Dossier Final PPPE MMA

Bac S-SI 2015

Groupe 7 | Dattler Marie / Guerre Mickal / Eiler Antoine

PPE PORTAIL AUTOMATISE

Lyce Jean-Jacques HENNER Page 1

BAC S-SI PPE 2015 Page 2

Introduction

1. Avant-propos

1.1 Principe du portail automatis

1.2 Cahier des charges

2. Conception du prototype

2.1. Etude lectronique

2.1.1 Carte E-block

2.1.2 Systme RFID

2.2 Etude des ondes

2.3. Etude mcanique

2.3.1 Moteur

2.3.2 Calculs mcaniques

2.4 Modlisation sur Solidworks

2.5. Ralisation

2.5.1 Utilisation imprimante 3d

2.5.2 Assemblage

Conclusion

Annexes

Remerciements

SOMMAIRE :


Il y a normment de familles possdant une maison, ainsi quune

ou deux voiture(s) gnralement. Cest pourquoi, quon peut

estimer que de nombreuses voitures sont en circulation

notamment certaines heures de pointe (telle le matin ou en

dbut de soire), on en dduit ainsi logiquement que ces

automobilistes doivent rejoindre leur proprit un moment ou un

autre.

Cela pose un problme car ils bouchent la circulation lorsquils

attendent devant leur portail par exemple. Li ce phnomne

dencombrement, le risque quun accident survienne lors du

temps douverture du portail diffre en fonction du dlais li que

prend le conducteur ouvrir son portail (manuellement ou par le

biais dune tlcommande) ce qui reprsente aussi une

inattention du conducteur et une source potentiel daccentuation

daccident. En plus de ce risque, en rentrant dun quelconque

endroit, lautomobiliste est souvent fatigu, press, et moins

attentif en lien la confiance quil ressent lorsquil est sur un

parcours quil ctoie tous les jours ( 73 % des accidents ont lieu

proximit du domicile Bernard Laumon, directeur de recherche

l'INRETS (Institut National de Recherche sur les Transports et leur

Scurit).


THEME : Lautomatisme

Sous-thme : Le portail automatis

Problmatique : Comment faire pour que le portail

souvre automatiquement sans laction de lhomme ?

Le groupe 7 sest intress ce projet car tout 3 tant en

conduite accompagne, nous nous sommes rendu compte

que le fait douvrir le portail avant de sy engager tait dans

certaines situations risqus en vue de cette

Ce ppe est un vrai plus par rapport au parcours scolaire

traditionnel car en parallle de notre scolarit, nous pouvons

mettre en pratique les connaissances et les techniques

apprises en cours pour raliser notre projet. Ainsi par le biais


de celui-ci, nos comptences se sont aiguises par la

pratique.

Notre ralisation ft un vrai processus, un acheminement,

entre les contraintes du cahier des charges, les tudes pour

dterminer quels composants ou quel systme choisir. Nous

nous sommes aussi pas mal appuys sur des modlisations sur

les logiciels pour nous aiguiller sur nos hsitations ou mme

pour crer nos propres pices.


1. Avant-propos

1.1 Principe du portail automatis

Le portail automatis fonctionne comme une sorte

de dtecteur qui au passage de la voiture souvre.

En effet un premier capteur est plac en amont,

ainsi le portail est ouvert avant que lautomobiliste

narrive.

Emetteur/Rcepteur

Portail

Auto


1.2 Cahier des charges

1) Objectif

Nous voulons permettre aux usagers de la route une scurit

optimale, pour ainsi limiter le risque daccidents, en retravaillant un

portail basique pour nettement lamliorer.

2) Zone tudie

Nous nous concentrons sur les clients de France, possdant une

proprit au bord de la route.

3) Description fonctionnelle

Le portail doit souvrir sans laction de lhomme, en dtectant la

voiture une certaine distance. Il se refermera automatiquement

aprs le passage de celle-ci

Voici quelques diagrammes pour mieux

comprendre :


Diagramme bte cornes :

Loutil du diagramme de la bte cornes permet didentifier :

- qui le produit rend-il service, en loccurrence lutilisateur

(propritaire)

- sur quoi agit-il, ici, il agit sur le portail (porte)

- le produit, le portail automatis

- la fonction principale du produit, dans ce cas, il sagit douvrir le

portail pour permettre laccs la proprit

Portail

automatis


Diagramme pieuvre :

Le diagramme pieuvre est un autre outil permettant didentifier

toutes les fonctions telles les fonctions principales (FP) ou les

fonctions de contraintes (FC).


4) Enveloppe budgtaire

Le portail en version miniature nous est revenu 50 (des

composants nous ayant t fournis, et des alternatives trouves).

Le portail en version relle aurait un prix approximativement

semblable un portail normal.

6) Dtails

Roulements :

Le moteur qui nous a t fourni est accompagn dun

rducteur, sa vitesse est donc de 5 tour/minute, ce qui tait

beaucoup trop faible. Cest pourquoi nous avons d chercher un

rapport de rduction avec des roues dentes, nous en avons

choisi 2 et les calculs ont dfinis un rapport de 2 entre elles. Le

choix sest alors tourn vers une petite, une moyenne et une

grande roue dente. La plus grande, qui tourne la mme vitesse

en m/s que la plus petite, se trouve sur la crmaillre pour

permettre une ouverture plus rapide du portail.

La plus petite et la plus grande roue dente sont alors sur un

mme axe, alors que la troisime roue dente se trouvant

ncessairement sur laxe du motorducteur. Les diffrentes roues

sont relies entre elles par le contact entre la petite et la moyenne

roue (petite et celle qui se trouve sur laxe du motorducteur).

Aprs ces adaptations le portail souvre donc avec une vitesse de

0.06m/s, en tenant compte quil na une longueur que de 250mm.

Pour chaque calcul il fallait tenir compte du poids du portail

qui est de 0.4kg, pour que les roulements soient suffisants pour le

supporter et ne pas peiner. Il fallait donc calculer le couple en

sortie du portail.

M=4x.0254= 1 Nm


Choix des matriaux et des composants :

Nous avons choisi un portail en acacia pour sa rsistance aux

intempries et sa lgret, et des composants les plus lger

possibles ; les roues dentes, la crmaillre et les roues gorges sont

en plastique.

La grande difficult a t de trouver des composants assez petits

pour convenir au portail. Cest pourquoi il nest pas une chelle

prcise. Nous avons donc adapt ce qui nous tait fournis au

portail.

Nanmoins le portail taille relle naura aucun soucis de

dimensionnement, ces composants seront disponibles avec un

nombre lev de choix.

Normes :

Le portail est soumis quelques normes telles que des normes de

scurit. Ainsi pour certifier que le portail rpond aux attentes

scuritaires, il faut quil soit quip :

- de capteurs permettant de dtecter la prsence dun

lment extrieur au systme dans la zone douverture ou de

fermeture du portail.

- dun feu clignotant permettant dalerter une quelconque

personne de la mise en mouvement du portail.

- dun mcanisme permettant de pouvoir ouvrir le portail

manuellement en cas de panne du moteur.


- dune alimentation secondaire (batterie) permettant

lalimentation du moteur en cas de coupure de courant.

- dun clairage sur la zone de dbattement du portail

- dun miroir en cas de non-visibilit pour effectuer des

manuvres

Il y a aussi des rgles administratives telles que :

- la Cerfa n13703*01 dclaration pralable la ralisation de

construction et travaux non soumis a permis de construction

portant sur une maison individuelle et/ou ses annexes.

- se rfrer au PLU (plan local durbanisme) pour savoir sil

faut effectuer une dclaration pralable pour l'installation

de votre portail.

- respecter une distance minimum par rapport la limite du

terrain.

- le non drangement du voisinage.

Les normes permettent de prvenir les risques de :

- Cisaillement

- Choc-impact

- Coupure nette

- Entranement

- Accrochage

- Emmlement

- Ecrasement

S'il n'est pas possible de supprimer ces risques, il doit le signaler par

un marquage visuel normatif.


2. Conception du prototype

2.1 Etude lectronique

1. Carte E-block

Pour grer les informations

reues et les ordres qui en

suivent, nous avons choisis

dutiliser une carte E-block car

nous tions plus laise sur ce

microcontrleur qui nous

permet dutiliser des

ordinogrammes spcifiques

cette carte plutt que dcrire

en C directement.

En effet, cette carte nous

permet dutiliser Flowcode qui

compile ensuite en C.


2. Systme RFID

Il nous fallait un systme permettant

dautomatiser notre portail (cur du projet).

Notre choix : le systme RFID

Mais comment cela fonctionne-t-il ?

Le systme RFID (Radio Frquence

Identification) est partag en 2 parties. Une

partie mettrice qui envoie des ondes radio

(9 kHz 3000 Ghz) ici, il sagit donde de 125

kHz et ainsi une porte de 0.5 m.

Lautre partie, rceptrice, appele

transpondeur ou tag utilise lnergie que lui

fournit lmetteur pour activer son circuit

imprim

(puce) et

mettre

son tour un

signal qui

sera capt

par le

lecteur RFID.


2.2 Etude des ondes

Nous voulions aussi savoir ce quil se passe plus prcisment entre

lmetteur et le rcepteur RFID. Nous avons trouv que le type de

liaison (onde radio) diffre entre le tag RFID et le lecteur RFID selon

lutilisation que lon veut en faire.

Par exemple, plus la frquence utilise est basse, plus la porte

des ondes est leve (et plus les ondes sont capables de traverser

les obstacles), ainsi plus la frquence est leve, plus lantenne

devra tre

puissante

pour galiser

la porte

dune onde

plus basse.

En outre, la

frquence

dtermine la

capacit de

transport dinformation de londe : plus la frquence est leve,

plus les variations de signal sont nombreuses dans un intervalle de

temps donn. Or linformation numrique est constitue de

variations du signal reprsentant des successions de 0 et de 1 (les

bits) ; plus le signal varie souvent, plus on peut vhiculer de bits par

seconde, et donc plus la vitesse de transmission de linformation

numrique est leve.


Nous nous sommes alors demands, en complment si ces ondes

ne perturberaient pas le bon fonctionnement des autres appareils

lectriques qui se trouvent proximit (distance qui diffre selon le

type donde radio), cest ainsi que nous avons trouv que les

frquences utilises n'entranaient pas de perturbation avec les

autres systmes lectroniques.

Dautre part, sur la multitude dondes mises, seule la premire est

dtecte considrant les autres perdues ou trop dcales et

donc ignores. Le lecteur RFID est trs performant puisquil est

capable d'identifier sans problme une cinquantaine d'tiquettes

par secondes, ce qui est peu prs 40 fois plus rapide que le

lecteur de codes barres.


2.3 Etude mcanique

1. Moteur

Pour entraner notre portail, il nous fallait un

motorducteur car la vitesse ou le couple

ont besoin de pouvoir se modifier tout

moment pour ralentir ou parer dventuelles

interfrences son bon fonctionnement.

Par soucis dconomie et de disponibilit,

nous avons pris un moteur appartenant au

lyce avec une vitesse de 5tr/min.

Moteur de 5 rpm :


2. Calculs mcaniques

Ds que les matriaux furent trouvs nous avons pu commencer

les calculs. Notre professeur de mcanique nous a gentiment

donn un motorducteur tournant 5 tr/min, nous avons donc

calcul la vitesse en rad/s=(5*)/30=0.523 rad/s. Notre dsir tait

que le portail souvre en environ 4 secondes, pour une distance de

250 mm, la vitesse de celui-ci devait donc tre 0.25/4=0.06 m/s.

Pour une vitesse douverture ou de fermeture comme celle-ci, il

nous fallait une roue dente correspondant , v=r* soit un

rayon=v/=0.06/0.523=0.11 m, or une roue dente de cette taille

tait beaucoup trop grande sachant les cotations du portail. Pour

atteindre la vitesse dsire, la vitesse du motorducteur devait

tre augmente par un systme dengrenage de rapport 2 (pour

doubler la vitesse possible par celui-ci). Afin darriver ces

attentes, nous avons choisi la plus petite roue dente puis son

double, ensuite nous avons pris la plus grande roue dente pour

augmenter la vitesse. Daprs ces calculs, soit v=r*

v=(modules*nombre de dent) * (0.523*2)=0.047 m/s. De plus, si

v=d/t t=d/v t=0.25/0.047=5.3 s. Le portail souvrira et se

fermera donc une vitesse moyenne de 0.047 m/s en 5.3

secondes. Or, le portail met le double de temps souvrir, ce qui

est srement d aux frottements qui lui sont infligs.


Une tude plus physique sur Latis-pro :

Sur ce logiciel nous avons pu crer diffrentes courbes afin davoir

leurs quations horaires, et darriver la modlisation de la vitesse,

pour en extraire la valeur de la vitesse initiale soit la valeur en tout

dbut de fonctionnement, 1.983mm/s-1.

Grce Latis-Pro nous avons aussi pu prouver que le portail en

tat de marche navait pas dacclration propre ; il est entran

par un moteur. Nous avons donc fait cette dmarche pour

louverture et la fermeture du portail pour avoir des valeurs qui leur

correspondent.

A partir des

donnes que

nous avons

visualis sur le

logiciel nous

avons cherch

modliser

lnergie

cintique du

portail en

fonctionnement,

nous avons donc

refait une courbe

correspondant

au mouvement en X, nous lavons ensuite drive laide du

logiciel pour crer ensuite la courbe correspondant la vitesse.

Finalement, nous avons russi modliser lnergie cintique sur

du papier millimtr pour pouvoir quand mme la visualiser.


En complment des calculs dj effectus nous avons calcul la

puissance du moteur Pmoteur= T*w=0.3*5=1.5 W, ainsi que la force

motrice qui est gale 0 kg.m.s-2. De plus nous avons aussi

cherch montrer pourquoi le portail avait une vitesse plus faible

que celle calcule, en plus des frottements que nous connaissions

dj. Nous avons donc cherch la formule de la rsistance de

lair, qui est =p/(R.T) avec :

est la densit exprime en kg.m^-3

p est la pression exprime en pascal

R est la constante pour l'air sec, gale 8.314510 J.mol^-

1.K^-1

T est la temprature exprime en K (avec K = C + 273.15)

= 1.293kg.m.s-3, certes cest une valeur qui ninfluent que

trs peu, mais tout est prendre en compte.


2.4 Modlisation sur Solidworks

Afin de nous aider tout au long de la progression

de notre ppe, loutil de la CAO (conception

assiste par ordinateur) nous

permis tout dabord de

prendre en compte les

contraintes techniques mis

en jeu, la dimension relle

des pices dans la globalit

du projet, et lanalyse du

fonctionnement du

prototype avec les vraies

valeurs.

La

cration virtuel nous a t

aussi trs utile pour la

fabrication sur mesure de

certaines pices (roues

dentes, support du moteur,

ou des roues) indispensables

la ralisation par la possibilit que nous offre

limprimante 3d.


2.5 Ralisation

2.5.1 Utilisation imprimante 3d

Comme signale dans le

paragraphe 2.4, lutilisation de

limprimante 3d nous a t un vrai

outil dans la ralisation.

Parue dans les annes 2012-2013

dans le march mondial,

limpression tridimensionnelle permet

ses utilisateurs, par fabrication

additive (de plastique dans notre

cas) de construire des pices en

taille relle grce un modle

CAO.


2.5.2 Assemblage

Notre maquette rallie une structure

en bois et des pices plus technique

en plastique (POM C).

De plus, le bois est un parfait matriel

de construction pour notre prototype

en vue de ses aspects ajustables et

robustes.

Afin de fixer les parties entre elles,

nous avons altern lutilisation de

colle trs performante et de fixation

basique (clous, ou vis).

Pour finir, par choix purement

esthtique nous avons cr un

environnement adapt o lon

pourrait placer notre portail pour

montrer lunit quil offre dans une

telle situation.


Rappel de la problmatique : Comment faire pour que le

portail souvre automatiquement sans laction de lhomme ?

Ainsi daprs cette tude pour raliser ce portail automatis,

il faut ncessairement un automatisme impliquant

logiquement un systme de capteur, un processeur pour

grer les diffrentes informations et les ordres programms, et

un moyen de raliser laction.

Systme RFID Carte E-block Relais

Alimentation

12V (transfo

/batterie)

Contacteurs Motorducteur

Engrenages

Crmaillre

Mcanisme

larrt

Mcanisme

en action


Etant donn que le portail peut tre un danger pour les

personnes qui lentourent, certaines normes sont imposes

cest pourquoi nous avons mis en place les moyens

ncessaires.


portail


Nous tenons remercier les personnes qui sen elles notre projet

naurait jamais vu le jour. Tout dabord nous voulions remercier nos

professeurs de science de lingnieur, M.Baur et M.Berteau pour

leur aide durant les nombreuses sances de PPE mais aussi

M.Heinis, professeur de physique-chimie, pour ses conseils aviss.

Pour finir, nous tenions aussi remercier M.Dattler, menuisier et

propritaire de la menuiserie DATTLER et toute son quipe, pour

nous avoir gentiment partager les locaux ainsi que leur savoir

pratique.

Documents

Dossier Final PPPE MMA