I. Schéma fonctionnel
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Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 Projet Electronique n°1 L1 Groupe C Réalisation d’une chaîne de mesure Page 1 sur 20 Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 Sommaire INTRODUCTION – CAHIER DES CHARGES ______________________________________________________ 3 I. SCHÉMA FONCTIONNEL __________________________________________________________________ 4 II. SCHÉMA STRUCTUREL ET EXPLICATION DES MODULES __________________________________ 5 1. a. b. c. 2. a. 3. a. b. c. III. CONDITIONNEMENT DES SIGNAUX ISSUS DES CAPTEURS ____________________________________________ 5 Mesure de température et de champ magnétique _______________________________________________ 5 Multiplexeur ___________________________________________________________________________ 6 Amplification du signal __________________________________________________________________ 7 QUANTIFICATION ET CONVERSION ANALOGIQUE-NUMÉRIQUE _______________________________________ 7 Réalisation d’un CAN ___________________________________________________________________ 7 TRANSCODAGE ET AFFICHAGE _______________________________________________________________ 8 Table de vérité des sorties du transcodeur____________________________________________________ 8 Transcodeur ___________________________________________________________________________ 9 Affichage ____________________________________________________________________________ 10 DOSSIER DE TEST _____________________________________________________________________ 11 1. CONDITIONNEMENT DES SIGNAUX ISSUS DES CAPTEURS ___________________________________________ Mesure de température et de champ magnétique ______________________________________________ Multiplexeur __________________________________________________________________________ Amplification du signal _________________________________________________________________ 2. QUANTIFICATION ET CONVERSION ANALOGIQUE-NUMÉRIQUE _______________________________________ a. Réalisation d’un CAN __________________________________________________________________ 3. TRANSCODAGE ET AFFICHAGE _______________________________________________________________ a. Transcodeur __________________________________________________________________________ b. Affichage ____________________________________________________________________________ a. b. c. IV. V. 11 11 12 13 13 13 15 15 16 ESTIMATION DU COÛT DE PRODUCTION_______________________________________________ 18 PERSPECTIVE D’AMÉLIORATION ________________________________________________________ 19 CONCLUSION ________________________________________________________________________________ 20 Page 2 sur 20 Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 Introduction – Cahier des Charges L’objectif de ce projet est la réalisation d’une chaîne de mesure. Elle permet de convertir et d’afficher les variations de température produites par contact avec les doigts mais aussi du champ magnétique crée en approchant un aimant. L’afficheur doit être à zéro à température ambiante ou champ magnétique nul. Cette chaîne de mesure est composée de 4 parties : la première sert a capter les deux différents signaux, la seconde permet d’amplifier le signal reçu par les sondes, la troisième a pour but de convertir un signal analogique en signal numérique et enfin la dernière partie est composée du transcodeur et de l’affichage des variations de températures sur un afficheur 7 segments. La Tension d’alimentation des amplificateurs opérationnels est de ±5V et celle a l’entrée des capteurs est de +5V. Nous allons d’abord étudier le schéma fonctionnel puis le schéma structurel avant d’aborder les tests et mesures, puis viendront le coût du montage et les améliorations possibles. Voici les composants utilisés pour réaliser ce projet 1 capteur de temperature LM335 1 capteur de température UGN3503U 2 amplificateur opérationnel TL084 1 afficheur 7 segment 2 potentiomètre 10K 3 résistances de 1k 2 résistances de 100k 5 résistances de 10k 6 résistances de 175 ohm 2 circuits logiques NAND 4 diodes si 1 multiplexeur 4066BT 1 porte de commande sur un 74HC04N Page 3 sur 20 Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 I. Schéma fonctionnel Schéma fonctionnel d’une chaîne de mesure de température et de champ magnétique: Température ou Champ magnétique Capteur de température Capteur de champ magnétique multiplexeur Conditionneur de signal Amplificateur de signal Convertisseur analogique - numérique Transcodage Affichage Les capteurs permettent de transformer la mesure en tension augmentant avec la grandeur qu’ils mesurent. Le multiplexeur permet aux deux tensions de passer par le même circuit. Le conditionneur transforme le signal en courant électrique. L’amplificateur permet d’avoir un signal plus important Le convertisseur permet de laisser passer le courant à un endroit précis en fonction de sa valeur Le transcodage permet aux 4 arrivées différentes de passer par différentes portes qui permettront l’affichage final. L’affichage varie entre 0 et 4 selon l’intensité de la grandeur mesurée. Page 4 sur 20 Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 II. Schéma structurel et explication des modules Nous avons réalisé le schéma structurel de la chaîne de mesure de température avec Pspice : Voici une photo de notre montage final: 1. Conditionnement des Signaux issus des Capteurs a. Mesure de température et de champ magnétique Le capteur de température est une LM335. La tension varie en fonction de la température mais seulement de quelques mV par degré. Page 5 sur 20 Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 Pour faire varier la température aux abords du capteur, nous avons utilisé nos doigts qui par leur chaleur font suffisamment augmenter la température. Cela modifie alors la tension à ses bornes mais à température ambiante nous n’avons pas 0V. Pour bien avoir 0V a température ambiante il nous faut mettre la sonde en parallèle avec une résistance. Le plus simple étant de mettre un potentiomètre afin de créer un pont de Wheastone. Ainsi on peut régler la tension Vab à 0V pour être en accord avec le cahier des charges. Une fois ces réglages effectués, on obtient une variation de tension allant de pair avec celle de la température. Mais il faut encore l’amplifier Pour ce qui est de la mesure du champ magnétique nous utilisons un UGN3503U. Il utilise le même principe que le capteur de température, la tension augmente quand nous approchons un aimant. De même nous réglons le potentiomètre de manière a ce que Vab soit à 0V quand l’aimant n’est pas à proximité. Ce signal aussi est faible est nécessite une amplification. b. Multiplexeur Page 6 sur 20 Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 Le multiplexeur permet de laisser passer Va et Vb des deux différents capteurs, associé à une porte NON il nous permet de choisir le capteur selon la mesure nous voulons effectuer sans que l’autre n’interagisse et qu’il soit relié a son potentiomètre. c. Amplification du signal Pour amplifier Vab sortant du pont de Wheastone il nous faut utiliser 3 amplificateurs opérationnels. Pour cela nous prendrons un TL084 Les amplificateurs opérationnels reliés à Va et Vb sont branchés comme des suiveurs. Ils permettent de brancher n’importe quel circuit après eux sans influencer ceux qui se trouvent avant. La tension et l’intensité d’entrée sont les mêmes que ceux de sortie. Le dernier nous permet d’avoir un gain de 100 qui amplifie comme nous le désirons le signal Vab. Ainsi Vs devrait varier entre 0V et5V 2. Quantification et Conversion analogique-numérique a. Réalisation d’un CAN Maintenant que le signal varie entre 0V et 5V selon l’intensité de la grandeur mesurée il faut afficher ces changements d’intensité. Nous utilisons pour cela un afficheur 7 segments qui affichera 0, 1, 2, 3, 4. Mais avant cela il faut que le signal soit classé selon différentes valeur pour permettre un affichage correct. Nous devons donc le faire passer par un CAN avant qu’il n’arrive à l’afficheur Page 7 sur 20 Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 Principe de fonctionnement du CAN : 1 : On utilise 5 résistances de 10KΩ en série. Le courant qui y passe est donc différent à chaque résistance. Cela nous permet d’avoir un échelon de tension avec 5 valeurs différentes comme nous en avons besoin. 2 : On utilise encore une fois des amplificateurs opérationnels mais cette fois en tant que comparateurs. Les sorties A, B, C et D assureront grâce à des diodes « si » le passage du courant pour certaines valeurs seulement. 3. Transcodage et Affichage a. Table de vérité des sorties du transcodeur Pour un affichage logique, c'est-à-dire 0, 1, 2, 3, 4, il nous a fallu remplir la table de vérité liée à l’afficheur 7 segments et aux sorties du transcodeur. Ainsi nous déterminons lesquels sont ouverts pour telle ou telle valeur de Ve. Page 8 sur 20 Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 b. Transcodeur Nous allons utiliser un réseau de porte NAND pour créer notre transcodeur. Ainsi en fonction de Ve l’affichage variera comme voulu. Il nous permet à partir des 4 sorties du CAN d’obtenir 4 sorties à 5V pour l’affichage. Nous n’en n’avons besoin que de 4 car a=d , la branche g dépend directement de la diode C et la branche b de l’afficheur est toujours égale à 1, c’est à dire toujours allumée pour afficher les chiffres que nous désirons. Page 9 sur 20 Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 c. Affichage Pour afficher les changements de tensions liés aux capteurs nous utilisons un afficheur 7 segments. Chacune des 7 pattes est relié à notre transcodeur (sauf pour la b et g). Ainsi, grâce aux différentes sorties du transcodeur, on peut afficher des chiffres. Page 10 sur 20 Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 III. Dossier de test 1. Conditionnement des Signaux issus des Capteurs a. Mesure de température et de champ magnétique Pour commencer nous nous sommes intéressés seulement au capteur de température et avons réalisé ce schéma : Nous lui avons appliqué 20V en sinusoïdale et observé ses variations par rapport à Ve grâce à l’oscilloscope : A température ambiante le capteur claque avant les 20 volts il nous faut donc lui appliquer une tension inférieure à cette tension de claquage. Nous avons donc pris une tension de 5v et avons alors relevé les mesures suivantes Vz = 2.95V à température ambiante. Vz = 3.03V à température maximale. Sa sensibilité est de 20 mV/C° Page 11 sur 20 Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 Pour obtenir une tension maximale simple à calculer lors du chauffage nous avons réglé Vab à 0v grâce au pont de Wheaston : la tension maximale Vab après chauffage est de : Vab = 55mV. Pour le capteur de champ magnétique nous n’avons pas eu besoin de placer de résistance avant le UGN3503U. En l’alimentant en 5v sans potentiomètre nous avons Va=2.55V En approchant l’aimant du coté - nous avons 1,5V et du coté + 4,5 ce qui prouve que la variation est linéaire. Sa sensibilité étant de 1.30mV/G on peut dire que l’aimant produit un champ d’environ 1G. Après avoir branché le potentiomètre et l’avoir calibré pour obtenir Vab=0 la variation n’était plus que de 55mV. Pour obtenir un signal maximal de 5V comme on le veut, on va donc amplifier le signal comme expliqué en c. Pour vérifier si les capteurs marchent il suffit d’utiliser un voltmètre et d’observer les variations de Vab en approchant l’aimant ou en le chauffant. b. Multiplexeur Page 12 sur 20 Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 Nous utilisons un ensemble de commutateur logique pour permettre de faire passer Va et Vb du capteur à effet hall et de la sonde de température vers l’A.O mais le problème de son montage est qu’il nécessite une commande pour laquelle nous avons dû installer un MM7CH04N. En fonction du courant appliqué en commande la chaîne de mesure sera une chaîne de mesure de la température (Vcommande=5V) ou de champ magnétique (Vcommande=0V). Pour vérifier si le multiplexeur marche on peut utiliser un oscilloscope. On prend y1 pour Vab au niveau du pont de Wheastone étudié et Y2 pour Vab à la sortie. On teste si la commande marche en essayant ce test sur les 2 capteurs. c. Amplification du signal Nous utilisons des suiveurs avant l’amplification pour que l’intensité de sortie n’interragisse pas avec celle d’entrée Pour obtenir un gain de 100 nous avons dû jouer sur la valeur des 4 résistances. Nous devions aussi avoir R2*R3 = R1*R4 alors nous avons choisi R1=R2 =1kΩ et R3=R4= 100kΩ. Pour tester cette partie du montage on vérifie à la sortie Ve avec un voltmètre que la tension varie entre 0Vet 5V 2. quantification et conversion analogique-numérique a. Réalisation d’un CAN Avant de le brancher avec le reste du circuit nous l’avons d’abord testé avec une tension d’entrée variable et une tension d’alimentation de l’A.0 de ±5V et de 10KΩ pour les résistances. Page 13 sur 20 Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 Nous en avons mesuré puis déduit la valeur des tensions Ua, Ub, Uc et Ud en fonction de Vcc : Ua = 4.024 V Ub = 3.017 V Uc = 2.012 V Ud = 1.007 V Ua = 4/5 Vcc Ub = 3/5 Vcc Uc = 2/5 Vcc Ud = 1/5 Vcc Nous en déduisons donc que le pas est de 1 Volt. Pour vérifier cette partie du montage on applique une tension de 5 volt en entrée des résistances et on mesure au voltmètre quelle est la valeur de la tension au niveau de chacune des résistances Nous avons ensuite réalisé le convertisseur en câblant les 4 comparateurs en employant un TL084 : Il a fallu enfin compléter le tableau des sorties en fonction du courant entrant : Page 14 sur 20 Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 Etat de la sortie des comparateurs Ve A B C D 0 < Ve < Vcc/5 0 0 0 0 Vcc/5 < Ve < 2Vcc/5 0 0 0 1 2Vcc/5 < Ve < 3Vcc/5 0 0 1 1 3Vcc/5 < Ve < 4Vcc/5 0 1 1 1 4Vcc/5 < Ve < Vcc 1 1 1 1 Pour vérifier que les portes logiques marchent on applique une tension variable entre 0V et 5V en Ve, puis avec le voltmètre on teste les sorties des portes. Si on trouve 5V elles sont ouvertes mais si il y a 0V alors elles sont fermées. On teste volt par volt toutes les portes. 3. Transcodage et affichage a. Transcodeur Le logiciel Multisim nous a permis d’obtenir un schéma des portes que nous avions besoin d’utiliser. Mais il est plus pratique d’utiliser le schéma donné dans l’énoncé : Nous pouvons obtenir ce schéma grâce à la table de vérité et aux expressions booléennes. Nous avons simplifié les expressions booléennes des sorties S1, S2, S3, S4 . Cela donne S1 = A + D’ S2 = C.B’ + D’ Page 15 sur 20 Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 S3 = C.A’ + D’ S4 = C’ + B Les sorties étant ajustées en fonction de l’affichage voyons comment s’effectue le passage de l’un à l’autre b. Affichage Comme nous devons avoir 20mA au niveau des pattes de l’afficheur nous avons placé des résistances 175Ω devant ces dernières. U=R.I alors (5-1.5)/0.02=R donc R=174Ω. La tension seuil est de 1,5V(si on applique directement le 5V sur les pattes, le rouge de l’afficheur tire vers le jaune) Les sorties du transcodeur doivent être reliées selon le modèle suivant : S1 → f S2 → e S3 → d et a S4 → c La patte b étant toujours allumée pour réaliser les chiffres 0, 1, 2, 3, ou 4, il faut la relier à une alimentation de 5V continu. De plus, la patte g doit être reliée directement à la sortie C du CAN sans passer par le transcodeur(mais sans oublier la résistance). Page 16 sur 20 Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 Pour vérifier rapidement que tout ceci fonctionne, il suffit de déconnecter le circuit avec la sonde de celui avec l’amplification afin de faire arriver une tension que l’on fait varier de 0V à 5V pour visualiser les chiffres qui s’affichent. Pour une vérification plus précise on applique 0V à toutes les portes et donc le 0 doit s’afficher. Puis on applique 5V en D et le 1 doit s’afficher, ensuite 5V en D et C et 2 doit s’afficher… Si le probléme persiste on teste si les différentes parties de l’afficheur marchent en plaçant du 5V sur les résistances et on voit si le segment correspondant à la patte s’allume. Page 17 sur 20 Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 IV. Estimation du coût de production Voici les prix que nous avons relevés afin d’obtenir une estimation du coût de production de la chaîne de mesures de températures et de champs magnétique. Résistances (*16) : 0.10 €/pièce Tl084 (*2) : 0.78 €/pièce Capteur de température LM335 (*1): 1.78 €/pièce Afficheur 7 segments (*1): 1.5 €/pièce Potentiomètre (*2 ) : 0.3 €/pièce Diodes (*4) : 0.2 €/pièce Circuits logiques NAND (*2) : 1.2 €/pièce Capteur de champ magnétique UGN3503U(*1) :3.16€/pièce 1 multiplexeur 4066BT(*1) :0.71€/pièce commande MM74HC04N(*1) : 0.34€/pièce Nous obtenons un total de 14.45 € pour l’ensemble du montage. Bien sûr un achat de plusieurs composants en une seule commande fait baisser le prix unitaire mais seulement de quelques centimes. La qualité des composants influe aussi sur le prix (cela se voit pour les résistances ou le prix varie de plusieurs €) Source : http://www.radiospares.fr/ Page 18 sur 20 Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 V. Perspective d’amélioration Ce montage n’indique pas vraiment la température. Il indique seulement la variation de température en affichant 0, 1, 2, 3 ou 4. Il n’affiche ni moins de 0 ni plus de 4 donc si la température augmente avantage, ou si elle chute en dessous de la température ambiante pour laquelle nous avons réglé Vab à 0 nous ne le verrons pas sur l’affichage car il restera bloqué à 4 ou à 0. Il serait intéressant de réaliser une chaîne de mesures qui indiquerait la température réelle ou au moins plus de 5 valeurs différentes. Sinon au niveau du matériel utilisé il faudrait essayer d’en tirer un meilleur parti. Par exemple la commande du multiplexeur demande un MM74HC04N entier alors que nous n’utilisons que 2 pattes, un A.O du premier TL084 n’est pas utilisé … Il faudrait aussi essayer de réduire l’encombrement sans trop augmenter le coût. Pour une fonction basique il prend beaucoup de place. Page 19 sur 20 Couque Matthieu Pougnet Ludovic L1 Groupe C Projet Electronique n°1 Conclusion Dans ce projet nous avons appris à manipuler diverses composants électronique. Il nous a aussi permis de travailler en binôme, il a fallu entre les différents TP nous retrouver pour finir les montages qui n’étaient pas terminés à la fin du TP 3. Lors de ces temps supplémentaires nous avons pu comprendre vraiment comment fonctionnait la chaîne de mesures et quelle était l’utilité des différentes parties. Ce fut bien plus qu’un simple montage à partir duquel nous prenions des mesures. Le fait que les séances ne soient pas encadrées a sûrement engendré une utilisation de plus de composants que les autres années. Ne sachant pas toujours d’où venait le problème nous avions tendance à penser que c’était un composant qui ne marchait pas. Mais finalement nous avons appris grâce à l’entraide entre les différents binômes qui s’est formée pendant ces séances libres à repérer d’où venaient les pannes. Nous avons réussi un montage qui marchait parfaitement jusqu’au multiplexeur mais un problème au niveau des potentiomètres est survenu que nous ne sommes pas arrivés à solutionner. Ceci dit le capteur de températures marche parfaitement et le capteur de champ magnétique à peu prés. Page 20 sur 20
