ballon sonde 2009 bts systèmes electroniques lycée edouard branly amiens
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Ballon sonde 2009
BTS Systèmes Electroniques
Lycée Edouard BranlyAmiens
La chaîne de vol
Ballon gonflé à l’hélium
Parachute
Réflecteur radar
Nacelle principaleParachute
Réflecteur radar
Nacelle secondaire
Mise en œuvre de la nacelle principale
• Elle extrait et retransmet la trame GPGGA du GPS (heure, fix, altitude, latitude, longitude…).
• Elle transmet les informations de pression, températures intérieure et extérieure, humidité relative et intensité lumineuse.
• L’émetteur est un modulateur FM de porteuse 139,5 MHZ. Il est fourni par le CNES et porte le nom de Kiwi. Le signal modulant est une modulation FSK où un bit 0 est codé par un signal de fréquence 900 Hz et un bit 1 par un signal de fréquence 1500 Hz. Le débit de la communication est de 600 bauds.
Etalonnage des capteurs et vérification de conformité avec la
documentation constructeur
Capteur de pression (MPX4115)
lineaire
y = 0,0044x - 0,4603
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
0 200 400 600 800 1000 1200
P en hPa
Vc
en V Série1
Linéaire (Série1)
Carte test
Capteur de pression
Capteur de pression étalon
Capteur d’hygrométrie (HIH4000)
Capteur d’humidité relative
Hygromètre étalon
Solutions salines saturées dont l’atmosphère présente un taux d’humidité connu et constant
Capteur d’intensité lumineuse (BPW21R)
I=f(E)y = 2E-06x + 0,0001
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0 5000 10000 15000 20000
E en lx
I en
mA
Série1
Linéaire (Série1)
Capteur de lumière
Source de lumière
Luxmètre étalon
Capteur de température (thermocouple type K, conditionneur AD595)
Sortie de la carte Capteur de températureVS=f(Temp)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
-60 -40 -20 0 20
Thermocouple
Carte de conditionnement
Solution «antigel» à – 28 °C
Thermomètre étalon
GPS (EM-406)
GPS
Carte test
Mise en œuvre de la nacelle secondaire
• Elle extrait et retransmet la trame GPGGA du GPS (heure, fix, altitude, latitude, longitude…).
• Elle transmet les informations de son accélération suivant 3 axes.
• Elle possède un système d’auto-largage, soit automatique à une altitude de 500 m, soit forcé par une télécommande au sol.
• Elle possède un système de prise de photos cyclique ou forcée par une télécommande au sol.
• Elle possède un émetteur sonore déclenché automatiquement à une altitude de 200 m lors de la phase descendante.
• L’émission et la réception sont effectuées par un module Xbee-pro à 2,4 GHz (modulation DSSS identique au Wi-Fi). Le débit de la communication est de 4800 bauds.
Système d’auto-largage de la nacelle secondaire
par servo-moteur
Capteur d’accélération (ADXL330)
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 40
0.5
1
1.5
2
2.5
3
CARACTERISTIQUE CAPTEUR : Vout = f(G)
Colonne B
G
Ten
sion
de
sort
ie (
Vol
t)
Capteur d’accélération 3 axes
Carte de conditionnement
Télécommande de la nacelle secondaire
Ecran de contrôle
Antenne d’émission
Emetteur 2,4 GHz
Commande départ cycle photosCommande forçage d’une photoCommande d’auto-largage de la nacelle secondaire
Bouton de validation de la commande
Choix des piles de la nacelle principale par un test de
capacitéLes contraintes sont :• Durée du vol de 3 h environ.• Température minimale de
l’atmosphère de– 70 °C.
• Consommation des cartes électroniques d’environ 300 mA.
Décharge à courant constant
à + 20°C et à – 20 °C
Décharge pile 4,5 V à 400 mA à -20 °C
-2
-1
0
1
2
3
4
5
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
Temps (s)
U (
V)
Décharge pile 4,5 V à 400 mA à 20 °C
00,5
11,5
22,5
33,5
44,5
0 5000 10000 15000 20000 25000
Temps (s)
U (
V)
Réalisé avec
LabView
La nacelle principale
Emetteur Kiwi 139,5 MHz
Antenne d’émission
Capteur de lumière
Processeur
Capteur de pression
Capteur de température
Hygromètre
Connecteur du GPS
Modulateur FSK
Blindage obligatoire contre le rayonnement de l’émetteur
Cartes électroniques nacelle principale
Appareil photos
Fils de connexion des capteurs fixés à l’extérieur de la nacelle, blindage
Piles 4,5 V
Cartes électroniques blindées
Isolation thermique pour l’électronique ainsi que pour les piles
Interrupteurs avec blindage
Nacelle principale
La nacelle secondaire
Télécommande 2,4 GHz Appareil
photos
GPS
AntennesEmetteur/récepteur
2,4 GHz
Processeur
Système d’auto-largage de la nacelle secondaire
Système sonore
Cartes électroniques nacelle secondaire
Accéléromètre
Assemblage de la nacelle secondaire
Nacelle secondaire avant fermeture
Le lâcher du ballon sonde
Vendredi 3 avril 200913 h 59
Phases de vol de la nacelle principale
Lâcher
Mesures de la pression, de la température, de l’hygrométrie et de l’intensité lumineuseMesure de la position GPS
Décompte de 10 secondes
Décrochage automatique de la nacelle secondaire à 500 m d’altitude ou sur commande depuis le sol
AtterrissageÉclatement du ballon Altitude proche de
30 km
Durée du vol : 3 heures
Phases de vol de la nacelle secondaire
Lâcher
50 secondesMesures de
l’accélération de la nacelle
Décompte de 10 secondes
Mesure de l’accélération et de la
position GPS
Décrochage automatique de la nacelle secondaire à 500 m d’altitude ou sur commande depuis le sol
10 secondesMesures de
l’accélération de la nacelle
Mesure de l’accélération et de la
position GPS
Atterrissage
Durée du vol : 3 minutes
Le suivi du ballon en temps réel
Le trajet de la nacelle secondaire
Réalisé avec
LabView
Suivi de la nacelle principale sur grand écran en salle de conférence
et sur Internet (mise en place d’un serveur web)
Réalisé avec
LabView
Affichage des mesures de la nacelle principale sur grand écran
et sur Internet
Réalisé avec
LabView
Les résultats
Altitude en fonction du temps
Point culminant : 28 800 mètres au bout de 90 minutes
Vitesse ascensionnelle de 5 m/s
Vitesse pendant la chute de l’ordre de 20 m/sAu-delà de 24000 m le
GPS n’indique plus son altitude
Évolution de l’hygrométrie
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
Altitude (m)
Ta
ux
d'h
um
idit
é (
%)
A 5000 m la température est inférieure à - 40°C :
Le capteur est en dehors de sa plage de fonctionnement
Au-delà de 5000 mètres, la mesure n’est pas significative
Évolution de la température à l’intérieur de la nacelle
-40
-30
-20
-10
0
10
20
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
Altitude (m)
Te
mp
éra
ture
du
m
icro
pro
ce
ss
eu
r (°
C)
Entre 0 et 10 km d’altitude, le ballon traverse la troposphère : la température y décroît
Au delà de 10 km d’altitude le ballon évolue dans la stratosphère : la température y est constante (environ – 60°C) puis augmente jusqu’à environ 0°C
L’isolation de la nacelle retarde la chute de la température. On peut voir l’augmentation de température en fin d’ascension.
Évolution de la pression atmosphérique
0
200
400
600
800
1000
1200
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
Altitude (m)
Pre
ssio
n (
hP
a)
La pression atmosphérique décroît exponentiellement avec l’altitude
Le capteur a atteint sa limite basse de fonctionnement
Conclusion• Le travail sous forme de projet permet d’aborder de manière
concrète des parties du programme. • Pour les élèves projet est ludique, tout en ayant un contenu
scientifique dense.• Les points forts de ce projet sont :
– Acquisition de savoirs techniques et scientifiques de niveau BTS (GPS, accéléromètres, transmissions radios etc.).
– Initiation à la conduite de projet : planification, travail en équipe.– Développement de la culture scientifique : connaissance de
l’atmosphère, principes physiques relatifs au vol d’un ballon sonde.
– Intérêt des élèves pour les sciences et les techniques, au sein de la section de BTS, mais aussi au sein du lycée.
– Communication des travaux réalisés par les élèves par le biais d’un site internet et le lâcher en début d’après midi de semaine pour toucher un maximum d’élèves.
– Communication dans la presse locale : mise en valeur du travail des élèves, des sections scientifiques et techniques et du partenariat avec Planète Sciences et le CNES.
http://btsse.branly.amiens.free.fr
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