Système d'acquisition température

CELCIUS

GSEA 2 - Mars 2016 -

Encadré par : M.Aimad EL MOURABIT

Réalisé par : ENNEBET Mohammed

TALIB Karim

GUEDIRA Mohammed

Conception des Systèmes Electroniques Mars 2016

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Sommaire :

I. INTRODUCTION GENERALE……………………………………………………….….3

1-1. CONTEXTE DU PROJET, OBJECTIFS ET MOTIVATION ….……….3

1-2. APPEL D’OFFRE…………………………………………………………………..4

II. METHODOLOGIE DE GESTION DU PROJET…………………………..…..……5

2-1. OBJECTIF DU PROJET………………………………………………………....6

2-2. PARTIES PRENANTES………………………………………………..……….6

2-3. PRODUCT BREAKDOWN STRUCTURE…………………………………6

2-4. WORK BREAKDOWN STRUCTURE………………………………………7

2-5. DIAGRAMME DE GANTT…………………………………………………….7

III. ELABORATION DU SYSTEME……………………………………….……………..…8

3-1. SCHEMA DU MONTAGE …………………………………………….….....8

3-2. SOLUTION PROPOSEE………………….………………….………………...9

3-3. INTERFACE GRAPHIQUE EN C#………………………………………..13

IV. REALISATION DU SYSTEME………………………………………………………..23

4-1. LE FLOT DE CONCEPTION DES MICROSYSTEMES : UN APERCU

THEORIQUE GENERAL…………………………………………………………………23

4-2. SCHEMA ORCAD……………………………………………………………..…25

4-3. LAYOUT…………………………………………………………………………….26

4-4. LA TECHNOLOGIE IMPRIMEE………………………………..…………..28

V. CONCLUSION …………………………………………………………………………..31


3

I. INTRODUCTION GENERALE

Les systèmes d’acquisition de données sont devenus, de nos jours un élément

clé pour l’avenir de l’industrie, bien qu’ils reposent sur des critères de sélection

(au niveau grandeur mesurée : Température, bruit, etc.) et exigences (Système

temps réel, utilisation à proximité du point de mesure, enregistrement de

données); ils sont aujourd’hui beaucoup plus autonome, intelligent et facile à

configurer.

1-1. CONTEXTE DU PROJET, OBJECTIFS ET MOTIVATION

Le semestre précédant était pour nous, un semestre où nous avons acquis des

connaissances non sans importance au niveau conception des systèmes

électroniques, la démarche suivie par notre encadrant, consistait à nous

orienter vers un apprentissage, non seulement basé sur l’échange mais aussi,

nécessitant de l’autonomie pour pouvoir construire le profil d’un bon

électronicien.

De l’électronique combinatoire, à la théorie séquentielle, nous avions

l’opportunité d’étudier des systèmes vus en intégralité, et faisions leur

simulation comportementale sur l’outil de CAO, dont le choix s’est présenté

comme étant le plus judicieux, ceci nous a permis de bâtir de nouveaux

concepts, dont le plus primordiale était de comprendre que le but ultime de la

conception est de produire le dessin des masques d’un circuit qui est

fonctionnellement équivalent à ses spécifications initiales. Cette conception,

est initialement descendante, c’est-à dire que, conservant la fonctionnalité,

respectant des objectifs décidés au niveau supérieur (Timing, consommation,

surface) et obéissant à certaines contraintes physiques, elle doit passer d’un

niveau d’abstraction à un autre plus bas.


4

Il nous a été, par la suite, important de travailler sur des systèmes

microprogrammés, pour appréhender la relation de passage (câblé,

microprogrammé), ceci s’est manifesté par des applications pratiques, dont

l’intérêt était aussi de découvrir des IDE (mikroC), et se disposer d’un amas de

connaissances pour le projet présent.

C’est dans ce contexte que s’inscrit le projet que nous présentons (CELSIUS),

qui, de par sa simplicité, se décrit comme une application dans laquelle nous

allons investir, temps et effort. Nous tenons donc à remercier notre encadrant

pour cette opportunité.

Nous espérons, lors de ce projet, se confronter à la pratique, découvrir un

nouvel aspect de la conception en électronique et aboutir à une bonne

réalisation du système en question afin de répondre aux spécifications conçues

dans le cahier de charges.

1-2. APPEL D’OFFRE


5

II. METHODOLOGIE DE GESTION DU PROJET

Et si la gestion de projet n’existait pas…

Définition : Un projet est un ensemble d’activités à réaliser en vue d’un

objectif défini, en temps et budget maîtrisés.

De cette définition, il est primordial de rappeler que tout projet passe par des

étapes structurant sa conduite et gestion, nous allons les expliciter dans le

chapitre présent :


6

2-1. OBJECTIF DU PORJET :

Conception et réalisation d’un système d’acquisition numérique de

température, sur une carte électronique, avec interface de communication

développée en C#.

2-2. PARTIES PRENANTES

Maîtres d’œuvre :

TALIB Karim – Elève ingénieur en Systèmes Electroniques

GUEDIRA Mohammed – Elève ingénieur en Systèmes Electroniques

ENNEBET Mohammed – Elève ingénieur en Systèmes Electroniques

Maître d’ouvrage :

La société ENSAT

2-3. PRODUCT BREAKDOWN STRUCTURE

Afin d’avoir une vision hiérarchique et modulaire du produit demandé, et dans

l’optique de répartir les tâches entre les acteurs concernés par ce projet, une

décomposition arborescente du produit en éléments fins s’avère capitale.

Figure 0: Product Breakdown Structure

Système d’acquisition de

température

Acquisition et contrôle

de température Interfaçage avec PC Dépassement du seuil Capteur pluviométrique

intégré au système

LM35

LCD

LED seuil normal

Communication

RS232

MAX 232

LED d’alerte

PIC16F877A

Empreinte

Layout

Transistor

2N2222


7

2-4. WORK BREAKDOWN STRUCTURE

Le WBS répond à « quoi faire », c’est-à-dire la décomposition arborescente

des tâches à effectuer.

1

Figure 1 : Work Breakdown Structure

2-5. DIAGRAMME DE GANTT

Nous nous sommes mis d’accord sur le planning montré ci-dessous, et avons

établi le diagramme de Gantt suivant :

Figure 2 : Diagramme de Gantt

Système d’acquisition de

température

Montage sur ISIS Code sur MikroC Interface C# Schéma ORCAD Gestion du projet

Layout

Impression du

circuit

Tests sur

maquette


8

III. ELABORATION DU SYSTEME

Cette partie se propose de mettre en lumière la réalisation du prototype

proposé, nous présenterons dans un premier temps le schéma de

design/simulation sous ISIS, nous détaillerons dans une deuxième partie la

solution proposée pour répondre aux fonctionnalités prescrites dans le cahier

de charge, puis, nous nous intéresserons à expliciter la partie interfaçage avec

PC, dans laquelle nous présenterons l’application CELSIUS développée en C#.

3-1. SCHEMA DU MONTAGE

Figure 3 : Design du système sous ISIS Proteus

Le design comporte :

Un microcontrôleur 16F877A

Un afficheur LCD 16 caractères x2 lignes


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Un circuit intégré MAX232 pour adapter les signaux issus du PIC à la

machine

Un capteur de température LM35

Un quartz de fréquence 16MHz

Un connecteur RS232 (connexion entre le matériel et l’interface C#)

Un transistor 2N2222, connecté à la broche RD5 du microcontrôleur via

son émetteur, pour assurer la présence d’humidité si un signal sollicite sa

base

3 Résistances de valeur 220 Ω

3 LEDS, une bleue pour l’humidité, une deuxième verte pour le seuil

normal, et une dernière rouge pour le dépassement du seuil réglé par

l’usager

6 Capacités, dont 4 polarisés (1 µF) pour le MAX232, et 2 de valeurs 22

pF liées à l’horloge du système

Un potentiomètre 10 KΩ pour le réglage du contraste de l’afficheur

Un bouton poussoir fictif, pour la simulation du prototype en cas

d’humidité

3-2. SOLUTION PROPOSEE :

La vue que nous avons pour développer l’exécution de notre programme, afin

de le simuler sur ISIS, est un choix, que nous voyons optimal; pour produire un

code de qualité répondant aux contraintes de notre client dans des temps et

des coûts prévisibles. Cette vue se caractérise par un paradigme de

programmation impérative procédurale dont le traitement de données est

séparé de données elles-mêmes. Générées sous fichiers headers, les parties de

code sous MiKroC sont détaillées dans ce volet :

Fonction d’initialisation :

Dont le rôle est de configurer les registres d’entrées/sorties (TRIS), ainsi que le

module de conversion A/N + l’afficheur LCD et le protocole de transmission

série USART, tout en prévoyant des temporisations pour la stabilisation de

chacun de ces modules.


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Fonction d’affichage :

LongToStr, en plus de la conversion en String, classe les données à afficher en

fonction de la longueur déclarée du tableau, dans notre cas, et avec 12

caractères, elle affichera les 5 caractères de température (3 chiffres

représentant la partie entière, la virgule et la précision 0.1) après 7 espaces

vides.

A noter que 223 en décimal est l’équivalent du code ASCII du caractère °


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Fonction Dépassement seuil :

Par défaut, La LED verte s’allume indiquant que le seuil est dans un état

normal, avant d’être ajusté par l’utilisateur.

Lors de l’établissement d’une connexion RS232 avec le PC, l’utilisateur a la

commande de réglage du seuil, lorsque ce dernier est dépassé, un caractère ‘ a’

est envoyé via le port série pour déclencher le système de ventilation

(représenté dans notre schéma par une LED rouge)

Fonction Humidité :

Le signal émis par le transistor 2N2222, permet par le biais de la broche RD5,

d’allumer la LED bleue indiquant la présence d’humidité (broche RD4), la

temporisation mentionnée permet de vérifier, chaque 4 secondes, si l’humidité

est toujours présente.


12

Le programme principal :

Composé d’une partie configuration et d’une partie main, dans laquelle les

fonctions sont appelées de manière ordonnée.

UNE SIMULATION FONCTIONELLE :

Figure 4 : Simulation du système


13

3-3. INTERFACE GRAPHIQUE C#

« L’informatique serait restée une petite industrie si le transistor n’avait pas été

inventé ! »

Parler de code c’est bien, parler de son implémentation c’est encore mieux,

mais parler de son développement dans le cadre d’une application utilisateur

c’est aujourd’hui tout aussi essentiel. Aussi bien que les interfaces homme

machine sont maintenant encore plus facile à manipuler et intègrent un

nombre de fonctionnalités important, elles sont ergonomes et plus évolutives

(en terme de Design)

Le cahier de charge nous a imposé de développer une interface utilisateur qui

indique la valeur de la température mesurée par le capteur en temps réel,

prévoit un réglage du seuil de la grandeur en question, et stocke les résultats

de valeurs sur un archivage représenté par un fichier.txt

Le langage recommandé pour créer notre interface est le langage C#.

Développé par Microsoft, et à paradigmes multiples; il combine les principes de

C/C++ et il est parfaitement conçu pour les plateformes Windows. Nous allons

utiliser le concepteur Windows Forms et la boîte à outils du logiciel Microsoft

Visual Studio 2010 pour créer cette interface. Nous allons l’utiliser avec une

vision orientée objet.

Une version future :

Figure 5 : Présentation de l’interface en C#


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A mentionner que notre application, comportera une option de traçage de

graphe de température en temps réel.

A présent, détaillons le code extrait par extrait :

Utilisation des directives et déclaration de variables :

Tout code commence par une utilisation des directives qui répertorient les

namespaces et les bibliothèques de classes utilisées par l’application, on

déclare après les variables utilisées :

- Un entier i pour la boucle d’itération (traçage de graphe)

- Une chaîne de caractères pour lire la data venant du port série.

- Une autre chaîne de caractère pour le stockage du seuil ajusté par l’usager.

- Deux floats resultat1 et seuil1, outputs de conversion de strings resultat et

seuil, feront objet de comparaison en cas de dépassement du seuil.

- Une variable booléenne test indiquant la validation du seuil.

- Deux tableaux x (axe de temps) et y (température) de longueurs 1500 pour le

graphe.

Remarque : ZedGraph est une librairie open source qui permet le traçage des

graphes de grandeurs physiques, nous l’avions utilisé pour notre interface.


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Réception de données (PORT SERIE)

La réception de la température se fait avec un pas d’échantillonnage de

100ms, faisant ainsi appel à une fonction Ecrire qui affiche la mesure sur un

label, tout en générant l’historique des relevés associés à leur date et heure

relatives, et en traçant chaque mesure sur le graphe.

Affichage température :


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Fichier back-up :

Un fichier back-up est généré ensuite pour la mémorisation des relevés

précédents, l’acquisition des 3 données (Date+heure+température) se fait sur

un octet.

Evénement du click sur le bouton « Ouvrir historique » :

Lorsque le fichier n’est pas généré correctement, l’exception est gérée en

affichant une fenêtre contenant un message d’erreur.


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Evénement du click sur le bouton « Mesurer »

Les boutons historique et Arrêt sont actives lorsqu’on commence la mesure

via le port série, si le seuil n’est pas validé, une fenêtre d’exception s’affiche sur

l’écran de l’utilisateur pour le rappeler à le valider.

Evénement du click sur le bouton « Arrêter »


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Fermeture de l’interface et traçage de graphe

Le traçage de graphe est programmé dans l’événement du Timer_Tick parce

qu’il s’exécute en temps réel.

Exit :

Les objets à loader lors du débogage de l’interface :


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SIMULATION DE L’INTERFACE

Une première vue (ancien design) de l’interface avec le fichier back-up :

Figure 6 : Celsius

Figure 7 : Fichier back-up


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Pour un seuil de 14 °C, la figure 8 montre une température de 13.1 °C

Figure 8 : Seuil normal simulé

A 17 °C, le seuil est dépassé, la LED rouge s’allume, et le message s’affiche.

Figure 9 : Seuil dépassé


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La figure suivante montre, le seuil normal (allumage de LED verte), dans la

maquette de test :

Figure 10 : Seuil normal sur maquette d’essai

Un autre test de dépassement :

Figure 11 : Seuil dépassé sur maquette d’essai


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La connexion avec l’interface montre le seuil dépassé :

Figure 12 : Seuil dépassé sur interface

Perspectives du chapitre III :

Il sera abstrait de simuler le système d’acquisition sans passer par les étapes

de conception amenant à sa réalisation. Par conséquent, il est nécessaire

d’avoir des outils de développement pour pouvoir toujours accomplir les

spécifications du cahier de charge, le meilleur et même le seul recours est la

CAO qui reste indispensable pour la réalisation de tout système électronique.

Le véritable challenge dans la CAO se situe au niveau des méthodes

numériques fiables qui offrent à la fois des caractéristiques exactes et un temps

de calcul réduit.

Nous avons simulé dans ce chapitre, le système d’acquisition de température,

et testé sur maquette les différentes spécifications du cahier de charge, dont la

majorité a été validée. Nous avons aussi développé l’interface utilisateur qui

permettra une utilisation conviviale dans la collecte de données.


23

IV. REALISATION DU SYSTEME

4-1. LE FLOT DE CONCEPTION DES MICROSYSTEMES :

UN APERCU THEORIQUE GENERAL

La conception d’un système s’appuie bien entendu sur des outils de CAO. Ces

outils gèrent de façon efficace les grandes quantités de données qui sont

nécessaires au processus de conception. Ils permettent notamment de

modéliser les composants à différents niveaux d’abstraction et de simuler leur

comportement.

Dans ce chapitre, nous décrirons d’une manière générale le flot de conception

microsystème, puis nous simulerons sur ORCAD notre système, et générerons

dans une dernière partie son layout pour le réaliser.

Le flot de conception :

Les méthodologies de conception de circuits intégrés reposent sur des

approches très structurées. Elles sont basées sur la validation par simulation à

différents niveaux hiérarchiques de représentations et utilisent des

bibliothèques de composants dans un environnement CAO. Typiquement, la

méthodologie de conception est top-down, depuis les niveaux d’abstraction les

plus haut, avec donc moins de détail, vers les niveaux d’abstraction plus bas où

tout le détail sur le circuit à fabriquer est disponible. A l’inverse, la conception

bottom-up commence par les niveaux les plus bas et procède par abstraction

vers les niveaux plus hauts. Ces approches très structurées servent à réduire le

nombre de cycles de conception-fabrication-test et, par voie de conséquence,

le temps de conception.

Au plus bas niveau, nous avons le dessin des masques de lithographie. A partir

de ces masques, les outils permettent de simuler le procédé de fabrication et la

physique des composants. Dans la microélectronique, il existe un nombre

réduit de composants (transistors, condensateurs, résistances etc.) et donc de

modèles, ces composants étant utilisés en grands nombres dans un circuit.

Procédant vers le haut, nous trouvons ensuite le niveau circuit. Les composants

sont ici interconnectés en formant un réseau électrique, le comportement de

chaque composant étant décrit par un modèle. Des outils appelés outils


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d’extraction du layout permettent d’identifier les composants et d’en tirer

automatiquement une netlist décrivant le circuit.

Etapes du flot de conception micro-électronique :

Depuis la spécification conceptuelle du microsystème à la fabrication et au

test du dispositif, le flot de conception micro-électronique est organisé d’une

façon structurée, nous allons le détailler à partir de cette figure :

Spécification conceptuelle du microsystème

Packaging suivant l’interaction avec l’environnement

Simulation comportementale (SPICE, HDL)

Raffinement du design électronique

Fabrication

Test

Simulation

Définition de l’architecture : Saisie du

schéma/Diagramme de blocs électronique

Modèles comportementaux (Circuits/Equations)

Dessin des masques et vérification DRC

Extraction de parasites

Macro-models électronique


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4-2. SIMULATION ORCAD

Soit le schéma de design :

Figure 13 : Design du schéma sur Capture

La première étape consiste à affecter les empreintes convenables à chaque

composant, pour ce faire, une sélection entière du schéma, puis on ouvre

l’éditeur de propriétés, et on fait associer chaque composant à son PCB

Footprint.


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Figure 14 : Capture des composants avec empreintes associées

Puis, on évalue notre circuit en effectuant une annotation automatique aux

composants, on vérifie après les règles électriques (DRC), et on génère la

nomenclature (BILL OF MATERIALS)

Il est important de générer le fichier de netlist.MNL avant de router le circuit !

4-3. LAYOUT

Sur Layout, on appelle le fichier NEWSCHEMA.MNL, puis on sauvegarde le

typon NEWSCHEMA.MAX, et on commence à placer nos composants tout en

optimisant au maximum la surface du circuit.

On dessine le contour de la carte, on modifie la largeur des pastilles (TOOL ->

PADSTACK -> SELECT FROM SPREADSHEET), et on définit un routage pour la

couche BOTTOM (Les autres couches, à savoir GND, TOP et POWER seront

inutilisés)


27

On configure les pistes en choisissant 30 inches comme largeur, et on modifie

aussi l’espace entre les pistes, comme la montre la figure ci-dessous :

Figure 15 : Route Spacing

Un routage automatique, et un plan de masse défini nous a donné le schéma

suivant :

Figure 16 : Routage du circuit


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CAPTEUR D’HUMIDITE :

Comportant des pistes conductrices parallèles, l’humidité est constatée

lorsqu’une goutte d’eau, excite la base du 2N2222, et le signal issu de son

émetteur transite vers le microcontrôleur, donnant un niveau logique positif à

la LED bleue.

L’empreinte de ce capteur est créée sur Layout :

Figure 17 : Empreinte du capteur pluviométrique

Les dimensions de ce capteur sont classées dans le tableau suivant :

Hauteur (thousandth of inches) 1025 (2.60 cm)

Largeur (th of inches) 1300 (3.302 cm)

Espaces entre pistes (thofinches) 25 (0.0635 cm)

4-4. LA TECHNOLOGIE IMPRIMEE

Utilisé pour la première fois dans les années 40, le circuit imprimé est une

technique de câblage par rubans de cuivre déposés sur un support isolant


29

d’épaisseur variant de 0.2 à 6 mm, relativement au matériau employé pour son

utilisation (Verre époxy, Téflon, Polyster mylar)

Plusieurs avantages sont à l’origine de l’emploi du circuit imprimé, nous

citerons :

+ Fiabilité,

+ Clarté du montage,

+ Répétitivité,

+ Fixation des petits composants.

L’étape de réalisation de notre circuit imprimé s’est effectuée dans la salle

B11, et répartie en 4 phases importantes :

Au premier lieu, nous avons commencé par l’insolation, dans laquelle, la

plaque d’époxy avec cuivre et couche photosensible était soumise à un

rayonnement d’UV durant un temps de 2 minutes. La couche photosensible

exposée au UV est donc dégradée et pourra être, par la suite, éliminée par le

révélateur.

Après l’insolation, vient la phase de révélation (par action chimique), dans

laquelle la plaque est plongée dans un bain révélateur (1 Litre) qui dissout le

vernis exposé au UV.

Puis, on procède à la gravure, la plaque est plongée dans un bain de

perchlorure de fer chauffé entre 20 et 50°C, pour ôter le cuivre qui n’était pas

protégé par le vernis.

Ensuite, nous avons mis à nu le cuivre, en frottant les plaques avec un chiffon

afin de faire disparaître la couche photosensible encore présente.

Remarque : Après la révélation et la gravure, nous avons rincé soigneusement

le circuit à l’eau claire. Il reste encore à réaliser les opérations de perçage et

éventuellement de soudage.


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Pour une première expérience, et avec un autre câblage du schéma (le même

système), nous avons abouti au circuit imprimé suivant :

Figure 18 : Capture de l’impression du circuit (Ici le LCD est connecté au port D,

les LEDs au port B)

Limitation :

L’emplacement de notre MAX232 n’était pas optimal dans ce cas (Une

rotation de 180 ° a empêché l’implémentation du MAX dans la plaque pour le

souder, la PIN 1 s’était coïncidée avec la PIN16), il nous a été indispensable

alors de refaire le routage, et par conséquence modifier le design, en

connectant le LCD au PORTB, les LEDs au PORTD et puis router le circuit à

nouveau. (cf. Figure 16)


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V. CONCLUSION

Le travail exposé dans ce rapport s’inscrit dans le domaine de la conception

des circuits électroniques, un domaine riche, certes, mais aussi dans la

recherche de plus en plus confirmée.

Le passage par les connaissances théoriques nous a permis d’approfondir le

travail pratique, nous avons pu franchir, aussi des limitations que nous

trouvions délicates, notamment au niveau CAO, l’expérience que nous avons

acquis nous a permis de découvrir les secrets de l’outil ORCAD- LAYOUT,

d’explorer les facettes du langage C# et de se familiariser à un niveau colossal

avec l’environnement ISIS, dans l’objectif de répondre au besoin spécifié.

Science

Système d'acquisition température