CONCEPTION ET REALISATION D’UN OBJET ELECTRONIQUEApplication : Relais bluetooth – Balance connectéeDe la conception à la fabricationDépartement GEII de l’IUT de l’IndreEric PERONNIN

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De nombreuses disciplines du DUT GEII en jeu

Gestion de projet

Mathématiques

Electronique Analogique

Electronique Numérique

Informatique

Embarquée

Physique des

capteurs

Anglais

CAO Electronique

Physique des

Capteurs

CarteElectroniqu

e

Aspects relatifs à la Gestion de ProjetDe la conception à la fabricationDépartement GEII de l’IUT de l’IndreEric PERONNIN

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Cahier des charges : critèresConception d’un boitier pilotable à distance permettant de commuter une lampe, peser un objet, mesurer la température ambiante.Critère N°1 : pilotage possible à partir d’un smartphone permettant également d’afficher diverses informations en provenance du boitier.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 et le circuit imprimé sont financés par le

département GEII.

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Cahier des charges : critèresCritère N°4 : consommation réduite. Enjeux écologique. Limiter le coût de fonctionnement. Permettre un fonctionnement sur batterie en mode balance

connectée.Critère N°5 : permettre différentes activités de travaux pratiques avec un système de développement simple d’utilisation, des boutons poussoirs et LEDs pour interagir simplement

avec l’utilisateur, un capteur de température, divers capteurs et périphériques via une connectique de type

Grove issue du le monde Arduino.

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Analyse et exploitation du cahier des charges

Deux aspects à considérer La possibilité de piloter une lampe, peser un objet, mesurer

une température. L’utilisation comme cible pour des travaux pratiques.Cas de l’application exploitant un smartphone Boitier autonome et mobile en mode balance connectée

intégration d’un système de communication sans fil compatible avec la majorité des smartphones et de petites exigences énergétiques,

alimentation par piles. Eléments de test :

Au moins un bouton poussoir, 1 LED.

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Analyse et exploitation du cahier des charges

Cible pour les travaux pratiques LEDs et Boutons poussoirs en nombre (3 de chaque

minimum). 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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Analyse et exploitation du cahier des charges

Synoptique du système

Système de

contrôle

Capteur de température

Alimentation par bloc secteur USB ou piles

LED 1LED 2LED 3

Relais

Bouton Poussoir 1Bouton Poussoir 2Bouton Poussoir 3

Jauge de contraintesConnecteur

GroveCommunication /

AnalogiqueConnecteur

GroveTout ou Rien

Liaison PCProgrammation

Affichages divers

Liaison

sans fil

Conception Matérielle : orientation informatique embarquéeBoitier multifonctionDépartement GEII de l’IUT de l’IndreEric PERONNIN

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ConceptionChoix 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 tensionen 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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ConceptionChoix du mode d’alimentation. Bloc secteur 220v - 5v pour téléphone portable Batteries ou piles dans le cas de la balance connectée.

– 2 à 3 piles AAA. Solutions rejetées

– Dispositif stockant l’énergie des mouvements.» Les + :

• Bilan écologique.» Les - :

• Coût élevé car technologie propriétaire.• Difficulté de mise en œuvre.

– 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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ConceptionSolutions limitant la consommation. Choix du module de communication sans fil compatible

avec un smartphone : WIFI :

– consommation élevée rédhibitoire en mode balance connectée,– protocole permettant les accusés réceptions.

Bluetooth Low Energy :– portée limitée à un peu plus d’une dizaine de mètres,– consommation inférieure à une vingtaine de milliampères en

fonctionnement. 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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Conception détaillée du produit finalChoix des composants et bilan en terme d’entrées/sorties sur le microcontrôleur. 1 module Bluetooth 4.0 dit BLE

2 signaux de communication nécessaires. 1 capteur de température analogique

1 signal analogique. 3 boutons poussoirs et 3 LEDs

6 signaux digitaux (tout ou rien). 1 pont de mesure de la tension délivrée par les piles

1 signal analogique. 1 convertisseur Analogique/Numérique dédié à l’instrumentation de jauges

de contrainte3 signaux digitaux pour la configuration et la lecture de l’information

convertie. 1 relais

1 signal numérique partagé avec une sortie LED.

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Conception détaillée du produit final 1 liaison ICSP pour assurer la mise au point des programmes par

un module dédié Atmel ICE. 1 dispositif d’entrée opto-isolée (destination non liée au projet

exposé dans ce document). 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 ou point de

connexion pour un bloc secteur 5v.

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Conception détaillée du produit finalElaboration du schéma avec un outil de CAO électronique.

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Conception détaillée du produit finalListe des composants

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Conception détaillée du produit finalDessin des composants avec l’outil de CAO électronique empreintes physiques. Exemple avec le microcontrôleur.

Symbole sur le schémaEmpreinte physique en

vue de dessus sur le circuit imprimé

Composant réel

U 1

ATm ega328p

PC IN T0 /C LKO / IC P 1 /P B 014

O C 1A /P C IN T1 /P B 115

SS /O C 1B /PC IN T2 /PB 216

MO S I /O C 2A /PC IN T3 /P B 317

M ISO /P C IN T4 /P B 418

SC K /PC IN T5 /P B 519

PB 6 /XTA L19

PB 7 /XTA L210

PC IN T16 /R XD /P D 02

PC IN T17 /TXD /PD 13

PC IN T18 / IN T0 /PD 24

PC IN T19 /O C 2B / IN T1 /PD 35

PC IN T20 /XC K /T0 /PD 46

PC IN T21 /O C 0B / T1 /PD 511

PC IN T22 /O C 0A / A IN 0 /PD 612

PC IN T23 /A IN 1 /PD 713

AD C 0 /P C IN T8 /PC 023

AD C 1 /P C IN T9 /PC 124

AD C 2 /PC IN T10 /PC 225

AD C 3 /PC IN T11 /PC 326

AD C 4 /SD A /PC IN T1 2 /PC 427

AD C 5 /SC L /PC IN T13 /PC 528

PC 6 /R ES ET1

AVC C20

AR EF21

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Conception détaillée du produit finalDessin du circuit imprimé avec l’outil de CAO correspondant. Importation du schéma.

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Conception détaillée du produit finalDessin du circuit imprimé. Placement des composants.

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Conception détaillée du produit finalDessin du circuit imprimé. Tracé des pistes électriques sur les couches de cuivre.

FabricationBoitier multifonction.Département GEII de l’IUT de l’IndreEric PERONNIN

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Réalisation : fabrication du PCB1

Transmission des fichiers du dessin du circuit imprimé à un fabricant (1,20€ 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) :

1 : PCB = Printed Circuit Board = Circuit Imprimé

Sérigraphie dessus.Couche SST pour Silk Screen TOP.

Sérigraphie dessous.Couche SSB pour Silk Screen BOT.

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Réalisation : fabrication du PCBCouches de vernis épargne : Protection du cuivre contre l’oxydation. Isolation électrique. Les zones cuivrées non recouvertes de vernis sont

métallisées.

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.

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Réalisation : fabrication du PCBCouches 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).

Cuivre dessus.Couche TOP.

Cuivre dessous.Couche BOT.

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Réalisation : fabrication du PCBCouche 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.

Contour du circuit imprimé.Couche GKO/GML sur Altium Designer.

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Réalisation : fabrication du PCBCouche de perçage Fichier spécifiant la liste des trous de perçage (position

et diamètre; format Excellon)

Trous de perçage.Couche DRILL sur Orcad.

Fichier : thruhole.tap

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Réalisation : fabrication du PCBCouche de brasure : Permet la fabrication du masque de brasure pour souder

les CMS

Masque de brasure sur le dessus et sur le dessous.Couche SPT pour Solder Paste TOP sur Orcad et SPB en dessous.

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Travail de soudure.Placer le composant.

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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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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Le produit terminéA venir …

Développement LogicielBoitier multifonction.Département GEII de l’IUT de l’IndreEric PERONNIN

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Logiciel du boitier multifonctionsDéveloppement 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 en langage C.

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Environnement de développementEnvironnement 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 trèsvariable.

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Environnement de développementEnvironnement 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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Environnement de développementApproche « mixte » : utilisation du logiciel Arduino avec un éditeur de texte performant Intérêts

Disposer de la coloration syntaxique, des saisies prédictives …

Profiter des bibliothèques du monde Arduino avec toutes les réserves déjà évoquées.

Inconvénients Toujours pas professionnel. Mise au point temps réel impossible.

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Programmation dans la carteProgrammation et mise au point

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Logiciel sur le smartphonePlusieurs approches possibles Divers environnements/langages spécifiques pour chaque

cible Java sous Android Studio pour Android. Objective C pour iOS.

Des solutions multiplateformes Apache Cordova et ses dérivés. Microsoft Visual Studio Xamarin.

Solution retenue Apache Cordova reposant sur le développement d’une

application Web. Framework : ionic et AngularJS. Langages : html5 html et Javascript.

Modèle Powerpoint utilisé par les présentations Intel