LES SCIENCES DE L INGENIEUR

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1 LES SCIENCES DE L INGENIEUR Support : Destructeur d aiguilles Thème : ÉTUDE DE LA FONCTION «Détection de l embase d aiguille» Première Terminale OBJECTIF DE LA SEANCE : Mesurer les signaux en divers points de la chaîne d acquisition, Décrire et représenter l évolution du signal le long de la chaîne. MISE EN SITUATION Pré requis Savoir utiliser les appareils de mesure. CENTRES D INTÉRÊTS Analyse fonctionnelle Analyser le besoin Analyser le produit Alimenter Distribuer Durée Convertir 3 heures L énergie Transmettre, Adapter Condition de réalisation Protéger Poste de mesures Poste de simulation Poste partie opérative Poste de recherche Matériel et/ou documentation(s) spécifique(s) Dossier technique du Destructeur d aiguilles. Maquette pédagogique «Détection d une embase d aiguille. L information Un produit pluritechnique Acquérir Traiter Communiquer Représenter Schématiser Projet Pluritechnique Encadré

2 I. Présentation. Le destructeur d aiguille SPAD est un système commandé à l aide d un microcontrôleur, ce composant gère les flux de données entrants et sortants de la chaîne d information. Il génère aussi des ordres vers la chaîne d énergie dans le but de constituer une chaîne d action. Ainsi l'ordre de translation de l'effecteur émis par le microcontrôleur dépend de la détection d'une embase, la suite de l activité pratique veut répondre au problème technique suivant : Comment détecter la présence d une embase et rendre exploitable cette information par le microcontrôleur? Pour résoudre ce problème technique vous serez amenés à : Justifier un choix de capteur. Identifier la nature de l information délivrée par le capteur. Mesurer les signaux en divers points de la chaîne d acquisition. Décrire et représenter l évolution du signal le long de la chaîne. II. Le destructeur d aiguille SPAD. 2.1 Approche globale du système. 2.2 Domaine d étude : La chaîne d information. ACQUERIR Capteurs CONVERTIR en signal exploitable TRAITER Microcontrôleur COMMUNIQUER

3 III. Diagramme FAST de description de la chaîne d information. La chaîne d information du destructeur d aiguilles peut se décomposer selon le diagramme FAST représenté ci-dessous : Détecter la présence d embase d aiguille SAISIR un phénomène physique Détecter des valeurs max de couple GERER le processus Détecter des états thermiques limites Extraire la composante alternative Amplifier et Filtrer la composante alternative CONVERTIR en signal exploitable Détecter la valeur crête du signal Comparer avec une tension de seuil prédéfinie Adapter le signal à un niveau logique ÉMETTRE des données sensorielles Émettre un son Émettre une information lumineuse TRAITER les signaux générés

4 3.1 Étude de la Fonction Technique : détecter la présence d embase. GERER le processus SAISIR un phénomène physique Détecter la présence d embase d aiguille Le destructeur d aiguilles utilise un capteur infrarouge constitué d une diode émettrice et d une diode «réceptrice». En réalité deux diodes émettrices sont utilisées, une en tant que telle et une en tant que diode «réceptrice». Le capteur est alimenté par un signal rectangulaire créé par le microcontrôleur sur sa broche de port PB7. Vous disposez du destructeur d aiguilles SPAD en état de marche Mettre en œuvre le système. Une tige plastique simulera la présence d une embase d aiguille. Repérer physiquement sur le système le capteur permettant de détecter l embase (diode émettrice + diode réceptrice), puis repérer sur le document réponse n 1 à l aide de flèches cet emplacement. Nommer le principe de détection employé. Justifier le choix de ce type de capteur. Justifier d un point de vue industriel l utilisation de deux diodes émettrices. MESURES : on utilisera la platine d essais mise à disposition, un obstacle quelconque simulera la présence d embase. Les relevés seront dessinés sur le document réponse n 2. Régler avec le générateur de fonction un signal rectangulaire 0 5V de fréquence 15KHz, de rapport cyclique =0,5. Êtes-vous prêts? Informez le professeur, il validera votre réglage et procèdera, avec vous, à la connexion de ce signal sur l entrée PB7. On désire visualiser la composante continue et la composante alternative présentes au point test PT1 lorsqu une embase est absente. Relever à l oscilloscope en mode DC en concordance de temps les signaux présents au point test PB7 et PT1. Renseigner alors la première grille du document réponse n 2. Relever à l oscilloscope en mode AC la composante alternative présente au point test PT1. Renseigner alors la deuxième grille du document réponse n 2. Caractériser le signal obtenu au point test PT1 (fréquence, tension) lorsqu une embase est absente.

5 Observer l évolution de cette composante alternative lorsqu on présente une embase au niveau du capteur. Caractériser alors le nouveau signal. Quelle différence existe-t-il entre le mode AC et le mode DC? 3.2. Étude de la fonction technique : Convertir en signal exploitable. Extraire la composante alternative Amplifier et Filtrer la composante alternative GERER le processus CONVERTIR en signal exploitable Détecter la valeur crête du signal Comparer avec une tension de seuil prédéfinie Adapter le signal à un niveau logique L oscilloscope sera synchronisé par rapport au signal du point test PB7, le relevé des signaux sera réalisé en concordance de temps avec ce même signal. ETUDE de la Fonction Technique : extraire la composante alternative. Après lecture du diagramme FAST simplifié ci-dessus. Quelle est la composante du signal représentative de la présence de l embase? Sur le document réponse n 3 et pour les deux cas possibles : embase présente ou absente Relever à l oscilloscope le signal au point test PT2. ETUDE des Fonctions Techniques : amplifier et filtrer la composante alternative, détecter la valeur crête du signal. Sur le document réponse n 3 et pour les deux cas possibles : embase présente ou absente : Relever à l oscilloscope le signal au point test PT3. Relever à l oscilloscope le signal au point test PT4. Caractériser dans les deux cas l information délivrée en sortie du système de détection de la valeur crête (point test PT4).

6 ETUDE de la Fonction Technique : comparer avec une tension de seuil prédéfinie. Cette fonction permet de comparer les niveaux de tension présents aux points tests PT4 et PT5. PT6 sera proche de 5V si U (PT5) > U (PT4) PT6 sera proche de 0V si U (PT5) < U (PT4) Pour les deux cas possibles, compléter le tableau de synthèse situé en document réponse n 3 en effectuant les mesures suivantes : Relever au voltmètre la tension continue présente au point test PT4. Relever au voltmètre la tension continue présente au point test PT5. Relever au voltmètre la tension continue présente au point test PT6. ETUDE de la Fonction Technique : adapter le signal à un niveau logique. Le microcontrôleur reçoit l image informationnelle de la présence d aiguille sur sa broche de port PA2. Pour les deux cas possibles, compléter le tableau de synthèse situé en document réponse n 3 en effectuant la mesure suivante : Relever au voltmètre la tension continue présente au point test PA2. IV. Interprétation des relevés Extraire la composante alternative. VOFF = 2.5V VAMPL = 2.5V FREQ = 15K PT10 V4 V C50 10n C p 0 R k PT20 V Observer les deux signaux PT10 et PT20. Que remarque-t-on? Montrer en utilisant la formule du pont diviseur que l expression littérale de V PT20 en fonction de V4, C50 et C120 (R70 compte tenu de sa valeur n intervient pas) est de la forme : V PT 20 V 4 C50 C50 C120 On rappelle que l impédance d un condensateur s exprime par Justifier alors l amplitude de V PT20 par rapport à V4. Ai-je compris? X 1 jc Proposez votre solution. V PT 20 1 Modifier la structure pour obtenir un rapport. V 4 2 R71 1.8k VCC Simuler la structure ci-contre Que s est-il passé? Conclure quant à l intérêt de l ajout des composants R71, R81 et D51. C51 10n PT51 R81 150k PT21 V V VOFF = 2.5V VAMPL = 2.5V FREQ = 15K V41 C p R k D51 D1N

7 4 V- V Définir une tension de seuil. La tension de seuil est donnée par le niveau de tension du point test PT5. A partir de la simulation de la structure précédente, noter et justifier la valeur trouvée Amplifier et filtrer la composante alternative. Qu est ce qu on entend par AMPLIFIER? I2 R2 On sait qu une structure comme celle-ci C est un amplificateur inverseur. On retrouve une structure presque identique pour réaliser la fonction technique «Amplifier et Filtrer la composante alternative». Ve I1 R1 - + Vs amplifie. VOFF = 2.5V VAMPL = 1V FREQ = 10Hz 0 V4 PT2 U1A 3 + V 2 - LM358 VCC OUT 1 PT3 V Comment réagit cette structure lorsqu on lui applique un signal alternatif? La valeur de la fréquence a-t-elle une importance? R9 330 C6 10n 0 R10 22k Caractériser par une simulation le signal d entrée. Comment évolue le signal de sortie lorsque la fréquence augmente? On pourra procéder par décades (10Hz, 100Hz, 1000Hz, 10KHz, 100KHz). Conclure sur les possibilités d amplification et de filtre de la structure. 0 Justifier par le calcul l amplification de 1 lorsque la fréquence est très basse (10Hz). Dans ces conditions, le condensateur est équivalent à un circuit ouvert. Déterminer par le calcul la valeur de l amplification lorsque, la fréquence étant suffisamment élevée, le condensateur peut être considéré comme un court circuit Détecter la valeur crête du signal. Compléter la structure précédente afin d étudier la détection de la valeur crête du signal. Commenter l expérience que vous avez décidée de mettre en œuvre ainsi que son résultat.

8 V. Synthèse. La chaîne d information simplifiée de détection de l embase peut-être représentée de la façon suivante : PB7 Embase présente? ACQUERIR (Carte électronique) TRAITER (Microcontrôleur) PA2 Ordres émis à la chaîne d énergie PB7 Embase présente? Capteur IR Traiter, adapter TRAITER (Microcontrôleur) PA2 Ordres émis à la chaîne d énergie Quels types de signaux sont émis ou reçus par le microcontrôleur? Quels types de signaux sont traités par le bloc acquérir? Justifier la fonction ADAPTER du bloc acquérir. A l aide du diagramme FAST, du schéma fonctionnel de la chaîne d information et des mesures effectuées, justifier pour chaque bloc les caractéristiques d entrée/sortie.

9 DOCUMENT REPONSE N 1

10 DOCUMENT REPONSE N Étude de la Fonction Technique : détecter la présence d embase. EMBASE ABSENTE VOIE CH1 Amplification voie1 U (PB7) VOIE CH2 Amplification voie2 U (PT1) VOIE CH1 Amplification voie1 U (PT1) même signal que l écran ci dessus VOIE CH2 Amplification voie2 U (PT1)

11 DOCUMENT REPONSE N Étude de la fonction technique : Convertir en signal exploitable. EMBASE PRESENTE CH1 = U (PT2) VOIE CH1 Amplification voie1 EMBASE ABSENTE CH1 = U (PT2) VOIE CH1 Amplification voie1 VOIE CH2 Amplification voie2 VOIE CH2 Amplification voie2 CH1 = U (PT3) CH2 = U (PT4) CH1 = U (PT3) CH2 = U (PT4) VOIE CH1 Amplification voie1 VOIE CH1 Amplification voie1 VOIE CH2 Amplification voie2 VOIE CH2 Amplification voie2 EMBASE PRESENTE U (PT4) U (PT5) U (PT6) U (PA2) EMBASE ABSENTE

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13 SCHEMA FONCTIONNEL DE LA PLATINE DETECTION DE L EMBASE Élaborer une tension de référence PT5 PB7 PT1 PT2 PT3 PT6 PA2 Détecter une embase Extraire la composante alternative Amplifier et filtrer Détecter la valeur crête du signal Comparer avec une tension de seuil prédéfinie Adapter le signal à un niveau logique PT4 13