Ce document décrit la conception et la réalisation d'un boîtier électronique permettant de répondre à des questions de QCM pendant les cours, en intégrant plusieurs disciplines comme l'électronique et l'informatique embarquée. Le cahier des charges comporte des critères de coût, de consommation, et de fonctionnalité, incluant des capteurs et une connectivité sans fil. Le développement détaillé aborde la sélection des composants, la fabrication du circuit imprimé, et les étapes de montage, en mettant l'accent sur l'efficacité et la mobilité du dispositif.

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. 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. Aspects relatifs à la Gestion de Projet
De la conception à la fabrication
Département GEII de l’IUT de l’Indre
Eric PERONNIN

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. 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. 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. 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. 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. Conception Matérielle : orientation
informatique embarquée
Thermomètre à affichage numérique
Département GEII de l’IUT de l’Indre
Eric PERONNIN

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Conception détaillée du produit final
Dessin du circuit imprimé avec l’outil de CAO correspondant.
 Importation du schéma.
17

18. Conception détaillée du produit final
Dessin du circuit imprimé.
 Placement des composants.
18

19. Conception détaillée du produit final
Dessin du circuit imprimé.
 Tracé des pistes électriques sur les couches de cuivre.
19

20. Fabrication
Thermomètre à affichage numérique.
Département GEII de l’IUT de l’Indre
Eric PERONNIN

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Le produit terminé
29

30. Développement Logiciel
Thermomètre à affichage numérique.
Département GEII de l’IUT de l’Indre
Eric PERONNIN

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. 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. 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. Programmation dans la carte
Programmation et mise au point
34

35. Modèle Powerpoint utilisé par les présentations Intel