Support de présentation sur la conception et la réalisation d'un objet électronique.
L'objectif initial est de montrer quelles sont les disciplines de la formation en IUT GEII mises en jeu lors de la création d'un système électronique.
Bibdoc 2024 - Les maillons de la chaine du livre face aux enjeux écologiques.pdf
Conception d'un objet électronique : boitier pour QCM
1. CONCEPTION ET REALISATION D’UN
OBJET ELECTRONIQUE
Application : Objet connecté – Boitier
QCM
De la conception à la fabrication
Département GEII de l’IUT de l’Indre
Eric PERONNIN
2. 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
3. Aspects relatifs à la Gestion de Projet
De la conception à la fabrication
Département GEII de l’IUT de l’Indre
Eric PERONNIN
4. Cahier des charges : critères
Conception d’un boitier permettant de répondre à des questions
de QCM durant les séances de Cours, de TD ou de TP.
Critère N°1 : possibilité de répondre à des QCM proposant un
maximum de 4 choix avec plusieurs réponses possibles.
Critère N°2 : offrir une cible aux étudiants de première année.
Utilisable durant les séances de TP d’Informatique Embarquée.
Montrant sur un exemple concret l’ensemble des disciplines
mises en jeu pour développer un système électronique.
Critère N°3 : faible coût de fabrication.
Les composants, le boitier et le circuit imprimé sont financés par
le département GEII.
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5. Cahier des charges : critères
Critère N°4 : consommation réduite.
Enjeux écologique.
Limiter le coût de fonctionnement.
Critère N°5 : mobilité et durée de fonctionnement.
Fonctionnement en autonomie sur une durée minimale d’une année.
Critère N°6 : permettre différentes activités de travaux pratiques avec
un système de développement simple d’utilisation,
des boutons poussoirs et LEDs,
un capteur de température,
divers capteurs et périphériques via une connectique de type Grove
issue du le monde Arduino.
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6. Analyse et exploitation du cahier des charges
Deux aspects à considérer
La réponse aux QCM,
L’utilisation comme cible pour des travaux pratiques.
Application QCM
Boitier autonome et mobile :
intégration d’un système de communication sans fil,
alimentation par piles.
4 choix possibles par question :
4 boutons poussoirs,
4 LEDs permettant de connaître l’état de la réponse pour la
question en cours.
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7. Analyse et exploitation du cahier des charges
Cible pour les travaux pratiques
LEDs et Boutons poussoirs déjà présents pour l’application
QCM.
Ajout :
d’un capteur de température,
d’un connecteur de type Grove pour des entrées tout ou rien,
d’un connecteur Grove pour une communication entre
composants ou des entrées analogiques,
d’un connecteur de communication (liaison série) pour la
programmation et visualiser des informations envoyées par la
carte sur un PC hôte.
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8. Analyse et exploitation du cahier des charges
Synoptique du système
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Système
de
contrôle
Capteur de
température
Bloc de piles ou batterie
LED 1
LED 2
LED 3
LED 4
Bouton Poussoir 1
Bouton Poussoir 2
Bouton Poussoir 3
Bouton Poussoir 4
Connecteur Grove
Communication /
Analogique
Connecteur Grove
Tout ou Rien
Liaison PC
Programmation
Affichages divers
Liaison
sans fil
9. Conception Matérielle : orientation
informatique embarquée
Thermomètre à affichage numérique
Département GEII de l’IUT de l’Indre
Eric PERONNIN
10. Conception
Choix permettant de limiter le coût de fabrication.
Utilisation d’un microcontrôleur faible coût pour jouer le rôle du
système de contrôle.
– Offre pléthorique à entre 0,50€ pièce et 5€ / 1000 .
– Programmation aisée dans un langage de haut niveau.
– Famille Atmega pour accéder aux bibliothèques Arduino.
Exploitation d’un capteur de température électronique.
– Sensibilité réduite vis-à-vis des variations de la tension d’alimentation et tension
d’alimentation minimale inférieure à 2v.
» 2 piles AAA ou une pile plate CR2032 :
en début de vie : 3v de tension
en fin de vie : 1.8v
– Très faible consommation.
– Mise en œuvre et exploitation aisée.
– Précision de +/- 0.2°C en faible coût (0,60€ unité / 1000).
– Plage de température de -20°C à +100°C.
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11. Conception
Choix du mode d’alimentation.
Batteries ou piles pour la mobilité.
– 2 piles AAA.
Solutions rejetées :
Dispositif stockant l’énergie des mouvements.
– Les + :
» Bilan écologique.
– Les - :
» Coût élevé.
» Technologie propriétaire.
» Nécessité de mettre en place une électronique spécifique pour le circuit l’alimentation et
une petite pile permettant de palier à la faible autonomie du système.
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.
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12. Conception
Solutions limitant la consommation.
Choix du module de communication sans fil :
Solution retenue : module RF à 2.4GHz à base de
nRF24L01+
– faible consommation,
– protocole permettant les accusés réceptions.
Module RF à 315 ou 433MHz :
– aucun protocole de communication en version de base.
WiFi exclus : consommation trop élevée.
Bluetooth exclus : portée limitée et coût plus élevé.
Exploitation des modes de mise en veille des composants.
Mise en fonction pour quelques minutes uniquement après
appui sur un bouton poussoir.
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13. Conception détaillée du produit final
Choix des composants.
1 module nRF24L01+
5 signaux de communication nécessaires.
1 capteur de température analogique
1 signal analogique.
4 boutons poussoirs et 4 LEDs
8 signaux digitaux (tout ou rien).
1 pont de mesure de la tension délivrée par les piles
1 signal analogique.
1 connecteur I2C
2 signaux digitaux dédiés à l’I2C utilisable également en entrées analogiques.
1 connecteur pour capteur externe
2 signaux digitaux.
1 connecteur pour une liaison série
2 signaux numériques pour la transmission et la réception.
1 microcontrôleur Atmel compatible Arduino : ATmega328p.
Un bloc d’alimentation à base de 2 piles AAA.
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21. Réalisation : fabrication du PCB1
Transmission des fichiers du dessin du circuit imprimé à un
fabricant (2€ le circuit imprimé pour 50 pièces produites).
Le circuit imprimé peut être vu comme un sandwich pour lequel
chaque couche est décrite par un fichier (type GERBER étendu) :
Couches de sérigraphie représentant les composants et
précisant leurs références (peinture sur le circuit) :
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1 : PCB = Printed Circuit Board = Circuit Imprimé
Sérigraphie dessus.
Couche SST pour Silk Screen TOP.
Sérigraphie dessous.
Couche SSB pour Silk Screen BOT.
22. Réalisation : fabrication du PCB
Couches de vernis épargne :
Protection du cuivre contre l’oxydation.
Isolation électrique.
Les zones cuivrées non recouvertes de vernis sont métallisées.
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Vernis dessus.
Couche SMT pour Solder Mask TOP.
Vernis dessous.
Couche SMB pour Solder Mask BOT.
Les pastilles des CMS
placés sur le dessus
n’apparaissent que sur
le dessus.
23. Réalisation : fabrication du PCB
Couches de cuivre :
Présentes sur le dessus et le dessous du PCB.
Peuvent exister à l’intérieur du PCB (plus de 16 couches
possibles en interne).
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Cuivre dessus.
Couche TOP.
Cuivre dessous.
Couche BOT.
24. Réalisation : fabrication du PCB
Couche de contour du PCB
Inexistante par défaut sur Orcad (le contour du PCB est indiqué
par un contour fermé sur une couche de cuivre) mais exigé par
certains fabricants pour la découpe du circuit.
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Contour du circuit imprimé.
Couche GKO/GML sur Altium Designer.
25. Réalisation : fabrication du PCB
Couche de perçage
Fichier spécifiant la liste des trous de perçage (position et
diamètre; format Excellon)
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Trous de perçage.
Couche DRILL sur Orcad.
Fichier : thruhole.tap
26. Réalisation : fabrication du PCB
Couche de brasure :
Permet la fabrication du masque de brasure pour souder les
CMS
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Masque de brasure sur le dessus.
Couche SPT pour Solder Paste TOP sur Orcad.
27. Travail de soudure.
Placer le composant.
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Le composant. Le circuit imprimé.
Nettoyer la panne du fer
à souder.
Chauffer la broche du
composant et la pastille
du circuit imprimé.
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3
La panne du
fer à souder.
La broche du
composant.
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28. 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.
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Le fil d’étain.
Le fil d’étain devient liquide
quand sa température
atteint 232°C !
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31. Introduction
Développement logiciel ?
Sans logiciel, le microcontrôleur ne fait rien.
Microcontrôleur = un ordinateur complet dans un unique
circuit intégré, 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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32. Environnement de développement
Environnement Arduino
Les + :
Très grand public et donc facile d’accès.
Nombreuses bibliothèques développées par une communauté
très active.
Les - :
Processus de mise au point
restreint.
Fiabilité des bibliothèques et
documentation de qualité très
variable.
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33. Environnement de développement
Environnement Atmel Studio
Les + :
Outil professionnel avec de nombreuses possibilités de mise au
point, multi-langages ....
Editeur avec coloration syntaxique gérant parfaitement
l’indentation, les versions …
Plugin permettant le développement pour les cartes Arduino.
Les - :
Plus difficile d’accès.
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