Le parc d`attraction

ATS 4e secondaire
Mettre à profit ses
connaissances scientifiques
et technologiques
Communiquer à l’aide des
langages utilisés en science
et technologie
Le parc d’attraction
Deuxième partie : la conception électronique
La compagnie SixFlags est fort impressionnée par l’interface
de contrôle servant à la robotisation de votre manège que
vous allez construire. Elle songe à l’utiliser dans toutes les
maquettes de ses futurs parcs d’attractions. Dans ce but, elle
vous demande de construire, à l’intention de ses ingénieurs,
un document explicatif sur le fonctionnement
de l’interface de contrôle, ainsi que de proposer des
solutions aux principaux problèmes susceptibles de
survenir lors de la construction du circuit
imprimé.
Nom :
_________________________________
Groupe :
_______________
Date :
_______________
Les membres de mon équipe :
_________________________________
_________________________________
_________________________________
Par Erick Sauvé, CSDL
Sauf mention au contraire, le contenu de ce
document est sous Contrat Creative
Commons Paternite 2.5 Canada
3
Décris le problème dans tes mots
À partir de la mise en situation, Indique ce que tu dois faire
Explore la situation d’un point de vue scientifique ou technologique
Indique ce que tu sais à propos du problème
Indique les questions que tu te poses à propos du problème
CD 2 :
Formulation d’un questionnement approprié
CD 3 :
Interprétation juste de messages à caractère scientifique
et à caractère technologique
4


Tâche d’acquisition de ressource 1 :
Étude des composants de l’interface de contrôle
Le contrôleur de relais est une interface
permettant le contrôle d’un relais via un ordinateur
de type PC. Il existe plusieurs moyens de
contrôler cette interface. Les commandes peuvent
passer par le port série, le port parallèle ou par un
microcontrôleur.
La première solution c’est-à-dire celle utilisant le
port série, est celle qui vous sera présentée dans
ce document. C’est également la version la moins
dispendieuse.
L’interface comporte plusieurs composants:
Transistor (1)
Relais inverseur
+
Sortie moteur
Connexion
série
+
Régulateur
+ -
Alimentation
ATTENTION
Source d’alimentation
Les caractéristiques de la source
d’alimentation peuvent varier selon le
moteur utilisé. Mais on utilisera une
tension de dépassant pas 12 volts DC et
une intensité maximale
de 300 mA
5
Transistor (2)
Le transistor
Transistor :
Les deux rôles du transistor :
1-
2-
Le transistor est un dispositif qui comporte 3 électrodes :
123-
6
Il existe plusieurs centaines de transistors. Mais, dans le cadre de ce cours, nous
utiliserons le transistor TIP-122 dans un boîtier to-220.
1 = Base
2 = Collecteur
3 = Émetteur
Le transistor TIP-122 to-220
2
Tip
122
123
1
3
123
Face
Dessus
Symbole
Entrée
Fonctionnement du transistor
Dans son rôle de commutateur, le transistor est
un dispositif fort simple : Un courant électrique se
présente à l’entrée du transistor (le collecteur).
Ce courant pourra poursuivre son chemin vers la
sortie du transistor (l’émetteur) uniquement si
une permission lui est accordée. Cette
permission se résume en la présence d’un
second courant électrique à la base.
Collecteur
Permission
Base
TIP
122
Émetteur
Sortie
7
Le relais
Le moteur de ton manège nécessite probablement un courant électrique supérieur à 9
volts pour bien fonctionner. Or, le courant électrique en provenance de l’ordinateur est
trop faible pour faire fonctionner ce moteur. Il sera donc nécessaire d’utiliser une source
d’alimentation externe.
Problème : Si le fort courant de l’alimentation externe se joint au courant de l’ordinateur,
le courant résultant risque d’être fatal pour l’ordinateur.
Le relais :
Fonctionnement du relais
1Une relais est composé de deux parties :
2-
8
Au départ…
Relais
Moteur à l’arrêt
opérateur
Solénoïde
Aucun courant électrique
Aucun courant électrique
Observations
Origine du faible courant :
Origine du courant plus élevé :
Le faible courant (celui qui vient de l’ordinateur) passe dans le :
Le courant plus élevé (celui qui fera fonctionner le manège) passe dans:
Note : Il n’y a aucun contact entre les deux parties du relais. Ainsi, le circuit avec le
faible courant est complètement indépendant du circuit avec le courant plus élevé.
L’opérateur sert d’interrupteur pour le circuit avec le courant plus élevé
Lorsque le faible courant passe dans le solénoïde, il se forme un champ
électromagnétique autour de celui-ci. Ce champ magnétique transforme le solénoïde en
électro-aimant.
9
Lorsque l’ordinateur génère un courant électrique…
Relais
Moteur en marche
opérateur
Solénoïde
Petit courant électrique
Gros courant électrique
Ainsi, grâce au relais, une source de courant de quelques volts peut commander une
deuxième source de plusieurs milliers de volts.
10
Le relais inverseur
Il est composé de 8 broches. Voici son fonctionnement interne :
Inactif
Actif
Le relais possède un électro-aimant et deux interrupteurs. Quand l’électro-aimant est actif,
il attire les deux interrupteurs.
Lorsque le circuit de l’ordinateur est ouvert, l’électro-aimant n’est pas activé et les 2
interrupteurs sont positionnés à droite. Le moteur tourne dans un sens.
M
Lorsque le circuit de l’ordinateur est fermé, l’électro-aimant est activé et les 2 interrupteurs
sont positionnés à gauche. Le moteur tourne dans l’autre sens.
M
Le courant circule à l’intérieur du relais et à l’extérieur par les pistes à l’extérieur du relais.
11
La diode
La diode :
I
I
Le régulateur
Le régulateur :
LM
7805
123
123
Face
Dessus
1 = Courant d’entrée (5volts @ 24 volts)
2 = Référence (0 Volt)
3 = Courant de sortie (5 Volts)
Symbole du régulateur :
Chaleur
12 volts
5 volts
Courant d’entrée
LM
7805
Courant de sortie
0 volt
12
Le condensateur
En laboratoire effectue le circuit suivant :
résistance 1k
+
5 volts _
+
_
D.E.L
condensateur
ATTENTION : Le condensateur est un élément polarisé : Il faut connecter la borne
négative du condensateur avec la borne négative de la source d’alimentation.
Normalement, la borne négative du condensateur est clairement indiquée sur le
composant à l’aide de flèches.
1. Lorsque ton condensateur est branché, attends environ 5 secondes et débranche la
source d’alimentation. Que se passe-t-il?
2. Selon toi, à quoi sert le condensateur?
3. Maintenant, refais cette expérimentation à l’aide d’une résistance de 10 k et 100 k
Qu’observes-tu?
4. Quelle est la valeur du condensateur que tu as utilisé?
Le condensateur
Symbole :
Unité : Farad
13
Tâche d’acquisition de ressource 2 :
Construction de l’interface de contrôle
Au cours de cette tâche, tu construiras l’interface de contrôle qui permettra de relier ton
manège à un ordinateur. Tu pourras ainsi contrôler les mouvements du manège à l’aide
d’un logiciel que tu créeras toi-même ou avec un logiciel que ton enseignant te fournira.
Pour fabriquer cette interface, toutes les étapes de réalisation sont décrites un peu plus
bas. Tu n’as qu’à bien lire et suivre les indications pour réaliser ton circuit. Malgré toute
l’attention que tu mettras dans ton travail, tu constateras qu’il est très rare qu’un circuit
électronique fonctionne du premier coup. Ce sera à toi de trouver la faille dans ton circuit
et de faire la réparation qui s’impose.
Si par bonheur ton circuit ne comporte peu ou pas de réparation à effectuer, tu peux venir
en aide à l’un de tes collègues de classe.
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Étape 1 : La réalisation d’un circuit imprimé
Débit
Découpez, à l'aide de la cisaille, la plaque époxy/cuivre aux
dimensions du futur circuit imprimé.
Préparation
Mettez le typon dans l'insoleuse en vérifiant bien son sens.
Pour que l'insolation puisse s'effectuer, il faut retirer l'adhésif
opaque qui protège la résine photosensible des rayons ultraviolets de la lumière ambiante. Une fois l'adhésif retiré,
placez la plaque présensibilisée dans l'insoleuse, coté résine
sur le typon.
Insolation
Fermez le capot protecteur de l'insoleuse et réglez la
minuterie sur 2min30. Les ultra-violets émis par les tubes de
l'insoleuse vont modifier la structure de la résine
photosensible aux endroits non protégés par le tracé du
typon.
Lorsque la minuterie s'arrête, ouvrez le capot protecteur de
l'insoleuse et sortez la plaque présensibilisée. Vous devez
pouvoir observer le tracé des pistes imprimé sur la résine.
Révélation
Trempez la plaque présensibilisée dans le bain révélateur en
suivant bien les consignes de sécurité. Si le révélateur est
récent ou très actif, l'opération risque d'être très courte !
Observez bien l'action du produit qui désagrège la résine
modifiée par les ultra-violets, ne laissant que le tracé des
futures pistes sur la couche de cuivre.
Rinçage
Rincez abondamment la plaque présensibilisée dans l'eau.
Le révélateur est encore actif si vous ne l'enlevez pas
totalement.
Gravure
Placez la plaque présensibilisée dans la graveuse en suivant
bien les consignes de sécurité. Réglez la minuterie sur
20 min.
Le perchlorure de fer décompose le cuivre qui n'est pas
protégé par le tracé des pistes en résine.
Rinçage
Rincez abondamment le circuit imprimé à l'eau.
Le perchlorure est encore actif, toxique et salissant.
Nettoyez le circuit imprimé à l'aide d'un chiffon imbibé
Nettoyage d'alcool jusqu'à faire disparaître la résine maintenant inutile.
15
Étape 2 : Vérification des pistes
À l’aide d’un multimètre ou d’un testeur de continuité, tu dois contrôler l’isolation et la
continuité des pistes du circuit.
Étape 3 : Perçage des trous
Lorsque tu as testé toutes les pistes de ton circuit, tu dois percer un trou au centre de
chacune des pastilles destinées à recevoir un composant. Pour ce faire, tu utilises les
petites perceuses à colonne et un forêt de 1mm de diamètre.
Étape 4 : Implantation des composants
Tu dois maintenant souder les composants sur la plaquette. Pour ce faire, utilise le schéma
ci-dessous afin de souder les composants aux bons endroits.
Pour effectuer correctement une soudure, réfère-toi à l’annexe, à la fin de ce cahier.
Lorsque tu as terminé la soudure d’un composant, tu dois couper les broches qui dépassent
au dos de la plaquette de ton circuit imprimé. ATTENTION le port des lunettes de sécurité
est obligatoire pour cette étape.
Afin de se faciliter la tâche lors de l’implantation des composants sur la plaquette de
contrôle, il est important de débuter par les pièces les plus petites et ensuite, de poursuivre
avec les composants plus hauts et volumineux.
16
0v
S
+
M
+
+ -
Note : Le sens de certains composants est critique.
Tu dois faire bien attention à ne pas inverser le sens des composants.
Étape 4.1 : Soudure des diodes
Attention : les diodes sont des composants polarisés. S’ils ne sont
pas soudés dans le bon sens, le contrôleur ne fonctionnera pas.
On identifie le sens d’une diode à l’aide de la petite barre noire
sur celle-ci (voir le modèle ou le schéma ci-dessus pour
connaître le sens du composant sur la plaquette).
Étape 4.2 : Soudure des borniers
Les borniers sont les composants par lesquels entrent ou
sortent les signaux électriques.
Note1: Le bornier à 3 vis est optionnel.
Note2 : Sur la dernière version du typon, le bornier à 2 vis
pour l’alimentation est remplacé par un prise d’alimentation
pour CI à 3 broches (illustré ci-contre)
Étape 4.3 : Soudure du relais
17
Étape 4.4 Soudure du connecteur RS232
Étape 4.5 : Soudure du condensateur
Attention : le condensateur est un composant polarisé. S’il
n’est pas soudé dans le bon sens, celui-ci risque d’exploser!
On identifie le sens d’un condensateur par les flèches
identifiées avec des signes négatifs (-) sur l’un de ses côtés.
(Voir le modèle pour connaître le sens du composant sur la
plaquette).
Étape 4.6 : Soudure du régulateur LM7805
Étape 4.7 : Soudure des transistors TIP-122
Attention : Dans ce projet, les boîtiers des deux transistors
(TIP-122) et du régulateur (LM7805) sont tous de type to-220 il
est important de ne pas confondre les composants.
Étape 5 : Vérification des soudures
Avant de connecter la plaquette à sa source d’alimentation ou à un ordinateur, il est
important de s’assurer que toutes les soudures ont été effectuées correctement. C’est-àdire que l’étain, appliqué sur chacune des pattes des composants adhère bien au circuit et
qu’elle est lisse et brillante (annexe).
De plus, Il est extrêmement important de s’assurer qu’aucune soudure ne touche à deux
pistes différentes à la fois. Chacune des pistes doit être isolée les unes des autres. Pour ce
faire une inspection visuelle minutieuse, ou à l’aide d’un multimètre, s’impose.
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Si tu repères des soudures incorrectes, tu dois prendre la pompe à dessouder et les
recommencer.
Étape 6 : Identification des ports d’entrées et de sorties
La plupart des entrées et sorties ont été identifiées sous la plaquette lors de sa fabrication.
Mais, pour faciliter les branchements et limiter les erreurs, il est fortement recommandé
d’identifier sur le dessus de la plaquette les différentes entrées et sorties à l’aide d’un
marqueur indélébile.
Les ports à identifier sont les suivants :
Les Entrées : Signal pour la marche/arrêt du moteur (M)
Signal pour l’inversion du sens (S)
La masse (0V)
Les sorties : Courant pour le moteur (Moteur)
L’alimentation : Courant d’alimentation du moteur (Alim. + et -)
Étape 7 : Mise à l’essai manuelle
Finalement, avant de raccorder le contrôleur à
l’ordinateur, il est recommandé de tester le montage à
l’aide du simulateur de port série. Le simulateur envoie
au contrôleur, deux signaux électriques qui simulent les
signaux électriques en provenance de l’ordinateur ou du
microcontrôleur. Deux interrupteurs permettent de
commuter manuellement la marche et l’arrêt de ces
signaux électriques.
Branche le bloc d’alimentation et le moteur à leurs ports
respectifs puis vérifie le bon fonctionnement du relais à
l’aide des interrupteurs. Si, à chaque fois que l’on
commute l’un des interrupteurs, une l’une des actions
suivantes se produit : marche, arrêt, avance, recule et
que tu entends le relais faire un petit « clic », lorsque le
moteur inverse son sens de rotation, c’est signe que tout
fonctionne.
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Étape 8 : Mise à l’essai informatique du montage
Finalement, branche ton circuit sur le port série d’un ordinateur et branche le bloc
d’alimentation et le moteur à leurs ports respectifs. Il ne te reste plus qu’à exécuter
l’application qui t’est fournie par ton enseignant pour vérifier le bon fonctionnement du
circuit et du moteur. Normalement, tu devrais être en mesure de mettre en marche et
d’arrêter le moteur ainsi que d’inverser son sens de rotation. Si tel n’est pas le cas, tu dois
réviser ton circuit afin de trouver l’erreur.
Voici une figure qui illustrant la chaîne de transmission du signal électrique du manège :
1
L’information sort
de l’ordinateur via
un port de sortie
2
3
Le signal numérique
passe dans un câble
de communication
Le signal numérique est
interprété par les transistor
contenu dans l’interface de
controle
4
Port de communication:
Signal numérique :
20
5
Le moteur se met en marche
selon les commandes en
provenance de l’ordinateur
Le relais achemine un
courant de forte intensité
au moteur pour le mettre
en opération
Tâche d’acquisition de ressource 3 (optionnelle):
Le contrôle du manège avec Visual Basic
Pour contrôler notre mini-robot, nous utiliserons le port série de l’ordinateur. Ce port était
anciennement utilisé pour la souris de l’ordinateur ou pour les jonctions vers les modems.
Mais, depuis l’apparition des connexions USB, une connexion série beaucoup plus rapide,
les ports séries ont tendance à disparaître sur les ordinateurs les plus récents.
Néanmoins, il est possible de se procurer des adaptateurs usb-série si votre nouvel
ordinateur ne dispose pas de connections série.
Voici à quoi ressemble un port série. Celui-ci comporte 9 connecteurs (ou canaux).
Parmi ces neuf canaux, deux nous intéresseront tout particulièrement : le canal DTR et
RTS. C’est par ces canaux que passeront les signaux numériques en provenance de
l’ordinateur. Le signal pour la commande marche/arrêt utilisera le canal RTS et le signal
pour la commande avance/recule utilisera le canal DTR.
Comment faire?
Quelques logiciels de programmation permettent un accès facile à ces deux signaux. L’un
de ceux-ci est Visual Basic (VB).
Pour accéder au port série de l’ordinateur grâce à Visual Basic, vous devrez placer
l’objet de communication sur la feuille de votre programme. Cet outil se nomme :
Microsoft comm control 6.0. Il est accessible via le menu contextuel de la barre
d’outils.
Lorsque vous commencerez à écrire vos lignes de codes, tout d’abord, il importe d’ouvrir
le port de communication lorsque le programme s’ouvre. Dans la procédure
« Form_load », il importera d’inclure la ligne de code suivante :
Mscomm1.portopen = true
21
Ensuite, il sera possible d’avoir accès au port et de contrôler les différents signaux. Voici
les codes VB permettant le contrôle de ces signaux :
Commande
Effet
L’ordinateur envoie la
commande marche
Ferme le circuit du canal RTS.
Mscomm1.RTSenable = true
L’ordinateur envoie la
commande arrêt
Mscomm1.RTSenable = false
L’ordinateur envoie la
commande avance
Le transistor (2)
Un courant électrique passe autorise ou non le
alors par ce canal (RTS =1) passage du courant
à forte intensité
dans le relais. Le
Ouvre le circuit du canal RTS. moteur est en
marche ou est à
Aucun courant ne passe alors l’arrêt.
par ce canal (RTS = 0).
Ferme le circuit du canal DTR.
Mscomm1.DTRenable = true
L’ordinateur envoie la
commande recule
Un courant électrique passe
alors par ce canal (DTR = 1).
Ouvre le circuit du canal DTR.
Mscomm1.DTRenable = false
Le relais commute
et le moteur change
de sens de rotation
Aucun courant ne passe alors
par ce canal (DTR = 0).
Finalement en quittant le programme, il est important de fermer le port de communication
utilisé, afin de ne pas bloquer à d’autres logiciels l’accès au port série. Le programme
devra donc comporter un bouton « Quitter » qui inclura la ligne de code suivante :
Mscomm1.portopen = false
22
Le contrôle de la puissance du moteur
Qu'est-ce qu’un PWM?
La méthode du PWM (Pulse Width Modulation ou modulation à largeur d’impulsion)
consiste à envoyer très rapidement des impulsions électriques au moteur. Ces impulsions
sont d'amplitude égale (Intensité du courant est égale), mais la durée de l’impulsion est
variable.
En faisant se succéder ces impulsions très rapidement, il est alors possible de diminuer la
puissance du moteur et ainsi diminuer sa vitesse de rotation.
La puissance du moteur nous est donnée par l’équation suivante :
Puissance du moteur 
Largeur de l' impulsion
T1

Période des impulsions
T1  T0
où T1 = le temps où l’impulsion est au niveau haut
T0 = le temps où l’impulsion est au niveau bas
Voici un schéma qui t’aidera à comprendre :
Puissance du
moteur
Intensité du
courant
électrique
100 %
Temps (sec)
Période = T1 + T0
Intensité du
courant
électrique
50 %
T1
Temps (sec)
T0
Intensité du
courant
électrique
25 %
Temps (sec)
Intensité du
courant
électrique
12 %
Temps (sec)
23
Programmer un PWM en Visual Basic
Il faudra tout d’abord définir deux variables correspondant à T1 et T0.
Dim T1 as single
Dim T0 as single
Ensuite, il nous faut écrire une série de codes afin d’exécuter une première impulsion
électrique :
1. On fait partir le moteur : Mscomm1.RTSenabled = true
2. On attend le temps de T1 : attente T1
3. On arrête le moteur : Mscomm1.RTSenabled = false
4. On attend le temps de T0 : attente T0
T1
T0
Finalement, il faudra que ces instructions se répètent sans cesse jusqu'à ce que l’on
décide d’arrêter le moteur. Pour ce faire, nous utiliserons une boucle DO-LOOP
Exemple :
Do until MoteurMarche = false
Instructions
Loop
Dans l’exemple ci-dessous, les instructions se répéteront continuellement jusqu’au
moment où la variable MoteurMarche (booléenne) prendra la valeur false. À ce moment,
la boucle cessera de s’exécuter.
Note : la commande « attente » n’existe pas dans Visual Basic. Il s’agit d’un procédure publique à inclure
dans votre programme. Cette procédure vous sera donnée par votre enseignant.
24
Tâches de compétence :
Explication du fonctionnement de l’interface de contrôle
Solutions aux principaux problèmes de fabrication
Les résultats de mes recherches
25
Propose une explication au fonctionnement de l’interface de contrôle
RTS
M
DTR
CD 2 :
Utilisation pertinente des concepts de la science et de la technologie
CD 2 :
Production d’explication ou de solutions pertinentes
CD 3 :
Respect de la terminologie, des règles et des conventions propres à la science
et à la technologie dans la production de messages
26



Solutions aux problèmes fréquemment rencontrés lors de la fabrication


CD 2 :
Production d’interventions pertinentes
CD 2 :
Justification des intervention effectuées
CD 3 :
Respect de la terminologie, des règles et des conventions propres à la science
et à la technologie dans la production de messages
27

Annexe : Complément d’information : La soudure
Rôle et composition
Le rôle de la soudure est d’assurer à la fois une liaison électrique et
mécanique entre une patte de composant et un circuit imprimé. Le fil
d'étain, qui sert à la soudure, est en fait composé de 60% d'étain et de
40% de plomb. Sa température de fusion est approximativement de 180°C.
Tenue du fer
Le fer à souder se tient Comme un stylo. Pour éviter les
brûlures et les incendies, il faut toujours utiliser le support
pour reposer le fer.
Comment implanter et souder un composant sur la plaque?
1
Si ce n’est déjà fait, mettre le fer
sous tension.
2
1
Implanter le composant correctement (Les
pattes doivent dépasser du côté cuivre, il
est impossible de souder sur l’époxy).
Pour implanter correctement un
composant, il est nécessaire de
plier ses pattes à angle droit à l'aide
d'une pince plate.
3
Approcher la panne du fer d'une patte
du composant et chauffer à la fois la
patte et la pastille de cuivre.
Par Erick Sauvé, CSDL
4
Faire fondre la soudure au contact des
parties à souder en frottant la soudure sur la
panne du fer.
5
Enlever le fil de soudure puis le fer dès que la
soudure enveloppe les parties à souder.
Note : Afin de faciliter le travail, on commence normalement par l’implantation
des plus petits composants pour terminer par les plus gros.
A quoi ressemble une bonne soudure ?
Une bonne soudure doit :


entourer complètement la patte du
composant.
être solidement fixée sur la plaque.
1
2
3
1 Soudure correcte. Elle adhère au circuit
et au composant. Elle est lisse et brillante.
2 Mauvaise soudure. Soudure en crique,
elle n'adhère pas à la patte, le contact ne
s'établit pas.
3 Mauvaise soudure. La soudure fait boule, le contact ne s'établit pas.
29