Projet Ing TD 5 Semestre 202-203 Projet d Electronique Thermomètre Digital Rodrigues Bastos Kévin Tebib Heila Tabiche Sohib Xaysakda Mélody
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Introduction P4 I Etude du schéma fonctionnel P5 P8 II Simulation Sous Isis (Proteus) P9 P0 III Thermomètre à affichage alphanumérique P P4 - Etude de la partie matérielle P -P2 - Simulation sous Isis P3 - Code C associé P4 Conclusion 3
Introduction Le but de ce projet de physique appliquée est de réaliser un thermomètre digital à l aide des notions vues en cours et des logiciels mis à notre disposition tels que ISIS/ PROTEUS. Ce projet se décompose en deux parties. Dans un premier temps, nous étudierons le schéma fonctionnel puis nous mettrons en place une simulation sous ISIS enfin nous réaliserons l étude sur plaque d essais. Dans un second temps, nous réaliserons un thermomètre à affichage numérique. Pour mener à bien notre projet, nous avons décidé de nous répartir équitablement les travaux avant de réunir nos réalisations pour finaliser un compte rendu commun. En effet, Tabiche Sohib et Xaysakda Mélody se sont occupés de la simulation sous ISIS et de la rédaction du rapport et Tebib Heila et Rodrigues Bastos Kevin se sont penchés sur le cas du montage et de la simulation sous PROTEUS. 4
I Etude du schéma fonctionnel Un thermomètre est un appareil qui mesure et affiche la valeur de la température en captant la chaleur extérieure. Nous avons tous d abord étudié le schéma fonctionnel du thermomètre. Pour la réalisation structurelle, nous distinguons quatre composants : un capteur de température: le LM35, un circuit intégré : le LM394 et les dix LEDs. Avec le schéma fonctionnel de la simulation nous avons identifié les différentes fonctions : Nous avons donc : La fonction Fs est assurée via la thermistance LM35 (résistance qui varie en fonction de la température). La fonction Fs2 transforme une tension en une grandeur analogique et simplifie l interphase du capteur grâce au conditionneur. La fonction Fs3 de conversion est assurée via le convertisseur analogique/numérique LM394 La fonction d affichage (Fs4) est assurée par les LEDs. Dans le schéma tel qu il est donné du thermomètre digital, le capteur LM35 délivre en sortie une donnée analogique (tension). Pour pouvoir l exploiter et l afficher sur plusieurs LEDs, nous avons besoin de la convertir, tel est le rôle du LM394 (Convertisseur Analogique/ Numérique). C est pourquoi le LM394 joue un rôle important. De plus, grâce à la documentation fournie nous avons pu caractériser les entrées et sorties des différents composants. Le schéma ci-contre illustre ces entrées et sorties. 5
Grandeur Physique Température ( C) Fs LM 35 Grandeur Electrique Analogique Tension (V) Fs 2 Conditionneur Grandeur Electrique Analogique Tension (V) Fs 3 CAN LM394 Grandeur Electrique Numérique Tension (V) Fs 4 Afficheur (Led/LCD) Signal Lumineux Dans ce projet de physique appliquée, la grandeur physique que nous manipulons est une grandeur thermique : la température exprimée en C. Le support nous permettant de la véhiculer (la température) est la tension analogique qui a pour unité le Volt. D autre part, à l aide du logiciel de simulation ISIS, nous avons fait varier la température afin de savoir à quelle température toutes les LEDs étaient éteintes et à quelle température celles-ci étaient toutes allumées. Suite à notre simulation nous avons trouvé que pour 0 C, toutes les LEDs étaient éteintes et que pour 40 C, elles étaient toutes allumées. De plus, nous avons remarqué que tout les 4 C, une LED s allume. Le pas de température observé est donc de 4. Toujours avec ce même logiciel de simulation, nous avons voulu déterminer les limites de tension des différentes LEDs pour cela nous avons ajouté un voltmètre en dérivation aux bornes d une Led et nous avons observé que lorsque la LED était allumée, la tension à ces bornes est de 2,23V et que lorsqu elle est éteinte celle-ci est de 0.0V. Les limites de tension des différentes LEDs sont 0V ou 2.23V. Par la suite, nous avons voulu mesurer les tensions de sorties de LM35, nous avons donc ajouté un voltmètre aux bornes de ce dernier. Nous avons ainsi trouvé que pour 4 C, on a une tension de sortie de 0.3V et pour 40 c nous avons une tension de sortie de.30v. Voici les illustrations de notre simulation sous ISIS : 6
Par ailleurs, nous avons fait varier la température de 4 C à 40 C, en relevant la tension de sortie du LM35 dès qu une LED s allumait et nous avons obtenu les résultats suivants : Température ( C) 0 4 8 2 6 20 24 28 32 36 40 Tension (V) 0 0.3 0.26 0.39 0.52 0.64 0.77 0.90.03.6.30,4,2 0,8 0,6 0,4 La tension en fonction de la température 0,2 0 0 4 8 2 6 20 24 28 32 36 40 L obtention de ces résultats nous a permis de tracer une droite représentant la tension en fonction de la température. D après le graphique, nous remarquons un rapport de proportionnalité, c est une droite du type ax +b (fonction affine). La loi de variation de l information en fonction de la grandeur physique est donc linéaire. 7
D autre part, avec le LM35, nous avons cherché la valeur minimale et maximale et nous avons trouvé respectivement -55 C et 50 C. La datasheet vient confirmer nos résultats puisque nous retrouvons à la page 3 que la plage de capture est de -60 c à +50 c. 8
II Première partie 2 Simulation sous Proteus Dans cette partie nous avons utilisé le logiciel de simulation Proteus. Après avoir lancé la simulation, nous remarquons que les LEDs (D à D0), s allument ou s éteignent en fonction de la température. Cependant nous avons eu des contraintes à prendre en compte pour le choix des résistances. En effet, la valeur des résistances ne doit pas être trop faible pour avoir un courant correct aux bornes du LM3945 et des LEDs et la puissance des résistances ne doit être trop élevée. Nous avons ensuite placé un voltmètre virtuel afin de mesurer la valeur de la tension à la sortie du capteur à 4 c. Ainsi pour 4 c, nous avons obtenu 0.45V. Puis nous avons placé un ampèremètre virtuel afin d obtenir la valeur de l intensité qui circule dans les diodes pour une température de 4 c. Pour 4 c, nous observons 3 LEDs allumées et 7 éteintes. Les Leds allumées ont un courant qui les traverse de 9.58 ma, soit environ 0 ma tandis que les LEDs éteintes ont une intensité de 0mA. 9
De plus, nous avons étudié le pas de variation de la température comme précédemment. A 4 C, nous avons LED allumée, à 8 C nous en avons 2 et à 40 C nous en avons 0. Nous remarquons que tout les 4 c nous avons une LED qui s allume en plus. Le pas de température est donc de 4 c pour LED. Ce pas de variation de la température peut être changé. En effet, pour le modifier il suffirait de changer les valeurs des résistances du conditionneur. Par exemple en fixant R4= 5.5 kohm on obtient un pas de température de 2. D autre part la présence de la résistance R est très importante, en effet celle-ci sert à fixer le courant aux bornes des LEDs. L intensité des LEDs dépendent de la résistance R. Cela provient de la loi d Ohm U=RI. 0
III Thermomètre à affichage numérique Annualise du Matériel Nous nous proposons maintenant de réaliser un thermomètre à affichage numérique en utilisant les composants suivants : - LM35 - Arduino UNO (équipé d un µcontrôleur AMEGA328P) - Un écran LCD 6*2 L Arduino est composé de plusieurs structures : - Le port Usb : ce port sert à relier la plateforme Arduino avec un ordinateur (PC, Mac, Linux), ainsi l utilisateur peut coder un programme et le compiler dans le microcontrôleur. 2- L alimentation : Arduino UNO a besoin d être alimenté en tension continue (0v et 5v max). 3- La Led L est une Led reliée à la plateforme Arduino et au microcontrôleur. Les Leds, RX, TX sont les témoins de la transmission entre le PC et le microcontrôleur (liaison RS232). 4- Le microcontrôleur ATMEGA328P est l élément principal de la plaque d Arduino, c est lui qui effectue tous les traitements ainsi que la gestion des entrées et sorties.
4a- L ensemble des broches numéroté 4a sont reliées au microcontrôleur. Elles représentent les sorties de celui-ci. 4b- L ensemble des broches numéroté 4b sont reliées au microcontrôleur et représentent les entrées de celui-ci. Nous allons maintenant repérer les différentes entrées et sorties de la plaque Arduino. Broche USB Led d état Sortie Numérique/Analogique µcontrôleur Témoin de tension (LED) Bouton Poussoir (Hard Reset) Alimentation en tension Entrées Numériques et Analogiques du µcontrôleur L Arduino UNO dispose de plusieurs entrées et sorties. En effet l Arduino UNO dispose d entrées physiques (Bouton Poussoir) ainsi que d entrées électriques. En ce qui concerne les sorties, celles-ci sont de forme Lumineuse (témoins lumineux Led) ou électrique (Sortie du microcontrôleur). Entrées Broche Usb Alimentation Bouton Poussoir Entrée Analogique et numérique Sorties Led d état Témoin de tension (Led) Sortie du µcontrôleur 2
Etude du schéma fonctionnel Afin d afficher la température sur un afficheur LCD, nous voulons intégrer la plaque Arduino dans notre montage précédent. Nous allons donc refaire un schéma structurel afin de faciliter la compréhension du montage final. Le capteur LM35, sa fonction est toujours la même c'est-à-dire qu il capte la température et la converti en tension. Dans le nouveau montage, le Convertisseur Analogique Numérique (CAN) et le conditionneur ont été remplacés par le microcontrôleur (AMEGA328P). Le schéma structurel est ainsi plus simple. L afficheur LCD (Liquid Crystal Display) a le même rôle que les Leds. C est le support du signal Lumineux. Température LM35 FS Signal Analogique image de la température Arduino FS2 Signal Numérique Sur 8 broches Afficheur Lcd FS3 Signal Lumineux Alphanumérique Voici donc le montage sous ISIS en ayant identifié les différentes fonctions. FS comme précédemment est assuré par le LM35 et le traitement de l information est ici assuré par Arduino qui délivre un signal qui se réinjecte dans l afficheur LCD (6x2). 3
Code C associé : #include <LiquidCrystal.h> #define Entree A0 //Initialisation des bibliothèques float val; // On crée une variable float qui va obtenir la valeur de l'entrée analogique int temp,tempfar; // On crée 2 variables de type entier. LiquidCrystal lcd( 0,, 2, 3, 4, 5); // Cette fonction, permet d'indiqué les numéros de broches dans l'ordre : rs, enable, d4, d5, d6, d7 void setup() // Fonction Obligatoire { lcd.begin(6, 2); // On défini la taille de l'écran ici: 6 colonnes * 2 lignes analogreference(external); pinmode(entree, INPUT); lcd.setcursor(0, 0); // On place le curseur d'écriture à la position: 0,0 lcd.print("sohib, Kevin"); // On affiche de la position précédente Sohib, Kevin" lcd.setcursor(0, ); // On place le curseur en 0, c'est à dire, on va à la ligne lcd.print("melody, Heila"); // On affiche "Melody, Heila" delay(00); // On fait une pause de 00 ms lcd.clear(); // On efface l'écran } void loop() { val=analogread(entree); val=((val*5)/024); val = (val* 00); temp=val; tempfar = (((9*temp)/5)+32); // Boucle de traitement (infinie) // On dit que la valeur de la variable val est égale à la valeur de l'entrée analogique // Le µcontrôleur dispose d'un CAN 0bit, et d'une tension de référence 5v donc on pose: Vref/2^0 c'est a dire, un pas de 5/024 // Val est ici exprimé en millivolts, nous multiplions val par 00 pour avoir le résultat en 00 de mvolt // On affecte à la variable temp, la valeur reçu sur l'entrée analogique // /!\ Conversion dégrée Celsius, fahrenheit lcd.setcursor(0, 0); // On place le curseur à la position 0,0 lcd.print("temp="); // On affiche temp lcd.setcursor(0, ); lcd.print("temp="); if (temp <0) // Si temp <0 { lcd.setcursor(6, 0); // On décale le curseur d'un rang vers la gauche, car 9!= 90 lcd.print("0"); // On affiche un zéro lcd.setcursor(7, 0); // On décale vers la droite d'un rang lcd.print(temp); // On affiche la valeur de temp lcd.setcursor(9, 0); // On décale d'un rang vers la droite lcd.print((char)223); // On affiche le symbole " " lcd.print("c"); // On affiche la lettre C (Celsius) lcd.setcursor(6, );lcd.print(tempfar);lcd.setcursor(9, );lcd.print((char)223);lcd.print("f"); // Fonction d affiche (nous avons compacté pour gagner de la place } if (temp>=0) // Si la température est > 0 { lcd.setcursor(6, 0);lcd.print(temp);lcd.setCursor(9, 0);lcd.print((char)223);lcd.print("C"); lcd.setcursor(6, );lcd.print(tempfar);lcd.setcursor(9, );lcd.print((char)223);lcd.print("f"); } } 4
Conclusion Après l étude du thermomètre sous ISIS/PROTEUS et du thermomètre à affichage nous pouvons dire que le signal final est différent : en effet, dans le er montage la température est indiquée en fonction du nombre de Leds allumées, c est un signal lumineux alors que dans le 2 ème montage avec Arduino c est l écran LCD qui nous affiche un signal lumineux alphanumérique. De plus, le er montage a besoin de plus de composants que le 2 ème montage. En effet dans le 2 ème montage nous avons le microcontrôleur qui remplace à lui seul le convertisseur analogique numérique et le conditionneur. Le 2 ème montage avec Arduino est plus coûteux que le er montage mais celui-ci est plus précis et fonctionnel. D après nos expériences, nous pouvons conclure que la température est une grandeur mesurable. 5