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OBJET ELECTRONIQUE
Application : Objet connecté – Boitier
QCM
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De nombreuses disciplines du DUT GEII en
jeu
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Gestion de
projet
Mathématiques
Electronique
Analogique
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Aspects relatifs à la Gestion de Projet
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Cahier des charges : critères
Conception d’un boitier permettant de répondre à des questions
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Cahier des charges : critères
Critère N°4 : consommation réduite.
 Enjeux écologique.
 Limiter le coût de fonctionnement...
Analyse et exploitation du cahier des charges
Deux aspects à considérer
 La réponse aux QCM,
 L’utilisation comme cible ...
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Cible pour les travaux pratiques
 LEDs et Boutons poussoirs déjà présents p...
Analyse et exploitation du cahier des charges
Synoptique du système
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Capteur de
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Thermomètre à affichage numérique
Département GEII de l’IUT de ...
Conception
Choix permettant de limiter le coût de fabrication.
 Utilisation d’un microcontrôleur faible coût pour jouer l...
Conception
Choix du mode d’alimentation.
 Batteries ou piles pour la mobilité.
– 2 piles AAA.
 Solutions rejetées :
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Conception
Solutions limitant la consommation.
 Choix du module de communication sans fil :
 Solution retenue : module R...
Conception détaillée du produit final
Choix des composants.
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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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Conception détaillée du produit final
Dessin du circuit imprimé avec l’outil de CAO correspondant.
 Importation du schéma...
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
Thermomètre à affichage numérique.
Département GEII de l’IUT de l’Indre
Eric PERONNIN
Réalisation : fabrication du PCB1
Transmission des fichiers du dessin du circuit imprimé à un
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Réalisation : fabrication du PCB
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
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Réalisation : fabrication du PCB
Couche de brasure :
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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
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Développement Logiciel
Thermomètre à affichage numérique.
Département GEII de l’IUT de l’Indre
Eric PERONNIN
Introduction
Développement logiciel ?
 Sans logiciel, le microcontrôleur ne fait rien.
 Microcontrôleur = un ordinateur ...
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 ...
Programmation dans la carte
Programmation et mise au point
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Conception d'un objet électronique : boitier pour QCM

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Support de présentation sur la conception et la réalisation d'un objet électronique.
L'objectif initial est de montrer quelles sont les disciplines de la formation en IUT GEII mises en jeu lors de la création d'un système électronique.

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Conception d'un objet électronique : boitier pour QCM

  1. 1. CONCEPTION ET REALISATION D’UN OBJET ELECTRONIQUE Application : Objet connecté – Boitier QCM 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 permettant de répondre à des questions de QCM durant les séances de Cours, de TD ou de TP. Critère N°1 : possibilité de répondre à des QCM proposant un maximum de 4 choix avec plusieurs réponses possibles. 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, le boitier 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. Critère N°5 : mobilité et durée de fonctionnement.  Fonctionnement en autonomie sur une durée minimale d’une année. Critère N°6 : permettre différentes activités de travaux pratiques avec  un système de développement simple d’utilisation,  des boutons poussoirs et LEDs,  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 réponse aux QCM,  L’utilisation comme cible pour des travaux pratiques. Application QCM  Boitier autonome et mobile :  intégration d’un système de communication sans fil,  alimentation par piles.  4 choix possibles par question :  4 boutons poussoirs,  4 LEDs permettant de connaître l’état de la réponse pour la question en cours. 6
  7. 7. Analyse et exploitation du cahier des charges Cible pour les travaux pratiques  LEDs et Boutons poussoirs déjà présents pour l’application QCM.  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 Bloc de piles ou batterie LED 1 LED 2 LED 3 LED 4 Bouton Poussoir 1 Bouton Poussoir 2 Bouton Poussoir 3 Bouton Poussoir 4 Connecteur Grove Communication / Analogique Connecteur Grove Tout ou Rien Liaison PC Programmation Affichages divers Liaison sans fil
  9. 9. Conception Matérielle : orientation informatique embarquée Thermomètre à affichage numérique 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.  Batteries ou piles pour la mobilité. – 2 piles AAA.  Solutions rejetées :  Dispositif stockant l’énergie des mouvements. – Les + : » Bilan écologique. – Les - : » Coût élevé. » Technologie propriétaire. » Nécessité de mettre en place une électronique spécifique pour le circuit l’alimentation et une petite pile permettant de palier à la faible autonomie du système.  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 :  Solution retenue : module RF à 2.4GHz à base de nRF24L01+ – faible consommation, – protocole permettant les accusés réceptions.  Module RF à 315 ou 433MHz : – aucun protocole de communication en version de base.  WiFi exclus : consommation trop élevée.  Bluetooth exclus : portée limitée et coût plus élevé.  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.  1 module nRF24L01+  5 signaux de communication nécessaires.  1 capteur de température analogique  1 signal analogique.  4 boutons poussoirs et 4 LEDs 8 signaux digitaux (tout ou rien).  1 pont de mesure de la tension délivrée par les piles  1 signal analogique.  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. 13
  14. 14. Conception détaillée du produit final Elaboration du schéma avec un outil de CAO électronique. 14 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 V_BATVCC33 D4 VCC AVCC C U2 LMT85 1 2 3 SDA VCC SCL AVCC VCC R1 10k J6 Capeur1 1 2 3 4 Grove - Capteur LEDs SW1 BP1 1 4 2 3 R8 100 R13 3k3 R14 3k3 D4 BP3 R4 100 V_TEMP D1 Rouge J2 SERIAL 1 2 3 4 5 6 DTR J1 BATTERIE 1 2 TXD RXD LED1 Capteur de température VCC VCC33 C3 100n VCC DTR R5 100 D2 Rouge LED2 R6 100 D3 Rouge LED3 VCC33 R7 100 D4 Rouge LED4 VCC SW2 BP2 1 4 2 3 C6 100n SW3 BP3 1 4 2 3 SW4 BP4 1 4 2 3 D5 BP4 D6 LED2 D7 LED3 Boutons poussoirs D2 BP1 D3 BP2 C2 100n A2 J3 nRF24L01+ GND 1 VCC 2 CE 3 CSN 4 SCK 5 MOSI 6 MISO 7 IRQ 8 A3 LED1 R9 100 Liaison série Programmation BP1 SDA SCL VCC33 nRF_CE nRF_CSN nRF_SCK nRF_MOSI A1 V_TEMP nRF_MISO C1 100n BP2 R10 100 R11 100 BP3 BP4 R12 100 nRF_CSN J5 I2C 1 2 3 4 nRF_CE nRF_MISO nRF_MOSI TXD RXD B0 LED4 nRF_SCK VCC A0 V_BAT Grove - Bus I2C Mesure de la batterie R15 100 Y1 16MHz C4 18p C5 18p R16 100 R2 1M D3 R3 470k
  15. 15. Conception détaillée du produit final Liste des composants 15 Qté Référence Valeur Désignation Fournisseur Code Prix Unitaire Prix Total 1 R1 10k Résistance 10 kohm 1/4W Farnell 9339060 0,027 0,03 1 R2 1M Résistance 1 Mohm 1/4W Farnell 9339086 0,030 0,03 1 R3 470k Résistance 470 kohm 1/4W Farnell 9339566 0,030 0,03 11 R4,R5,R6,R7,R8,R9,R10, R11,R12,R15,R16 100 Résistance 100 ohm 1/4W Farnell 9339043 0,019 0,20 2 R13,R14 3.3k Résistance 3,3 kohm 1/4W Farnell 9339426 0,028 0,06 4 C1,C2,C3,C6 100n Capacité 100nF CMS 1206 Farnell 1856599RL 0,019 0,07 2 C4,C5 18p Capacité 18pF CMS 1206 Farnell 1650895 0,068 0,14 1 Y1 16 MHz Crystal 16MHz, 18pF Farnell 1701139 0,122 0,12 4 SW1,SW2,SW3,SW4 Boutons poussoirs et capuchons Flotec 0,129 0,52 1 U1 ATMEGA328P-PN ATMEGA328P-PN Farnell 2443179 1,650 1,65 1 U2 LMT85 LMT85 Farnell 2432143 0,685 0,69 4 D1,D2,D3,D4 Rouge LED rouge 3mm Farnell 1245112 0,081 0,32 1 Support U1 Support CI 28 broches Farnell 2445626 0,243 0,24 1 J2 Liaison Série Connecteur 6 pts au pas de 2,54 Farnell 2396215 0,277 0,28 1 J3 Connecteur nRF24L01+ Connecteur 2x4 pas 2.54 Farnell 1593489 0,329 0,33 2 J5,J6 Connecteur Grove Connecteur Grove Droit GoTronic 31232 0,150 0,30 1 Module nRF24L01+ Flotec 1,125 1,13 1 Module liaison série Flotec 2,222 2,22 1 Boitier 100x50x25 Farnell 2445832 1,440 1,44 1 Circuit imprimé Seeedstudio 1,820 1,82 Total : 11,61
  16. 16. Conception détaillée du produit final Dessin des composants avec l’outil de CAO électronique  empreintes physiques.  Exemple avec le microcontrôleur. 16 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
  17. 17. Conception détaillée du produit final Dessin du circuit imprimé avec l’outil de CAO correspondant.  Importation du schéma. 17
  18. 18. Conception détaillée du produit final Dessin du circuit imprimé.  Placement des composants. 18
  19. 19. Conception détaillée du produit final Dessin du circuit imprimé.  Tracé des pistes électriques sur les couches de cuivre. 19
  20. 20. Fabrication Thermomètre à affichage numérique. Département GEII de l’IUT de l’Indre Eric PERONNIN
  21. 21. Réalisation : fabrication du PCB1 Transmission des fichiers du dessin du circuit imprimé à un fabricant (2€ 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) : 21 1 : PCB = Printed Circuit Board = Circuit Imprimé Sérigraphie dessus. Couche SST pour Silk Screen TOP. Sérigraphie dessous. Couche SSB pour Silk Screen BOT.
  22. 22. 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. 22 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.
  23. 23. 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). 23 Cuivre dessus. Couche TOP. Cuivre dessous. Couche BOT.
  24. 24. 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. 24 Contour du circuit imprimé. Couche GKO/GML sur Altium Designer.
  25. 25. Réalisation : fabrication du PCB Couche de perçage  Fichier spécifiant la liste des trous de perçage (position et diamètre; format Excellon) 25 Trous de perçage. Couche DRILL sur Orcad. Fichier : thruhole.tap
  26. 26. Réalisation : fabrication du PCB Couche de brasure :  Permet la fabrication du masque de brasure pour souder les CMS 26 Masque de brasure sur le dessus. Couche SPT pour Solder Paste TOP sur Orcad.
  27. 27. Travail de soudure. Placer le composant. 27 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
  28. 28. 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. 28 4 Le fil d’étain. Le fil d’étain devient liquide quand sa température atteint 232°C ! 5 6
  29. 29. Le produit terminé 29
  30. 30. Développement Logiciel Thermomètre à affichage numérique. Département GEII de l’IUT de l’Indre Eric PERONNIN
  31. 31. Introduction 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.  langage de référence : le C. 31
  32. 32. 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. 32
  33. 33. 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. 33
  34. 34. Programmation dans la carte Programmation et mise au point 34
  35. 35. Modèle Powerpoint utilisé par les présentations Intel

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