Transmettre une température et une position GPS à distance avec la carte d acquisition MANGO Classes de 5 ème HC Novembre 2013
Transmettre une température et une position GPS à distance avec la carte d acquisition MANGO Liens avec le Livret Personnel de Compétence, palier 3 Ces activités peuvent permettre d évaluer les compétences suivantes (en gras dans les tableaux) : Palier 3 Compétence 3 > Les principaux éléments de mathématiques et la culture scientifique et technologique Pratiquer une démarche scientifique et technologique, résoudre des problèmes Savoir utiliser des connaissances et des compétences mathématiques Savoir utiliser des connaissances dans divers domaines scientifiques > réaliser, manipuler, mesurer, calculer, appliquer des consignes > GRANDEURS ET MESURES : réaliser des mesures,... > L ENERGIE : différentes formes d énergies, notamment l énergie électrique, et transformations d une forme à l autre > LES OBJETS TECHNIQUES : analyse, conception et réalisation ; fonctionnement et conditions d utilisation Palier 3 Compétence 7 > L autonomie et l initiative Faire preuve d initiative > S intégrer et coopérer dans un projet collectif > Manifester curiosité, créativité, motivation à travers des activités conduites ou reconnues par l établissement > Assumer ses rôles, prendre des initiatives, des décisions
Transmettre une température et une position GPS à distance avec la carte d acquisition MANGO Matériel Nécessaire > Pour la réalisation du capteur de température : - 1 résistor CTN 22kΩ - 1 résistor 68,1kΩ - 1 multimètre (fonctions ohmmètre et voltmètre DC) - fils de connexion, pinces crocodiles - 1 pile 4,5V (ou générateur 5V) - des glaçons en sachet pour refroidir le résistor CTN > Outillage basique : petit tournevis, dominos > Le fichier numérique (animation flash) joint à ce document : - Connexion Mango.swf > Pour la partie acquisition et transmission d informations par ondes radio : - 1 thermomètre, - la mallette de formation MANGO comprenant : 5 PC portables Netbook (1 sera utilisé) 5 coffrets MANGO (1 sera utilisé) 1 coffret Récepteur (utilisé)
Activité n 1 Comment «capter» électroniquement une température? Activité testée en : 5 ème Durée approximative : 50 minutes Cette activité doit permettre d élaborer un capteur de température simple (CTN en pont diviseur de tension avec une résistance fixe). L objectif principal est d obtenir une valeur mesurée (une tension) qui évolue dans le même sens que la température (contrairement au résistor CTN utilisé seul). Les «nœuds» du montage se feront avec des dominos (si plus de temps, on peut envisager une partie «soudure»). Une simulation du montage, en vidéo projection ou sur ordinateur élève, est proposée avant sa mise en œuvre par les élèves, ce qui permet une meilleure compréhension du montage. Une fois le montage réalisé par les élèves et les questions sur l évolution de la grandeur mesurée complétées, une approche sur l étalonnage du capteur réalisé est proposée (question 4). On aborde ainsi la nécessité de connaitre les couples de valeurs «Tensions» - «Température» afin d avoir un capteur exploitable. Des propositions sont faites par les élèves sur les outils nécessaires au protocole : - utiliser un thermomètre à proximité de la CTN pour relever SIMULTANEMENT la température et la valeur de la tension - utilisation d un frigo, d un congélateur, de liquide réfrigérant, de chauffage pour faire varier la température du milieu ambiant de la CTN (et de la résistance associée en pont) - utilisation d un tableur (et grapheur) pour relever les couples de valeurs - l aspect mathématique de l étalonnage obtenu peut être abordé selon le niveau. Cet étalonnage n est pas proposé dans les activités de ce document. Un exemple d étude complète de capteur de température avec étalonnage, proposé par Frédéric Bouchar, peut être trouvé sur le site de Planète Sciences par exemple : http://www.planete-sciences.org/rhone/img/pdf/mesure_temperature_ballon.pdf
Correction des questions 2 et 4 : 2 - Complète le tableau ci-dessous. Lorsque la température mesurée augmente, la tension affichée... Lorsque la température mesurée diminue, la tension affichée... augmente. diminue. 4 D après toi, quelle est la dernière étape pour obtenir un «vrai» thermomètre? Propose des manières de faire (c'est-à-dire des «protocoles») et/ou le matériel nécessaire dans le cadre ci-dessous pour réaliser cette étape. Fais des explications simples : Propositions : Il manque la «vraie» valeur de la température, en degré Celcius ( C). Il faut refroidir le montage (ou le chauffer) et mesurer SIMULTANEMENT la valeur de la température ( C) et la valeur de la tension associée (en volts : V ). Cela s appelle : faire un ETALONNAGE. Ainsi, pour chaque tension, nous connaitrons la température mesurée.
Annexe Documents élèves Activité n 1
Activité n 1 Réalisons un capteur de température simple! ( ou comment «capter» électroniquement une température? ) Pour cela, après la présentation et la simulation du montage faites par le professeur : 1- Réalise le circuit schématisé ci-dessous : CTN 22kΩ RESISTANCE 68,1kΩ VOLTMETRE Le voici en photo/schéma pour t aider : Valeur VOLTMETRE CTN 22kΩ RESISTANCE 68,1kΩ
2 Fais chauffer puis refroidir la température du résistor CTN, puis complète le tableau ci-dessous. Lorsque la température mesurée augmente, la tension affichée... Lorsque la température mesurée diminue, la tension affichée......... 3 - Quand tu penses avoir tout fini et réussi, appelle le professeur pour validation! 4 D après toi, quelle est la dernière étape pour obtenir un «vrai» thermomètre? Explique simplement ce qu il resterait à faire : Propositions :
Activité n 2 Transmettre des mesures sans fil! Activité testée en : 5 ème Durée approximative : 50 minutes Cette activité à pour objectif de transmettre sans fil (liaison radio) une tension correspondant à une mesure de température (grâce au capteur réalisé précédemment) à un ordinateur. Une carte MANGO, prêtée par le CNES dans le cadre du projet ArgoNautica, sera alors utilisée. Le professeur fera le montage de la carte MANGO devant les élèves (avec une caméra ou webcam qui diffusera le montage de la carte MANGO au tableau avec un vidéoprojecteur). Une notice de montage très précise est fournie en annexe, elle est inspirée d une manipulation MANGO avec des classes de 3 ème. Cette fiche est donc volontairement très précise et complète concernant certaines étapes, afin de limiter un maximum les erreurs techniques, et favoriser ainsi le principal : comprendre les différentes étapes d une liaison sans fil, de la grandeur mesurée à son affichage sur l ordinateur. Les élèves, n ayant pas réalisé l étalonnage de leur capteur de température, sont sensibilisés sur le fait que les valeurs affichées (des tensions) ne seront pas des valeurs de température, mais sont bien conscients que l évolution est la même (la valeur de la tension augmente si la température mesurée augmente). La notion de captation de la position GPS est abordée à la fin afin de faire une transition future avec les activités suivantes qui seront en lien avec un suivi ARGOS et GPS d animaux.
Déroulement de l activité : La première étape «A Comprendre» consiste à présenter le système sans fil dans sa globalité garce à des parties à positionner correctement (version papier et version numérique vidéo-projetée ou sur ordinateur élève) : Fichier à utiliser : animation flash avec autocorrection : Connexion Mango.swf La seconde étape «B Observer» consiste à faire fonctionner une carte d acquisition MANGO, sur laquelle un des capteurs de température réalisés par les élèves sera connecté (activité n 1 précédente). Une connexion sans fil (via le récepteur radio) sur un ordinateur en vidéoprojection montrera que l on peut recevoir sur cet ordinateur «distant» les valeurs mesurées par le capteur de température connecté à la carte MANGO. Les élèves pourront alors vérifier la bonne évolution de la température (ou plus exactement la tension associée au capteur) sur l écran de l ordinateur vidéo-projeté, via le logiciel MANGO. De quoi refroidir (et/ou chauffer) la CTN est nécessaire (dans cette activité, on utilisera un glaçon dans un sac fermé). La dernière étape «C Transmettre à distance une position GPS» permettra aux élèves de tester le capteur GPS et l envoi de cette information à distance. Cela fera, tout naturellement, le lien avec la prochaine séance : le suivi des ours polaire en arctique. Il est nécessaire de (pouvoir) connaitre la longitude et la latitude de l endroit où se fait l activité pour la vérification du positionnement GPS. Cela peut par exemple se faire avec un ordinateur supplémentaire relié à internet, en lançant l application Google Earth. Si la séance se déroule bien, le professeur a le temps de passer un extrait de film sur le suivi des animaux par balise Argos et/ou GPS, ce qui améliore encore la transition vers le suivi des animaux, à la prochaine séance.
Annexes Documents élèves Activité n 2 Notice simplifiée MANGO Fiche matériel Carte MANGO Eléments à découper pour la partie A - Comprendre Quelques photos de l activité menée en classe
Activité n 2 Transmettre des mesures sans fil! Mettre en œuvre une carte d acquisition MANGO et un ordinateur connectés par liaison radio A - Comprendre > Découpe les différents éléments à relier à l ordinateur et à la carte Mango (ils te seront donnés sur une feuille à part), et place-les aux bons endroits, sur la page suivante, afin de réaliser un montage qui enverrait, sans fil, les valeurs mesurées par les capteurs jusqu au logiciel d acquisition sur l ordinateur. > Colle les différents éléments une fois que la correction aura été faite.
B - Observer Le professeur va maintenant mettre en fonctionnement la carte d acquisition MANGO, puis y brancher un des capteurs de température réalisé précédemment. L écran de l ordinateur «récepteur» sera vidéo-projeté. Une fois la carte MANGO opérationnelle, réponds aux questions suivantes : 1 La température Quelle est la valeur de la température de la salle (utilisation d un thermomètre) :... C Quelle est la valeur de la tension de la voie n 8 :... V Lorsque l on fait chauffer la CTN du capteur de température, comment évolue la valeur de la tension sur la voie n 8 lorsque la température augmente?... Est-ce le fonctionnement attendu?... 2 Le positionnement GPS La position GPS (latitude et longitude, voir ci-dessous) peut également être transmise à l ordinateur «récepteur»! Pôle Nord Equateur Pôle Sud Méridien «zéro» Noter ci-dessous les valeurs de positions envoyées à l ordinateur : LONGITUDE :... LATTITUDE :... Ces valeurs ont-elles correctes? OUI NON Que se passe-t-il si on bouge l antenne GPS (voir tout le module MANGO si possible)?...
Notice simplifiée à destination du professeur pour la mise en œuvre d une carte d acquisition MANGO et d un ordinateur connectés en liaison radio A Préparer l ordinateur 1 Sortir l ordinateur de sa sacoche. 2 Brancher le chargeur et la souris de l ordinateur. 3 Allumer l ordinateur. B Préparer la carte MANGO 1 Ouvrir le coffret.
2 Sortir avec précaution la carte MANGO, et les accessoires. 3 En suivant le plan, relier, dans l ordre, à la carte MANGO : a la carte SD si présente (si elle est déjà insérée, la laisser) b l antenne «émetteur radio» c l antenne GPS d les fils pour l alimentation (le noir sur le «moins», le rouge sur le «plus»). Il faudra serrer avec un petit tournevis. Ne pas serrer fort!
4 - Brancher les fils rouges et noirs sur les bornes de la batterie (le noir sur le «moins», le rouge sur le «plus»). 5 Brancher le capteur de température sur la voie 8 de la carte MANGO : > le fil rouge sur le «plus» > le fil jaune sur le «M8» (qui veut dire Mesure de la voie n 8) > le fil noir sur le «moins» Il faudra à nouveau visser, sans serrer fort.
C Mise sous tension de la carte MANGO, et connexion radio à l ordinateur Rappel du schéma de principe : 1 Visser l antenne du récepteur au récepteur, et relier le câble USB au récepteur puis à l ordinateur. 4 - Lancer l application MANGO sur l ordinateur, pour cela : a Double-cliquer sur l icône Mango Acquisition : b Une fenêtre s ouvre : cliquer sur OK.
c Cliquer sur 2 Allumer la carte MANGO (ON). 3 Vérifier que les trois DEL sont allumées. La suite est inspirée du manuel d utilisation de la carte MANGO (TENUM) : n 2553
n 2553 n 2553 Une fois ce réglage terminé, il peut être nécessaire de recommencer la séquence de connexion depuis le début : > Eteindre MANGO > Cliquer sur DECONNECTER puis > Cliquer sur CONNECTER > et mettre sous tension la carte MANGO juste après.
D Test du capteur de température Pour vérifier que les valeurs envoyées par le capteur de température sont bien transmises à l ordinateur, et évoluent correctement. 1 Cliquer sur 2 Cliquer sur Acquisition (une fois). 3 On peut ainsi relever la valeur de la tension de la voie n 8 4 Cet onglet permet de visualiser l évolution de la tension du capteur en fonction du temps lors d acquisition automatique.. Remarque : l icône pinceau permet d effacer les mesures précédentes.
E Test du capteur de position GPS 1 Sur l ordinateur, fermer la fenêtre des données en cliquant sur l icône «croix» de la fenêtre : 2 Vérifier qu il n y a pas d élément métallique au dessus de l antenne GPS. 3 Cliquer sur a Une fenêtre s ouvre, la mettre en plein écran en cliquant ici b Tester la localisation en cliquant sur Localisation. c Comparer les valeurs de positions données avec celles du collège données via le logiciel Google Earth (rq : une connexion internet est nécessaire pour afficher la carte sur le logiciel d acquisition MANGO ainsi que sur Google Earth).
F Rangement 1 Sur l ordinateur : - Cliquer sur «Démarrer» qui apparaitra en mettant la souris en bas à gauche de l écran. - Puis choisir «Arrêter» - Une fois arrêté, fermer l ordinateur et le ranger, avec sa souris et son chargeur dans sa housse. 2 Eteindre la carte MANGO (OFF) : 3 Débrancher avec le tournevis le capteur de température (et le laisser sur la table). 4 Pour débrancher et ranger la carte MANGO : - débrancher la batterie - débrancher les fils rouge et noirs (avec le tournevis) - dévisser l antenne GPS - dévisser l antenne d émission radio - laisser la SD-Card en place (si il y en avait une) - ranger soigneusement la carte MANGO dans son enveloppe bulle. 5 Ranger la carte, les câbles, les antennes et le tournevis dans le coffret.
Fiche matériel Carte MANGO
Eléments à découper et à coller pour la partie A Comprendre
Quelques photos de l activité menée en classe Début de l activité n 1 en classe Montage de l activité n 1 en phase de test
Refroidissement de la CTN et de la résistance fixe en pont diviseur de tension avec des glaçons en sachet plastique Mise en place du capteur de température des élèves sur la carte MANGO.