A l’aide du document de présentation du bus I2C fourni ... file · Web viewLe laboratoire de SI est équipé d’un banc aérodynamique pour modèle réduit. Ce banc dispose, entre

A laide du document de prsentation du bus I2C fourni donner :

Choisir et mettre en uvre une solutionde mesure dun effort mcanique

Problmatique:

On souhaite ici mesurer leffort de portance (d aux effets arodynamiques) appliqu sur un vhicule modle rduit.

Matriel utile:

Arduino + Shield Grove + Cable USB

Capteur deffort + Carte amplificateur + Cbles Grove

Masses talons

(PoidsPortance)

I. Mise en situation et cahier des charges:

L'arodynamique automobile est l'tude des phnomnes arodynamiques induits par l'coulement de l'air autour d'un vhicule automobile en mouvement. La connaissance de ces phnomnes permet de rduire la consommation des vhicules ou d'amliorer leur comportement routier.

Le laboratoire de SI est quip dun banc arodynamique pour modle rduit. Ce banc dispose, entre autre, de capteurs defforts disposs sous chacune des roues afin de mesurer leffort de portance ngative (effort arodynamique qui a tendance plaquer une voiture au sol).

Ces capteurs defforts sont en fait quivalent des balances que lon aurait disposs sous chacune des roues.

En absence de flux dair, ces capteurs sont soumis au poids du vhicule.

En prsence dun flux dair, ces capteurs, en plus dtre soumis au poids du vhicule sont galement soumis leffort de portance ngative.

Le cahier des charges impose principalement (1) :

une mesure, sous une roue, dans la gamme 981N (100g) 9025,2N (920g)

une erreur sur la mesure qui soit la plus faible possible

__________________________________________________________________________________________

1. Ltude ne porte que sur la mesure de leffort sous une roue. On considre ici que leffet cumul du poids et de leffort de portance sous la roue sera compris entre 981N et 9025.2N (soit les effets dune masse talon dune valeur comprise entre 100g 920g que lon aurait place sur le capteur deffort)II. Solutions imagines lissue de la recherche de solutions:

Voici les rsultats issus de la recherche de solutions mene par un groupe dlves. Lire lannexe 1.

BONNES PRATIQUES: Avant la mise en place dun protocole dexprimentation, il est essentiel didentifier explicitement la nature de la grandeur mesurer.

Capteur deffort jauges de dformation sur corps dpreuve (1):

Une fois aliment par une tension de 5V, ce capteur dlivre une tension UCAPT proportionnelle leffort mesurer Fmes ou la masse m applique:

(Tension UCAPT (V)m (g)00256.4512.8010050)Schma dapplication envisag:Caractristique dentre / sortie:

(UCAPTMasse+5VBtiFmesMasse m)

Caractristiques principales du capteur deffort(1) :

Sensibilit: (1/195) mV /gEtendue de mesure: 0g 1170g (limite extrme avant dtrioration)

Concernant lorganisation de la chane dinformation trois solutions sont envisages :

(TRAITER Conversion A / N 10 bits AMPLIFICATEUR CARTE ARDUINO) () (Tension Vref (V) ) (#)Solution 1:

(ACQUERIRCAPTEUR DEFFORT) (5V (Alim +))

(x 830) (Donne numrique N image de la temprature mesure)

(Masse mesurer (g)m) (Tension (V)UCAN) (Tension (V)UCAPT)

(0V (Alim -))

Dans cette solution, on intercale une fonction multiplication par une constante (amplificateur de tension dont le gain en tension est de 830) entre la sortie du capteur deffort et lentre analogique de la carte Arduino. La pleine chelle VPE du convertisseur A / N est fixe 5V (valeur par dfaut).

__________________________________________________________________________________________

1. Pour simplifier ltude, on va considrer que:

leffort mesurer (grandeur physique dentre mesurer) varie extrmement lentement dans le temps (valeur pratiquement continue), seules les proprits statiques du capteur deffort et de la chane dacquisition sont alors utiles.

lerreur sur la mesure du capteur deffort est suppose nulle.

pour viter les changements dunit (Newton Gramme), lunit de la grandeur mesurer sera le gramme.

(ACQUERIRCAPTEUR DEFFORTTRAITER Conversion A / N 10 bits AMPLIFICATEUR CARTE ARDUINOMasse mesurer (g)mTension (V)UCAPTDonne numrique N image de la temprature mesure#Tension Vref (V) Tension (V)UCANx 10460V (Alim -)5V (Alim +))Solution 2:

Dans cette solution, le gain en tension de lamplificateur est port 1046. La pleine chelle VPE est fixe 5V.

Solution 3:

La solution 3 reprend exactement la mme organisation pour la chane dinformation que pour la solution 2 mais la pleine chelle VPE du convertisseur A / N est prsent fixe logiciellement la valeur de 1.1V.

III. Etude thorique de la solution 2:

Vous devez conduire ltude thorique de la solution 2 en vue de choisir la solution rpondant parfaitement au cahier des charges.

BONNES PRATIQUES: Une tude thorique prliminaire permet de prvoir quantitativement lordre de grandeur dune mesure.

Lire puis complter lannexe fourni (1) pour la solution 2 afin:

1. Didentifier la nature (analogique, logique et numrique) en divers points de la chaine dinformation;

2. Complter le schma bloc en donnant les relations liant:

a. UCAPT et masse mesurer m;

b. UCAN et UCAPT;

c. N et la tension UCAN puis N et la masse mmes;

d. mmes et leffort Fmes en Newton.

3. De dterminer les valeurs prises par les tensions UCAPT, UCAN et par la donne numrique N en fonction de la masse m mesure;

4. De critiquer la pertinence de la solution propose.

Complter le tableau de choix de solution de la page suivante.

__________________________________________________________________________________________

1. Se rfrer lannexe 2.

IV. Choix dune solution:

BONNES PRATIQUES: Une solution nest retenue que si elle respecte tous les critres quantitatifs initialement attendus. Le meilleur moyen de vrifier si une solution respecte le cahier des charges initial est dlaborer un tableau listant chacune des solutions possibles et les critres attendus.

Choix dune solution pour la fonction ACQUERIR

Critres de choix

Solution: Capteur deffort

Etendue de mesure

Etendue de mesure du capteur choisi

Gamme de defforts de portance mesurer daprs le cahier des charges

100g 920g

Solution envisageable ou non

Envisageable Non envisageable

Erreur sur la mesure

Erreur sur la mesure du capteur choisi

Erreur sur la mesure souhaite daprs le cahier des charges

Erreur la plus faible possible



Choix de la solution et justification

La solution choisie respecte tous les critres du cahier des charges.Le choix du capteur deffort est dfinitivement valid.

Choix dune solution pour la fonction TRAITER

Critres de choix

Solution 1

Solution 2

Solution 3

Etendue de mesure

Gamme de valeurs prises par N

0 1023

0 1023

0 1023

Relation de m (en g) en fonction de N

m = (N x 5 / 1024) / 830 x 195000

Etendue de mesure de la solution (en g)

0 1173g

0 204g

Gamme de defforts de portance mesurer daprs le cahier des charges






Plus petite variation possible de N

1

1

1

Relation de m (en g) en fonction de N

Plus petite variation deffort de portance mesurable (en g) avec la solution (erreur sur la mesure)

1,14g

0,20g





Choix de la solution et justification

V. Modlisation de la solution choisie

BONNES PRATIQUES: Dans un projet, la modlisation permet de valider une solution et danticiper les problmes avant sa mise en uvre relle.

Saisir, sur Matlab / Simulink le modle causal correspondant la chaine dacquisition de la solution choisie pour la mesure de leffort:

(Simulink>Sinks>Display)

(Simulink>Commonly>Constant) (Simulink>Commonly>Gain)

(Simulink>Math Operations>Rounding Function) (Composants modliss)

(Composants rels)

Faire une capture dcran de votre modle causal:

Ajouter au modle prcdent une fonction Matlab afin de calculer la valeur de masse mesure mMES partir de la valeur N:

(Simulink>User-Defined Functions)

(Pour saisir le calcul effectuer il faut double-cliquer sur le bloc User-Defined Functions puis saisir les informations suivantes (remplacer les par le calcul effectuer):)

Faire une capture dcran de votre modle et du contenu du bloc fcn:

Dans la constante Masse, saisir les diffrentes valeurs de masse en g sous la forme dun tableau:[050100200300 etc]

Excuter le modle en cliquant sur licne afin de complter le tableau ci-dessous. Calculer lerreur sur la mesure issue du modle:

Masse mesurer m en g

UCAPT en mV

UCAN en V

N sans unit

Masse mesure mMES en g

Erreur (valeur absolue) sur la mesure en g

0g

50g

100g

200g

300g

600g

700g

800g

900g

930g

Lerreur maximale issue du modle en g est-elle cohrente avec ltude thorique prcdente? Le modle est-il en adquation avec lanalyse thorique?

VI. Exprimentation de la solution et valuation des carts avec le modle

a- Mise en uvre matrielle:

Voici le schma dimplantation matriel de la solution que lon souhaite mettre en uvre afin de confronter les rsultats issus du modle et issus du rel:

Modle cr prcdemment:

(UCAPTBtiMasse mTransmission de la donne N issue de la conversion analogique / numrique via le port USBUCANAmplificateur (G = 1046) (1)Capteur deffortCarte Arduino)

Rel (schma dimplantation):

A partir du schma dimplantation de solution ci-dessus, mettre en uvre la solution choisie pour la mesure de leffort. Faire appel au professeur.

NE PAS CONNECTER LE CABLE USB AU PC!

b- Mise en uvre logicielle:

Vous savez que Matlab / Simulink permet de modliser une solution. Mais pas seulement

Matlab / Simulink permet galement dexprimenter une solution!

Matlab / Simulink peut par exemple communiquer avec une carte Arduino, connecte au port USB du PC, afin de trs facilement:

Manipuler les informations numriques issues de la carte Arduino

Dafficher les rsultats dune exprimentation laide des composants Simulink habituel: Scope, etc

__________________________________________________________________________________________

1. A noter que le rglage du gain de lamplificateur se fait via un potentiomtre. Le professeur a dj rgl le gain la valeur souhaite.

(Arduino IO Library Simulink)

c- Saisie du schma dexprimentation sur Matlab / Simulink:

Le bloc Arduino AnalogRead prsent dans la librairie Arduino IO Library permet de rcuprer, via la liaison USB, le rsultat de la conversion analogique / numrique ralise par la carte Arduino:

Dans les proprits du bloc Arduino AnalogRead il est possible de:

Dfinir la broche analogique que lon souhaite utiliser (broche sur laquelle on a connect un capteur par exemple), ici: broche 0

Dfinir la priode dchantillonnage (dure entre deux rcuprations de la donne issue de la conversion analogique numrique), ici: 200ms

(Arduino IO Library Simulink)

Le bloc Real-Time Pacer prsent dans la librairie Arduino IO Library permet de dfinir la vitesse dexcution du schma dexprimentation (Speedup = 1: Fonctionnement temps rel).

Le bloc Arduino IO Setup prsent dans la librairie Arduino IO Library permet le port de communication associ la carte Arduino connecte au PC.

Le schma dexprimentation Matlab / Simulink ci-dessous permet par exemple:

1- de rcuprer la donne N issues de la conversion analogique / numrique (broche 0, toutes les 200ms)

2- de calculer la valeur de la masse mesure mmes (il faut, bienvidemment, pour cela complter correctement le bloc fcn).

Activit Choix et mise en uvre dune solution de mesure dun effort mcanique Sciences de lingnieur

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08/05/2018

d- Schma dexprimentation (aspect matriel et logiciel) permettant la mesure de leffort

(Transmission de la donne N issue de la conversion analogique / numrique via le port USB)

Voici le rcapitulatif complet de lexprimentation permettant la mesure de leffort:

(UCAN) (Masse m)

(OrdinateuravecMatlab / Simulink)

(UCAPT)

(Capteur deffort) (Amplificateur)

(Carte Arduino) (Bti)

(Voltmtre 2) (Voltmtre 1)

(Schma Simulink dexprimentation)

Complter le schma de la page prcdente en connectant les voltmtres de manire mesurer, au signe, prs:

la tension UCAPT avec le voltmtre 1;

la tension UCAN avec le voltmtre 2.

Saisir le schma dexprimentation Matlab / Simulink de la page prcdente.

Complter le bloc fcn de faon calculer la valeur de la masse mesure mmes partir de la valeur de N (convertir N en type single en crivant: single(N)). Faire une capture des instructions saisies dans le bloc fcn:

Enregistrer le schma dexprimentation Matlab / Simulink sous le nom MesureMasse.slx dans votre dossier personnel.

e- Mesure des grandeurs en divers points de la chane dacquisition

On souhaite ici mesurer les grandeurs lectriques en divers points de la chane dacquisition afin de valider son bon fonctionnement.

A REALISER AVEC LE PROFESSEUR!!

Relev de la tension UCAPT pour diffrentes valeurs de masse:

Connecter le voltmtre afin de mesurer la tension UCAPT. Puis connecter la carte Arduino au port USB afin dalimenter le capteur deffort, lamplificateur ainsi que la carte Arduino.

Complter la colonne UCAPT du tableau ci-dessous. Dconnecter la carte Arduino du port USB.

Relev de la tension UCAN pour diffrentes valeurs de masse:

Connecter le voltmtre afin de mesurer la tension UCAN. Puis connecter la carte Arduino au port USB.

Complter les colonnes UCAN et Gain = CCAN / UCAPT du tableau ci-dessous. Dconnecter la carte Arduino.


UCAPT en mV

UCAN en V

Gain

0g

50g

100g

200g

300g

400g

450g

Valeur (dduite) maximale mesurable obtenu en appuyant progressivement sur le capteur

920g

4.7

Sur Excel tracer les caractristiques dentre/sortie du:

capteur UCAPT = f(m)

amplificateur UCAN = f(UCAPT)

UCAPT(mV) = f(m(g))UCAN(V)= f(UCAPT(mV))

Commenter les tracs prcdents:

UCAPT(mV) = f(m(g))Sensibilit ?Valeur lorigine?

UCAN(V)= f(UCAPT(mV))Gain ?Valeur maximale ?

Relev de la donne numrique N issue de la conversion analogique / numrique:

Ouvrir le schma dexprimentation Matlab / Simulink MesureMasse.slx et modifier le bloc fcn (calcul de la valeur de la masse mesure mmes partir de la valeur de N) de faon prendre en compte la tension prsente en sortie de lamplificateur (par exemple ici -0.503V) en absence de masse (m = 0g):

Connecter la carte Arduino au port USB afin de visualiser la valeur de la donne N et de la masse mesure mmes par la chaine dacquisition.

Excuter le schma dexprimentation en cliquant sur licne

Complter le tableau ci-dessous:


UCAN en V

N sans unit

Masse mesure mMES en g

Erreur (valeur absolue) sur la mesure en g

0g

50g

100g

200g

300g

400g

450g

Valeur (dduite) maximale mesurable obtenu en appuyant progressivement sur le capteur

920g

f- Analyse des carts et prconisation de modifications de la chane dacquisition

Rsultats de la solution de mesure de masse: Etendue de mesure

Etendue de mesure

Etendue de mesure de la solution relle

Etendue de mesure prvue par ltude thorique

Solution envisageable ou non en ltat

Envisageable Non envisageable en ltat

Analyse des rsultats de mesure

Modification envisage

Rsultats de la solution de mesure de masse: Erreur sur la mesure


Erreur maximale commise sur la mesure avec la solution choisie

Erreur sur la mesure prvue par ltude thorique

Erreur sur la mesure souhaite daprs le cahier des charges


Envisageable Non envisageable en ltat

Analyse des rsultats de mesure

50

Masse

x

CAN

x

Capteur

x

Amplificateur

Display3Display1Display2

floor

Arrondir l'entier

infrieur

Masse (en g)UcaptUcanN

Donne numrique

issue de la conversion

analogique / numrique

50

Masse

x

CAN

x

Capteur

x

Amplificateur

Display3Display1Display2

floor

Arrondir l'entier

infrieur

Nm

Calcul de la valeur de la masse mesure

Display5

Masse (en g)UcaptUcanN

Donne numrique



Masse mesure

Display1

Nm


Display2

Arduino1

Analog Read

Pin 0

Arduino Analog Read

Real-Time Pacer

Speedup = 1

Real-Time Pacer

Setup

Arduino1

COM48

Arduino IO Setup

N

Donne numrique



Masse mesure

Display1

Nm


Display2

Arduino1

Analog Read

Pin 0

Arduino Analog Read

N

Donne numrique



Masse mesure

Documents

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