Boitier multifonction : activités pratiques

1. Fonctionnement et utilisation d'un bouton poussoir

1.1. Présentation théorique

1.1.1. Caractéristiques

Un bouton poussoir peut être normalement ouvert ou normalement fermé.

Normalement ouvert signifie qu'en l'absence de toute pression par l'utilisateur, le bouton poussoir ne laisse pas passer le courant quelque soit la tension à ses bornes. Ce comportement peut être représenté dans le plan (V, I)  (lire Tension, Courant).

Lorsque l'utilisateur appuie sur un bouton poussoir normalement ouvert, il ferme le circuit dans lequel le bouton est inséré. Dans ce cas, le courant peut circuler à travers les contacts du bouton et la tension aux bornes du bouton poussoir peut être considérée comme nulle (on suppose ici que le bouton a une résistance de contact nulle).

1.1.2. Connexion à un microcontrôleur

Les entrées/sorties sur un microcontrôleur se font en tension. Il faut donc constituer un circuit électrique permettant de recueillir une tension évoluant en fonction de l'état du bouton poussoir. On peut pour cela fixer le potentiel d'un côté du bouton poussoir à la masse comme l'illustre la figure ci-contre :

Lorsque le bouton poussoir est pressé par l'utilisateur, la fermeture du circuit relie la sortie à la masse du montage (le 0v). On a donc fixé le potentiel à 0 dans ce cas là.

Lorsque le bouton poussoir est laissé relaché, la sortie dirigée vers le microcontrôleur est laissée en "l'air". Le potentiel n'est donc pas fixé. Le microcontrôleur ne pourra pas déterminé de façon fiable l'état du bouton poussoir. Il faut donc compléter le circuit pour fixer la potentiel lorsque le bouton poussoir est ouvert afin de fixer le potentiel dans ce cas précis.

Une solution simple consiste à mettre en place une résistance de tirage à l'état haut (Pull-Up). Ainsi, quand le bouton poussoir est relaché, un très faible courant circule à travers la résistance de Pull Up vers le microcontrôleur. La tension de sortie du circuit vaut alors : \(V=V_{cc}-R.I\) où \(I\) est très faible, soit \(V=V_{cc}\).

Le schéma devient le suivant :

Par la suite, on prendra \(R=47k\Omega\).

1.1.3. Cas particulier de l'ATmega328p

Le microcontrôleur utilisé est l'ATmega328p dont la documentation est disponible ici.

1. En exploitant la première page de la section 14 de la documentation, trouver un moyen de se passer de la résistance R externe en connectant directement le bouton poussoir sur une des entrées du microcontrôleur.
2. Rechercher les paramètres \(I_{IL}\) et \(I_{IH}\) dans la section des caractéristiques électriques correspondant au courant d'entrée à l'état bas et à l'état haut du microcontrôleur.
3. Rechercher la valeur du paramètre \(R_{PU}\) dans cette même section.
4. En déduire la chute de tension maximale dans la résistance de pull-up dans le cas le plus défavorable.

1.2. Expérimentation

1. Câbler un bouton poussoir avec une résistance \(R\) de pull-up de \(47k\Omega\).
2. Mesurer la tension aux bornes du bouton poussoir lorsque celui-ci est relaché ainsi que lorsqu'il est pressé.

2. Utilisation d'un capteur de température électronique

2.1. Utilité

La carte multifonction est munie d'un capteur de température. Le choix s'est porté sur le circuit intégré MCP9700A de Microchip.

2.2. Exploitation de la documentation

1.  Mesure de la température
   1. Indiquer la précision typique du capteur pour \(T\in[0;150°C]\).
   2. A \(25°C\), quelle peut être l'erreur maximale de mesure dans le pire des cas ?
   3. Préciser le coefficient de température du capteur.
   4. En utilisant le coefficient de température du capteur et la tension qu'il délivre à \(0°C\) d'après la documentation :
      1. Déterminer la tension fournie par le capteur à \(25°C\).
2. Consommation
   1. Quelle est la consommation typique du capteur ?
   2. En déduire la consommation en µAh puis en mAh sur une journée ?
   3. Rechercher la capacité en mAh d'une pile AAA.
   4. Déterminer la durée de vie de deux piles alimentant seulement ce capteur de température en jours puis en années ?

2.3. Utilisation du capteur - Mesures

1. Proposer un schéma de câblage du capteur utilisant une alimentation de laboratoire.
2. L'alimentation n'étant pas connectée au circuit, régler sa sortie C à $3V$ (équivalent de 2 piles AAA neuves placées en série).
3. Câbler le capteur et mesurer la tension à sa sortie.
   Note : on attendra que la tension de sortie se soit stabilisée.
4. Déterminer la température dans la salle de TP.
5. Influence de la tension d'alimentation
   1. Ne plus toucher au capteur de température de façon à ce que sa sortie soit bien stable.
   2. Diminuer la tension d'alimentation par pas de $0.1V$ et déterminer la tension d'alimentation à partir de laquelle la sortie du capteur dérive de $1 \% $.
   3. En déduire la plage de tension qui sera exploitable lors d'une alimentation sur piles.
   4. Cette plage permet-elle d'exploiter les piles sur toute leur durée de vie ?
6. Mesure en régime transitoire
   1. Pincer le capteur entre deux doigts en maintenant la pression fixée durant toute la phase de mesure.
   2. Relever la tension de sortie du capteur toutes les secondes.
   3. En déduire l'évolution de la température en fonction du temps.
   4. Tracer la caractéristique \(T=f(t)\) obtenue.
   5. Faites des observations sur cette caractéristique.

3. Fonctionnement d'une diode électroluminescente (LED) et utilisation

Dans cette partie, on étudie le fonctionnement des LEDs rouge, orange et verte dont les documentations sont accessibles par les liens suivants :

• documentation de la LED rouge,
• documentation de la LED orange,
• documentation de la LED verte.

3.1. Présentation théorique

3.1.1. Caractéristique

On représente une LED par le symbôle suivant :

Notes :

1. Cette figure présente également les conventions de signe usuelles pour une LED en récepteur.
2. La borne de gauche est l'anode.
3. La borne de droite est la cathode.

La caractéristique \(I = f(V)\) dépend de plusieurs paramètres comme la température de fonctionnement, la couleur de la LED ...

Dans le cas de la LED rouge utilisée, on voit que la tension à ses bornes devra être de l'ordre de \(2v\) pour atteindre les \(20mA\) lui permettant d'être parfaitement allumée.

3.1.2. Point de fonctionnement

Dans le boitier multifonction, les LEDs sont branchées sur des sorties "tout ou rien" (également dites digitales) du microcontrôleur ATmega328p.

En sortie digitale, le microcontrôleur fournit \(0v\) pour un niveau logique bas et \(3v\) pour un niveau logique haut. Plus précisément, à l'état haut, on retrouve sur la sortie la tension des piles alimentant le circuit. Lorsque le circuit sera alimenté par 2 piles AAA, cette tension d'alimentation pourra évoluer entre \(1.8v\) et \(3v\).

Pile neuve, on a donc \(V_{cc}=3v\). Si on branche une LED rouge sur \(3v\), le courant est alors très important (bien supérieur à \(50mA\) si on se réfère à la caractéristique ci-contre), entraînant la destruction immédiate de la LED. Il faut donc introduire un élément dans le circuit pour limiter le courant dans la LED. Cette opération consiste à fixer le point de fonctionnement du circuit.

Pour limiter le courant dans un circuit, la solution la plus simple consiste à placer une résistance en série dans le circuit. On obtient ainsi le schéma suivant :

Pour rappel : le potentiel de la masse est de \(0v\).

Le point de fonctionnement étant fixé pour que la LED s'illumine totalement, c'est à dire avec \(V_{LED}=2v\) et \(I=20mA\) lorsque \(V_{cc}=3v\) :

1. En utilisant la loi d'Ohm, écrire \(V_{R}\) en fonction de \(R\) et de \(I\).
2. Ecrire l'expression de la différence de potentielle entre \(V_{cc}\) et la masse en fonction de \(V_{cc}\) d'une part et de \(V_{R}\) et \(V_{LED}\) d'autre part.
3. En déduire une expression permettant de calculer \(R\) en fonction de \(V_{cc}\), \(I\) et \(V_{LED}\).
4. Calculer numériquement la valeur de \(R\).
   Pour limiter la consommation du circuit et augmenter l'autonomie du boitier QCM, on choisit de fixer le courant de fonctionnement de la LED à une plus faible valeur fixée à \(10mA\) lorsque la tension d'alimentation est maximale.
5. Recalculer \(R\) dans ce cas de figure.

3.2. Expérimentation

1. Câbler le schéma précédent incluant la LED, la résistance \(R\) en utilisant une alimentation stabilisée pour \(V_{cc}\) et en prenant soin de placer un ampèremètre en série dans le circuit (le plus simple sera de le placer au départ du + de l'alimentation).
2. Mettre sous tension et, pour les valeurs de \(V_{cc}=\) comprises entre \(2.2v\) et \(3v\) par pas de \(0.1v\) :
   1. Juger chaque fois le niveau d'éclairement de la LED.
   2. Connaissant la valeur de \(I\), déduire la valeur de \(V_{LED}\).
3. Tracer la caractéristiques de \(I\) en fonction de \(V_{LED}\).
   Note : pour chaque point, utiliser une marque dont le diamètre soit représentatif de la luminosité de la LED.
4. Indiquer la valeur de \(V_{cc}\) la plus basse permettant de voir la LED illuminée.

4. Etude des modules de communication pour objets connectés

Il s'agit de réaliser un dossier listant les différents modes de communication utilisables pour la réalisation d'objets connectés.

Pour chaque mode, il faudra donner :

1. les caractéristiques générales du mode de communication dont le protocole utilisé s'il y en a un, la portée, le nombre de canaux possible,
2. trouver différents modules pouvant être connectés à des microcontrôleurs pour chacun des modes proposés en indiquant leur prix et la façon dont se font les échanges avec le microcontrôleur parmi :
   1. bus I2C,
   2. bus SPI,
   3. bus série type RS232 ou UART,
   4. liaison tout ou rien sur un mode parallèle.
3. les caractéristiques typiques en terme de consommation en veille ou en cours de communication et en particulier estimer très grossièrement la consommation en mAh pour sortir de la veille, se connecter au réseau si nécessaire puis envoyer et recevoir l'accusé réception d'une trame courte d'une vingtaine d'octets, retourner en veille,
4. dresser un tableau comparatif des différents modes.

5. Circuit de mesure du niveau de charge des piles

5.1. Introduction

Il n'existe pas de mesure directe permettant de connaître la charge restante d'une pile en mAh. On procède en réalité à une estimation de la charge restante à partir de la mesure de la tension de sortie de la pile à vide ou lorsque celle-ci alimente une très faible charge.

5.2. Mesure avec un microcontrôleur

5.2.1. Périphérique de mesure

Les microcontrôleurs disposent d'un périphérique appelé Convertisseur Analogique/Numérique permettant de réaliser des mesures de tension. On obtient alors un nombre représentatif de la tension d'entrée à la sortie du Convertisseur Analogique/Numérique.

Typiquement, un convertisseur 10 bits fournira une information pouvant prendre \(2^{10}=1024\) valeurs différentes comprises entre \(0\) et \(2^{10}-1=1023\). La valeur \(0\) correspondra à une tension d'entrée égale à une tension de référence inférieure notée \(V_{REF-}\) tandis que la valeur \(1023\) sera obtenue losque la tension d'entrée aura atteint la valeur de la tension de référence supérieure notée \(V_{REF+}\).

Dans le cadre de la mesure du niveau de tension du bloc de piles, \(V_{REF-} = 0v\) et \(V_{REF+}\) utilisera une référence de tension interne au microcontrôleur d'une valeur de \(V_{REF+} = 1.1v\).

Idéalement, on souhaite profiter de toute la plage de mesure du convertisseur. Donc, lorsque les piles sont neuves, on cherchera à imposer une tension de \(1.1v\) correspondant à \(V_{REF+}\) à l'entrée du convertisseur. Deux piles AAA neuves en série présentant une tension de \(3v\), il faut donc réaliser un montage simple permettant de passer d'une tension de \(3v\) à une tension de \(1.1v\).

5.2.2. Pont résistif

Pour abaisser la tension issue du bloc de piles, on utilise un diviseur de tension reposant sur un pont résistif dont le schéma est le suivant :

1. Rappeler la loi d'Ohm et en déduire \(V_{R_1}=f(R_1,I)\) et \(V_{R_2}=f(R_2,I)\).
2. En déduire \(V_{R_1}\) en fonction de \(V_{R_2}\).
3. Traduire en équation l'égalité de la branche \(V_{BAT}\) et de la branche intégrant \(V_{R_1}\) et \(V_{R_2}\).
   Note : cela s'apparente à une somme vectorielle.
4. Faire disparaître \(V_{R_1}\) pour obtenir finalement \(V_{R_2}=f(V_{BAT})\).

Question subsidiaire : considérant la tolérance de 5% des résistances, déterminer l'intervalle des valeurs que la tension $V_{R_2}$ peut prendre dans la réalité.