus est utilisé pour les données et un autre pour les instructions.

Notons que la taille mémoire spécifiée pour un PIC s’exprime en Kilo Mots (16 bits pour la famille 18Fxx50) et non en kilo octets. Comme chaque instruction est codée par un mot de 16 bits, comparés aux microcontrôleurs classiques (1,2 ou 3 octets par instruction), les PICs ont un code plus compact et ils utilisent moins de mémoire.

1- DESCRIPTION GENERALE DE LA FAMILLE PIC 18F4550

La dénomination PIC est sous copyright de MicroChip, les autres fabricants sont dans l’impossibilité d’utiliser ce terme.

Les deux premiers chiffres indiquent la catégorie du PIC : ici 18 indique un PIC de la famille qui utilise un processeur 8 bits. Ensuite vous pouvez trouvez la lettre «L» qui indique que le PIC peut fonctionner avec une plage de tension beaucoup plus tolérante. Ensuite vous trouverez les lettres suivantes :

« C » : la mémoire programme est une EPPROM ou plus rarement une EEPROM.

« CR » : la mémoire programme est de type ROM.

« F » : la mémoire programme est de type FLASH.

4550 : représente la sous famille xx50.

i- CARACTERISTIQUES GENERALES

Nous résumons les caractéristiques principales de la famille PIC 18F4550 dans le tableau II-1 :

Tableau II-1.caractériqtiques du Pic 18F4550
Caractéristique valeur
Fréquence opérative DC – 48 MHz
Mémoire programme (instructions) 16384
Mémoire programme (Octets) 32768
Mémoire Data « RAM » (octets) 2048
Mémoire EPPROM (octets) 256
Sources d’interruption 20
Timers 4
Capture/compare/PWM modules 1
 Module Communication série MSSP-USART avancé
Mode bus universel série (USB) 1
Port parallèle oui
Convertisseur analogique-numérique sur 10 bits 13 canaux d’entrée
Resets et Delays POR, BOR,

Instruction RESET,

Stack Full,

Stack Underflow

(PWRT, OST),

MCLR (optional),

WDT

Comparateurs 2
Détection de basse tension programmable oui

ii- Organisation interne du microcontrôleur 18Fxx50

FIGURE II-2. ARCHITECTURE INTERNE DU 18FXX50
FIGURE II-2. ARCHITECTURE INTERNE DU 18FXX50

Les mémoires programme  et données et les bus correspondants sont séparés. Ceci permet au même instant :

  • D’exécuter l’instruction correspondant à l’adresse courante.

-D’extraire l’instruction suivante.

iii-Brochage  physique du PIC 18Fxx50

Nous donnons à la figure II-3 le brochage des pins du PIC 18FXX50 :

 FIGURE II-3. BROCHAGE DU PIC 18FXX50

FIGURE II-3. BROCHAGE DU PIC 18FXX50

2- Les broches du microcontrôleur

i-MCLR

Cette broche sert à initialiser le microcontrôleur. Le microcontrôleur dispose de plusieurs sources de RESET :

  • EXTERNAL RESET (Mise à l’état bas de MCLR). Remise à zéro extérieure. [8]
  • WDT: Chien de garde. Si le WDT arrive à la fin du temps de garde sans avoir été rafraîchi il y aura alors une initialisation du microcontrôleur.
  • BOR: Baisse de l’alimentation.
  •  POR : la mise sous tension.
ii-Oscillateur: OSC1 et OSC2 ou CLKIN et CLOUT

Ces broches permettent de faire fonctionner l’oscillateur interne du PIC. On peut utiliser deux types d’oscillateurs comme montré aux figures II-4 :

iii-Alimentation: VDD et VSS

Ce sont les broches d’alimentation du circuit. Les tensions qui peuvent être appliquées vont :

  • De 4,5V à 6V pour la gamme standard F.
  • De 2 à 6V pour la gamme étendue LF.

L’intensité du courant consommé peut aller de 1μA à 10mA.

La consommation du microcontrôleur sera fonction de :

  • La tension d’alimentation.
  • La fréquence interne.
  • Le mode de fonctionnement.

3- Les ports d’entrée/sortie

Le PIC18F4550 est équipé de 35 lignes d’entrées/sorties  réparties en cinq ports parallèles bidirectionnels (Figure II-5) :

  • 7lignes sur le port A : RA0 à RA6.
  • 8 lignes sur le port B : RB0 à RB7.
  • 7 lignes sur le port C : RC0-RC2, RC4-RC7.
  • 7lignes sur le port D : RD0-RD6.
  • 4lignes sur le port E : RE0-RE3.
i- Configuration et exploitation des ports d’entrées sorties logiques (I/O)

Le PIC 18F4550 comporte 35 pins d’entrées sorties partagées. Il faut donc choisir celles qui vont rester sur les fonctions primaires (ADC, SPI, PWM…) et celles qui seront en fonctionnement I/O logique.
Ce PIC comporte plusieurs ports (Port A, B, C, D et E). Pour chacun, 3 registres sont associés (TRISx, PRTx, LATx).

  • TRISx : Chaque bit indique la direction du port correspondant : 1 pour input, 0 pour output.
  • PORTx : Accède aux données sur le port : Une lecture donne l’état de la pin d’entrée/sortie, une écriture impose cet état sur le latch.
  • LATx : Même fonctionnement que PORTX mais à la lecture, elle donne la valeur qui se trouve sur le port latch et non pas sur la pin elle-même.

Au RESET, toutes les lignes sont configurées en entrées. [7]

ii-Le  PORT A

Le port A (7 Bits) : I/O pur et/ou Entrée du CAN (AN0-AN4) et/ou Entrée du TIMER 0 [la broche RA4 du port A (entrée du Timer 0 T0CKI) est de type Drain ouvert] et / ou sortie du comparateur (RA4-RA5). [8]

iii-Le port B

Le port B (8 Bits) : I/O pur et/ou programmation InSitu (ICSP/ICD) [Broches RB5/PGM,

RB6/PGC ainsi que RB7/PGD] et/ou entée d’interruption externe (RB0/INTRB2) et/ou entrée du CAN (AN8-AN12) et/ou entrées / sorties de communication synchrone série (mode SPI et I2C) présentes sur  RB0 et RB1.

Toutes les lignes du port B peuvent être reliées à une résistance de tirage vers le haut. [8]

iv-Le PORT C

Le port C (7 Bits) : I/O pur et/ou TIMER 1 et/ou liaison série synchrone/asynchrone (Module EUSART) et/ ou comparateurs et capture. [8]

vi-Le port D

Le port D (7bits) : I/O pur et/ou SPP (transmission port parallèle) et/ou capture/compare/PWM (ECCP module). [8]

Toutes les lignes du port D peuvent être reliées à une résistance de tirage vers le haut.

vii-Le port E

Le port E (4bits) : I/O pur et/ou entrée du CAN (RE0-RE2). [8]

Ce port est muni du MCLR qui active la mise à 0 du microcontrôleur une fois RE3 est mis à la masse.

4-les modules  convertisseur A/D ET MSSP

i- Le module A/D

Le module convertisseur analogique-numérique à 13 entrées pour le 18F4550  permet la conversion d’un signal d’entrée analogique à son correspondant qui est un  nombre digital codé sur 10 bits.

Ce module est muni de cinq registres :

  • A/D Result High Register (ADRESH): Ces deux registres contiennent le résultat de la                                                                              conversion du module A/D.
  • A/D Result Low Register (ADRESL) :
  • A/D Control Register 0 (ADCON0)  : Contrôle l’opération du module A/D.
  • A/D Control Register 1 (ADCON1) :  Configure les fonctions des pins du port.
  • A/D Control Register 2 (ADCON2)  : Configure l’horloge, le temps d’acquisition                                                                                             programmé et la
ii- Le module MSSP

Le module MSSP est une interface série, utilisée afin de communiquer avec d’autres périphériques ou bien des microcontrôleurs. Ce module peut fonctionner sous deux modes.

  • Serial Peripheral Interface (SPI) : permet la transmission synchrone et la réception simultanée de 8 bits de data. Afin d’accomplir cette communication, généralement trois pins sont utilisées :
  • Serial Data Out (SDO) – RC7/RX/DT/SDO

-Serial Data In (SDI) – RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA

  • Serial Clock (SCK) – RB1/AN10/INT1/SCK/SCL
  • Inter-Integrated Circuit (I2C™) :

La communication en mode I2C contrairement au mode SPI n’utilise que deux fils :

  • Serial clock (SCL) – RB1/AN10/INT1/SCK/SCL
  • Serial data (SDA) – RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA

L’horloge est unique (donc synchrone) et générée par un maitre. Les données transitent sur un seul fil en émission et en réception. Il peut y avoir plusieurs interfaces I2C sur un même fil de donnée avec une horloge synchrone commune. La contrepartie est la nécessité d’un protocole de communication.

Partie opérative

La  partie opérative (figure II-5) effectue les  actions (tâches) ordonnées par la partie commande. Nous pouvons dire qu’elle adresse des comptes-rendus à la partie commande.

Elle est composée de trois éléments fonctionnant en chaîne : les capteurs réagissent à l’état du système et de son environnement, fournissant ainsi des informations interprétables par la partie commande ; les actionneurs exécutent les ordres reçus par la partie commande et agissent sur le système via des effecteurs.

FIGURE II-5. SCHEMA FONCTIONNEL DE LA PARTIE OPERATIVE D’UN SYSTEME AUTOMATISE
FIGURE II-5. SCHEMA FONCTIONNEL DE LA PARTIE OPERATIVE D’UN SYSTEME AUTOMATISE

I-Capteurs

Tout d’abord, nous allons apprendre à distinguer entre un capteur et un transducteur, ensuite nous allons établir les critères à prendre en considération lors du choix d’un capteur /transducteur,  ce sont ces critères qui déterminent la performance d’un tel ou tel capteur. Enfin nous allons faire la connaissance des différents capteurs/ transducteurs employés dans notre circuit tout en étudiant leur fonctionnement de plus prés.

1-Capteur et transducteur : Y a t’-il une  différence ?

Nous pouvons songer à croire que les termes capteur et transducteur ont la même signification, pourtant, ces deux notions sont souvent fort mal comprises. Alors qu’est-ce qu’on entend par capteur et par transducteur ?

  • Le Transducteur

Un transducteur est un système permettant de convertir une grandeur physique appelée grandeur d’entrée E, en une autre grandeur physique qui peut être de même nature appelée grandeur de sortie S. Cette conversion s’effectue selon une loi connue.

On peut résumer cette définition en utilisant le schéma fonctionnel ci-dessous représenté sur la figure II-6 :

FIGURE II-6. SCHEMA FONCTIONNEL D’UN TRANSDUCTEUR
FIGURE II-6. SCHEMA FONCTIONNEL D’UN TRANSDUCTEUR
  • Le capteur

Le capteur appelé encore sensor en anglais, tire son origine de sense qui signifie sentir et percevoir, est défini comme étant « instrument qui permet de déceler l’information contenue par un objet ou issue d’un phénomène »… aussi peut-on dire que : «les capteurs se substituent aux cinq sens de l’homme, en mesurant de façon quantitative les grandeurs physiques d’un objet, et en détectant les phénomènes non discernables par ces cinq sens ». (N .Ichinose etT.Kobayashi, 1990, p. 2).

Plus précisément, il s’agit d’un transducteur qui transforme la grandeur d’entrée (longueur d’un déplacement, vitesse, flux lumineux, température etc.) en un signal mesurable, le plus souvent de nature électrique. [2]

De cette définition, une déduction évidente apparaît : Lorsque la grandeur physique de sortie S est mesurable le transducteur est dit capteur.

2- Critères de sélection d’un capteur

Le choix d’un bon capteur, le mieux adapté repose sur les clauses suivantes :

  • Méthode de detection,
  • Etendue des mesures,
  • Précision, sensibilité des measures,
  • Rapidité de la mesure,
  • Dimensions, poids du capteur,
  • Fiabilité et sécurité,
  • Production de masse, prix.
3. Capteurs utilisés dans le montage

Nous venons de voir, que tout transducteur dont la grandeur de sortie est mesurable est un capteur. Cela s’explique fort bien, comme nous allons le montrer dans ce qui ce suit, au sujet des capteurs mis en œuvre dans notre montage.

i. capteur optique

Les capteurs optiques, sont des dispositifs optoélectroniques qui détectent les rayonnements dans un domaine de longueurs d’onde allant de l’infrarouge à  l’ultraviolet, et les convertissent en signaux électriques. » (N .Ichinose etT.Kobayashi, 1990, p. 101). Parmi ces capteurs optiques nous citons : Les photodiodes, les phototransistors, les cellules photoconductrices, les photorésistances etc.

(1) Sélection : La Photorésistance LDR03 

La photorésistance LDR03 (figure II-7-A) est un composant dont la valeur en ohms dépend de la lumière à laquelle il est exposé, qui réalise la conversion d’un signal lumineux en signal électrique. On la désigne aussi par LDR (Light Dépendent Résistor = résistance dépendante de lumière).Contrairement aux photodiodes et aux phototransistors, les photorésistances se comportent comme des résistances pures du fait de l’absence de jonction. [5]

(2) Principe de fonctionnement 

La résistance de LDR varie en fonction de l’intensité de lumière qu’elle reçoit. Si elle reçoit une  lumière faible (l’obscurité)  sa valeur R est très élevée à environ de 10MΩ Si l’intensité de la lumière augmente, sa valeur R

descendra jusqu’à quelques dizaines d’ohms. Nous pouvons alors dire que la résistance de la LDR est inversement proportionnelle à la lumière reçue  comme le présente la figure II- 8 :

FIGURE. II-8. CARACTERISTIQUE RESISTANCE/ECLAIRAGE
FIGURE. II-8. CARACTÉRISTIQUE RESISTANCE/ECLAIRAGE

(3) Caractéristiques

Reportons-nous au tableau II-2.Nous y découvrons parmi les caractéristiques la plage de fonctionnement en température, en effet, la photorésistance peut présenter le fameux phénomène de la dissipation par effet de joule si elle chauffe, ce qui altère en conséquent la précision de la photorésistance, d’où la nécessité de définir une gamme de fonctionnement en température.

  Tableau II-2.Caractéristiques de la LDR03
Caractéristiques Sensibilité Plage de fonctionnement Plage de fonctionnement en température Temps de réponse Signal délivré en sortie
Elevée [10-1000] Lux  

– 55°C à +125°C

 

[0,1 us-100] ms

Analogique

Lux: Lumens unité de mesure de l’éclairement en S.I

ii.capteur de température

Conçus principalement  pour effectuer des mesures de température, ils  sont divisés en deux Catégories :

  • « Capteurs à contact, qui effectuent la mesure en étant en contact direct avec l’objet ou l’environnement testé ». (N .Ichinose etT.Kobayashi, 1990, p. 21) tel que: la thermo résistance, les thermistances (CTN, CTP, RTC), le thermocouple etc.
  • « Capteurs sans contact, qui effectuent la mesure de l’émission des rayonnements infrarouges de l’objet à partir d’un endroit distant de cet objet » (N .Ichinose etT.Kobayashi, 1990, p. 22)  tels que : le thermophile  et les matériaux pyroélectriques.

(1) Sélection : Le capteur de température LM355 boitier TO-92

Le LM355 (figure II-9-C) est un capteur de température à circuit intégré, qui délivre entre ses bornes une tension proportionnelle à la température absolue (°k). La figure II-9-A représente les connexions des trois bornes du LM335 ainsi que son schéma électrique.

(2)Principe de fonctionnement

La figure II-10 montre le schéma de câblage du LM335. Une tension comprise entre +10 et +18V est appliquée sur la patte 2 du circuit intégré au travers de la résistance R5 de 3.3K. La broche 3 est reliée à la masse. La broche 1 n’est pas utilisée. La tension proportionnelle à la température est mesurée entre la patte 2 et la masse. [4]        

 Si nous désirons obtenir une tension de sortie proportionnelle à la température en degrés Celsius, nous retrancherons 2,73 V à la tension délivrée par le capteur. En effet :

La tension délivrée par le capteur est U1 = a .T = a (q  + 273) avec T et q  respectivement les températures en K et °C et a la tension délirée correspondante à un degré Celsius (10 mV).

Nous pouvons donc écrire, compte tenu de la valeur de a : Us = U1 – 2,73 = a . q. La tension Us est proportionnelle à la température en °C. [3]

FIGURE II-10. SCHEMA DE PRINCIPE D'UTILISATION DU DETECTEUR DE TEMPERATURE LM335
FIGURE II-10. SCHEMA DE PRINCIPE D’UTILISATION DU DETECTEUR DE TEMPERATURE LM335

(3) Caractéristiques 

Il est utile, sinon indispensable de connaître les caractéristiques d’un quelconque capteur. Non seulement, elles nous renseignent sur les performances d’un tel ou tel capteur mais encore déterminent sa plage de fonctionnement et l’étendue de mesure que peut effectuer ce capteur sans risque d’être détérioré. Le tableau II-3 expose certaines caractéristiques du capteur LM335 :

Tableau II-3. Caractéristiques du LM355
Caractéristiques Sensibilité Plage de fonctionnement Précision Plage d’alimentation en courant Signal délivré en sortie
10mV/1°C -40°C- 100°C +/- 2°C (à 25°C)  

400μA-5mA

Analogique
iii. capteur électromécanique : Le potentiomètre

Appelé aussi Résistance variable, et parfois Rhéostat. Ce capteur convertit une grandeur d’entrée mécanique en une grandeur de sortie électrique et vice-versa. Il peut être considéré comme une résistance dont on peut faire varier la valeur ohmique entre deux points, par simple action mécanique sur un axe rotatif ou rectiligne. Il est constitué d’une piste résistive sur laquelle entre en contact un curseur mobile, qui peut se promener d’une extrémité à l’autre de la piste. La photo ci-dessous montre un exemple de potentiomètre rotatif (figure II-11) [6].

Sélection : Le potentiomètre linéaire ajustable 1K

Le principe repose sur le prélèvement d’une partie d’un signal, prélèvement plus ou moins important (rien ou totalité) selon la position du curseur. Nous disons que le potentiomètre est utilisé en diviseur de tension résistif. Nous appliquons la totalité du signal entre les deux pattes extrêmes, et récupérerons  une fraction plus ou moins importante entre le curseur et une des deux extrémités.

II- ACTIONNEURS

Commençons par préciser ce que nous entendons par actionneur. Un actionneur est tout élément de la partie opérative qui fournit une énergie, le plus souvent mécanique (par exemple un mouvement) à partir d’une autre énergie reçue (énergie électrique, hydraulique…). Il peut aussi fournir de l’énergie thermique, lumineuse ou sonore. [9]

Notre montage met en œuvre deux actionneurs :

  • Les boutons poussoirs: qui par action de l’opérateur gèrent le menu d’affichage sur l’afficheur LCD.
  • L’interface puissance: assure l’éclairage ou l’extinction des lampes via un relais électromagnétique.

1. Boutons poussoirs

Il en existe deux types : Les boutons poussoirs à fermeture et les boutons poussoirs à ouverture. Ils servent à ouvrir ou fermer un circuit électrique, dés que l’opérateur les relâche, ils reviennent à leur position initiale.

Sélection : Le bouton poussoir NO

La figure II-12-A schématise les symboles de ce bouton poussoir suivant ses deux états :

La figure II-13 représente le fonctionnement du bouton poussoir NO lors de ses deux états logiques :

Si nous nous reportons à la figure ci-dessus, nous distinguerons deux cas :

  • 1er cas: L’opérateur appuie sur le bouton poussoir et le relâche aussitôt.
  • 2éme cas : L’opérateur reste  appuyé sur le bouton poussoir un certain temps avant de le relâcher.
FIGURE II-13. CHRONOGRAMME DU BOUTON POUSSOIR NO
FIGURE II-13. CHRONOGRAMME DU BOUTON POUSSOIR NO

2- Interface puissance

L’interface puissance met en relation  la partie commande ainsi que la partie opérative et permet l’échange des informations entre ces deux parties de notre système d’éclairage. Composée généralement de transistors, de diodes et un relais électromagnétique dont il constitue l’élément phare de cette unité. Nous allons découvrir par la suite le rôle important  de ce fameux composant.

Description et fonctionnement

Un relais électromagnétique est un organe électrique permettant de dissocier la partie puissance de la partie commande : Il permet l’ouverture/fermeture d’un circuit électrique par un second circuit complètement isolé (isolation galvanique) et pouvant avoir des propriétés différentes. Composé principalement d’un électroaimant, qui lorsqu’il est alimenté, transmet une force à un système de commutation électrique : les contacts. [11]

Un relais peut fonctionner en deux régimes :

  • Fonctionnement monostable: les contacts commutent quand la bobine est alimentée et le retour à l’état initial se fait quand la bobine n’est plus alimentée.
  • Fonctionnement bistable à une bobine: on alimente la bobine pour que les contacts commutent : l’état ne change pas quand la bobine n’est plus alimentée, un système mécanique bloque le retour. Pour revenir à l’état initial, on alimente à nouveau la bobine pour débloquer le mécanisme, dans certain cas en inversant la polarité de l’alimentation.

III- EFFECTEURS

Tout élément de la partie opérative qui agit dans le système à la suite de l’actionneur pour finaliser le travail, il produit l’effet attendu. Par exemple pour le cas de notre système d’éclairage : Les lampes et l’afficheur LCD.

1- L’afficheur LCD NOKIA 3310

i- Description

L’afficheur NOKIA 3310 est un afficheur à cristaux liquides (LCD). Nous avons choisi d’adopter cet afficheur à la place d’un afficheur alphanumérique  (x lignes de n caractères) pour plusieurs critères :

  • Il est graphique (84×48 pixels).
  • Il permet d’afficher jusqu’à 6lignes de 14 caractères (8×5).
  • Nous pouvons créer notre propre police de caractères.
  • Il est facile à piloter (liaison série synchrone à 5 fils).
  • Son contraste est époustouflant.
  • Il ne consomme que 110μA sous 3,3V.
  • Il est rétro-éclairable.

Il est peu couteux.

ii- Brochage et programmation

L’afficheur  utilise le contrôleur PCD8544 de Philips .La documentation complète est disponible sur le net.

Le circuit comporte une mémoire d’écran organisée en 6 lignes de 84 octets, soit 504 octets. Les 8 bits d’un octet représentent les états des 8 pixels verticaux correspondants de l’écran (état « 1 » = pixel noir).

L’affectation des registres de configuration du PCD8544 et de la RAM « écran » est réalisée par une liaison série synchrone (figure II-15-A) :

SCE : sélection du circuit.

SDIN : entrée données série.

SCLK : horloge synchrone.

D/C : sélection donnée/commande.

RES : reset.

2-Les lampes halogènes

Les lampes halogènes, inventées en 1959, éclairent mieux et durent plus longtemps que les ampoules à incandescence classiques. Nous vous proposons de découvrir les caractéristiques, l’histoire et le fonctionnement de la lampe halogène.

Description et fonctionnement

FIGURE II-16. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UNE LAMPE HALOGENE
FIGURE II-16. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UNE LAMPE HALOGENE

Une lampe halogène est une lampe qui produit de la lumière en portant à incandescence un filament de tungstène torsadé (un métal qui supporte des températures supérieures à 3410°C). Mais, à la différence d’une lampe à incandescence classique, les lampes halogènes sont dotées d’une ampoule en verre de quartz, supportant de hautes températures, dans laquelle on a introduit des gaz halogénés à haute pression.
Ce procédé permet de porter le filament à plus haute température et donc de produire une lumière plus éclatante, tout en assurant à l’ampoule halogène une durée de vie plus importante. Il en existe deux types :

  • Lampes à la tension du réseau : alimentée à la tension du secteur (230V) ;
  • Lampes à très basse tension: la lampe doit être raccordée au réseau 230 V au moyen d’un transformateur. [13]

Sélection : Lampe à très basse tension sans réflecteur 12V

FIGURE II-17. APPARENCE
FIGURE II-17. APPARENCE

Il faut éviter de toucher cette lampe (la capsule) avec les doigts sous peine de détériorer le verre de quartz et de se brûler. (Par mesure de précaution, frotter la lampe à l’alcool avant l’emploi). [12]

Dans ce chapitre, nous avons fait le tour d’horizon sur les différentes unités élémentaires constituant notre montage, dans le but d’avoir une idée précise sur le rôle et le fonctionnement des composants qui y sont mis en œuvre.

CHAPITRE III : CAO: Conception Assistée par Ordinateur


La CAO (Conception assistée par Ordinateur) utilise l’ordinateur comme un outil de conception et de dessin. Elle permet de modifier des circuits ou d’en dessiner de nouveaux et d’exécuter des schémas de fonctionnement complets.

La CAO n’est pas une aide simplement pour le dessin, mais aussi pour  la conception y compris la programmation. Ainsi avec un programme puissant de conception assistée par ordinateur, vous pouvez réduire considérablement le temps passé à la table de dessin et au montage expérimental. La création de dessins de CAO présente d’autres avantages : toute l’information sur les fichiers édités est mise en mémoire dans l’ordinateur sous forme de bits numériques, ce qui, en revanche, s’avère vraiment utile lorsque des modifications et des mises à jour sont nécessaires.

Un système de CAO est, bien entendu, un système informatique, nous sommes amenés au moins à connaître les principes de la base de la conception assistée par ordinateur et son rôle dans la conception d’un projet.

Dans ce chapitre, nous parlerons en premier lieu des logiciels de CAO adoptés pour notre projet, nous verrons ensuite le dessin du schéma de notre montage sur ISIS, la phase de programmation sur MIKRO C, enfin nous jetterons un coup d’œil sur la conception et l’édition du circuit imprimé sur ARES.

I-Bilan du software utilisé par la CAO

1- Le logiciel  PROTEUS  ISIS

Le logiciel ISIS de Proteus de la société Labcenter Electronics est principalement connu pour éditer des schémas électriques. Par ailleurs, le logiciel permet également de simuler ces schémas ce qui permet de déceler certaines erreurs dès l’étape de conception. Indirectement, les circuits électriques conçus grâce à ce logiciel peuvent être utilisés dans des documentations car le logiciel permet de contrôler la majorité de l’aspect graphique des circuits. [14]

2-  Le logiciel MIKROC C

Ce logiciel est un produit de la société MikroElektronica, il constitue un outil de développement logiciel en termes de programmation selon  un processus de trois étapes : l’édition du texte, la compilation et l’édition des liens.

3-Le logiciel ARES

Le logiciel ARES de même qu’ISIS est un produit de Labcenter Electronics, c’est un outil d’édition et de routage qui complète parfaitement ISIS. Un schéma électrique réalisé sur ISIS peut alors être importé facilement sur ARES pour réaliser le PCB de la carte électronique. Bien que l’édition d’un circuit imprimé soit plus efficiente lorsqu’elle est réalisée manuellement, ce logiciel permet de placer automatiquement les composants et de réaliser le routage automatiquement. [14]

4- Le logiciel WINPIC 800 v 3.64H

C’est le logiciel pilotant le programmateur JDM (Hardware).  Le logiciel WinPIC 800 v3.64H permet une gestion efficace et rapide du programmateur JDM, il est compatible avec XP (incompatible avec Vista), et détecte automatiquement le PIC placé sur les supports du programmateur, de plus il ne nécessite aucun réglage.

II-Edition du schéma électronique sur ISIS

Un programme de saisie graphique comprend cinq éléments principaux. Ce sont dans l’ordre :

  • Le placement des composants: la première étape consiste à « sortir » de la bibliothèque les symboles des composants qui constituent la base du schéma.
  • Le dessin au trait : consiste à tracer des lignes reliant les composants entre eux.
  • Les symboles schématiques: Il s’agit d’afficher la nomenclature des symboles électriques ainsi que leurs valeurs.
  • La vérification des règles de conception: c’est un sous-programme qui donne l’information nécessaire pour les courts-circuits, les circuits ouverts ou les composants mal placés entre autres.
  • La documentation : comprend la liste ou bien la bibliothèque des composants qui renferme l’information sur les propriétés électriques de tous les composants.

Nous arriverons ainsi au schéma qui est représenté sur la figure III-1 :

FIGURE III.1. SCHEMA ELECTRONIQUE DU MONTAGE
FIGURE III.1. SCHEMA ELECTRONIQUE DU MONTAGE

Au même titre que le chapitre précédent,  nus allons ensemble jeter un coup d’œil sur les différents éléments et blocs qui constituent notre montage en expliquant ainsi de façon progressive le fonctionnement des quatre modules du systéme :

  • Le module d’éclairage: assuré par la LDR, le potentiomètre et l’interface puissance.
  • Le module d’acquisition de température: assuré par le capteur LM335.
  • Le module d’affichage: assuré par l’afficheur NOKIA 3310 et les boutons poussoirs.
  • Le module de commande et de traitement: assuré par le PIC 18F4550.

1- Le module d’éclairage

Nous donnons à la figure III-1-A et III-1-B les deux blocs qui composent le module d’éclairage.

Ce montage met en œuvre une LDR  associée à une résistance R11 (Fig.III-1-A) pour former  un pont diviseur résistif fournissant une tension dont la valeur est fonction de l’éclairement de la LDR. En effet, cette tension est maximale à l’obscurité (à peu prés de 3.3V) et minimale lorsque la LDR est éclairée le jour.

Cependant, nous avons besoin de définir une tension de référence à partir de laquelle le PIC activera l’allumage ou l’extinction des lampes, d’où la nécessité d’introduire un potentiomètre réglable à volonté RV. Ainsi le PIC reçoit deux tensions qui sont en outre des signaux analogiques provenant d’une part de la LDR, et d’autre du potentiomètre sur ses entrées RA1 et RA2 qui sont configurées en CAN.

-Dés réception des deux tensions sur les entrées RA1 et RA2, Le PIC convertit ces deux signaux en leurs valeurs numériques correspondantes, les compare en permanence et commande l’interface puissance via un programme approprié.

  • Reportons- nous à la figure III-1-B, nous y découvrons le mécanisme de l’interface de puissance :

Le relais permet de dissocier la partie puissance de la partie commande, pour Contrôler ce relais de façon automatique nous avons envisagé d’utiliser  un transistor de type BC547 pour le piloter.

Ce transistor a pour particularité de fonctionner en régime de commutation : on dit que son fonctionnement s’apparente à celui  d’un interrupteur, c’est-à-dire il ne peut prendre que deux états : fermé ou bien ouvert.

  • Transistor bloqué: fonctionne tel un interrupteur ouvert. En effet, lorsque la tension de la LDR est inférieure à celle de RV (éclairage), le PIC émet une tension  presque nulle sur la base du BC547, ceci conduit à un courant collecteur nul et Vce = 12V, en conséquence le relais se trouve non alimenté et les lampes s’éteignent.

Rappelons que la bobine du relais est capable de stocker des charges électriques qu’elle restitue  lorsqu’aucune source ne lui impose un courant, ce qui génère une surtension aux bornes du transistor lorsqu’il est bloqué et peut conduire à sa destruction. Afin d’éviter cette dégradation, il est sage de placer une diode de protection  dite diode de roue libre en parallèle avec le relais qui permet l’écoulement des charges stockées dans la bobine du relais et éviter toute destruction du transistor lors de son blocage.

La résistance R13  a été choisie, pour assurer  l’interruption du relais si la tension de commande, au repos n’est pas totalement  nulle (limitation du courant de fuite).

  • Transistor saturé : Lorsque la tension de la LDR est nettement supérieure à celle du potentiomètre (Obscurité), le PIC renvoie un signal de 3.3V sur  la base du transistor à travers une résistance R12,

Ceci se traduit par le passage d’un fort courant entre le collecteur et l’émetteur lorsqu’on l’excite par un faible courant de commande Ib. Le relais s’alimente sous une tension de 12V et les lampes s’allument.

Notons que la résistance R12 est obligatoire. En effet, la jonction base – émetteur se comporte comme une diode. C’est à dire que Vbemax = 0.7V environ. Sans cette résistance, on forcerait Vbe à 3.3V, ce qui aurait pour effet de griller le transistor et/ou la sortie du PIC.

2- Le module d’acquisition de température

FIGURE III-2. LE PONT RESISTIF DU LM335
FIGURE III-2. LE PONT RESISTIF DU LM335

De façon similaire à la LDR,  Le LM335 renvoie un signal de nature analogique sur la ligne du pic RA0, qui, à son tour est convertie en valeur numérique grâce au module CAN intégré du PIC et stockée jusqu’à ce que l’utilisateur demande son affichage.

3- Le module d’affichage

Notre montage se contente de deux éléments constituant le module d’affichage : Les boutons poussoirs et l’afficheur LCD NOKIA 3310.

-Nous venons de voir au chapitre précédent que les boutons poussoirs fonctionnent suivant deux états d’interruption : fermé et ouvert.

Afin d’optimiser le fonctionnement  des quatre boutons poussoirs B1, B2, B3 et B4, deux composants électriques sont utiles si on ne peut dire indispensables :

  • Les résistances Pull-Up : ce sont les résistances R2, R4, R6 et R8 placées en série avec les boutons poussoirs. Ces résistances servent à tirer le potentiel vers le haut afin d’avoir un signal clair sur la broche du PIC étudiée, bien plus important d’éviter le court-circuit qui sera généré lors de l’appui. Cela s’explique fort bien, sur la figure III-3-A, lorsque le bouton poussoir est au repos (ouvert), le signal a un potentiel de 3.3V. Ensuite lorsque l’utilisateur appuiera sur le bouton, une connexion sera faite avec la masse. On lira alors une valeur de 0V pour le signal.
  • Les condensateurs anti-rebond : afin de contrer les rebonds générés lors de l’appui/ relâchement d’un bouton poussoir  qui peuvent engendrer des parasites au sein de notre programme, nous avons jugé utile de placer des condensateurs en parallèle aves les boutons, tels des amortisseurs, ils vont absorber l’effet rebond lors de leur charge/ décharge.

-Examinons à présent le fonctionnement de l’afficheur LCD NOKIA 3310.

Nous insisterons dans ce paragraphe sur le mode de la liaison série synchrone adopté afin de piloter l’afficheur NOKIA 3310. Dans le chapitre précédent Nous avons fait la connaissance du module MSSP chargé de la communication série synchrone ainsi qu’aux  deux modes les plus fréquents de ce module : le mode SPI et I2C. (2-4-2. P.11)

-L’afficheur NOKIA 3310 est piloté par le mode SPI via deux broches particulières :

  • SDIN (pin3) : connectée à la broche RB0 du PIC, sert à transmettre les bus des entrées de données série ainsi que les commandes entre le PIC et l’afficheur.
  • SCLK (pin2) : connectée sur la broche RC7 du PIC, sert à cadencer la transmission série des informations circulant entre les deux périphériques.

-La gestion d’affichage des instructions sur l’afficheur NOKIA 3310 est commandée par l’utilisateur par le biais des boutons poussoirs comme suit :

  • B1: renseigne sur l’état des lampes.
  • B2: renseigne sur le degré de la luminosité ambiante.
  • B3: renseigne sur le degré de température ambiante.
  • B4: ramène l’utilisateur au menu principal.

4- Le module de traitement et de commande

Ce module est pris en charge complètement et uniquement par le microcontrôleur du type PIC18F4550, aussi pouvons-nous dire qu’il constitue « le maître » qui pilote toutes les opérations effectuées par les modules cités ci-dessus. Nous en arriverons ainsi au schéma fonctionnel donné sur la figure ci-dessous qui symbolise la configuration des broches du PIC avec le reste de notre système d’éclairage.

FIGURE III-4. CONFIGURATION DES BROCHES DU PIC
FIGURE III-4. CONFIGURATION DES BROCHES DU PIC

Notons que l’alimentation du PIC nécessaire à son fonctionnement se trouve sur les broches 11 et 32 qui sont liées à une tension de 3.3V (VDD), les broches 12 et 31 étant connectées à la masse (VSS).

III-Programmation sur MIKROC C

Nous donnons  à la figure III-5  les phases élémentaires de la création d’un programme.

FIGURE III-5. LES ETAPES DE PROGRAMMATION
FIGURE III-5. LES ETAPES DE PROGRAMMATION

1- L’algorithme

L’algorithme est la liste de toutes les tâches élémentaires nécessaires à la résolution d’un problème. On écrira l’algorithme, en général, en langage usuel, mais en le formalisant légèrement, de manière à le rendre plus précis, mieux adapté. Il peut se représenter de plusieurs façons :

  • soit par l’écriture du texte lui-même,
  • soit par un schéma symbolique : l’organigramme ou l’arbre (voir figure III-6). Les différents symboles utilisés pour l’écriture d’organigrammes ou d’arbres seront définis au fur et à mesure de leurs utilisations.

2-Programme source

« L’écriture d’un algorithme dans un langage entièrement formalisé, s’appelle un programme. » (Yves Haubry, 1985, p.17)

Afin d’écrire le texte du programme, nous avons fait appel un éditeur de texte Mikro C. Lorsque le texte du programme est écrit, il forme un ensemble que nous nommerons programme source, ou texte source.

3-Compilation et programme objet

Ce texte source n’est pas directement utilisable. Il doit, pour être exécuté passer par une autre étape, où

Mikro C se charge de décoder les instructions une à une et de vérifier si la syntaxe est correcte. Finalement, il compile et traduit le texte source en un autre texte, écrit en un langage directement utilisable par la machine, ce texte est appelé texte objet ou programme objet qui sera généré en format hexadécimal.

4- Exécution

Le programme objet forme un tout et n’a  rien  de commun avec le programme source. Une fois le programme objet mis au point, il n’est pas possible de le modifier directement. Il faut repasser par le programme source et le compilateur.

FIGURE III-6. L’ORGANNIGRAME DU PROGRAMME
FIGURE III-6. L’ORGANNIGRAME DU PROGRAMME (cliquez pour voir l’image en grand taille )

IV- Simulation

La grande force d’ISIS est de pouvoir simuler le comportement d’un microcontrôleur et de son interaction avec les composants qui l’entourent.

Après avoir généré le fichier compilé en format hexadécimal, il ne reste plus qu’à injecter le fichier dans le schéma édité sur ISIS, et plus précisément dans le symbole électrique du PIC 18F4550 en effectuant un double clic gauche par la souris.

La figure III-7 montre un aperçu de la phase de simulation de notre système d’éclairage sur ISIS.

FIGURE III-7. APERÇU DE LA SIMULATION
FIGURE III-7. APERÇU DE LA SIMULATION

V- Conception du circuit imprimé sur ARES

Le prologiciel de CAO ARES utilisé pour la conception d’une plaquette de circuit imprimé comporte également cinq éléments :

  • Le placement des composants: le placement des composants peut constituer un vrai défi. Pourquoi ?

Parce que les composants doivent être placés de manière à permettre les connexions électriques entre tous les composants. Même si le schéma sur ARES peut être généré automatiquement à partir d’ISIS, une bonne partie de la disposition doit se faire à la main, c’est-à-dire à l’aide de la souris ou du clavier.

Par conséquent, les connexions entre certains composants peuvent subir une modification, comme c’est

le cas pour le PIC 18F4550 que nous nous sommes trouvés obligés  d’y changer la configuration de ses broches avec  l’afficheur NOKIA 3310 ainsi que pour le potentiomètre et la LDR.

Nous donnons sur la figure III-8 le schéma issu de cette modification.

FIGURE III-8. MODIFICATION DU SCHEMA ELECTRIQUE SUR ISIS
FIGURE III-8. MODIFICATION DU SCHEMA ELECTRIQUE SUR ISIS
  • L’acheminement des tracés: consiste à disposer les tracés de cuivre sur la plaquette du circuit imprimé.
  • La vérification des règles de conception: Cette étape  permet de s’assurer que les pastilles, les traversées (trous métalliques) et les tracés sont conformément aux règles établies durant la conception.
  • La génération du dessin modèle: comprend la production du dessin modèle qui sera utilisé pour fabriquer la plaquette, ensuite vient l’étape d’impression du dessin modèle soit sur une imprimante matricielle ou à laser.
  • La documentation : Comme ISIS, ARES comprend une documentation abondante qui sert surtout à la fabrication. Elle comporte, entre autres, des schémas, des dessins de fabrication, des listes de pièces et des dessins d’assemblage des composants.

La suite des dessins sur les figures III-9, montrent les différentes faces du circuit imprimé.

Ce chapitre, bien qu’il puisse paraître un peu long, a pour objectif de cerner et d’expliquer d’une façon hiérarchique les étapes de conception assistée par ordinateur de l’édition électrique du schéma, jusqu’à la conception de la plaquette du circuit imprimé .D’autre part, ces phases sont indispensables afin d’aboutir à la réalisation du prototype que nous allons aborder au chapitre suivant.

Chapitre IV : Réalisation du prototype


Maintenant que nous avons fait le point de connaissances et achevé  les étapes de conception assistée par ordinateur, il est grand temps de passer à la fabrication du prototype de notre système d’éclairage. Il faut éprouver la conception électronique  pour voir si ce qui est dessiné et simulé peut fonctionner.

Dans ce chapitre, nous ferons la distinction entre le montage expérimental et la construction du prototype. Nous allons donner un aperçu de chaque phase de réalisation débutant par la programmation du PIC 18F4550 et finissant par l’assemblage final du prototype et la maquette institutionnelle, tout en mentionnant les différentes contraintes que nous avons rencontré lors de la réalisation.

I- Programmation  matérielle du PIC 18F4550

La programmation matérielle du PIC se fait en deux temps : d’abord, il faut connecter le PIC avec un programmateur. Ensuite, ce programmateur  sera piloté par un logiciel chargé d’injecter le programme objet dans les adresses des registres appropriées tout en vérifiant au cours de l’opération la stabilité du programme  et la transmission complète et correcte des instructions dans les adresses à destination du PIC.

1-Le programmateur à PICs JDM (Hardware)

FIGURE IV-1. APPARENCE
FIGURE IV-1. APPARENCE

Le principe de fonctionnement est simple : il suffit de placer le PIC sur le support correspondant (40 pins pour le 18F4550), et brancher le programmateur avec l’unité centrale de votre PC bureau ou bien un PC portable à condition que ce dernier soit muni d’un port série RS232.

2 Le logiciel WinPic 800 v 3.64H (Software)

Comme nous avons vu, au chapitre précédent, WinPic 800 v3.6H est un freeware chargé de graver le PIC, c’est-à-dire d’y implanter le programme objet issu de la compilation. De plus, ce logiciel permet de détecter instantanément la famille du PIC ainsi que sa référence .Très complet il permet de lire, programmer, effacer, tester et éditer le contenu Data, EEPROM et Registres de chaque microcontrôleur.

La figure IV-2 représente un aperçu de la phase de la programmation lors de l’implantation  du code objet en  format hexadécimal dans les adresses des registres.

FIGURE IV-2. GRAVAGE DU PIC 18F4550
FIGURE IV-2. GRAVAGE DU PIC 18F4550

3- Contraintes et solutions

Cette étape de programmation nous  a été cruciale, une fois arrivés à la phase de la réalisation. Nous avons auparavant signalé lors du chapitre II (Partie commande. 1. Page 5) que nous avons conçu et simulé le projet pour un PIC16F876A, mais la programmation s’est avérée impossible pour ce PIC même si la simulation s’est déroulée avec succès sur ISIS. En effet, après avoir effectué une recherche, nous avions découvert que la mémoire flash du PIC 16F876A (8 Kilo Octets) est insuffisante car la taille du programme objet était bien plus grande qu’elle (11 Kilo Octets), ce qui nous a forcé à chercher une famille de PICS possédant une mémoire flash  capable de supporter le code objet, d’où le choix du PIC18F4550 muni d’une mémoire flash de 32 Kilo Octets.

II- Montage expérimental

Pourquoi faut-t-il effectuer un montage expérimental ? Pourquoi s’attarder à cette étape ? Notre schéma de fonctionnement semble correct et la simulation s’est achevée avec succès ; le projet devrait en principe fonctionner. Mais si vous sautez les étapes du montage expérimental, vous ferez face à de graves difficultés.

Tout projet, même le plus simple, doit être analysé en profondeur et mis à l’essai par la réalisation d’au moins un montage expérimental et un prototype.

1-Mise  à l’essai

Le montage expérimental dit encore d’essai est un système d’assemblage qui permet de modifier facilement les composants et les interconnexions à l’étape de la conception. La technique la plus fameuse reste la plaquette du circuit sans soudure nommée  plaque d’essai ou Labdec.

Une platine Labdec est une plaque en plastique percée de trous connectés électriquement, permettant de réaliser un montage électronique rapidement, sans outil et sans soudure, mais il est nécessaire d’utiliser des composants à pattes solides et si possible avec des écartements standards de 2,54 mm (ce qui fait tout juste 0,1 pouce).

Les figures ci-dessous (figure IV-3) représentent le montage d’essai  non complet monté sur le Labdec.

FIGURE IV-3. LE MONTAGE EXPERIMENTAL
FIGURE IV-3. LE MONTAGE EXPERIMENTAL
  • Les pins de L’afficheur Nokia 3310 sont soudées sur une nappe de 8 fils (figure IV-4-A), cependant il faut faire attention lors du soudage des fils sur les broches de l’afficheur sous peine de les détériorer.
  • La figure IV-4-B visualise l’oscillateur externe du PIC, et la résistance de 10K branchée sur la broche 1 du PIC.

2-Résultats et dépannage

Après avoir mis en marche, le montage expérimental, nous avons rencontré quelques problèmes techniques que nous avons classés comme suit :

  • L’alimentation de l’afficheur NOKIA 3310 ne peut fonctionner sous une tension dépassant les 3.3V, de ce fait le PIC doit être en conséquent alimenté sous une tension de 3.3V sous peine de détériorer les pins logiques de l’afficheur. Or, ce point, constitue la deuxième raison pour laquelle notre choix s’est dirigé vers un PIC 18F, car il peut fonctionner même sous une tension  de 2V !
  • Nous avons constaté qu’il fallait diminuer la résistance de base du BC574 afin que le relais puisse commuter. La résistance de 1K a été remplacée par une autre de 220 ohms.
  • Nous avons alimenté les lampes par un transformateur de 12V séparément de celle qui était appliquée sur le relais, car elle s’est avérée incapable d’alimenter le relais et les lampes en même temps.
  • Le LM335 nécessite un étalonnage fait par le biais d’un potentiomètre.

III- Fabrication de la plaquette du circuit imprimé

C’est le temps maintenant, de passer à la fabrication du circuit imprimé. Il est fort possible que les lieux de travail ressemblent d’avantage à un laboratoire de chimie qu’à un laboratoire d’électronique. La méthode de fabrication d’une plaquette de circuit imprimé est très simple. Un minimum de matériel est exigé. En suivant les étapes appropriées et en observant de simples mesures de sécurité, vous obtiendrez d’excellents résultats, à la maison ou dans un laboratoire d’électronique.

Nous donnons aux figures IV-5 des aperçus de la fabrication du circuit imprimé après avoir été développé et percé.

FIGURE IV-5. FABRICATION DE LA PLAQUETTE DU CIRCUITI MPRIME
FIGURE IV-5. FABRICATION DE LA PLAQUETTE DU CIRCUITI MPRIME

IV- Fabrication du boitier et de la maquette

Nous avons assemblé le circuit imprimé, nous savons quels composants doivent être montés sur le boîtier et lesquels doivent être fixés sur la maquette applicative. Nous pouvons maintenant passer à la conception, à la fabrication et à la finition du boîtier et la maquette de notre projet.

Les figures ci-dessous représentent les différentes étapes de la fabrication du boîtier et de la maquette y est inclus le support de notre afficheur NOKIA 3310.

FIGURE IV-6. FABRICATION DU BOITIER ET DE LA MAQUETTE
FIGURE IV-6. FABRICATION DU BOITIER ET DE LA MAQUETTE

-Le socle de l’afficheur NOKIA 3310 a été conçu basiquement d’un dispositif Wireless (sans fil) que nous n’utilisons plus, nous l’avons tranché de telle façon qu’il scelle l’afficheur NOKIA 3310 dedans, tout en laissant apparaître l’afficheur NOKIA 3310 (Figure IV-7).

FIGURE IV-7. FABRICATION DU SUPPORT DE L’AFFICHEUR NOKIA 3310
FIGURE IV-7. FABRICATION DU SUPPORT DE L’AFFICHEUR NOKIA 3310

V- Essai, dépannage et documentation finale

Voici venu le moment de vérité, Si vous avez été patient et que vous avez effectué  tous les essais préliminaires, les essais de fonctionnement ne devraient pas se révéler infructueux.

Pour terminer le prototype et le rapport de projet, il faut procéder à des essais (figure IV-8) pour s’assurer que le projet fonctionne. S’il ne fonctionne pas correctement, il faut connaitre la raison et apporter les corrections nécessaires.

FIGURE IV-8. VERIFICATION FINALE ET DEPANNAGE
FIGURE IV-8. VERIFICATION FINALE ET DEPANNAGE

D’après les essais effectués, nous avons conclu que le montage fonctionne correctement, l’affichage s’active par les boutons poussoirs, et la fonction principale qui est la commande de l’éclairage des lampes en fonction de la luminosité ambiante est remplie. Notre mission a été achevée avec succès.

VI- Assemblage final et mise sous boîtier

Nous allons à présent terminer l’assemblage d’un prototype. Essentiellement, quatre tâches restent à accomplir : assembler le circuit imprimé (remplir la plaquette du circuit imprimé de ses composants électroniques) ; concevoir et fabriquer un boitier pour monter le projet ; effectuer le câblage final (les composants hors plaquette doivent être connectés les uns aux autres ou connectés à la plaquette du circuit imprimé) ; et assembler tous les éléments – la plaquette de circuit imprimé, les composants du boitier, le matériel et le boitier lui-même.

-Notons que nous avons utilisé un bloc d’alimentation d’un récepteur numérique GOLDEN INTERSTAR afin d’alimenter notre montage, cette alternative s’est avérée très utile et nous a permis de gagner du temps que si on a dû employer des régulateurs ou bien des transformateurs.

-Comme nous l’avons cité au paragraphe 2-2, le bloc d’alimentation ne pourra pas alimenter  le relais et les quatre lampes de 12V chacune, de ce fait, nous avons employé un transformateur de 12V, ayant une puissance de 50 Watts afin d’alimenter les quatre lampes pour une longue durée  sans risque qu’il surchauffe.

La figure IV-9 montre l’aperçu de l’assemblage final et de la mise sous boîtier avec la maquette institutionnelle.

FIGURE IV-9. ASSEMBLAGE FINAL
FIGURE IV-9. ASSEMBLAGE FINAL

VII – Mise en œuvre du projet

Le prototype est maintenant construit. Fonctionne-t-il correctement ? L’essai du prototype permettra de déterminer s’il fonctionne. Il est donc temps de brancher le prototype afin d’évaluer son rendement et déterminer si notre prototype peut fonctionner à n’importe quel moment et à n’importe quel endroit. En fait, ces essais exposent le projet à un environnement réel.

Nous donnons à la figure IV-10 la mise en œuvre du projet durant les deux états critiques de son fonctionnement : Le jour et la nuit.

La figure IV-11 révèle l’affichage sur l’afficheur NOKIA 3310, géré par les boutons poussoirs.

FIGURE IV-11. L’AFFICHAGE SUR NOKIA 3310
FIGURE IV-11. L’AFFICHAGE SUR NOKIA 3310

Dans ce chapitre, nous avons tenté d’élucider les étapes principales de la fabrication du prototype de notre montage, ainsi que la maquette applicative. Nous avons vu l’essai, le dépannage, et l’assemblage final et la mise sous boitier afin de terminer le prototype. Les essais de fonctionnement nous ont permis de savoir si le prototype fonctionnait correctement. Nous avons procédé au dépannage pour détecter et corriger les problèmes de fonctionnement. Enfin, nous avons appris comment mettre à l’épreuve le prototype dans les essais de rendement.

CONCLUSION GÉNÉRALE


A travers ce rapport, nous avons présenté notre projet de fin d’études, qui porte sur le secteur de gestion de l’énergie électrique, la conception et la mise en œuvre d’un système d’éclairage automatisé.

Durant ce projet, nous avons procédé à une étude des besoins que doit combler le projet, après nous nous sommes penchés sur une étude théorique, et une étude pratique, qui nous ont menés à l’élaboration des documents de conception assistée par ordinateur. Après, nous avons procédé à la réalisation du prototype et la maquette applicative.

Ce projet nous a permis également de gagner en développement de connaissances, ainsi qu’en rigueur en termes d’électronique et de programmation pratique et de concevoir un système d’éclairage optimisé et évolutif.

Au stade actuel, le système d’éclairage réalisé permet de contrôler la consommation de l’énergie électrique, tel un interrupteur crépusculaire, en plus de l’affichage de la luminosité, l’état des lampes et la température ambiante, afin d’assurer à l’utilisateur une traçabilité sur son environnement en termes d’éclairage et de température.

Reste à perfectionner ce travail à l’avenir en intégrant un module permettant la commande de l’intensité lumineuse dit gradateur de lumière, qui nous permettra d’entretenir l’efficacité lumineuse dans le temps des lampes et luminaires au regard de leur consommation énergétique et de la réduction de la pollution électrique.

Ce projet a été une excellente occasion de mettre en pratique un grand nombre de concepts comme la programmation du PIC et la mise en œuvre de l’affichage par le biais de l’afficheur LCD NOKIA 3310, ainsi que la familiarisation avec plusieurs notions et manœuvres techniques que nous avons acquises tout au long de la conception du projet.

Bibliographie


N .Ichinose, T.Kobayashi, « Guide pratique des capteurs » ,1990.

Ronald A. Reis,« Projets en électronique. Conception et fabrication », 1996.

Yves Haubry, « Informatique et méthodes algorithmiques », 1985.

Webographie

[2]  http://www.ac-creteil.fr/mathsciences-lp/VECTEURS/Transducteurs38.pdf « Transducteurs ».

[3]  http://www.spc.acaixmarseille.fr/phy_chi/Menu/TP_fiches_montages/LM_335/LM335.htm

« Caractéristiques du LM335 ».

[4]   http://www.astrosurf.com/audine/sonde.htm  « caractéristiques du LM335 ».

[5]  http://ballonsolaire.free.fr/capteurlumiere3.htm  « Capteur de lumière ».

[6]  http://www.sonelec-musique.com/electronique_theorie_potentiometre.html « Potentiomètre ».

[7]  http://www.baghli.com/dspic_intro.php « configuration des registres du pic 18F ».

[8]  http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39632e.pdf  « Datasheet du pic 18F ».

[9]  http://intratek.legtux.org/Intra-Tek/Pages/4/2-   programmation/ressources/SystemeAutomatise/definition.htm# «  partie de commande et opérative ».

[10]  http://techncollege.free.fr/telechargement/capteur%20actionneur.pdf  « Actionneurs ».

[11]  http://www.sonelec-musique.com/electronique_theorie_relais.html « Relais ».

[12]  http://www.gralon.net/articles/materiel-et-consommables/materiels-industriels/article-la-lampe-halogene—presentation-et-fonctionnement-3976.htm  «  lampes halogènes ».

[13]  http://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=10681  « lampes halogènes ».

[14]  http://www.elektronique.fr/logiciels/proteus.php  « Logiciels Proteus ».

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