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Cours Informatique Industrielle
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Lotfi BOUSSAID 1
Cours Informatique Industrielle
Année Universitaire 2009 - 2010Email : [email protected]
Lotfi BOUSSAIDDépartement de Génie Électrique Ecole Nationale d’Ingénieurs de Monastir
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Chaîne de montage Citroën AX
Quelles sont les compétences nécessaires ?
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• Technologies des Circuits Intégrés
• Les Alimentations Électriques
• Architecture des Microordinateurs PC
• Motorisation et Commande de Machines
• Les Microcontrôleurs
Plan du cours
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Plan du cours
• Technologies des Circuits Intégrés
• Les Alimentations Électriques
• Architecture des Microordinateurs PC
• Motorisation et Commande de Machines
• Les Microcontrôleurs
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Technologies des Circuits Intégrés
• Introduction
• La Famille TTL
• La Famille CMOS
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Technologies des Circuits Intégrés
Niveau d’intégration des circuits intégrés
Classification selon le nombre de transistors par boîtier
Catégorie Nombre de portes (n)
SSI : Small Scale of Integration n ~ 100
MSI : Medium Scale of Integration ~ 1000
LSI : Large Scale of Integration 10 000 < n < 100 000
VLSI : Very Large Scale of Integration 0.1 < n < 1 Million
Introduction
Taux d’intégration actuellement : Plus de 1 Million de portes
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Technologies des Circuits Intégrés
Famille de circuits intégrés utilisant des transistors bipolaires
Introduction
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Technologies des Circuits Intégrés
Famille de circuits intégrés utilisant des transistors bipolaires
Classification selon la nature des éléments utilisés
Deux états : Bloqué ou Saturé
Logique saturée Logique non saturée
Deux états : Conducteur ou Bloqué
RTL (Resistor Transistor Logic) :
Logique à résistance en entrée et transistor en sortie
DTL (Diod Transistor Logic) :
Logique à diode en entrée et transistor en sortie
TTL (Transistor Transistor Logic) :
Logique à transistor en entrée et transistor en sortie
Série N (Normale), H (High Speed), L (Low power)
TTL
LS (Low Power Schottkey)
ALS (Advanced Schottkey)
S (Schottkey)
ECL (Emmitter Coupled Logic) :
Couplage électrique des émetteurs
Électronique numérique très rapide
Introduction
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Technologies des Circuits Intégrés
Famille de circuits intégrés utilisant des Transistors à Effet de Champ à Grille Isolé
MOS (Metal Oxid Semiconductor) :
Composé au départ par des transistors à canal P (PMOS) puis à canal N (NMOS)
Introduction
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Technologies des Circuits Intégrés
CMOS (Complementary MOS) :Composé par deux paires de 2 MOS différents
Introduction
Cohabitation NMOS/PMOSPas de consommation statiqueLongueur de canal technologie moderne 0.09um
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Technologies des Circuits Intégrés
Les Boîtiers
Les boîtiers plats (Flat Package) :
Les boîtiers DIL (Dual In Line) :
Encoche
Introduction
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Technologies des Circuits Intégrés
Les boîtiers SO (Small Outline) :
Les boîtiers Chip Carrier
Introduction
Les Boîtiers
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Technologies des Circuits Intégrés
Introduction
Les boîtiers Pin Grid Array (réseau de connexion)
Les Boîtiers
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Technologies des Circuits Intégrés
IntroductionGamme de températures
Il existe deux séries :è Série militaire : -55°C à +125°C
è Série commerciale : 0°C à +70°C
Caractéristiques Électriques Statiques
è Tension d’alimentation : C’est la différence de potentiel à appliquer au circuit pour un fonctionnement correct
è Courant consommé : Courant fourni par le générateur délivrant la tension nominale
è Puissance statique : Tension d’alimentation x Courant consomméPour les circuits TTL, elle dépend du niveau logique On prend une valeur moyenne entre 1et 100 mW par porte
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Technologies des Circuits Intégrés
IntroductionCaractéristiques Électriques Statiques (Suite)
è Niveaux logiques : Un circuit délivre une tension pouvant avoir deux niveaux logiques haut (H: High) et bas (L: Low)
Exemple de caractéristiques d’un inverseur
è VIL Voltage Input Low
è VIH Voltage Input High
è VOL Voltage Output Low
è VOH Voltage Output High
1. VI < VIL (niveau logique 0) : Tension de sortie est VOH (niveau logique 1)
2. VIL < VI < VIH : Régime linéaire, inverseur fonctionne en amplificateur
3. VI > VIH : la tension de sortie est VOL
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è Immunité au bruit : Insensibilité aux parasites. C’est le degré avec lequel une porte logique peut supporter des variations en entrée sans modifications en sortie.
è Entrance et Sortance : Entrance est le nombre maximal d’entrées indépendantes supportées par la porte. La Sortance est le nombre maximald’entrées qu’une porte peut alimenter sans modification du niveau haut ni du niveau bas.
è Vitesse de commutation – Temps de propagation : C’est le temps moyen que met le signal pour franchir l’opérateur logique (2 à 100 ns)
Technologies des Circuits Intégrés
IntroductionCaractéristiques Électriques Statiques
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Technologies des Circuits Intégrés
- Niveaux bas en entrée si 0 ≤ Ve ≤ VIL- Niveaux bas en sortie si 0 ≤ Vs ≤ VOL- Niveaux haut en entrée si VIH ≤ Ve ≤ Vcc- Niveaux haut en sortie si VOH ≤ Vs ≤ Vcc
Les niveaux HAUT et BAS, en entrée et en sortie, VIH, VOH, VIL et VOL sont définis par :
Entre le niveau haut et le niveau bas doit exister une « plage interdite », pour qu’il n’y ait pas ambiguïté.
Problématique
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Technologies des Circuits Intégrés
VOHMIN > VIHMIN
VOLMAX < VILMAX
Pour assurer que le circuit B comprend bien les signaux issus du circuit A, on doit avoir :
Problématique
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HistoriqueResistor-Transistor Logic (Technologie Obsolète)
470
640
Technologies des Circuits Intégrés
NON ORNOR
Diod -Transistor Logic (Technologie Obsolète)
NOR
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La famille TTL (Transistor-Transistor Logic)
Alimentation : 5V ± 5%
Identification d’un circuit TTL : (ex: SN 74 AS 169 N)
− SN, DM : champ littéral qui indique le constructeur.− 74 ou 54 : gamme de températures normale (0°C à 70°C) ou militaire (-55°C à +125°C).− AS, S, ...: technologie ici advanced shottky, shottky.− 169, 283, ...: fonction logique.− N, J, P, NT...: type de boîtier (ici DIL plastique ou céramique).
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Architecture interneS= E0 . E1
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• Consommation non négligeable : Quelques milliwatts par porte• Fréquences maximales de fonctionnement comprises entre 10 et 100 Mhz suivant les versions.
La famille TTL (Transistor-Transistor Logic)
Technologies des Circuits Intégrés
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Niveaux d'entrée et de sortie
Voh mini = 2,4V Vol maxi = 0,4 VVih mini = 2 V Vil maxi = 0,8 V L'immunité aux bruits est de 0,4 V
La famille TTL (Transistor-Transistor Logic)
Technologies des Circuits Intégrés
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Courant à l'entrée et à la sortie
La famille TTL (Transistor-Transistor Logic)
Technologies des Circuits Intégrés
èA l'état bas une entrée TTL a besoin d'un courant sortant Iil maxi = 1,6mAèA l'état haut le courant d'entrée est Iih maxi = 40µAè La sortie peut délivrer Ioh maxi = 400µA au 1L et absorber Iol maxi = 16mA au 0L
La sortance est donc de 10 en TTL :La sortance correspond au nombre d'entrées qu'une sortie peut commander La sortance est donc de 10 en TTL :La sortance correspond au nombre d'entrées qu'une sortie peut commander
Paramètres dynamiques
Le passage du 0L au 1L d’une sortie logique (ou inversement du 1L au 0L ) n'est pas instantané. Il faut tenir compte du temps de propagation tptp qui dépend du temps de montée tm et du temps de descente td.
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Temps de propagation
La famille TTL (Transistor-Transistor Logic)
Technologies des Circuits Intégrés
Tp varie selon la sous-famille de 10ns (TTL " N ") à 1,5ns (TTL " AS ")
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Interfaçage : Sortie collecteur ouvert
La famille TTL (Transistor-Transistor Logic)
Technologies des Circuits Intégrés
R2 doit imposer 0L sur l'entrée quand l'interrupteur est ouvert. R2 = 390 par exemple
R1 doit imposer 1L sur l'entrée quand l'interrupteur est ouvert. R1 = 10 k par exemple
Pull-up
R1
R2
Pull-down
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Sortie collecteur ouvert : 3 états
La famille TTL (Transistor-Transistor Logic)
Technologies des Circuits Intégrés
1. Soit la sortie est à l'état haut2. Soit la sortie est à l'état bas3. Soit la sortie est en haute impédance (T1 et T2 ouverts)
Une entrée est dédiée à la mise en haute impédance du circuit
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La Famille CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
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1LOL
1L OL
Inverseur CMOS
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Technologies des Circuits Intégrés
La Famille CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
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Technologies des Circuits Intégrés
La Famille CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
Il existe deux familles de technologies CMOS :
1. Circuits spécialisés à très faible tension d’alimentation (1,5 V), très faible consommation, où la vitesse n’intervient pas, ou peu (montres, calculettes simples, etc...).
2. Circuits qui concurrencent les familles TTL, rapides, avec une consommation statique pratiquement nulle : 4000B, 74 C, 74HC, 74 HCT, 74 ACT, 74 FACT etc...Les familles 74xxx sont fonctionnellement équivalentes aux familles TTL, mais le brochage des circuits est parfois différent, la lettre ‘T’ indique la compatibilité de niveaux électriques avec les familles TTL.
• Consommation négligeable : 0.1 milliwatts par porte• Fréquences plus rapides pour les familles HC,HCT et ACT
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Technologies des Circuits Intégrés
Porte NOR Porte NAND
La Famille CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
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Alimentation : 3V à 18V
Identification d’un circuit CMOS :
Technologies des Circuits Intégrés
La Famille CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
1. CMOS classique : Série 4000B - 74Cxx
2. CMOS rapides ( High Speed CMOS ) : 74HCxx, 74HCTxx.
Voh mini = 0,95.Vcc Vol maxi = 0,05.VccVih mini = 0,55.Vcc Vil maxi = 0,45.Vcc L'immunité aux bruits est de 0,4.Vcc
Immunité aux bruits :
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Courant à l'entrée et à la sortie
Technologies des Circuits Intégrés
è Les courants d'entrée sont inférieurs à 1µA et les sorties peuvent véhiculer plus de 1 mA.
La sortance est limitée non pas par les courants d'entrée-sortie mais par les capacités parasites (5pF) d'entrée qui réduisent les temps de commutation.La sortance est limitée non pas par les courants d'entrée-sortie mais par les capacités parasites (5pF) d'entrée qui réduisent les temps de commutation.
Paramètres dynamiques
Tp varie en fonction du niveau de l'alimentation Vcc. La vitesse augmente quand on fait croître Vcc.Mais chaque entrée CMOS présente une capacité parasite de 5pF. La capacité vue par la sortie influe fortement sur le temps de réponse.
La Famille CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
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Temps de propagation
Technologies des Circuits Intégrés
Le temps de propagation Tp augmente quand l’alimentation diminue
La Famille CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
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Technologies des Circuits Intégrés
Pull-up
R1 = R2 = 10 k
R1
R2
La Famille CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
Pull-down :
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TTL CMOS
Avantages
- Très large gamme de fonctions- Bonne immunité aux bruits- Bonne sortance- Temps de propagation faible
- Tension d’alimentation variable- Excellente immunité aux bruits- Consommation statique quasi-nulle - Densité d’intégration élevée
Inconvénients- Consommation statique importante - Densité d’intégration réduite
- Sortance faible - Étages amplificateurs nécessaires - Sortance élevée avec ACT, FACT- Temps de propagation important
Technologies des Circuits Intégrés
Comparaison TTL - CMOS
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Technologies des Circuits Intégrés
Adaptation TTL - CMOS
Fonction OUI (Bufferisation)
Exemples de circuitsCMOS : 4010, 4050TTL : 7407, 7417, 5407, 5417
Autres Exemples de circuits intégrés :Buffer inverseur CMOS : 4009, 4049 TTL : 7404, 7405, 7406, 7416.
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Plan du cours
• Technologies des Circuits Intégrés
• Les Alimentations Électriques
• Architecture des Microordinateurs PC
• Motorisation et Commande de Machines
• Les Microcontrôleurs : Étude de cas – Le 16F84
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Les Alimentations Électriques
Alimentation stabilisée classique
1. Transformateur
2. Pont de redressement
3. Filtrage
4. Régulation
5. Filtrage
- Rendement : entre 25 – 50 %
- Pas chère à fabriquer
- Pour une puissance de 300W il faut fournir 900w (Pertes 600W)
Puissance < 100 Watt
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Les Alimentations Électriques
1. Le transformateur
Alimentation stabilisée classique
U = 4,44 . Bmax . N . S . F
U1 = K . n1 et U2=K . N2 (avec K = 4,44 . Bmax . S. F)
F : fréquence du réseauS : section du circuit magnétique du transformateurN : nombre de spires de l'enroulement considéréBmax : valeur maxi de l'induction
Pertes fer sont très faibles (valeur typique 1,1 W/kg) U1• I1 ~ U2• I2 è U1 / U2 = I2 / I1
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Les Alimentations Électriques
2. Les montages de redressement
Alimentation stabilisée classique
Le montage va et vient ou parallèle (P2)
Les diodes doivent supporter une tension inverse : 22vVinv =
Transformateur à point milieu
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Les Alimentations Électriques
2vVinv =
2. Les montages de redressement (suite)
Alimentation stabilisée classique
Le montage en pont de Graetz ou parallèle double (PD2)
Les diodes doivent supporter une tension inverse :
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Les Alimentations Électriques
3. Filtrage
Alimentation stabilisée classique
La valeur de la capacité dépendra du courant absorbé et du ΔV
10ms
Exemple :Si l'on désire un ΔU maxi de 0,5 V avec un courant moyen de 110 mA, on aura :
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Les Alimentations Électriques
4. Les Régulateurs de Tensions
Un régulateur sert à réguler ou stabiliser un potentiel sur sa broche de sortie , il peut être fixe ou réglable ( vis de réglage 25 tours ) et être positif ou négatif par rapport à la masse ( ex: 7805 positif avec en sortie +5V et 7905 négatif avec en sortie -5V )
Le " L " est utilisé pour les boîtiers TO 92 , I max 100mA
Le " T " est utilisé pour les boîtiers TO220 , I max 1,5A
Alimentation stabilisée classique
Le " K" ou " CK " pour des boîtiers TO3 , I max 3 A
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UsUs IsIs C1C1 D1D1 TR1TR1 Utr1Utr1 Fu1Fu1
TypeTension
de sortie
Intensitéde sortie
MAX
Condensateurde filtrage MINI
Pont ouDiodes
Puissancetransfo
Tensiontransfo
Fusiblesecteur
7805 + 5 V 1 A 2200 mF - 16 V 1,5A 100V 16 VA 9 V 100 mA
78L05 + 5 V 0,1 A 220 mF - 16 V 0,5A 100V 1 VA 9 V 100 mA
78T05 + 5 V 3 A 4700 mF - 16 V 4 A 100V 30 VA 9 V 200 mA
7806 + 6 V 1 A 2200 mF - 16 V 1,5A 100V 16 VA 9 V 100 mA
7808 + 8 V 1 A 2200 mF - 25 V 1,5A 100V 16 VA 12 V 100 mA
7809 + 9 V 1 A 2200 mF - 25 V 1,5A 100V 16 VA 12 V 100 mA
7812 + 12 V 1 A 2200 mF - 35 V 1,5A 100V 16 VA 15 V 100 mA
78L12 + 12 V 0,1 A 220 mF - 35 V 0,5A 100V 3 VA 15 V 100 mA
78T12 + 12 V 3 A 4700 mF - 35 V 4 A 100V 48 VA 15 V 400 mA
7815 + 15 V 1 A 2200 mF - 35 V 1,5A 100V 26 VA 18 V 200 mA
7818 + 18 V 1 A 2200 mF - 40 V 1,5A 100V 26 VA 24 V 200 mA
7824 + 24 V 1 A 2200 mF - 40 V 1,5A 100V 26 VA 24 V 200 mA
Les Alimentations Électriques
4. Les Régulateurs de Tensions (suite)
Alimentation stabilisée classique
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Les Alimentations Électriques
4. Les Régulateurs de Tension (suite)
Alimentation stabilisée classique
Uo supérieur ou égal à U régulateur + 2 à 3 V
en ne dépassant pas 35 V, pour U régulateur < 18 V,ou en ne dépassant pas 40V, pour U régulateur > 20V.
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Réalisation pratique
Les Alimentations Électriques
Alimentation stabilisée classique
Alimentation symétrique + 12 V -12 V / 1 A (1 ampère sur chaque sorties)
¤ de la variation de tension du réseau 220 V à + ou - 10 %,¤ de la chute de tension des diodes,¤ de la valeur de la tension à stabiliser.
Il faudra tenir compte:
Transformateur 220 V - 2 x 15 V Transformateur 220 V - 2 x 15 V
Solution :Solution :
-10% = - 2,1 V-chute de tension des diodes = -1,2 V
Umax = 17,9V Umax = 17,9V
21,2V215Umax ==
ΔU = [ 17,9 V – ( U rιgulateur + 2V ) ] avec U régulateur = 12V è ΔU=3,9 V ΔU=3,9 V
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Réalisation pratique
Les Alimentations Électriques
Alimentation stabilisée classique
Alimentation symétrique + 12 V -12 V / 1 A (1 ampère sur chaque sorties)
On choisira C = 3300uF / 25V en valeur normaliséeFA
UI
C m25649,3100
1.100
=×
=D
=
- Tension de service (15 x racine de 2 = 21, 2V) : Normalisée à 25VNormalisée à 25V- Le pont redresseur (PT1 et 2) : 50V / 1 A50V / 1 A- Le transformateur : 220 V, 2 x 15 V, 30 VA minimum220 V, 2 x 15 V, 30 VA minimum
Note : les deux enroulements du secondaire du transformateur doivent produirent chacun 1 A. Soit 2 A au total pour deux sorties.- La puissance du transformateur sera donc : 15V . 15V . 2A = 30VA au minimum2A = 30VA au minimum.
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Lotfi BOUSSAID 48
Les Alimentations Électriques
Alimentation à découpage
Principe du découpage d'une alimentation
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Lotfi BOUSSAID 49
Convertisseur Fly-Back
Mise sous tension du circuit secteur
Les Alimentations Électriques
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Lotfi BOUSSAID 50
Convertisseur Fly-Back
Etablissement 310V et tension de service Usp ou polarisation Bu
Les Alimentations Électriques
Cours Informatique Industrielle
Calculateurs Temps Réel
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Convertisseur Fly-Back
Initialisation CI et démarrage oscillateur ou procédure de start
Les Alimentations Électriques
Cours Informatique Industrielle
Calculateurs Temps Réel
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Convertisseur Fly-Back
Mise en saturation du BU
Les Alimentations Électriques
Cours Informatique Industrielle
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Lotfi BOUSSAID 53
Convertisseur Fly-Back
Blocage du BU
Les Alimentations Électriques
Cours Informatique Industrielle
Calculateurs Temps Réel
Lotfi BOUSSAID 54
Convertisseur Fly-Back
Action du circuit de régulation ; repos
Les Alimentations Électriques
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Les Alimentations Électriques
Alimentation à découpage PC
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Les Alimentations Électriques
Pertes dues au découpagePertes dues au découpage
Alimentation à découpage PC
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Plan du cours
• Technologies des Circuits Intégrés
• Les Alimentations Électriques
• Architecture des Microordinateurs PC
• Motorisation et Commande de Machines
• Les Microcontrôleurs : Étude de cas – Le 16F84
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Architecture du 80x86-Pentium
Architecture des Microordinateurs PC
Unité d’interface de bus
Unité d’exécution
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Calculateurs Temps Réel
Lotfi BOUSSAID 59
Les registres du 80x86-Pentium
Accumulateur
Base
Count
Data
Registres Généraux
Stack Pointer
Base PointerSource IndexDestination index
Registres pointeurs
Registres index
Code SegmentData SegmentStack Segment
Extra SegmentRegistres de Segment
Registre compteur de programme
Registre des indicateurs
Architecture des Microordinateurs PC
Cours Informatique Industrielle
Calculateurs Temps Réel
Lotfi BOUSSAID 60
Organisation d’une carte mère à base d’un PC
Architecture des Microordinateurs PC
Cours Informatique Industrielle
Calculateurs Temps Réel
Lotfi BOUSSAID 61
Architecture d’un PC
Architecture des Microordinateurs PC
Cours Informatique Industrielle
Calculateurs Temps Réel
Lotfi BOUSSAID 62
Les interruptions du 8086
Il existe 2 catégories d’interruptions: les interruptions hardware et les interruptions Software
- Les interruptions hardware surviennent lorsque les lignes RST, NMI ou INTR du 8086 sont activées.
- Les interruptions software surviennent lorsque l’instruction INT apparaît ou lors d’exceptions logiciel (exemples: débordement de pile (stack overflow), division par zéro…).
- Les sauts conditionnels ou inconditionnels ainsi que les appels de sous-routines ne sont pas des interruptions.
- Une interruption de haute priorité peut interrompre une interruption de priorité inférieure.
- Une interruption de basse priorité ne peut pas interrompre une interruption de priorité égale ou supérieure. L’interruption Reset est la plus prioritaire.
Architecture des Microordinateurs PC
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Interruptions matérielles (1)
Architecture des Microordinateurs PC
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Interruptions matérielles (2)
Architecture des Microordinateurs PC
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Lotfi BOUSSAID 65
Interface Parallèle de l’Imprimante (LPT1 – PIO 8255)
Connecteur DB25 - Femelle
Paramétrage du BIOS
Adressage du port parallèle
Architecture des Microordinateurs PC
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Lotfi BOUSSAID 66
Interface Parallèle de l’Imprimante (2)Le connecteur parallèle LPT comprend 3 « Ports » :
Port de données
Port d’état
Architecture des Microordinateurs PC
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Interface Parallèle de l’Imprimante (3)
Port de commande
Architecture des Microordinateurs PC
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Calculateurs Temps Réel
Lotfi BOUSSAID 68
Le contrôleur de l’interface parallèle (PIO) est le composant 8255
Contrôleur PIO 8255 de liaison parallèle
Interface Parallèle de l’Imprimante (3)
Architecture des Microordinateurs PC
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Programmation de l’Interface Parallèle
En assembleur
Mov Ax,0378hMov Dx,AxMov Al,33hOut Dx,Al ; 33h sur port Data
Mov Ax,0379hMov Dx,AxIn Al,Dx ; lire le port d’état
En pascal
Port[$378]:=$33;{ 33h sur port Data }
Data:=Port[$379]; {lire le port d’état }
En Turbo C
Outportb(0x378,0x33);/* 33h sur port Data */
Inportb(0x379,Data); /* lire le port d’état */
(Dos, Win 9x)
Windows 2000 et XP (Mode protégé) :
(2) Utilisation d’une DLL ex : « Inpout.dll »
implementationfunction Inp32(port:integer):integer;Stdcall;external 'inpout32.dll' name 'Inp32';function Out32(port, valeur:integer):integer;Stdcall;external 'inpout32.dll' name 'Out32';
Out32 (base, 170) ;recu := Inp32 (add.value+1); http://logix4u.net/Legacy_Ports/Parallel_Port/Inpout32.dll_for_Windows_98/2000/NT/XP.html
(1) Utilisation d’un driver « Porttalk »http://www.beyondlogic.org/porttalk/porttalk.htm
Architecture des Microordinateurs PC
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Le Port Série du PC
UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)
Format de transmission série asynchrone
Réception des DonnéesRéception des Données
Attente de transmissionAttente de transmission
Décalage de RéceptionDécalage de Réception
Décalage de transmissionDécalage de transmission
1 Caractère à la fois
1 Bit à la fois
Coté PC Coté Ligne de Transmission
Architecture des Microordinateurs PC
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• Le 8250 : est apparu sur les PC-XT• Le 16450 Il permet des vitesses de transmission de 38.4 kbits/s sans problème• Le 16550 Contrairement au 16450 ou on ne pouvait lire ou écrire qu'un seul octet à la fois, le 16550 peut stocker en mémoire 16 octets avec un buffer pour la réception et un buffer pour l'émission. On peut alors atteindre des vitesses de transfert de 115.2 kbits/s. Une autre amélioration apportée par le 16550 était l'utilisation du contrôleur DMA
Format max d'une donnée asynchrone de l'UART 8250
Le Port Série du PC
Architecture des Microordinateurs PC
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Le Port Série du PC
Géométrie du port série Description et attribution des signaux
DCD : Lorsque cette ligne est active haute, elle signale au PC qu'une liaison a été établie avec un correspondant. RX : cette ligne est une entrée. C'est ici que transitent les informations du correspondant vers l'ordinateur. TX : cette ligne est une sortie. Les données du PC vers le correspondant sont véhiculées par son intermédiaire. DTR : Lorsque cette ligne est active haute, elle permet au PC de signaler au correspondant que le port série a été libéré et qu'il peut être utilisé s'il le souhaite. GND : c'est la masse. DSR . Cette ligne est une entrée active haute. Elle permet au correspondant de signaler qu'une donnée est prête. RTS : Lorsque cette ligne est active haute, elle indique au correspondant que le PC veut lui transmettre des données. CTS : cette ligne est une entrée active haute. Elle indique au PC que le correspondant est prêt à recevoir des données. RI : cette ligne est une entrée active haute. Elle permet à l'ordinateur de qu'un correspondant veut initier une communication avec lui.
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Le Port Série du PC
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Le Port Série du PC
Architecture des Microordinateurs PC
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Le Port Série du PC et le Modem
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Architecture des Microordinateurs PC
Le Port Série USB (Universal Serial Bus)
- Interface série à haut débit
- Connexion série est plus économique que la connexion parallèle
Introduction :
Architecture du bus USB :
- Connexions se font point à point
- Jusqu’à 127 périphériques
- longueur maximale : 5 mètres
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Architecture des Microordinateurs PC
Le Port Série USB (Universal Serial Bus)Connectique :
Connecteur Type A Connecteur Type B
1 rouge : alimentation Vbus (+5V) 2 blanc : D-3 vert : D+ 4 noir : masse
Identification des fils :
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- Haute Vitesse (High Speed) : 480 Mbits/s : Périphériques très haut débit ; ex :camera...- Pleine Vitesse (Full Speed) : 12 Mbits/s : Périphériques haut débit : scanners, imprimantes....- Basse Vitesse (Low Speed) : 1,5 Mbits/s : Périphériques d'interface utilisateur : claviers, souris,
Vitesse de transmission :
Le bus USB propose plusieurs vitesses de communication :
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Pleine vitesse Basse vitesse
Identification de la vitesse
Le Port Série USB (Universal Serial Bus)
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Les caractéristiques matérielles du bus :
Architecture des Microordinateurs PC
Le Port Série USB (Universal Serial Bus)
État différentiel ‘0’ quand : Data+ - Data- < -200mV
État différentiel ‘1’ quand : Data+ - Data- > 200mV
État Single Ended Zero (SE0) : -200mV < Data+ - Data- < 200 mVRéinitialisation d'un appareil s'il est maintenu plus de 10 ms
La norme USB définie 3 états sur les lignes du bus :
Codage des données NRZI (Non Retour à Zéro Inversé)
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Protocole de communication du bus :
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Le Port Série USB (Universal Serial Bus)
Il existe deux types de paquets principaux :
- Les paquets JETON (TOKEN)- Et les paquets DONNEE (DATA) :
Composition d'un paquet TOKEN :
8 bits 8 bits 7 bits 4 bits 5 bits
SYNC PID ADDRESS ENDP CRC
Composition d'un paquet DATA :
8 bits 8 bits 0 to 512 bits 16 bits
SYNC PID PAYLOAD CRC
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Plan du cours
• Technologies des Circuits Intégrés
• Les Alimentations Électriques
• Architecture des Microordinateurs PC
• Motorisation et Commande de Machines
• Les Microcontrôleurs : Étude de cas – Le 16F84
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Motorisation et Commande de Machines
Les Moteurs ÉlectriquesI. Moteur à courant continu
1. Excitation série
2. Excitation séparée
3. Micromoteur
4. Servomoteur
5. Moteur Brushless
II. Moteur pas à pas
1. A aimant permanent
2. A réluctance variable
3. Hybride
III. Moteur Alternatif
1. Universel
2. Monophasé
3. Triphasé
4. Moteur Synchrone
Motorisation et Commande de Machines
Les Moteurs Électriques
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Motorisation et Commande de Machines
Les Moteurs Électriques
Comment choisir le moteur adéquat pour mon application ?
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Critères de choix d’un Moteur
- Couple et couple au démarrage- Rendement- Vitesse (constante ou variable)- Coût- Taille et poids (encombrement) - Charge (Constante ou variable)
Motorisation et Commande de Machines
2. Critères spécifiques au Moteur
1. Critères dépendant de l’application
- Application de puissance (électropompes, traction, etc.)- Application embarquée (alimentée par batterie)- Application à vitesse constante - Application à couple important au démarrage- Application grand public (Machine à laver, Chyniol, électroménager, etc.) - Application de précision- Application de modélisme
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Fonction d’un moteur
moteurpuissance électrique puissance mécanique
fournie par l’alimentation électrique
(puissance absorbée)
Disponible sur l’arbre du moteur
(puissance utile)
Pertes = (Puissance absorbée – Puissance utile)
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Rendement : R = Pu/Pa
Bilan de puissances
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Puissance absorbée :Pa = Um × Im
Pertes joule :Pj = R × Ieff²
Puissance électrique :Pe = E × Im (Puissance électrique transmise à la partie tournante)
Puissance utile :Pu Pu = C × W (Couple en N m . Vitesse en rad / seconde)C'est la puissance mécanique fournie par le moteur pour entraîner la charge.
Pertes constantes :Pc Ces pertes sont la somme des pertes mécaniques et magnétiques. Elles sont constantes à une vitesse donnée et peuvent se déterminer à vide.
Un couple de 1Nm signifie que l'on peut exercer une force de 1N (100g) au bout d'une tige de 1m
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Force de Laplace
règle des 3 doigts de la main droite : courant – champ - force
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- à la valeur absolue de l'intensité du courant |I|, - à la longueur L de la partie du conducteur plongée dans le champ magnétique ici L , - à l'intensité B du champ magnétique, - au sinus de l'angle a formée par le conducteur et le vecteur champ magnétique B
Le module de la force F est proportionnel :
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I. Le Moteur à Courant Continu
Motorisation et Commande de Machines
Lorsque les conducteurs sont parcourus par un courant, ils sont soumis à des forces F1 et F2 qui tendent à faire tourner le rotor. Le collecteur permet d'inverser le sens du courant dans les conducteurs lorsque ceux-ci passent le plan vertical. Ainsi le sens du couple des forces F1 et F2 et donc le sens de rotation du moteur est conservé.
Principe de fonctionnement
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Motorisation et Commande de Machines
Les bobinages d'induitLe collecteur est constitué de bagues conductrices où frottent 2 balais appelés charbon.L'induit se comporte comme une seule et même bobine lorsqu'il est alimenté par les balais.
Principe de fonctionnement
I. Le Moteur à Courant Continu
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Motorisation et Commande de Machines
1. STATORLa carcasse, les pôles principaux et les pôles de commutation sont entièrement feuilletés. Les composants du stator sont soudés ensemble dans un bâti de fixation qui aligne et presse les tôles ensemble en une unité monobloc.
2. INDUIT (Rotor)Le noyau d'induit est constitué de disques en tôles électromagnétiques isolées.L'enroulement d'induit est en cuivre isolé verni. Les bobinages de cuivre sont placés dans l'isolant des encoches.
I. Le Moteur à Courant Continu
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2. Les moteurs à excitation série
MMoteur courant
continu à aimantPermanent
Induit + inducteur
Moteur courant continu
Moteur à excitation série
Moteur à excitation parallèle
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I. Le Moteur à Courant Continu1. Les moteurs à excitation parallèle
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2 modes d’alimentation
Excitation séparée- inducteur = circuit indépendant (donc 2 alimentations)- alimentation continue pour l’induit
Excitation série- induit et inducteur dans le même circuit- une alimentation unique en continu
UE’
IRrotor URstator
E’
IRrotor
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I. Le Moteur à Courant Continu
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Équations électriques
Fc.e.m induite
RIEVU += ')(
FW= ')(' EKVE
excitation séparée : R = Rrotor
excitation série : R = Rrotor + Rstator
F flux à travers les spires de l’induit (Wb) W vitesse de rotation (rad/s)
K constante
(convention récepteur)
Vitesse de rotation W = E’ / KE’ F = (U-RI) /KE’ FW(rad/s) = N(tr/mn).2p/60 = n(tr/s).2p
Loi d’Ohm
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I. Le Moteur à Courant Continu
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Relation Puissance - Couple
P = C . W
Watts = (N.m) . (Rad/s)
A tout terme de puissance on peut donc associer un couple
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Puissance = Couple . Vitesse
I. Le Moteur à Courant Continu
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Couples
Relation de définition
Couple moteur Putile = Cmot . W (1)
Couple de pertes collectives Pfer + Pméca = Cpertes . W (2)
Couple Électromagnétique Cemag = Cpertes + Cmot
(1) : la puissance se répartit entre couple moteur et vitesse(2) : pertes constantes, mesurées par un essai à vide(3) : Cemag = KCFI
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I. Le Moteur à Courant Continu
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Rendement
- inducteur bobinépertes dans le circuit inducteur
absorbée
utile
PP
=h
inducteurJ
mot
PUIC+
W×=h
UICmot W×
=h
Ø Définition générale
Moteur à excitation séparée :
- inducteur à aimant permanentpas de pertes dans le circuit inducteur
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UICmot W×
=hMoteur à excitation série
I. Le Moteur à Courant Continu
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Motorisation et Commande de Machines
I. Le Moteur à Courant ContinuApplications
- Applications nécessitant un couple de démarrage important- Couple / vitesse de pente importante- Applications pouvant être alimenté par batterie- Applications fonctionnant à vitesse constante
Avantages :
- Coût relativement élevé pour des puissances importantes- Usure du système collecteur / charbons
- Régulation de vitesse plus facile- Rendement relativement élevé
Inconvénients :
Utilisation :
- Moteurs à excitation parallèles : Pompes hydrauliques, Ventilateurs, etc.
- Moteurs à excitation série : (gros couple au démarrage et faible vitesse)démarreurs d'automobiles, traction (locomotives), métro, etc.
Choix du moteur :
- Vitesse de 1000 à 5000 tr/mn è Moteur direct- Vitesse < 500 tr/mn è Moteur à réducteur de vitesse
- Pu (w) = (2π/60) C(N.m) N(tr/mn)
Puissance utile :
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Motorisation et Commande de Machines
Exercice :
Réponse :
Un moteur à excitation indépendante actionne un monte-charge. Il soulève une masse de deuxtonnes à la vitesse d’un mètre par seconde. Le moteur est alimenté sous 1500 V, sa résistanced’induit est de 1,6 , le rendement de l’ensemble du système est de 70 % (on négligera lespertes du stator).
Calculer la puissance absorbée par le moteur ainsi que le courant appelé lors de la montée.Puissance utile fournie par le moteur : P = M . g . v
W
Puissance utile fournie par le moteur : P = M . g . v
P Wu = × ´ ´ =2 10 9 8 1 196003 ,
Puissance absorbée par le moteur PP
Wu= =0 7
28000,
P = UI Þ = = =IPU
A280001500
18 7,
I. Le Moteur à Courant Continu
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3. Le Micromoteur à Courant Continu
- Stator (Inducteur) à aiment permanent
- Rotor (Induit) bobiné
I. Le Moteur à Courant Continu
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Solution 1 : Transistor MOS : BUZ11
La consommation d’un tel moteur est d’environ 100mA, il est donc impossible de le connecter directement sur une patte du PIC
1- Commande par un transistor, un seul sens de rotation
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Commande de Micromoteur à Courant Continu
I. Le Moteur à Courant Continu
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Lotfi BOUSSAID 101
Motorisation et Commande de Machines
2- Commande par relais 12V/600 ohms, un seul sens de rotation
Porte TTL à sortie collecteur ouvert :
74ALS16
Iol max=40mA
Le courant nécessaire pour le relais est égal à: Io = 12/600 = 20mA
M
+V
Commande de Micromoteur à Courant Continu
I. Le Moteur à Courant Continu
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Lotfi BOUSSAID 102
3- Commande par relais 12V/10 ohms, un seul sens de rotation
La commande du relais se fait avec un "0" logique
Transistor Darlington :
Ex: TIP121
Pouvant fournir jusqu’à 5 A
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Commande de Micromoteur à Courant Continu
I. Le Moteur à Courant Continu
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Solution 2 : Pont en H
L298
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Commande de Micromoteur à Courant Continu
3- Commande par pont en H, deux sens de rotation
I. Le Moteur à Courant Continu
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Lotfi BOUSSAID 104
Motorisation et Commande de Machines
Applications à base de Micromoteur à Courant Continu
I. Le Moteur à Courant Continu
- Robotique- Modélisme- Applications à encombrement minimum- Applications portables (ex: mini-perceuses) - Informatique stockage de données- les télécoms (portables, satellites, les câblages et relais...)- Domaine médicale ((prothèses et greffes, endoscopie, instruments chirurgicaux...)- Micro-outillage
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Lotfi BOUSSAID 105
4. Le Servomoteur
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I. Le Moteur à Courant Continu
- Un servomoteur est un moteur conçu pour générer le mouvement précis d'un élément mécanique selon une commande externe.
- Un servomoteur est un système motorisé capable d'atteindre des positions prédéterminées, puis de les maintenir.
- La position est : dans le cas d’un moteur rotatif, une position d'angle et, dans le cas d’un moteur linéaire une position de distance.
Définition :
Le servomoteur est constitué d’un moteur à courant continu relié à un réducteur, et asservit par un potentiomètre et un circuit de contrôle
Constitution d’un servomoteur :
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Lotfi BOUSSAID 106
Motorisation et Commande de Machines
RéducteurM Potentiomètre
Commande+_
Principe de fonctionnement
I. Le Moteur à Courant Continu
On doit appliquer des impulsions selon la norme suivante
Commande d’un Servomoteur
On doit appliquer des impulsions selon la norme suivante
Commande d’un Servomoteur
On doit appliquer des impulsions selon la norme suivante
Commande d’un Servomoteur
4. Le Servomoteur
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Lotfi BOUSSAID 107
Motorisation et Commande de Machines
I. Le Moteur à Courant Continu
Commande d’un Servomoteur
4. Le Servomoteur
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Lotfi BOUSSAID 108
Applications à base de Servomoteur
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I. Le Moteur à Courant Continu
Servomoteurs à déplacement linéaire (bouchon de baignoire)
Servomoteurs multi tours Servomoteurs à fraction de toursModélisme
Manoeuvre des vannes industrielles
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5. Le Moteur Brushless (Sans balais)
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I. Le Moteur à Courant Continu
- Un rotor à aimant tournant de 2 ou 4 pôles.
- Le stator, composé d’un bobinage de 3 à 4 phases, alimenté par une électronique de puissance
- Un aimant servant à exciter les capteurs à effet Hall qui sont utilisés par l’électronique qui assure l’alimentation successive des phases.
Pour une durée de vie optimale du moteur, le rotor est monté sur roulements à billes
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Lotfi BOUSSAID 110
- Longues durées de vie
- Vitesses élevées,
- Fonctionnements en conditions d’utilisation difficiles.
- Industrie Automobile
- Applications industrielles
- Modélisme
5. Le Moteur Brushless (Sans balais)
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I. Le Moteur à Courant Continu
Les moteurs Brushless est particulièrement adaptée à des applications nécessitant :
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Lotfi BOUSSAID 111
Motorisation et Commande de Machines
II. Le Moteur pas à pas
Positionnement angulaire de caractère incrémental Signal électrique numérique
- Moteur à aimants permanents- Moteur à reluctance variable. - Moteur hybride
On peut distinguer trois catégories technologiques :
Résolution : de 4 à 400 pas
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1. Moteur à aimants permanentsUn aimant permanent est solidaire de l'axe du moteur (rotor). Des bobines excitatrices sont placées sur la paroi du moteur (stator) et sont alimentées chronologiquement. Le rotor s'oriente suivant le champ magnétique créé par les bobines.
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II. Le Moteur pas à pas
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II. Le Moteur pas à pas2. Moteur à reluctance variable
Il s'agit d'un moteur qui comporte un rotor à encoches se positionnant dans la direction de la plus faible réluctance : ce rotor, en fer doux, comporte moins de dents qu'il n'y a de pôles au stator. (la réluctance est le quotient de la force magnétomotrice d'un circuit magnétique par le flux d'induction qui le traverse)
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Lotfi BOUSSAID 114
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II. Le Moteur pas à pas3. Moteur hybride
Le moteur hybride est une combinaison du moteur à reluctance variable et du moteur à aimant permanent.
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Motorisation et Commande de Machines
II. Le Moteur pas à pasComparaison des trois moteurs
Comparaison des performances des trois types de moteurs pas à pas
Type de MoteurMoteur à aimant
permanentMoteur à reluctance
variableMoteur Hybride
Résolution
(nombre de pas/tour)Moyenne Bonne Élevée
Couple moteur Élevée Faible Élevée
Sens de rotation
Il dépend du :
- Sens du courant
- Ordre d’alimentation des bobines
Il dépend uniquement de l’ordre d’alimentation
des bobines
Il dépend du :
- Sens du courant
- Ordre d’alimentation des bobines
Fréquence de travail Faible Grande Grande
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Lotfi BOUSSAID 116
Motorisation et Commande de Machines
II. Le Moteur pas à pas
Moteur BipolaireMoteur Unipolaire
I1I1I12I12I11I11
I21I21
I22I22
I2I2
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Lotfi BOUSSAID 117
Motorisation et Commande de Machines
Les différents types d’excitation
II. Le Moteur pas à pas
2 phases2 phases 4 phases4 phases
I1I1 I2I2 I11I11 I12I12 I21I21 I22I22
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Lotfi BOUSSAID 118
Motorisation et Commande de Machines
Commande du moteur pas à pas Unipolaire : 2 phases On
II. Le Moteur pas à pas
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Lotfi BOUSSAID 119
Motorisation et Commande de Machines
Une Sortie ULN2003 : Peut fournir 500 mA
Commande du moteur pas à pas Unipolaire : 2 phases On (2)
II. Le Moteur pas à pas
Remarque : Pour un courant de 1A on peut utiliser 2 voies du circuit ULN2003 par bobine
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Lotfi BOUSSAID 120
Motorisation et Commande de Machines
Un Transistor BDX53C (NPN) : Peut fournir 3 A
II. Le Moteur pas à pasCommande du moteur pas à pas Unipolaire : 2 phases On (3)
Un Transistor TIP122 (NPN) : Peut fournir 5 A
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Lotfi BOUSSAID 121
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Moteur Bipolaire
II. Le Moteur pas à pasCommande du moteur pas à pas Bipolaire
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Lotfi BOUSSAID 122
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II. Le Moteur pas à pasApplications
1- Moteur pas à pas à aimant permanent :
- Faible coût
- Peu d’inertie
- Applications : périphériques d’ordinateurs, positionnement de tête d’impression d’imprimantes, etc.
2- Moteur pas à pas à réluctance variable :
- Faible couple (torque)
- Applications de petites tailles : Table de micro-positionnement
3- Moteur pas à pas hybride :
- Meilleure résolution
- Couple (torque) plus important
- Applications : positionnement avec couple important
Les photocopieurs, imprimantes bancaires, périphériques informatiques, tables traçantes, instrumentation, pompes médicales, pousses seringues, automobiles, climatisation, régulation, etc.
Sans balais, Fonctionnement en boucle ouverte et plusieurs pas angulaires sont disponibles
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Lotfi BOUSSAID 123
Motorisation et Commande de Machines
III. Le Moteur Alternatif1. Le Moteur Universel
- Un moteur universel peut être alimenté par une F.E.M alternative ou continue
- Moteur de perceuse, aspirateur, robot ménager etc...(appareils électroportatifs en général).
- En général, il est utilisé pour les appareils ne demandant qu'un couple modéré
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Lotfi BOUSSAID 124
Motorisation et Commande de Machines
III. Le Moteur Alternatif1. Le Moteur Universel
- Stator et rotor sont montés en série et alimentés en alternatif ou en continu
- Le rotor comporte plusieurs bobinages, alimentés successivement par les lames du collecteur qui se trouvent au contact des balais.
- L’alimentation du stator crée un champ qui tend à attirer celui du rotor. En alternatif, quand le courant s’inverse, le champ magnétique résultant s’inverse aussi bien dans le stator que dans le rotor qui sont alimentés en série.
- Le collecteur provoque une succession d'alimentations puis de coupures des bobinages du rotor : Il en résulte l’apparition d’étincelle
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Lotfi BOUSSAID 125
Motorisation et Commande de Machines
III. Le Moteur Alternatif2. Le Moteur Asynchrone Monophasé
- Stator portant un bobinage à p paires de pôles
- Rotor à cage d'écureuil en court circuit
A l'arrêt, le rotor est sollicité par deux champs tournant en sens inverse
Ce moteur ne démarre donc pas spontanément
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Lotfi BOUSSAID 126
Motorisation et Commande de Machines
III. Le Moteur Alternatif2. Le Moteur Asynchrone Monophasé
En lançant le rotor (à la main par exemple) il peut alors démarrer dans un sens ou dans l'autre
Second bobinage décalé de 90° dans les encoches restantes alimentée à travers un artifice de déphasage : (ex: condensateur)
le couple du champ qui tourne dans le même sens que le rotor est le plus grand et tend à augmenter avec la vitesse
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Lotfi BOUSSAID 127
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III. Le Moteur Alternatif2. Le Moteur Asynchrone Monophasé
La vitesse de synchronisme : Nsyn (tr/min) = ( 60.f ) / p La vitesse du rotor N (tr/min) = [ ( 60.f ) / p ] (1-g)
- Plusieurs types de moteurs monophasés existent :• Moteur à induction avec condensateur• Moteur à induction sans condensateur
- Faible puissance, faible couple au démarrage, décrochage possible en cas de charge- Fonctionnement intermittent : Électroménager, commande de vanne, pompes
Applications :
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Lotfi BOUSSAID 128
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III. Le Moteur Alternatif3. Le Moteur Asynchrone Triphasé
Le principe du champ tournant :
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Lotfi BOUSSAID 129
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III. Le Moteur Alternatif3. Le Moteur Asynchrone Triphasé
Stator bobiné
X paires de pôles
Rotor bobiné
Ou à cage d’écureuil
Symboles :
Constituants :
1 paire de pôles è N=3000 tr/mn2 paires de pôles è N=1500 tn/mn
Symboles :
Constituants :
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Lotfi BOUSSAID 130
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Branchement :
U=220V~
III. Le Moteur Alternatif3. Le Moteur Asynchrone Triphasé
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Lotfi BOUSSAID 131
Motorisation et Commande de Machines
Dispositifs de sécurité et commande
III. Le Moteur Alternatif3. Le Moteur Asynchrone Triphasé
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Motorisation et Commande de Machines
Sectionneur Contacteur Relais thermique
Variateur de vitesse
le courant est modulé par largeur d'impulsions (PWM).Le courant résultant est proche d'une sinusoïdale
III. Le Moteur Alternatif3. Le Moteur Asynchrone Triphasé
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III. Le Moteur Alternatif3. Le Moteur Asynchrone Triphasé
Variateur de vitesse
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III. Le Moteur Alternatif
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3. Le Moteur Asynchrone Triphasé
III. Le Moteur Alternatif
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3. Le Moteur Asynchrone Triphasé
III. Le Moteur Alternatif
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Plaques signalétiques
Branchement
Nombre de tours par minute
Fréquence d’alimentation
Puissance nominale
Facteur de puissance
Courant nominalCourant nominal
MasseIndice de protection
Classe d'isolation F
Année et mois de production
Température ambiante de fonctionnement
3. Le Moteur Asynchrone Triphasé
III. Le Moteur Alternatif
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Machines-outils Ascenseurs TreuilsPompes
3. Le Moteur Asynchrone Triphasé
III. Le Moteur Alternatif
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Avantages :
- Faible coût d'achat - Faible coût d’entretien- Puissance importante
Applications :
Inconvénients :
- Couple de démarrage faible- Glissement è Asservissement en vitesse difficile- Manque de "confort" mécanique ( démarrage brutal)- La vitesse dépend de la charge - Courant de démarrage 3 à 5 fois supérieur au
courant nominal
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4. Le Moteur Synchrone
III. Le Moteur Alternatif
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- Présence de 2 collecteurs sur l'axe du rotor bobiné
- Moteur à rotor à aimant permanent ( petite puissance) ou à rotor bobiné
- Alimentation du stator en triphasé alternatif;- Alimentation du rotor en courant continu
Constituants :
Caractéristiques électriques :
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4. Le Moteur Synchrone
III. Le Moteur Alternatif
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- Vitesse de rotation égale ou sous multiple entier de la vitesse du champ tournant
Symboles :
nombre de paire de pôles 1 2 3 5 10
pas polaire en degré 180 90 60 33 18
vitesse du champ tournant en s-1 50 25 16.6 10 5
vitesse du rotor en tours/minute 50 3000 1500 1000 600 300
(avec des onduleurs à thyristor pour des puissances > 1000 kW)T.G.V. Atlantique , propulsion de gros navire, malaxeur (industrie chimique), circulateur (centrale nucléaire)
Exemples d'utilisation:
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Plan du cours
• Technologies des Circuits Intégrés
• Les Alimentations Électriques
• Architecture des Microordinateurs PC
• Motorisation et Commande de Machines
• Les Microcontrôleurs
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Lotfi BOUSSAID 139139
Von Neumann vs. Harvard
MÉMOIRE CPUIO
• • • • •IO IO
BUS SYSTÈME
MÉMOIREDONNÉES CPU IO • • • • •IO IO
BUS DONNÉES
BUS INSTRUCTIONS
MÉMOIREPROGRAMME
• Von Neumann
• Harvard
Les Microcontrôleurs
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Les processeurs CISC(Complex Instructions Set Computer)
• Instructions plus proches d'un langage de haut niveau • Programmation plus compact • Écriture plus rapide et plus élégante des applications • Moins d'occupation mémoire des programmes • Exécution nécessite moins d'octets mémoire
Les avantages
• beaucoup trop de codes d'instruction différents • taille des instructions élevée et variable (1 à 15 bytes – octets par instruction)• structure des instructions non standardisées: exécution complexe, peu performante
Les inconvénients
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Lotfi BOUSSAID 141141
Les processeurs RISC(Reduced Instructions Set Computer)
• Nette séparation entre les instructions d'accès mémoire et les autres
• Instructions standardisées, en taille et en durée d'exécution
• Unité de décodage câblée, non microcodée architecture pipeline, superscalaire
• Très nombreux registres à usage général
• Un ou plusieurs cache (s) internes(s) ainsi que des tampons internes et un jeu d'instruction réduit aux instructions simples
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Lotfi BOUSSAID 142142
Le pipeline (ou pipelining)
• LI : Lecture de l'Instruction (en anglais FETCH instruction) depuis le cache ; • DI : Décodage de l'Instruction (DECODe instruction) et recherche des opérandes;• EX : Exécution de l'Instruction (EXECute instruction)• MEM : Accès mémoire (MEMory access), écriture ou chargement de la mémoire ; • ER : Ecriture (Write instruction) de la valeur calculée dans les registres.
Objectif du pipeline : Être capable de réaliser chaque étape en parallèle avec les étapes amont et aval
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Lotfi BOUSSAID 143
Les Microcontrôleurs
Le PICs de MICROCHIP
Les PICs sont des composants dits RISC (Reduced Instructions Set Computer)
• La famille Base-Line : mots d’instructions de 12 bits• La famille Mid-Range, qui utilise des mots de 14 bits (16F84, 16F876, ..)• La famille High-End, qui utilise des mots de 16 bits.
Tous les PICs Mid-Range ont un jeu de 35 instructions, stockent chaque instruction dansun seul mot de programme, et exécutent chaque instruction (sauf les sauts) en 1 cycle.
Qu’est-ce qu’un PIC ?
Un PIC est un microprocesseur à lequel on a rajouté des périphériquesUn PIC est un microprocesseur à lequel on a rajouté des périphériques
Les familles des PICs :
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Lotfi BOUSSAID 144
Le PICs de MICROCHIP (2)
Identification d’un PIC
q PIC16è indique un PIC Mid-Range
q C indique que la mémoire programme est une EPROM ou plus rarement une EEPROM
q CR pour indiquer une mémoire de type ROM
q F pour indiquer une mémoire de type FLASH
q Les derniers chiffres identifient le PIC
q -XX représente la fréquence d’horloge maximale
Un composant qu’on ne peut reprogrammer est appelé O.T.P. pour One Time Programming
un 16F84-04 est un PIC Mid-Range (16) donc la mémoire programme est de type FLASH (F) donc réinscriptible de type 84 et capable d’accepter une fréquence d’horloge de 4MHz.
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Lotfi BOUSSAID 145
Le PIC 16F84-04
Les Microcontrôleurs
- 35 instructions - Instructions codées sur 14 bits - Données sur 8 bits - 1 cycle machine par instruction, sauf pour les sauts (2 cycles machine) - Vitesse maximum 10 MHz soit une instruction en 400 ns (1 cycle machine = 4 cycles d'horloge) - 4 sources d'interruption
- 1000 cycles d'effacement/écriture pour la mémoire flash, 10.000.000 pour la mémoire de donnée EEPROM
Principales caractéristiques :
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Lotfi BOUSSAID 146
Le PIC 16F84-04
Les Microcontrôleurs
Brochage et fonction des pattes
- VSS, VDD : Alimentation - OSC1,2 : Horloge - RA0-4 : Port A - RB0-7 : Port B - T0CKL : Entrée de comptage - INT : Entrée d'interruption - MCLR : Reset : 0V
- Choix du mode programmation : 12V - 14V
- Exécution : 4.5V - 5.5V
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Lotfi BOUSSAID 147
Le PIC 16F84-04Architecture interne
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Lotfi BOUSSAID 148
Le PIC 16F84-04Organisation de la mémoire
Mémoire programme 1K x 14 bits
Mémoire données 2 x 128 bits
Architecture HarvardArchitecture Harvard
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Lotfi BOUSSAID 149
Le PIC 16F84-04
Organisation des instructions
1- Les instructions « orientées octet »Elles sont codées de la manière suivante :- 6 bits pour l’instruction : logique, car comme il y a 35 instructions, il faut 6 bits pour pouvoir les coder toutes- 1 bit de destination(d) pour indiquer si le résultat obtenu doit être conservé dans le registre de travail de l’unité de calcul (W pour Work) ou sauvé dans l’opérande (F pour File).- Reste 7 bits pour encoder l’opérande (File)
Quatre types d’instructions :
2- Les instructions « orientées bits »Manipulation directement des bits d’un registre particulier. Elles sont codées de la manière suivante :- 4 bits pour l’instruction (dans l’espace resté libre par les instructions précédentes)- 3 bits pour indiquer le numéro du bit à manipuler (bit 0 à 7 possible), et de nouveau :- 7 bits pour indiquer l’opérande.
Les Microcontrôleurs
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Lotfi BOUSSAID 150
Organisation des instructions (2)
3- Les instructions généralesInstructions qui manipulent des données. Elles sont codées de la manière suivante :- L’instruction est codée sur 6 bits- Elle est suivie d’une valeur IMMEDIATE codée sur 8 bits (donc de 0 à 255).
4- Les sauts et appels de sous-routinesCe sont les instructions qui provoquent une rupture dans la séquence de déroulement du programme. Elles sont codées de la manières suivante :- Les instructions sont codés sur 3 bits- La destination codée sur 11 bits
Le PIC 16F84-04
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Le PIC 16F84-04
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Liste des instructions
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Lotfi BOUSSAID 152
Le PIC 16F84-04
Organisation d’un programme assembleur
q Les de commentaires sont précédés par le symbole « ; »q Les DIRECTIVES sont des commandes destinées à l’assembleur
• ORG 0x000• __CONFIG _CP_ON & _WDT_ON & _PWRTE_ON & _HS_OSC
q Les fichiers « include » • #include <p16F84.inc>
q Les assignations• mavaleur EQU 0x05
q Les définitions • #DEFINE monbit PORTA,1
q Les macrosLIREIN macro
comf PORTB,0andlw 1
endmq La zone des variables
q CBLOCK 0x00C ; début de la zone variablesw_temp :1 ; Zone de 1 bytestatus_temp : 1 ; zone de 1 bytemavariable : 1 ; je déclare ma variable
ENDC ; Fin de la
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Lotfi BOUSSAID 153
Le PIC 16F84-04
Les différents types d’adressage :
q Adressage immédiatq movlw 0x50 ; W ç 0x50
q Adresage direct• movf 0x10,w ; W ç (0x10) contenu de l’emplacement mémoire
q Adressage indirect• movlw 0x50 ; W ç 0x50• movwf mavariable ; mavariable ç 0x50• movlw mavariable ; W ç 0x0E• movwf FSR ; on place l’adresse de destination dans FSR.• ; FSR POINTE sur mavariable• movf INDF,w ; w ç 0x50
Incf f,d
d : destination elle peut avoir :• f : résultat dans l’emplacement mémoire.• w : résultat est laissé dans le registre de travail,
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Lotfi BOUSSAID 154
Le PIC 16F84-04
Les Microcontrôleurs
Ports d'entrées/Sorties
Câblage interne d’une patte d’un Port
- 5 pattes d'entrée/sortie bidirectionnelles, notées RAx avec x={0,1,2,3,4}
- Le registre PORTA, d'adresse 05h dans la banque 0, permet d'y accéder en lecture ou en écriture.
- Le registre TRISA, d'adresse 85h dans la banque 1, permet de choisir le sens de chaque patte (entrée ou sortie) : un bit à 1 positionne le port en entrée, un bit à 0 positionne le port en sortie.
Port A
- "Data Latch" : Mémorisation de la valeur écrite quand le port est en sortie.
- "TRIS Latch" : Mémorisation du sens (entrée ou sortie) de la patte.
- "TTL input buffer" : Buffer de lecture de la valeur du port. La lecture est toujours réalisée sur la patte, pas à la sortie de la bascule d'écriture.
- Transistor N : En écriture : Saturé ou bloqué suivant la valeur écrite.
- En lecture : Bloqué. - Transistor P : Permet d'alimenter la sortie.
Câblage interne d'une patte du port A :
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Lotfi BOUSSAID 155
Le PIC 16F84-04
Les Microcontrôleurs
- 8 pattes d'entrée/sortie bidirectionnelles, notées RBx avec x={0,1,2,3,4,5,6,7}
- Le registre PORTB, d'adresse 06h dans la banque 0, permet d'y accéder en lecture ou en écriture.
- Le registre TRISB, d'adresse 86h dans la banque 1, permet de choisir le sens de chaque patte (entrée ou sortie) : un bit à 1 positionne le port en entrée, un bit à 0 positionne le port en sortie.
- Les quatre bits de poids fort (RB7-RB4) peuvent être utilisés pour déclencher une interruption sur changement d'état.
- RB0 peut aussi servir d'entrée d'interruption externe.
Port B
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Le PIC 16F84-04
Les Microcontrôleurs
Le Compteur (Timer)
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La Programmation
Langage C / BASIC
Langage Assembleur
Hexadécimal
Haut niveau Bas niveau
PCProgrammateur PIC
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1er Exemple : Allumer une LED par bouton poussoir
LIST p=16F84include "P16F84.inc“__CONFIG _CP_ON & _WDT_ON & _PWRTE_ON & _HS_OSCorg 0x0000
bsf STATUS,RP0 ; sélectionner bank 1movlw b‘11111111' ; Port B en entréemovwf TRISBmovlw b‘00000000' ; Port A en sortiemovwf TRISAbcf STATUS,RP0 ; sélectionner bank 0
boucle btfsc PORTB,2 ; tester RB2, sauter si vaut 0bcf PORTA,2 ; sinon on allume la LEDbtfss PORTB,2 ; tester RB2, sauter si vaut 1bsf PORTA,2 ; RB2 vaut 0, donc LED
éteintegoto boucle
end
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Lotfi BOUSSAID 159
2ième exemple : Faire clignoter une LED (Langage C)
#include <16F84.h>#fuses HS,NOPROTECT,NOWDT #use delay(clock=16000000) #define LED PIN_RA2Void main(){
while( 1 ){Output_bit(LED,1);Delay_ms(500);Output_bit(LED,0);Delay_ms(1000);
}}
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#include <16F876a.h>#fuses HS,NOPROTECT,NOWDT #use delay(clock=16000000)Void avance(int i){
Int j;For(j=0;j<=i;j++){
Output_b(6); //1ère positionDelay_ms(5); //pause entre 2 pasOutput_b(5); //2ème positionDelay_ms(5); //pause entre 2 pasOutput_b(9); //3ème positionDelay_ms(5); //pause entre 2 pasOutput_b(10); //4ème positionDelay_ms(5); //pause entre 2 pas
}Return;
}Void main(){
Avance(4); //Fait tourner le moteur de 16 pas}
La fonction avance() permet de faire tourner le moteur pas à pas de n*4 pas
23 22 21 20
RB3 A RB2 B RB1 C RB0 D Port B
Etat1 0 1 1 0 6
Etat2 0 1 0 1 5
Etat3 1 0 0 1 9
Etat4 1 0 1 0 10
3ième exemple : Commande de moteur pas à pas
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4ième exemple : Commande d’un panneau solaire
LDRELDRE
LDROLDRO
FDCEFDCE FDCOFDCO
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Le PIC 16F877A
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Le PIC 16F877A
Les Microcontrôleurs
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Le PIC 16F877A
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Le PIC 16F877A
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Le PIC 16F877A
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Le PIC 16F877A
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Le PIC 16F877A
Les Microcontrôleurs
Logiciel : MPLAB (www.microchip.com)• Langage :
– ASM (assembleur)– C (compilateur PICC, C30, … selon le PIC)
• Simulation du code via MPASM
• Programmation :– ICD2 (In-Circuit Debugger), RS-232– module dédié comme le « dataman48 »