IMA5 2019/2020 P04

Présentation générale

• Nom du projet : Voltmètre connecté
• Membre du projet : HAVARD Nicolas
• Superviseur du projet : M. CHEVALIER Florian
• Résumé : Création d'une solution de remplacement pour les afficheurs des bancs de tests de la salle E001 et ajout d'un écran de supervision de ces tensions sur l'ordinateur de l'enseignant.

Photo d'un des anciens afficheurs

Description

Lors des travaux pratiques d'électrotechnique, les élèves ingénieurs de Polytech suivant la formation Informatique, Microélectronique et Automatique ont pu observer un mal se propageant dans la salle : l'extinction des afficheurs permettant la lecture de la tension que règlent les étudiants pour alimenter divers appareils tels que des machines industrielles.

Cette extinction est due à l'utilisation d'un circuit non isolé du circuit de puissance et donc sensible aux appels de courant, détruisant par conséquent le circuit.

Photo d'un des anciens afficheurs ayant été détruit

Afin de résoudre ce problème, M. CHEVALIER a donc demandé à un de ces étudiants de fournir une solution durable dans le cadre de son PFE, afin d'assurer la possibilité de ses successeurs de participer à ces travaux pratiques. De plus, ce projet permettra de connecter ces afficheurs à l'ordinateur du superviseur de ces travaux pratiques afin de surveiller les tensions en sortie des générateurs depuis son bureau.

Objectifs

L'objectif principal de ce projet est de remplacer les actuels afficheurs des bancs de tests de la salle E001 par une solution isolée du circuit de puissance afin d'éviter la destruction du matériel.

Le projet devra ensuite répondre au besoin d'une surveillance centralisée sur l'écran du professeur permettant la visualisation des tensions des générateurs de chaque bancs de tests.

Le dernier objectif est la rédaction d'un protocole de sécurité permettant d'informer les futurs opérateurs de la bonne utilisation de ce nouveau matériel.

Préparation du projet

Choix techniques : matériel et logiciel

Matériel à disposition :
Description	Marque	Nombre	Commentaire	Photo

Matériel nécessaire au projet
Description	Marque	Nombre	Prix	Référence	Documentation
				[https:// ]	[https://]
				[https:// ]	[https://]

Liste des tâches à effectuer

• Récupérer la valeur des tensions en sortie des trois générateurs de tensions variables des bancs de tests pour les travaux pratiques d'électrotechnique en isolant cet étage de mesures de l'étage de puissance
• Afficher ces valeurs sur trois afficheurs liés à chacun des générateurs
• Regrouper les différentes valeurs sur un écran à disposition de l'enseignant afin de superviser les paillasses en direct

Calendrier prévisionnel

Calendrier prévisionnel créé en septembre traçant les différentes étapes du projet

Le déroulement du projet devrait se faire autour de 6 étapes qui sont :

• initialisation du projet (documentation, rédaction de spécifications, commande de matériel)
• création de circuits électroniques (design des PCBs,soudure des composants)
• développement du programme pour le banc de tests (programmation du microprocesseur, connexion au réseau de la salle))
• développement du programme pour le serveur (création de l'interface web, récupération des valeurs de mesures, affichage des données en direct)
• tests et validation de la solution
• rédaction d'un protocole de sécurité

Réalisation du Projet

Feuille d'heures

Tâche	Heures S1	Heures S2	Heures S3	Heures S4	Heures S5	Heures S6	Heures S7	Heures S8	Heures S9	Heures S10	Heures S11	Heures S12	Heures S13	Total
Total

Carnet de route

Semaine 0 : mercredi 11 septembre

Entretien avec le tuteur de ce projet, M. CHEVALIER. A l’issu de cette réunion, les attentes ont pu être confirmées. Le projet consiste à remplacer les circuits analogiques déjà présents en E001, salle des TP d’électrotechnique. Afin de remplacer ces afficheurs, il est donc important que la solution permette de visualiser la tension réglée par l’étudiant sur les trois générateurs de la paillasse.

Le problème de la solution utilisée ces dernières années est le manque d'isolation entre les circuits de puissance et de mesures : la lecture de la valeur de la tension se fait directement sur le circuit de puissance et le montage n’est donc pas protégé lors des appels de courants, entrainant la destruction de la carte électronique.

Photo d'un des anciens afficheurs ayant été détruit

Le montage proposé à la fin de ce projet devra donc être isolé galvaniquement de la partie puissance afin d’éviter tout problème qui réduirait drastiquement la durée de vie de la solution. Pour palier à l'attente de la réalisation de notre solution électronique, le tuteur a proposé à l'étudiant d'utiliser une carte Arduino fournie en début de ce projet pour utiliser les afficheurs.

Les valeurs des tensions des différents générateurs devront être envoyées sur l'ordinateur central de la salle afin de permettre au professeur une surveillance de l'ensemble des générateurs de la salle. Ces données pourront être envoyées en utilisant les ports ethernet présents sur chacune des paillasses. Aucune technologie n'a été imposée pour la création de la page web.

Afin de faire suivre l’évolution du projet, un mail sera envoyé à M. CHEVALIER chaque mercredi soir pour indiquer l’évolution du projet et ce qui a été fait dans la semaine.

Semaine 1 : mercredi 18 septembre

A la suite de la réunion du mercredi 11 septembre, je me suis donc penché sur les différentes manières d'isoler galvaniquement un système. L'isolation galvanique étant réalisée lorsque deux parties d'un circuit électrique ne sont reliées par aucune liaison électrique, je n'ai repéré que trois façons différentes de permettre une telle isolation :

• les transformateurs qui permettent de convertir un courant alternatif de tension X à un courant alternatif de tension Y grâce à l'utilisation de deux bobines pouvant avoir un nombre de spires différent et aux propriétés de l'électromagnétisme.
• les relais qui permettent à un circuit de commande de piloter le circuit de puissance grâce à une bobine permettant d'ouvrir ou de fermer le circuit lorsqu'une tension suffisante est appliquée à ses bornes.
• les optocoupleurs qui servent à émettre de l'information grâce à un émetteur et un récepteur de lumière infrarouge

Dans notre cas, les relais ne peuvent nous servir ici car nous souhaitons récupérer une image de la tension aux bornes du générateur et non piloter un circuit à l'aide d'une commande. Nous choisissons donc d'utiliser un transformateur pour isoler galvaniquement le circuit de mesure du générateur de tension alternative de la manière suivante :

De cette manière, le signal sera isolé du générateur en sortie du transformateur qui pourra abaisser une première fois la tension. L'utilisation d'un pont de Graetz permettra de redresser le signal qui sera ensuite filtré avec une capacité adaptée pour obtenir un signal continu. Enfin, un pont diviseur de tension abaissera la tension à un maximum de 5 VDC pour récupérer une image de la tension en sortie du générateur lisible par l'atmega328 de l'Arduino. Différents canaux pourront automatiquement être pilotés par l'Arduino afin d'assurer une valeur plus précise pour les tensions plus faibles en pilotant l'ouverture et la fermeture de ponts diviseurs de tension d'impédance variées.

Concernant les générateurs de tension continue, nous utilisons le même principe que pour le générateur de tension alternative. Cependant, il est nécessaire de convertir le signal en signal alternatif pour l'utilisation du transformateur permettant l'isolation galvanique. Ainsi, nous pouvons voir l'apparition d'un étage supplémentaire sur le schéma suivant :

______________

Entretien avec M. CHEVALIER le mercredi 18 septembre pour discuter des avancées et du planning du projet. Le circuit proposé a été accepté. Une précision a été faite concernant le choix de convertisseurs DC-DC isolés : il existe, en plus des convertisseurs destinés à changer la tension en sortie, des convertisseurs conçus dans le but d'isoler galvaniquement un circuit d'un autre. Ces convertisseurs, appelés des amplificateur d'isolation (isolation amplifier) reposent sur différentes technologies comme les transformateurs ou les optocoupleurs afin d'isoler l'entrée de la sortie en assurant un gain unitaire.

Pour l'écran de surveillance des tensions, une illustration de base a été validée par le tuteur et elle reprendra donc l'affichage des trois afficheurs 7 segments pour les 6 paillasses présentent sur la salle. Dans le cas où le projet serait terminé plus tôt que prévu, il a été proposé au tuteur la possibilité d'afficher un historique des tensions après avoir cliqué sur un des 18 afficheurs : cette vue permettrait de montrer une courbe d'évolution des tensions afin d'étudier le comportement du générateur à la suite d'un problème technique.

Semaine 2 : mercredi 25 septembre

Lors de cette semaine, nous nous sommes penchés sur les amplificateurs d'isolation dont nous avait parlé M. CHEVALIER. Plusieurs de ces modules semblent intéressants tels le ISO124 de TI, le ISO224 de TI, le AMC1301QDWVQ1 de TI ou encore le HCPL-7800 d'Avago.

Mais la solution retenue est celle se basant sur le ACPL-C87B d'Avago qui dispose d'un montage dans sa documentation technique dédié exclusivement à la mesure d'une tension. Cet amplificateur d'isolation se repose sur un amplificateur opérationnel en montage différentiel nécessitant d'amener la tension à mesurer sur un intervalle définie par sa tension de référence. De cette manière, le pont diviseur de tension se retrouve finalement avant l'étage d'isolation. Il est alors nécessaire d'utiliser un autre amplificateur opérationnel comme le OPA237 de TI ou le LM358 de ON Semiconductor avant d'utiliser le convertisseur analogique-numérique de l'atmega328.

L'affichage des tensions se fera sur trois afficheurs 7-segments 4 digits et nécessitera donc des drivers de LEDs car l'Atmega328 ne dispose pas de suffisamment de sorties pour gérer 84 LEDs (7x4x3). Nous utiliserons donc des puces MM5451 pouvant piloter jusqu'à 35 LEDs par module. Ces modules nécessitent un potentiomètre de 100 kOhm (typiquement) pour ajuster la luminosité des LEDs sur le pin 19.

Pour l'envoi des données, nous allons nous baser sur la carte Arduino Ethernet REV 3 proposé par Arduino. Cette carte se base sur le microcontrôleur atmega328 cadencé à 16 MHz et disposant donc de 14 I/O numériques et de 6 I/O analogiques. La particularité de cette carte Arduino est de disposer d'un port RJ45 et d'une puce W5100 permettant à la carte de dialoguer sur un réseau ethernet avec d'autres périphériques tels que notre PC.

Cette carte sera alimentée par l'alimentation 12 VDC présente sur chacune des paillasses, et sera protégée grâce à un fusible adapté. La programmation sera réalisée grâce à un FTDI relié aux pins de communication série de l'atmega328.

Commande de matériel

Création d'une carte Arduino pouvant envoyer des données au serveur

Afin d'envoyer les données sur le serveur, il faudra connecter la carte électronique sur les prises RJ45 se trouvant sur chacune des paillasses. Pour cela, la réalisation d'un circuit reprenant les shields Ethernet pour Arduino sera nécessaire. En se basant sur le schematic du shield Ethernet fourni par le site www.arduino.cc, les composants nécessaires sont les suivants :

• Atmega328-20MU
• W5100

Affichage de la tension

Afin d'afficher la tension des trois générateurs, il est nécessaire d'utiliser 3 afficheurs 7 segments de 3 ou 4 digits. En utilisant 3 digits seulement, il faudrait donc gérer 21 à 24 LED à gérer par afficheur en fonction de l'utilisation ou non de virgules. L'utilisation de drivers de LEDs TLC5947 sied à la gestion d'un maximum de 24 LEDs par module, et ces derniers peuvent être utilisés en série pour gérer davantage de LEDs. Nous pouvons donc utiliser un TLC5947 par affichage. Dans le cas où nous utiliserions ce module, il serait nécessaire d'ajouter une résistance d'environ 2k5 Ohm par module afin d'obtenir les 20mA nécessaires pour les afficheurs.

Dans le cas où nous utilisons, comme actuellement, 4 digits par afficheur, il pourra être intéressant d'utiliser des MM5451 pouvant piloter jusqu'à 35 LEDs par module. Ces modules nécessitent un potentiomètre de 100 kOhm (typiquement) pour ajuster la luminosité des LEDs sur le pin 19.

3 * TLC 5947 + 3 * 2k5 resistors :

• Documentation : http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tlc5947.pdf
• Achat : http://www.ti.com/product/TLC5947/samplebuy

3 * MM5451 + 3 potentiomètre 100 kOhm :

• Documentation : http://www.farnell.com/datasheets/57504.pdf?_ga=2.261863240.417526203.1569314828-216386020.1568878415
• Achat : https://fr.farnell.com/microchip/mm5451yn/led-driver-ic/dp/2510527?st=led%20driver (Farnell)
• Tutoriels : http://www.actuino.fr/reference/circuits-entrees-sorties/mm5451-driver-leds

https://forum.arduino.cc/index.php?topic=66090.0

9 (ou 12) * Afficheur 7 segments :

• Achat : https://fr.farnell.com/multicomp/703-0169/connec-circu-taille18-11-voies/dp/2112192?st=afficheur%207%20segments%20rouge (Farnell)

https://fr.rs-online.com/web/p/afficheurs-led/1246750/ (RS)

#define 

Ressources utilisées

Sites web

• Amplificateurs d'isolation :
  • [Utilisation du ACPL-C87X]

Documents Rendus

• Rapport : Fichier:.pdf

• Diaporama de soutenance : Fichier:.pdf

• Archive ZIP contenant ce qui a été réalisé durant le projet : Fichier:.zip X])