MACHINE A AFFRANCHIR

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1 Ministère de l Education Nationale, de la Recherche et de la Technologie Académies de Créteil, Paris, Versailles La Maison des Examens Service Inter académique des Examens et Concours BAC STI GENIE ELECTRONIQUE SESSION 2002 Dossier de présentation Du thème inter-académique MACHINE A AFFRANCHIR EPREUVE DE CONSTRUCTION ELECTRONIQUE 1

2 SOMMAIRE Chap. I : Description du projet Documentation constructeur Présentation générale de la machine Organisation chronologique de l'étude Organisation élèves Documents d'analyse fonctionnelle Chap. II : Ce que vous avez à faire En électronique : Les pré-requis A faire tout de suite Le matériel spécifique à prévoir Bon de commande des cartes électroniques En physique appliquée : Les pré-requis A faire par le professeur Le matériel spécifique à prévoir En construction mécanique : Les pré-requis Le matériel spécifique à prévoir 2

3 DOCUMENTATION CONSTRUCTEUR 3

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5 CHAPITRE I Description du projet de baccalauréat génie électronique 2002 La machine à affranchir minipost SECAP Type NP Le support du bac 2002 est une machine à affranchir type NP modèle minipost fabriquée par la société SECAP industrie qui a son siège à Saint Denis. Dans les entreprises qui ont beaucoup de courrier à affranchir, on n utilise pas des timbres classiques pour une raison évidente de coût et de temps (pas de timbres à coller, facturation au centime près, etc ) mais des machines à affranchir qui sont plus ou moins grosses et performantes suivant la taille de l entreprise ou de l administration qui les utilise. Ces machines sont fabriquées et louées par des entreprises (dont la SECAP) qui sont agrées par La Poste. Ces machines sont scellées. Les utilisateurs relèvent la valeur sur le compteur permanent et la transmettent à La Poste pour que celle-ci leur adresse une facture correspondant à la valeur réelle imprimée sur les enveloppes. A tout moment La Poste peut venir faire un relevé et constater la véracité du chiffre envoyé. Il est bien entendu que cette machine étant une véritable "planche à billets", elle est équipée d'un nombre important de sécurités que nous ne pouvons pas, bien évidemment, toutes révéler. Présentation Cette machine (qui fait partie des plus petites fabriquées par la SECAP) peut affranchir jusqu à 3500 lettres par heure, d une épaisseur maximale de 8 mm pour un niveau sonore de 66 dba. La SECAP fournit la machine et la loue à l entreprise qui paie ses affranchissements à La Poste. Il y a deux compteurs, un compteur dit journalier qui peut être remis à 0 et un compteur permanent que La Poste peut contrôler à tout moment et qui ne peut en aucune cas être modifié. Pour l utilisateur le fonctionnement est très simple. Il doit tourner une clé pour mettre sous tension la machine. Il peut remettre à 0 son compteur journalier par un bouton RAZ. Ensuite en actionnant le curseur rouge vers la droite, en position pose des valeurs, il peut grâce aux roues codeuses choisir le prix d affranchissement. La roue de poids fort (franc ou euro) est repérée par des rayures blanches. Le prix de l affranchissement étant fait, il faut activer le curseur sur la gauche, position affranchissement, et ainsi peut démarrer l affranchissement des enveloppes. Les compteurs, journalier et total, sont incrémentés de la valeur choisie. Le nombre de plis peut être lu en remettant le curseur vers la droite. L'affranchissement se fait par rotation d'un tambour d'impression, en contact avec un rouleau encreur, qui vient imprégner d'encre l'enveloppe à affranchir. Cette impression peut être constituée de la valeur du timbre seule ou de la valeur et d'un logo dessiné, qu'on appelle la flamme. Le cycle d affranchissement comporte deux phases. Le déclenchement du cycle et le comptage se font sur un tiers de tour. Si la machine ne détecte aucune anomalie alors la deuxième phase peut se produire (affranchissement proprement dit) ; Cette phase dure les deux tiers du tour. Si une coupure de l alimentation se produit lors de la première phase, le 5

6 mécanisme s arrête sur son cran de sécurité avant que l affranchissement ne commence. Dans ce cas la valeur du timbre n est pas transférée dans le compteur général. Il faut alors couper la machine part l intermédiaire de la clé et on remet manuellement le mécanisme d impression en position initiale. A la remise en marche la machine est prête à fonctionner. Lorsque la coupure apparaît lors de la deuxième phase, il faut terminer l affranchissement manuellement en tournant le mécanisme d impression jusqu à la position de départ. Quelques précisions techniques. Cette machine à affranchir doit pouvoir garantir à coup sûr l affranchissement. En effet La Poste qui relèvera le compteur facturera exactement le prix indiqué sur la machine aussi à chaque pli doit correspondre exactement le prix indiqué. Pour cela la machine possède plusieurs sécurités. Outre les sécurités classiques sur les coupures de tension temporaires ou de baisse de tension, cette machine a des sécurités plus spécifiques qui sont, entre autres, les suivantes : Toutes les opérations financières sont sauvegardées dans deux mémoires RAM à pile (durée de vie 10 ans ) pour pouvoir garantir une double mémorisation. Si la température intérieure de la machine dépasse une valeur limite, il y a blocage de toutes les fonctions. Lors de chaque affranchissement, le prix indiqué sur chaque roue codeuse est comparé à celui qui sera imprimé. Pour cela la SECAP a mis au point un système original. Chaque roue codeuse est liée mécaniquement par une tige qui a une forme particulière. La position de ces quatre tiges est lue par 5 capteurs à effet Hall qui viennent comparer le chiffre de la roue avec celui qui doit être imprimé. Ce système prévient tout défaut ou tout risque de fraude en liant la partie électronique et la partie mécanique. Cette partie ne sera pas reproduite sur le banc de test mais une évaluation en Physique appliquée rappellera le principe utilisé par l effet Hall. L'évolution de la machine à affranchir Dans le cadre de notre projet de Baccalauréat, nous avons fait évoluer la machine dans quatre directions: Dès janvier 2002, les affranchissements seront en Euro. Il fallait bien évidemment en tenir compte L'affichage des machines minipost est à afficheurs 7 segments ou à cristaux liquides. Celles que nous recevrons dans les lycées sont équipées d'afficheurs 7 segments. Nous la ferons évoluer avec un afficheur à cristaux liquides. Nous développerons la détection d'enveloppes déportée sur l'extérieur de la machine de manière à permettre l'automatisation de la chaîne de la mise sous plis. Nous utiliserons des mémoires RAM couplées à des mémoires EEPROM qui étaient limitées, il y a quelques années, en cycles lecture/écriture plutôt que les RAM à piles qui sont utilisées dans la machine industrielle. 6

7 Organisation chronologique de l'étude : L'étude du projet se décomposera en trois phases successives : Démonstration du fonctionnement de la machine à affranchir Chaque section recevra une machine en état de fonctionnement. Cette machine permettra d'illustrer l'étude fonctionnelle du projet. Mise au point et étude des cartes électroniques Carte "sécurité", conçue et réalisée par les élèves Cartes étudiées par groupes de 4 élèves Banc de mise au point Les élèves par équipes de 4, mettront au point et étudieront les cartes électroniques associées aux différentes fonctions principales de la machine à affranchir. Les parties opératives et les actionneurs de la machine sont remplacés par un banc de mise au point. Synthèse et validation de l'ensemble Chaque élève valide sont projet en pilotant la machine à l'aide de ses cartes. Des modifications ont été apportées à la machine pour que celle-ci soit aisément connectable aux cartes électroniques par la même nappe de fils que celle utilisée pour connecter le banc de mise au point. En fin de projet, le banc de test est remplacé par la machine à affranchir 7

8 Organisation élèves 1/ En Electronique Il est prévu pour une classe de 24 élèves : - 6 ensembles dénommé "Etude des fonctionnalités de la machine", - 1 machine à affranchir et une carte "Connectique machine" Chaque ensemble "Etude des fonctionnalités de la machine" s'adresse à un groupe de 4 élèves et est constitué de: - une Carte "Afficheur LCD & Roues codeuses" - une Carte "Détection d'enveloppes" - une Carte "Mémorisation" - une Carte "Commande du moteur d'entraînement" - une Carte "Banc de test des cartes électroniques" - et une Carte "Sécurité embrayage" N.B.: La Carte "Température" sera étudiée en Physique Appliquée. La carte "Sécurité embrayage" est une "carte élève" qui fera l'objet d'une évaluation (recherche des schéma et typon). Elle sera donc à fabriquer au sein de chaque établissement. 8

9 Tableau récapitulatif: Objet Carte "Afficheur LCD & Roues Codeuses" Carte "Détection d enveloppes" Carte "Mémorisation" Carte "Commande du moteur d entraînement" Carte "Banc de test des cartes électroniques" Carte "Connectique machine" Nombre total par section de 24 élèves x 6 x 6 x 6 x 6 x 6 x 1 2/ En Physique Appliquée Pour l'enseignement de Physique Appliquée, le nombre de cartes nécessaire, pour une classe de 24 élèves, s'établit comme suit : Objet Carte1 Carte "Source de courant" Carte2 Carte3 Nombre total par section de 24 élèves x 6 x 6 x 6 x 6 9

10 DIAGRAMME SAGITTAL DU SYSTEME D'AFFRANCHISSEMENT EN NOMBRE Mission Technicien de maintenance et contrôle Fabricant et concepteur de la machine Balance postale Opérations de maintenance Informations Lettres à peser Mise sous plis Lettres à affranchir Enveloppes Dépose des lettres à affranchir Machine à affranchir Actions manuelles pour l affranchissement Utilisateur Lettres affranchies Informations sur les sommes dues Informations visuelles Lettres à acheminer Contrôle Déclaration des sommes affranchies et paiement La Poste Cahier des charges Location Lettres à distribuer Feuilles à mettre sous plis Facturation 10

11 ELEMENTS DU DIAGRAMME SAGITTAL Machine à affranchir : c est l objet technique au centre du système qui permet l affranchissement en nombre par le dépôt d encre sur les enveloppes. Elle remplace le timbre permettant un gain de temps et d argent (ajustement au plus près de la somme à imprimer). L utilisateur appose par l intermédiaire de roues codeuses une valeur qui va être imprimée sur l enveloppe. La machine garde en mémoire la valeur totale qui servira à l établissement de la facture. Utilisateur : il loue la machine au fabricant, approvisionne la machine en lettres à affranchir et récupère des lettres affranchies en fonction de la valeur qu il a lui-même entrée. Il relève, régulièrement, la valeur affichée et la transmet à La Poste pour que celle-ci puisse établir la facture correspondante. La Poste : elle établit un cahier des charges au fabricant, distribue le courrier, facture ses services à l utilisateur. Elle vérifie l'exactitude des montants sur la machine une à deux fois par an et en cas de doutes elle mandate le fabricant pour qu'il vérifie de manière scientifique le montant réel. Mise sous plis : elle est du ressort de l utilisateur, elle peut être manuelle ou automatique dans le cas d un nombre élevé d envois. Balance postale : elle permet de déterminer avec précision le prix à imprimer, elle peut aussi servir à des fins statistiques. Technicien de maintenance et contrôle : personne employée par le fabricant, met en service la machine, assure la maintenance et peut être mandaté, après requête de la part de La Poste, pour contrôler la bonne utilisation de la machine. Fabricant et concepteur de la machine : fabrique la machine en fonction du cahier des charges de La Poste, démarche les entreprises pour louer ces machines et assure le bon fonctionnement de celles-ci. 11

12 Fonction d'usage : L'objet technique, machine à affranchir Minipost, est une des machines d'affranchissement utilisées principalement dans les administrations ou les entreprises pour l'affranchissement en nombre des différents courriers qu'elles souhaitent expédier. Après détection de la présence d'un pli, l'objet technique, qui gère les différentes opérations de l'affranchissement, - procède au contrôle des paramètres de fonctionnement (température machine, état de marche, ), - fait l'acquisition du prix fixé manuellement par l'utilisateur (défini en fonction du poids du pli préalablement déterminé par pesage), - le sauvegarde, et le traite dans le but d'actualiser les données présentes dans la machine, lorsqu'aucune anomalie n'a été détectée. Il autorise ensuite la mise en rotation du tambour d'impression (associé à de petites roues sur les lesquelles figurent les chiffres correspondants au montant de l'affranchissement ainsi que la date d'affranchissement) et indique, à l'attention de l'utilisateur et/ou de l'agent de contrôle de la Poste, - le montant ou le nombre de plis journaliers réalisé (selon le mode d'affichage choisi), - et le montant total de tous les affranchissements effectués depuis la mise en service de la machine. N.B.: A noter que, les données sauvegardées au sein de la machine sont accessibles au seul Technicien de Maintenance, qui, en s'y connectant, sera en mesure de lire et de vérifier ces informations. 12

13 Schéma fonctionnel de niveau 2 : Lettres à affranchir Détection présence pli Mise en rotation du tambour d impression Lettres affranchies Contrôle des paramètres de fonctionnement Température machine Validation affranchissement Signal commande moteur Gestion et traitement des opérations d affranchissement Prix / Plis journalier et prix total Affichage Prix / Plis Prix / Plis journalier Prix total Prix Prix / Plis journaliers et totaux Mise en place du prix de l affranchissement Sauvegarde des données d affranchissement Contact clé RAZ compteur journalier Choix Prix/Plis Saisie du prix Opérations de vérification 13

14 Schéma fonctionnel du 1er degré de la machine à affranchir : Informations visuelles Actions de l'utilisateur Enveloppe à affranchir Secteur 220V eff 50Hz Alimentation F.A. Affichage F.P.9 b0roco à b3roco Acquisition du prix à affranchir F.P.8 Actions de l'utilisateur 18V 2A 12V 5V Acquisition des consignes de fonctionnement F.P.6 Clé RAZ Sélect RS_AFF E_AFF D0 à D7 Gestion et contrôle Sel_Rg CS_Cts CS_Euro Valid_Mot Entraînement de l'enveloppe à affranchir F.P.4 Enveloppe à affranchir Enveloppe non affranchie Présence d'une enveloppe Détection d'enveloppe F.P.2 V_Détect CE_Ram1 CE_Ram2 SK Di F.P.1 Mémorisation F.P.3 Do Embray Tempé Synchro Surveillance de la température de la machine F.P.7 Entraînement du tambour d'impression F.P.5 Température interne de la machine Enveloppe affranchie Machine à affranchir 14

15 Rôle des fonctions principales de la machine à affranchir : F.A. : "Alimentation" : Le rôle de cette fonction est de fournir des tensions continues de 18V, 12V et 5V pour l'alimentation des fonctions F.P.1 à F.P.9. Pour pouvoir entraîner le moteur de la machine à affranchir, l'alimentation de 18V doit pouvoir fournir un courant d'au moins 2 A. F.P.1 : "Gestion et contrôle" : Le rôle de cette fonction est d'assurer le séquencement du fonctionnement de la machine à affranchir à partir des informations reçues. Cette fonctions réalise aussi les calculs du nombre de plis et des sommes affranchies tout en assurant un contrôle destiné à éviter les tentatives de fraude. F.P.2 : "Détection d'enveloppe" : Cette fonction fournit à F.P.1: " Gestion et contrôle", une information binaire représentative de la présence physique d'une enveloppe à l'entrée de la machine à affranchir. Cette détection d'enveloppe reste insensible à la lumière ambiante de la pièce dans laquelle se trouve la machine à affranchir. F.P.3 : "Mémorisation" : Cette fonction mémorise de façon non volatile les valeurs liées au nombre de plis affranchis et aux sommes affranchies en Euro. Pour des raisons de sécurité la mémorisation est effectuée de façon identique dans deux composants distincts. En cas de suspicion de fraude, les valeurs mémorisées peuvent être lues par une personne habilitée, après levée du scellé et ouverture de la machine. F.P.4 : "Entraînement de l'enveloppe à affranchir" : Cette fonction permet la mise en mouvement de l'enveloppe détectée. Elle assure de plus une surveillance et une limitation du courant dans le moteur en cas de bourrage d'une enveloppe. F.P.5 : "Entraînement du tambour d'impression" : Durant la phase d'acquisition du prix à affranchir, cette fonction assure l'entraînement du tambour d'impression et elle délivre un signal de synchronisation permettant l'acquisition de chaque chiffre du prix à affranchir à des instants correspondant à des positions particulière du tambour. ( La phase d'acquisition du prix commence dès la détection d'une enveloppe et correspond à une rotation d'un tiers de tour du tambour d'impression). Après une vérification de sécurité effectuée par F.P.1, la fonction F.P.5 assure l'entraînement du tambour d'impression durant les deux tiers de tour restant. (Cette rotation de deux tiers de tours correspond à la phase d'impression de l'enveloppe). Si l'autorisation d'effectuer la phase d'impression n'est pas donnée à un instant très précis par F.P.1, la fonction F.P.5 assure le blocage mécanique du tambour d'impression obligeant l'utilisateur à effectuer un repositionnement manuel de celui-ci. F.P.6 : "Acquisition des consignes de fonctionnement" : Cette fonction à pour rôle de fournir trois informations binaires caractérisant la position de la clé de verrouillage, du bouton de remise à zéro et du bouton de sélection de la machine. F.P.7 : "Surveillance de la température de la machine" : Cette fonction surveille la température interne de la machine et délivre une information binaire représentative de la température par rapport à une valeur critique de fonctionnement. Un dépassement de température, verrouille le fonctionnement de la machine. En cas de suspicion de fraude, (tentative de destruction) le dépassement de température est mémorisé et peut être lu par une personne habilitée, après levée du scellé et ouverture de la machine. 15

16 F.P.8 : "Acquisition du prix à affranchir" : Le rôle de cette fonction est de fournir à F.P.1 la valeur de chaque roue codeuse en DCB. Les quatre valeurs sont transmises les une après les autres sur un bus de 4 bits (boroco à b3roco). Les signaux de sélection de la valeur à envoyer sont fournis par F.P.1 à des instants correspondant à une position très précise du tambour d'impression. F.P.9 : "Affichage" : Le rôle de cette fonction est d'afficher les différentes informations de fonctionnement ainsi que les valeurs correspondant au nombre de plis et aux sommes affranchies par la machine. ( C'est la somme totale affichée par F.P.9 qui doit être envoyée à la poste pour la facturation des valeurs affranchies par la machine ). CHAPITRE II Ce que vous avez à faire : Les pré-requis Pour le début janvier 2002, l élève devra être capable : d utiliser un outil de développement associé au 68hc11 de reconnaître l organisation d un programme d exploiter un programme en langage assembleur d utiliser un logiciel de simulation d utiliser un logiciel de routage A faire tout de suite Avant le 17/06/01 : Passer la commande des machines. (Voir bon de commande joint). Les délais de commande sont impératifs de façon à pouvoir lancer la production et les modifications sur les machines qui seront livrées. Avant le 15/09/01 : Passer la commande des cartes électroniques. (Le bon de commande concernant ces cartes vous sera adressé prochainement). Vérifier que vous disposez bien du matériel spécifique et éventuellement rendre votre outil de développement compatible avec le projet (Voir ci-dessous rubrique "matériel spécifique à prévoir"). Matériel spécifique à prévoir : Pour mener à bien le projet 2002 dans de bonnes conditions vous devez disposer du matériel suivant : 16

17 Une alimentation 18V 2A pour piloter la machine avec les cartes électroniques en fin de projet. Un programmateur de circuits logiques programmables capable de programmer des circuits de type 22V10. Un outil de développement à base de micro contrôleur 68HC11. Nous avons développé notre projet à l'aide du kit éducation développé par la société HCT. Toutefois si vous disposez déjà d'un système de développement vous devez prévoir pour chaque kit, la réalisation d'une carte d'interfaçage permettant la liaison des nappes L1 et L2 correspondant aux connecteurs JP2 et JP3 de la carte 1 (Afficheur). Le brochage de ces connecteurs de type HE10 20 broches est donné ci-dessous. BROCHAGE DES CONNECTEURS DE LA CARTE 1 JP2 HE10-20 points JP3 HE10-20 points Broche 68HC11 Broche 68HC11 1 PB0 1 PA0 2 PB1 2 PA1 3 PB2 3 PA2 4 PB3 4 PA3 5 PB4 5 PA4 6 PB5 6 PA5 7 PB6 7 PA6 8 PB7 8 PA7 9 PC0 9 PE0 10 PC1 10 PE1 11 PC2 11 PE2 12 PC3 12 PE3 13 PC PC PC PC V 19 0V 20 0V 20 0V En physique appliquée : Les pré-requis : Pour la première évaluation, l élève devra connaître l étude d un amplificateur de différence, inverseur, 17

18 amplificateur en régime non linéaire Pour la deuxième évaluation,l élève devra connaître l étude d un soustracteur amplificateur opérationnel en régime non linéaire Pour la troisième évaluation l élève devra connaître le fonctionnement d un montage astable le fonctionnement d un transistor le fonctionnement d une bascule RS A faire par le professeur : Pour la première évaluation Exposer au cours d une séance l effet Hall. Indiquer les domaines d application d un capteur à effet Hall. En utilisant une bobine longue de laboratoire relever à l aide d un teslamètre les valeurs du champ magnétique B au centre de cette bobine. Consigner les résultats dans un tableau et fournir à chaque poste la caractéristique B = f(i) pour I variant de 0,5A à 2A. Montage de la sonde : La sonde se présente sous la forme d un petit carré de 5 mm environ de côté pourvu de 4 pattes. Souder un fil électrique de 30 cm environ à l extrémité de chaque patte du composant. L autre extrémité de chaque fil est relié ensuite à une borne pouvant être connectée à la maquette d étude. Placer la sonde et les quatre fils dans un support cylindrique en PVC électrique de diamètre 32 mm. Sa longueur est telle que ce support puisse coulisser jusqu au milieu de la bobine dont vous disposez au laboratoire. Ce cylindre est fermé aux deux extrémités par des rondelles en bois ou PVC percées d un côté aux dimensions du capteur et de l autre côté aux dimensions des fils électriques. Percer sur la partie supérieure du support en son milieu un trou dont le diamètre puisse convenir au vis qui maintiendra ce support solidaire du réglet de la bobine. Pour la deuxième évaluation Présenter au cours d une séance le capteur thermique et son utilisation. On pourra indiquer les différents types de capteurs usuels. Souder un fil électrique de 30 cm environ à l extrémité de chaque patte du composant. L autre extrémité de chaque fil est relié ensuite à une borne pouvant être connectée à la maquette d étude. Le capteur sera ensuite introduit dans un tube long pouvant s immerger dans l eau. Pour la troisième évaluation Aucune préparation de matériel n est nécessaire. Matériel spécifique à prévoir Une bobine longue de valeur 1Henry avec son réglet qui permet de déplacer le noyau de fer doux. Un chauffe ballon avec son thermostat. 18

19 En construction mécanique Les pré-requis Pour le début janvier 2002, l élève devra être capable : de représenter des pièces et assemblage à l'aide d'un modeleur volumique: D.A.O. : Réaliser un arbre de construction, Réaliser une pièce par volumes élémentaires, Réaliser des formes complémentaires (raccord, chanfrein ), Assembler des pièces par contraintes géométriques, Simuler le fonctionnement d'un ensemble ou sous-ensemble mécanique. Mécanique & construction mécanique : Cinématique plane, Modélisation des assemblages mécaniques, Chaîne et organes de transmission de mouvement, Détermination de rapport de transmission par poulies et courroies crantées. Matériel spécifique à prévoir : Poste de DAO avec logiciel volumique, module d'assemblage et module d'animation (modeleur 3D de type Solid Concept, Solid Works, etc ) 19

20 BON COMMANDE Machine à affranchir "MINIPOST électronique" secap, modifiée et bridée, avec flamme publicitaire et rouleau encreur. (Nombre recommandé une machine par classe) (Nombre minimum une machine par établissement) Prix unitaire : 1500 francs TTC Le bon de commande est à établir au nom de la société : SECAP industrie 11 rue des Bretons Saint Denis Les bons de commandes devront être adressé, avant le 17 juin 2001, à Monsieur Jean-Claude Molez Chef de travaux au lycée Gustave Eiffel de Cachan 61 avenue du Président Wilson Cachan Tel: Nom du lycée : Adresse : Personne à contacter : Téléphone : 20