Présentation générale

Description

aspect envisageable

L'utilisation des LEDs devient de plus en plus intéressant lorsqu'il s'agit de concevoir des accessoires plus ou moins artistiques, qui assurent des jeux de lumières particuliers. C'est dans ce cadre que s'inscrit mon projet, celui de la création d'un collier à animations lumineuses. Il me faudra créer un collier de type plastron constitué de plusieurs plaques reliées entre elles. Ces dernières devront être semi-indépendantes au moins du point de vue électronique. Chacune des plaques possédera son propre micro-contrôleur qui communiquera avec les autres micro-contrôleurs à l'aide d'un protocole de communication spécifique (I2C, Serie...) afin d'assurer une animation cohérente. Les micro-contrôleurs embarqueront un pilote de LEDs pour la gestion des LEDS directement liées à leurs plaques.

Cette architecture nous permettra de nous affranchir d'un câblage laborieux.

Aussi, pour rajouter du dynamisme au collier, il est suggéré d'utiliser un accéléromètre qui, en fonction des mouvements du porteur, permettra d'obtenir différentes animations. Ainsi, nous pourrons jouer sur la vitesse de déplacement du porteur afin d'obtenir en sortie différentes animations traduisant cette vitesse.

Nous partirons sur le modèle de LEDs de type CMS, car sa taille plus ou moins discrète sera plus agréable au porteur et sa faible consommation en énergie ne peut être qu'un plus en ce qui concerne le coût énergétique.

Objectifs

Le but de ce projet est de concevoir un collier de type plastron ayant une certaine attractivité visuelle et comportant un nombre important de LEDs de surface afin de créer des animations lumineuses en fonction des mouvements du porteur captés par un accéléromètre.

Il faudra donc , pour cela, faire particulièrement attention à l'alimentation mais aussi à la mise au point d'un protocole de communication entre les micro-contrôleurs pour obtenir des animations intéressantes.

Analyse du projet

Positionnement par rapport à l'existant

Il existe de nombreux produits utilisant les LEDs pour réaliser des animations en tout genre. Nous trouvons ainsi, des colliers pour chien, des robes, des bagues, des bracelets disposant d'animations lumineuses pour rajouter une touche de beau au porteur. En voici quelques idées de créations existantes.

Analyse du premier concurrent

Robe de mariée scintillante

robe

Baligane Paris est une marque française associant technologie et textile, créé par deux étudiants parisiens, une designer de robes de mariées et un ingénieur, voulant créer des émotions avec des jeux de lumières.

Leur collaboration a donné naissance à un jupon connecté qui s'adapte à toutes les robes de mariée (en tulle ou en tissu transparent de préférence pour laisser passer la lumière) dont celles que vous aurez choisie. Ces petites lumières scintillantes sont commandées par une application. Grâce à cette application, on peut faire varier les effets, la couleur et l'intensité de l'éclairage Ainsi les invités peuvent alors piloter l'éclairage de votre robe en choisissant l'effet, l'intensité et la couleur.

--- Près de 240 LEDs

--- des batteries pouvant aller jusqu'à 2h d'autonomie.

--- Prix de 1500 euros.

Baligane Paris

Analyse du second concurrent

Collier Plaston à LEDs d'ESTY

collier ESTY

---Collier ras du cou sur support métallique.

---Aucun fil exposé

---Alimenté par une batterie rechargeable, il peut rester allumé du crépuscule à l’aube.

---Peut être allumé ou éteint à l'aide d'un bouton caché à la vue, il offre un beau visuel de jour comme de nuit.

---Mini câble de charge USB inclut - petite batterie rechargeable.

---La chaîne du tour de cou est ajustable de 20"

--- Prix de 81.02 euros

Collier à LEDS

Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé

Thomas, la presse à scandale

Paris, Juin 2032.

En 2032, le milieu de la mode subit de grands changements internes. La concurrence faisant rage et il devient de plus en plus difficile de se faire une place car, seuls quelques marques privilégiées ,diront certains, faisant preuve d'ingéniosité en utilisant des ressources qu'offre la technologie, arrivent à s'imposer et passer au dessus du lot.

Emmanuelle, fondatrice d'ARTIS, petite nouvelle marque de création de vêtements extravaguant observe ses mannequins de près en vue de la très prochaine Fashion week.

Pointilleuse, exigeante et un poil trop perfectionniste sur les bords, elle accorde un importance capitale à la démarche de ses mannequins. Selon elle, les déplacements des mannequins font réellement une différence. Seulement, elle cherche un moyen autre que son jugement visuel pour atteindre son but.

Bien décidée à rentrer dans la cours des grands et se faire rapidement un nom, elle recherche un collaborateur qui pourrait lui apporter ce qu'elle souhaite, mais quoi ? telle est la question.

Thomas, dit la presse à scandale par ses collègues, un de ses jeunes couturier sans grand talent, beaucoup plus attentif à tout ce qui se passe au sein d'ARTIS qu'à ses points de coutures a écouté à la porte d'Emmanuelle faisant part de son idée à sa sœur, et a ainsi entrevu une opportunité.

Il faut savoir que Thomas, possède en fait un diplôme d'ingénieur en électronique mais n'a pas été capable de garder un boulot plus de 3 mois, pourtant très doué dans ce domaine. Il a ensuite enchaîné quelques petit jobs aussi différents les uns des autres avant de se faire embauché par Emmanuelle qui d'ailleurs prévoit de le virer depuis quelques jours déjà.

C'est une occasion en or pour Thomas. Il a justement une idée à la fois technologique et artistique qui le sauvera et augmentera d'un coup sa valeur : Le collier à animations lumineuses. Il s'est intéressé pendant quelques jours à l'observation de la démarche des mannequins et passa ses nuits à tenter de trouver des variables utiles à son projet. Il a alors remarqué que bien des mannequins lors de leurs défilés, ne respectaient pas correctement le rythme de marche voulu par la directrice. Durant des phases de marches régulières, ils ralentissaient ou accéléraient parfois alors que la situation ne s'y prêtait pas. Persuadé qu'il tient là son Joker, il le propose à Emmanuelle qui se laisse curieuse.

Thomas met alors en place un collier à animations lumineuses embarquant un accéléromètre avec lequel il crée différents jeux de lumières qui interviennent lors du déplacement des mannequins et indique si de façon qualitatif si le mannequin se déplace plus vite qu'il n'en faut ou pas, ou s'il se tient bien droit ou non. Mais cela n'est pas le seul usage du collier de Thomas, outre l'aide qu'il apporte à Emmanuelle, il sert surtout d’accessoire de mode avec lequel s'affiche les femmes durant des soirées et Galas, d'ailleurs Emmanuelle s'en ait procuré elle aussi.

ARTIS a ainsi fait travailler ses mannequins et pu faire sensation à la fashion week grâce à la création de Thomas, devenu son plus proche collaborateur. Peu à peu, ARTIS a pu engrangé des marches du podium grâce aux inventions de Thomas, "la presse à scandale".

Réponse à la question difficile

Les principales questions soulevées lors de la séance de présentation des sujets portaient essentiellement sur deux points: l'ergonomie du système et la sécurité du porteur du collier.

L'ergonomie

la préoccupation concernant ce point porte essentiellement sur la manière dont seront agencer les éléments du collier de façon à garantir un aspect visuel attrayant et à ne pas nuire au confort du porteur.

En recensant les différents composant électroniques que j'aurai à manipuler, j'ai choisi de mettre l'alimentation à l'arrière du cou, au niveau de la fermeture du collier. Le type d'alimentation que je pense utiliser ne sera pas pas gênant pour l'utilisateur, non seulement parce qu'il ne devrait pas être d'un poids considérable mais aussi parce qu'à l'arrière du coup, ce poids ne serait pas très perceptible.

De plus l'accéléromètre pourra aussi éventuellement être posé de ce coté là.

Concernant les plaques ou seront implantés les ATMEGA328P et les pilotes de LEDS, elles ne pourront être présentées qu'à l'avant du collier. Mais leurs poids pas très élevés joueront en notre faveur. En outre, pour une meilleur présentation du collier, il serait intéressant de leurs trouver un emplacement discret, comme à l'arrière des lignes que formeront les leds par exemple.

La sécurité

Ici, il s'agit éventuellement de garantir la sécurité électrique du collier vis à vis du porteur, notamment à travers une éventuelle chauffe de la batterie ou des câbles ou des composants mal isolés par rapport à sa peau.

Malgré le nombre important de LEDS que nous utiliserons, et des besoins des autres composants en matière d'alimentation, il devrait être difficile que la chauffe de la batterie soit gênante pour l'utilisateur. Dans tous les cas, une fois la réalisation complète du collier, il est prévu une phase d'amélioration esthétique du collier qui nous permettra entre autres de rajouter des matériaux destinés à isoler la peau du porteur aux éléments pouvant être en contact direct avec lui.

Préparation du projet

Cahier des charges

Le cahier des charges est susceptible d'évoluer suite à la commande possible ou non de certaines pièces et matériaux dont nous pourrions avoir besoin.

Choix techniques : matériel et logiciel

120 LED RGB de type SMD 5050
1 Arduino UNO
1 Accéléromètre de type ADXL335 - 3 axes
3 Atmega328p
3 Pilote de leds de type TLC5947
1 Breadboard
3 piles de boutons de 3V
1 fil de fer

Pour le logiciel, nous pourrons utiliser l'environnement de développement Arduino, ou le langage C essentiellement.

Liste des tâches à effectuer

Tout d'abord, nous entamerons une phase d'étude, utile pour comprendre le fonctionnement des composants à utiliser et pour poser l'idée du prototype voulu ainsi que pour dimensionner l'alimentation nécessaire.

- Il s'agira d'abord de concevoir graphiquement le prototype du collier de façon à avoir trois plaques gérées chacune par un Atmega328P.

- Étude et test de l'accéléromètre ADXL35.

- Étude du pilote de leds TLC5947 et des protocoles de communications entre microcontrôleurs.

Ensuite, il s'agira de rentrer dans la phase de réalisation proprement dite. - Réalisation des différents PCBs (et tests de ceux-ci) pour accueillir les plaques une fois le prototype du collier bien établi.

- Constitution du circuit global, en liant les LEDs sur le collier selon la forme voulu et test du circuit.

- Programmation des Atmega328p à l'aide de l'Arduino UNO pour contrôler les LEDs et disposer des animations lumineuses selon les réponses de l'accéléromètre, puis on les rajoutera au circuit.

Enfin, nous terminerons par la phase de test complet et d'amélioration si le temps nous le permet. Les améliorations pourront être d'ordre esthétique une fois la simulation finale concluante.

Calendrier prévisionnel

Réalisation du Projet

Feuille d'heures

Tâche	Heures S1	Heures S2	Heures S3
Étude préliminaire	2	2
Réflexion sur l'alimentation	2	2	1
Réflexion sur les animations			2
Design du collier		2
Conception du schématique des plaques

Prologue

Semaine 1

Durant cette première semaine, nous nous sommes intéressés à une étude théorique sur les différents composants dont nous aurons besoin - à savoir, le pilote de Leds à 24 sorties TCL5947 et l'ADLX335 Ainsi, à l'aide de leurs Datasheets, nous avons appris un peu plus sur leurs fonctionnement propres, la manière dont nous pourrions les utiliser au sein de notre circuit.

Nous avons pu alors lever quelques ambiguïtés sur la manière dont le projet était initialement envisagé dans son ensemble.

En effet, dans notre liste préliminaire de matériel, nous avons pensé pouvoir utiliser 120 LEDs RGB pilotées par 3 TCL5947 pour un collier de 3 plaques.

M. REDON, nous a fait remarquer que 3 plaques ne serait pas très pertinent. De plus, après une première étude du pilotage par TCL5947, pour une LED de type RGB il faudrait 3 fois plus de sorties que pour des LEDs monochromes - sachant que seules 24 sorties sont disponibles sur le TCL5947.

Nous nous concentrerons donc un modèle de 5 plaques avec 24 LEDs sur chacune d'elles - soit un total de 120 LEDs monochromes dont les différentes couleurs dépendront des animations que nous souhaitons réaliser.

Concernant l'alimentation, elle tiendra compte, en grande partie de la manière dont nous piloterons les LEDs pour nos animations.

La consommation de l’accéléromètre (ADXL335) est de 350 micro-ampères en moyenne. Chaque LED consomme environ 20mA au maximum (modulable selon nos envies), il ne serait pas très judicieux de toutes les allumer en même temps, car nous nous rapprocherons très rapidement de 2.5 A environ, ce qui nous ferait une belle batterie déjà. Pour y remédier, nous jouerons sur les animations et éventuellement les intensités lumineuses.

L'objectif de la séance prochaine sera essentiellement d'arriver à faire un design clair du collier voulu afin de poser quelques axes d'animations pour préciser l'idée de l'alimentation.

Semaine 2

Nous avons, durant cette seconde semaine, réalisé le visuel du collier que nous voulons avoir. Nous avons tenu à utiliser une mixité de couleurs pour de belles animations:

- 40 LEDs SMD Rouges

- 40 LEDs SMD Bleues

- 30 LEDs SMD Verts

- 10 LEDs SMD Jaunes

Ci-dessous, le design du collier.

Design du collier

Pour l'alimentation, nous avons vu que le scénario avec toutes les 120 LEDs allumées pourrait être problématique du point de vue de son poids.

Nous pensons alors utiliser des piles boutons de type CR2032 Lithium (3V, 210mAh, 6g). Le poids et la taille est très avantageux et intéressant pour notre application, ce qui nous assure une discrétion à l'arrière du cou.

Semaine 3

Durant cette semaine, le but était de construire les schématiques des deux types de plaques:

En effet, il apparaît nécessaire d'avoir une plaque principale qui sera la plaque Maître qui se chargera d'envoyer des ordres aux quatre autres plaques, dit Esclaves via la communication SPI.

Pour se faire, il nous a été recommandé d'utiliser le logiciel de conception et de prototypage Fritzing.

N'ayant jamais manipulé ce logiciel, une première prise en main s'est imposé.

Ensuite nous avons pu passé à l'élaboration du schématique de la plaque principale. Pour cela, je me suis fortement inspiré du schematic du Projet Mandala de l'année précédente.

Cependant, un problème de composant est survenu: Le L'empreinte du TLC5947 n'était pas détecté par mon logiciel Fritzing Malgré les recommandations d'importation du dit Groupe.

Ci-dessous, le schematic sans TLC5947.

Semaine 4

Depuis la semaine précédente, j'ai pu trouver l'empreinte d'un TLC5947 à travers un projet d'un de mes camarades, que j'ai ensuite importé sous Fritzing.

Une première version du schematic de la plaque principale a donc pu être établi.

[Image schematic]

Seulement, il était incomplet: Notamment, il manquait l'interfaçage à travers un connecteur par lequel allait transiter les données du bus SPI vers les esclaves. De plus, l'accéléromètre devait aussi être placé sur cette plaque.

Semaine 5

J'usqu'à cette semaine, je ne me suis toujours pas penché sur le schematic de la plaque esclave. En effet, dérivant simplement du modèle de la plaque principale (après avoir retiré les parties d'alimentation et USB), sa conception sera plus simple.

Pour bien modéliser la communication du maître vers les esclaves, il a fallut étudier la communication SPI.

Celle-ci est un protocole de communication communément utilisé pour envoyé des données entre microcontrôleurs et des périphériques telles que des registres à décalage, ou dans notre cas, des pilotes de LEDs.

Le bus SPI est un bus synchrone. Seul le maître génère l'horloge SCK sur laquelle tous les périphériques esclaves s'aligneront.

Le maître envoie des données à travers la ligne MOSI. Dans le cas où des esclaves auraient besoin de répondre, ils utiliseront la ligne MISO (ce qui n'est pas vraiment notre cas ici.)

Ayant plusieurs esclaves, nous devons permettre au maître d'avoir la main sur ses esclaves par l'intermédiaire de la ligne SS (ou CS).

Toutefois, il faudra autant de lignes de sélection (SSn) que d'esclaves.

Semaine 6

J'ai continué à construire le schematic de la plaque principale.

Fritzing, ne permettant pas de dessiner une forme spéciale de PCB comme celle de nos plaques, il me faudra chercher comment la réaliser.

Durant la séance, mon encadrant m'a recommandé d'utiliser deux connecteurs pour le bus SPI sur les plaques esclaves. En effet, une plaque se trouvant entre deux autres, il faudra la lier à chacun de ses voisins. Bien évidemment, l'utilité de deux connecteurs sur la dernière plaque s’avérera inutile, mais nous n'avons pas besoin de créer un schematic spécial pour celle-ci.

Semaine 7

Voulant tester la communication série, j'ai pu prendre le matériel de prototypage nécessaire :

Deux Arduinos Uno; Un TLC59711 de 12 sorties; Quelques LEDs et des câbles.

Image de la communication

En tenant compte des recommandations émises par le prof, J'ai pu terminer le schematic de la plaque principale à partir duquel j'ai aisément créer celui des autres plaques.

Placer les premières versions de schématics

Semaine 8

Mon encadrant m'ayant alerté sur le projet n'étant pas assez avancé à ce stade, je lui ai soumis mes fichiers pour vérification et validation éventuelle.

Il est apparut que mes fichiers souffraient de beaucoup de maux. J'ai donc dû répondre à plusieurs premières recommandations de mon encadrant, afin de mettre un peu d'ordre dans la projet, il s'agissait notamment de clarifier certains points importants et de faire des ajustements :

-Tout d'abord la plaque principale est l’une des 5 plaques, avec en supplément l’accéléromètre. C’est donc elle la plaque "Maîtresse" qui se chargera d’envoyer des ordres au quatre plaques esclaves en fonction des données qu’elle recevra de l’accéléromètre. Celle-ci devra être placé à l’extrême gauche de toutes les plaques restantes (Le collier étant vu de face).

-Ensuite, j'ai retravaillé les schematics, en organisant proprement ses différentes parties et en veillant à la bonne connexion de tous les fils.

- Aussi, il m'a fallut créer un fichier SVG pour le PCB des plaques.

Forme des plaques

- Enfin, un positionnement des composants pour les deux types de plaques a été proposé à mon encadrant.

À la fin de la semaine, mon encadrant m'indiqua les problèmes restants à corriger:

- Les LEDs utilisées étaient traversantes. J'ai dû les changer en type SMD.

- De plus il a fallut retirer le surplus de LEDs de tests du microcontrôleur et ainsi n'en garder qu'une seule.

Semaine 9

La nouvelle version des fichiers ayant été soumise à L'encadrant à la fin de la semaine précédente, j'ai reçu quelques recommandations sur des problèmes résiduels à éliminer:

Sur la forme :

- J'ai du positionner de manière assez homogène les LEDs, en suivant une orientation bien précise et qui faciliterait les soudures.

- Les noms des composants de la face inférieure ont dû être correctement positionner.

Sur le plan fonctionnel :

- Les plaques devant être relier avec le moins de lignes possibles, mon connecteur de la plaque Maître, initialement créé de façon à fournir autant d'entrées de sélection que d'esclaves n'était pas judicieux.

Je suis donc parti sur un chaînage Daisy.

Chaînage Maître-Esclaves

Ainsi, le connecteur Maître ne présente plus qu'une ligne de sélection qui est la même pour tous les esclaves.

Dans notre application il ne sera pas nécessaire de prendre en compte des réponses des plaques esclaves, donc on veillera à ne pas boucler la sortie MISO de la dernière plaque (celle à l'extrême droite) avec celle du Maître.

- Ensuite, j'ai effectué un changement d'empreinte du TLC initialement utilisé vers une empreinte beaucoup plus adaptée.

- Enfin, j'ai ajouté le Quartz FA 238 sur mes schmatics, comme il m'a été suggéré de faire.

Image Schematic

Semaine 10

En début de semaine, un PCB générique a routé. La plaque principale et les plaques esclaves étant plutôt similaires, une carte générique pouvant servir aussi bien aux deux types de plaques était intéressante.

Ci-dessous une vue du schématique final et du PCB routé.

Schematic

Schematic final

PCB

PCB final

IMA4 2018/2019 P33

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