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Deux aspects à considérer
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Conception
Choix permettant de limiter le coût de fabrication.
 Utilisation d’un microcontrôleur faible coût pour jouer l...
Conception
Choix du mode d’alimentation.
 Bloc secteur 220v - 5v pour téléphone portable
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Conception
Solutions limitant la consommation.
 Choix du module de communication sans fil compatible avec un
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Choix des composants et bilan en terme d’entrées/sorties sur le microcontrôleur.
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Conception détaillée du produit final
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Conception détaillée du produit final
Liste des composants
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Conception détaillée du produit final
Dessin des composants avec l’outil de CAO électronique 
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Dessin du circuit imprimé avec l’outil de CAO correspondant.
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Conception détaillée du produit final
Dessin du circuit imprimé.
 Placement des composants.
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Conception détaillée du produit final
Dessin du circuit imprimé.
 Tracé des pistes électriques sur les couches de cuivre....
Fabrication
Boitier multifonction.
Département GEII de l’IUT de l’Indre
Eric PERONNIN
Réalisation : fabrication du PCB1
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Couches de vernis épargne :
 Protection du cuivre contre l’oxydation.
 Isolation électr...
Réalisation : fabrication du PCB
Couches de cuivre :
 Présentes sur le dessus et le dessous du PCB.
 Peuvent exister à l...
Réalisation : fabrication du PCB
Couche de contour du PCB
 Inexistante par défaut sur Orcad (le contour du PCB est indiqu...
Réalisation : fabrication du PCB
Couche de perçage
 Fichier spécifiant la liste des trous de perçage (position et
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Réalisation : fabrication du PCB
Couche de brasure :
 Permet la fabrication du masque de brasure pour souder les
CMS
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Travail de soudure.
Placer le composant.
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Le composant. Le circuit imprimé.
Nettoyer la panne du fer
à souder.
Chauffer ...
Travail de soudure.
Apporter du fil d’étain progressivement.
Lorsqu’il y a assez d’étain, enlever-le.
Puis enlever le fer ...
Le produit terminé
A venir …
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Développement Logiciel
Boitier multifonction.
Département GEII de l’IUT de l’Indre
Eric PERONNIN
Logiciel du boitier multifonctions
Développement logiciel ?
 Sans logiciel, le microcontrôleur ne fait rien.
 Microcontr...
Environnement de développement
Environnement Arduino
 Les + :
 Très grand public et donc facile d’accès.
 Nombreuses bi...
Environnement de développement
Environnement Atmel Studio
 Les + :
 Outil professionnel avec de nombreuses possibilités ...
Environnement de développement
Approche « mixte » : utilisation du logiciel Arduino avec un éditeur
de texte performant
 ...
Programmation dans la carte
Programmation et mise au point
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Logiciel sur le smartphone
Plusieurs approches possibles
 Divers environnements/langages spécifiques pour chaque cible
 ...
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Relais bluetooth - Balance connectée

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Projet de réalisation d'un boitier multifonction permettant de peser un objet, de mesurer la température ambiante, de piloter une lampe en bluetooth à partir d'un smartphone Android ou iOS.

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Relais bluetooth - Balance connectée

  1. 1. CONCEPTION ET REALISATION D’UN OBJET ELECTRONIQUE Application : Relais bluetooth – Balance connectée De la conception à la fabrication Département GEII de l’IUT de l’Indre Eric PERONNIN
  2. 2. De nombreuses disciplines du DUT GEII en jeu 2 Gestion de projet Mathématiques Electronique Analogique Electronique Numérique Informatique Embarquée Physique des capteurs Anglais CAO Electronique Physique des Capteurs Carte Electronique
  3. 3. Aspects relatifs à la Gestion de Projet De la conception à la fabrication Département GEII de l’IUT de l’Indre Eric PERONNIN
  4. 4. Cahier des charges : critères Conception 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. 4
  5. 5. Cahier des charges : critères Critère 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. 5
  6. 6. 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. 6
  7. 7. 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. 7
  8. 8. Analyse et exploitation du cahier des charges Synoptique du système 8 Système de contrôle Capteur de température Alimentation par bloc secteur USB ou piles LED 1 LED 2 LED 3 Relais Bouton Poussoir 1 Bouton Poussoir 2 Bouton Poussoir 3 Jauge de contraintes Connecteur Grove Communication / Analogique Connecteur Grove Tout ou Rien Liaison PC Programmation Affichages divers Liaison sans fil
  9. 9. Conception Matérielle : orientation informatique embarquée Boitier multifonction Département GEII de l’IUT de l’Indre Eric PERONNIN
  10. 10. Conception Choix 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 tension en 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. 10
  11. 11. Conception Choix 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. 11
  12. 12. Conception Solutions 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. 12
  13. 13. Conception détaillée du produit final Choix 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 contrainte 3 signaux digitaux pour la configuration et la lecture de l’information convertie.  1 relais  1 signal numérique partagé avec une sortie LED. 13
  14. 14. 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. 14
  15. 15. Conception détaillée du produit final Elaboration du schéma avec un outil de CAO électronique. 15
  16. 16. Conception détaillée du produit final Liste des composants 16
  17. 17. Conception détaillée du produit final Dessin des composants avec l’outil de CAO électronique  empreintes physiques.  Exemple avec le microcontrôleur. 17 Symbole sur le schéma Empreinte physique en vue de dessus sur le circuit imprimé Composant réel U1 ATmega328p PCINT0/CLKO/ICP1/PB0 14 OC1A/PCINT1/PB1 15 SS/OC1B/PCINT2/PB2 16 MOSI/OC2A/PCINT3/PB3 17 MISO/PCINT4/PB4 18 SCK/PCINT5/PB5 19 PB6/XTAL1 9 PB7/XTAL2 10 PCINT16/RXD/PD0 2 PCINT17/TXD/PD1 3 PCINT18/INT0/PD2 4 PCINT19/OC2B/INT1/PD3 5 PCINT20/XCK/T0/PD4 6 PCINT21/OC0B/T1/PD5 11 PCINT22/OC0A/AIN0/PD6 12 PCINT23/AIN1/PD7 13 ADC0/PCINT8/PC0 23 ADC1/PCINT9/PC1 24 ADC2/PCINT10/PC2 25 ADC3/PCINT11/PC3 26 ADC4/SDA/PCINT12/PC4 27 ADC5/SCL/PCINT13/PC5 28 PC6/RESET 1 AVCC 20 AREF 21
  18. 18. Conception détaillée du produit final Dessin du circuit imprimé avec l’outil de CAO correspondant.  Importation du schéma. 18
  19. 19. Conception détaillée du produit final Dessin du circuit imprimé.  Placement des composants. 19
  20. 20. Conception détaillée du produit final Dessin du circuit imprimé.  Tracé des pistes électriques sur les couches de cuivre. 20
  21. 21. Fabrication Boitier multifonction. Département GEII de l’IUT de l’Indre Eric PERONNIN
  22. 22. 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) : 22 1 : PCB = Printed Circuit Board = Circuit Imprimé Sérigraphie dessus. Couche SST pour Silk Screen TOP. Sérigraphie dessous. Couche SSB pour Silk Screen BOT.
  23. 23. Réalisation : fabrication du PCB Couches de vernis épargne :  Protection du cuivre contre l’oxydation.  Isolation électrique.  Les zones cuivrées non recouvertes de vernis sont métallisées. 23 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.
  24. 24. Réalisation : fabrication du PCB Couches 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). 24 Cuivre dessus. Couche TOP. Cuivre dessous. Couche BOT.
  25. 25. Réalisation : fabrication du PCB Couche 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. 25 Contour du circuit imprimé. Couche GKO/GML sur Altium Designer.
  26. 26. Réalisation : fabrication du PCB Couche de perçage  Fichier spécifiant la liste des trous de perçage (position et diamètre; format Excellon) 26 Trous de perçage. Couche DRILL sur Orcad. Fichier : thruhole.tap
  27. 27. Réalisation : fabrication du PCB Couche de brasure :  Permet la fabrication du masque de brasure pour souder les CMS 27 Masque de brasure sur le dessus et sur le dessous. Couche SPT pour Solder Paste TOP sur Orcad et SPB en dessous.
  28. 28. Travail de soudure. Placer le composant. 28 Le composant. Le circuit imprimé. Nettoyer la panne du fer à souder. Chauffer la broche du composant et la pastille du circuit imprimé. 2 3 La panne du fer à souder. La broche du composant. 1
  29. 29. 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. 29 4 Le fil d’étain. Le fil d’étain devient liquide quand sa température atteint 232°C ! 5 6
  30. 30. Le produit terminé A venir … 30
  31. 31. Développement Logiciel Boitier multifonction. Département GEII de l’IUT de l’Indre Eric PERONNIN
  32. 32. Logiciel du boitier multifonctions Développement 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. 32
  33. 33. Environnement de développement Environnement 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 très variable. 33
  34. 34. Environnement de développement Environnement 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. 34
  35. 35. Environnement de développement Approche « 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. 35
  36. 36. Programmation dans la carte Programmation et mise au point 36
  37. 37. Logiciel sur le smartphone Plusieurs 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. 37
  38. 38. Modèle Powerpoint utilisé par les présentations Intel

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