CONCEPTION ET REALISATION D’UN OBJET ELECTRONIQUE

Application : Thermomètre à affichage

numérique De la conception à la fabrication

Département GEII de l’IUT de l’Indre

Eric PERONNIN

De nombreuses disciplines du DUT GEII en

jeu

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Gestion de

projet

Mathématiques

Electronique

Analogique

Electronique

Numérique

Informatique

Embarquée

Physique des

capteurs

Anglais

CAO

Electronique

Physique des

Capteurs

Carte

Electronique

Aspects relatifs à la Gestion de Projet De la conception à la fabrication

Département GEII de l’IUT de l’Indre

Eric PERONNIN

Cahier des charges : critères

• Critère N°1 : offrir un éclairage sur la conception et la

fabrication d’une carte électronique.

• Fête de la science.

• Séances découvertes des métiers du Génie Electrique pour

les écoles, collèges et lycées.

• Critère N°2 : faible coût de fabrication.

• Ecoliers, collégiens et lycéens repartent chacun avec un

produit fini opération entièrement financée par le

département Génie Electrique et Informatique Industrielle de

l’IUT de l’Indre.

• Réalisation réaliste dans le contexte d’une production

industrielle d’un produit grand public (pour une petite série).

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Cahier des charges : critères

• Critère N°3 : consommation réduite.

• Enjeux écologique.

• Limiter le coût de fonctionnement.

• Critère N°4 : mobilité et durée de fonctionnement.

• Autonomie minimale d’une année.

• Dispositif mobile.

• Critère N°5 : précision et plage de température.

• Plage la plus large possible et précision la plus élevé possible

compte tenu des critères précédents.

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Analyse et exploitation du cahier des charges

• On doit :

• Mesurer la température :

• Il faut un capteur de température et un système capable

d’interpréter ce qu’il fournit pour envoyer l’information à un

afficheur.

• Afficher la température :

• Avec un dispositif d’affichage à 2 ou 3 chiffres ; avec ou

sans le signe.

• Alimenter le produit par piles ou batterie pour respecter le

critère de mobilité.

6

Analyse et exploitation du cahier des charges

Synoptique du système

7

Système de

contrôle Capteur de

température

Bloc de piles ou batterie

Système de

contrôle

Conception Matérielle : orientation

informatique embarquée Thermomètre à affichage numérique

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Eric PERONNIN

Conception

• Choix permettant de limiter le coût de fabrication.

• Utilisation d’un microcontrôleur très faible coût pour jouer le

rôle du système de contrôle. • Offre pléthorique à moins de 0,50€ pièce / 1000 .

• Programmation aisée dans un langage de haut niveau.

Famille PIC16 de Microchip, leader mondial sur ce segment.

• Exploitation d’un capteur de température électronique. • Sensibilité réduite vis-à-vis des variations de la tension d’alimentation.

• 3 piles AAA :

en début de vie : 4.5v de tension

en fin de vie : 3v

• Mise en œuvre et exploitation aisée.

• Précision de +/- 1°C en faible coût (0,60€ unité / 1000).

• Plage de température de -20°C à +100°C.

• Minimisation des dimensions du circuit imprimé.

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Conception

• Choix du mode d’alimentation.

• Batteries ou piles pour la mobilité. • 3 piles AAA.

• Solutions rejetées :

• Mini panneau solaire. • Les + :

• Bilan écologique intéressant même si la production des panneaux n’est pas « propre ».

• Les - :

• Coût élevé.

• Tension de sortie fluctuante.

• Nécessité de mettre en place une électronique spécifique pour le circuit l’alimentation et

un dispositif de stockage d’énergie (super capacité ou batterie rechargeable).

• Piles boutons. • Les + :

• Encombrement limité.

• Les - :

• Coût plus élevé que les piles AAA (pour leur remplacement par l’utilisateur final).

- Faible capacité de stockage énergétique Autonomie moindre.

10

Conception

• Solutions limitant la consommation.

• Choix d’un afficheur à cristaux liquides.

• Consommation 10000 fois inférieure aux afficheurs à diodes

électroluminescentes au prix d’une plus grande complexité de

mise en œuvre.

• Peu de modèles disponibles pour des prototypes. • Un thermomètre de grande série utilisera un afficheur développé spécifiquement.

• Température de fonctionnement : 0 à 50°C.

1 seule référence disponible à faible coût (< 1€ pièce / 100) chez

les fournisseurs usuels (Digikey, Farnell, RS composants).

• Exploitation des modes de mise en veille des composants.

• La température évolue lentement 1 lecture toutes les 5s suffit

largement.

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Conception détaillée du produit final

• Choix des composants.

• Un afficheur LCD 2.5 digits utilisé en 2 digits

15 informations nécessaires à son pilotage.

• Un capteur de température numérique

3 signaux de communication.

• Un microcontrôleur capable de piloter 18 entrées/sorties

minimum

Modèle ne nécessitant aucun composant supplémentaire

pour fonctionner (horloge intégré).

• Un bloc d’alimentation à base de 3 piles AAA.

Note : l’afficheur LCD souffre d’un contraste défaillant sous 3v

Obligation de prendre 3 piles (2 piles = 3v).

12

Conception détaillée du produit final

• Elaboration du schéma avec un outil de CAO électronique.

13

Conception détaillée du produit final

• Dessin des composants avec l’outil de CAO électronique

empreintes physiques.

• Exemple avec l’afficheur LCD.

14

U3

Af f icheur LCD 2.5 DIGITS

1B

C1

3F

2

3G

3

3E

4

3D

5

3C

6

3B

7

3A

82C

92B

10

2E

14

CO

M16

2D

15

2G

13

2F

12

2A

11

Symbole sur le schéma

Empreinte physique en vue de

dessus sur le circuit imprimé

Composant réel

Conception détaillée du produit final

• Dessin du circuit imprimé avec l’outil de CAO correspondant.

• Importation du schéma.

15

Conception détaillée du produit final

• Dessin du circuit imprimé.

• Placement des composants.

16

Conception détaillée du produit final

• Dessin du circuit imprimé.

• Tracé des pistes électriques sur les couches de cuivre.

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Fabrication Thermomètre à affichage numérique.

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Réalisation : fabrication du PCB1

• Transmission des fichiers du dessin du circuit imprimé à un

fabricant (1€ le circuit imprimé pour 250 pièces produites).

• Réception du produit fini.

19 1 : PCB = Printed Circuit Board = Circuit Imprimé

Travail de soudure. Placer le composant.

20

Le composant. Le circuit imprimé.

1

Nettoyer la panne du fer

à souder.

Chauffer la broche du

composant et la pastille

du circuit imprimé.

2

3

La panne du

fer à souder.

La broche du

composant.

Travail de soudure. Apporter du fil d’étain

progressivement.

Lorsqu’il y a assez

d’étain, enlever-le.

Puis enlever le fer à

souder

la soudure est

terminée.

21

4

Le fil d’étain.

Le fil d’étain devient liquide

quand sa température

atteint 232°C !

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6

Développement Logiciel Thermomètre à affichage numérique.

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Introduction

• Développement logiciel ?

• Sans logiciel, le microcontrôleur ne fait rien.

• Microcontrôleur = un ordinateur complet dans un unique circuit intégré et utilisé en informatique embarquée.

il faut le programmer !

• Comment ?

• Avec des outils de développement semblables à ceux employés pour créer des applications sur un PC.

langage de référence : le C.

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Organigramme du programme

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Phase d’initialisation

Mise à jour du compteur

de cycle pour actualiser la

température T

Mise à

jour T

?

NON

Actualisation de l’affichage

Mise en veille pour une

durée de 8.2ms

OUI

Réveil du capteur de température

Lecture de la température

Mise en veille du capteur

Mise à 0 du compteur de cycle

Environnement de développement

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Programmation dans la carte

Programmation et mise au point

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Modèle Powerpoint utilisé par les présentations Intel