Poursuite de de Maximum d'Eclairage

5/7/2018 Poursuite de de Maximum d'Eclairage - slidepdf.com

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Ecole Polytechniques de Tunisie

Module : applications à base de microprocesseur

Rapport du mini projet :

POURSUITE MAXIMUM D’ECLAIREMENT

Réalisé par les élèves ingénieurs : Haythem SAKKA

Abdelkarim AMMARI

Année universitaire : 2010-2011



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Table de matières

1. Fonctionnement du dispositif réalisé .......................................................................................................4

2. Commande du moteur .............................................................................................................................5

2.1. Les moteurs pas à pas .......................................................................................................................5

2.2. Avantages des moteurs pas à pas .....................................................................................................5

2.3. Les types de moteurs pas-à-pas ........................................................................................................5

2.4. Moteur..............................................................................................................................................6

2.5. Pilotage des moteurs pas à pas : .......................................................................................................6

2.6. Schéma électrique : (Voir Annexe) ....................................................................................................7

3. LDR et conversion analogique/numérique ...............................................................................................9

Photorésistance (LDR) ..........................................................................................................................9

Conversion analogique numérique ..................................................................................................... 11

Transformation de la résistance en une tension................................................................................. 11

Conversion.......................................................................................................................................... 12

4. Programmation ...................................................................................................................................... 13

5. Carte électronique.................................................................................................................................. 16

Annexe ........................................................................................................................................................... 18



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Introduction

Certains systèmes électroniques sont autonomes énergétiquement, et sont alimentés par des batteries.

Pour maintenir le niveau de charge de ces batteries, des cellules photovoltaïques transforment l’énergie

solaire en énergie électrique. Pour optimiser cette fonction, il est intéressant d’orienter le panneau de cellule,toujours dans la direction du maximum d’éclairement, et ceci automatiquement, en fonction des variations

d’éclairement. C’est l’objet de ce mini projet, réalisé dans le cadre du module : « Applications à base de

microprocesseurs ».

Une LDR (Light Dependent Resistor) fournit un signal analogique traité par un microcontrôleur. Cette LDR

est solidaire d’un support tournant couplé à un moteur pas à pas. Après traitement des données, le

programme commande le moteur pour positionner le capteur dans la direction la plus favorable.

Dans le rapport présent, nous présentons, en premier lieu, le fonctionnement du dispositif réalisé. Ensuite,

nous analysons les unités fonctionnelles en présences. Finalement, on montre l’implémentation logicielle etmatérielle du travail.



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1. Fonctionnement du dispositif réalisé

Le travail consiste à balayer 360° en prenons une capture de l’intensité de lumière toutes les 7,2°. Après

traitement, le programme commande le moteur pour positionner le capteur dans la direction la plusfavorable.

Donc, le travail peut êtres subdivisé en deux modules fonctionnels importants :

La commande du moteur

L’acquisition de données

Position initiale :

Capture de l’intensité lumineuse.

Commander le moteur pour tourner de 7,2°.

Position suivante :

Capture de l’intensité lumineuse.

Traitement : Si nouvelle valeur est supérieur à l’ancienne valeur du ma maximum alors

marquer comme maximum.

Répéter les étapes 50 fois. (Retour à la position 0°)

Ramener le dispositif à la position correspondante à la valeur maximale d’intensité

lumineuse.



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2. Commande du moteur2.1. Les moteurs pas à pas

Les moteurs pas-à-pas, également connus sous le nom de "stepping motor", peuvent tourner et s’arrêter avecune précision de l’ordre du centième de millimètre. Cette très grande précision et leur fiabilité les

prédestinent à être utilisés dans de nombreux appareils électroniques comme, par exemple, les lecteurs de

disquettes pour la recherche des pistes, les imprimantes et les traceurs pour le déplacement du chariot, les

photocopieuses pour l’agrandissement, ainsi que dans différents robots industriels.

2.2. Avantages des moteurs pas à pas

Vitesse constante

Contrairement aux moteurs à courant continu qui ralentissent quand on augmente le couple appliqué sur

l'axe, le moteur pas à pas avance d'un pas à chaque oscillation de l'horloge qui pilote l'électronique. Elle est

indépendante du couple appliqué sur l'axe du moteur pas à pas.

Électronique plus simple

Les moteurs à courant continu et synchrone peuvent tourner sans électronique de contrôle alors que le

moteur pas à pas nécessite un circuit de commande. Cependant, pour obtenir une vitesse constante,

l'électronique nécessaire aux moteurs à courant continu et synchrone est plus compliquée que celle utilisée

pour les moteurs pas à pas.

Basse vitesse de rotation

Les moteurs pas à pas peuvent rester immobiles avec un couple sur leur axe et n'avancer d'un pas que lorsque

l'horloge l'ordonne. Cela permet de tourner très lentement en contrôlant la vitesse ce qui n'est pas possible

avec les moteurs à courant continu et synchrones.

2.3. Les types de moteurs pas-à-pas

Les moteurs pas-à-pas peuvent être de type bipolaire ou unipolaire :

Les moteurs bipolaires s’appellent ainsi car, pour faire tourner l’axe, il faut inverser la polarité de

l’alimentation de leurs bobines, selon une séquence bien précise (voir figure 8).Ces moteurs se reconnaissent aisément aux 4 fils qui sortent de leur corps (voir figure 4).

Les moteurs unipolaires s’appellent ainsi car, ayant un double enroulement, il n’est pas nécessaire d’inverser

la polarité d’alimentation. Ces moteurs se reconnaissent aux 5 ou 6 fils sortant de leurs corps (voir les figures

5 et 6).

Les moteurs bipolaires sont plus courants car, à puissance égale, ils sont de plus petites dimensions que les

unipolaires. C’est pour cette raison que l’on préfère utiliser les bipolaires lorsque l’on rencontre des

problèmes d’espace dans un appareil.



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2.4. Moteur

Caractéristiques :

Tension: 12 V

Résistance des enroulements: 75 ohms

200 pas/tour

Déterminer le câblage :

Il suffit de mesurer la résistance entre chaque fil pour déterminer les

enroulements qui y sont reliés.

Dans cet exemple:

75 ohms entre 1 et 2,

150 ohms entre 1 et 3,

résistance infinie entre 1 et 4.

2.5. Pilotage des moteurs pas à pas :

Le premier problème auquel nous sommes confrontés, c’est le pilotage d’un moteur pas -à-pas. Ayant entre

les mains des moteurs munis de 4 fils, voire de 5 ou 6, beaucoup ignorent comment les relier et avec quelle

tension les alimenter.

Pour mieux expliquer comment on procède pour faire tourner l’axe d’un pas, analysons un moteur théorique

muni de 4 bobines excitatrices seulement (voir figure 1), excitées par un seul aimant.

Figure 1

Si on applique une tension sur les deux bobines A-A, l’aimant sera attiré vers ces deux bobines, et on

obtiendra alors la rotation d’un pas (voir figure 1-A).

Si on retire la tension des deux bobines A-A pour l’appliquer sur les bobines BB, l’aimant sera attiré vers ces

deux bobines et on obtiendra alors la rotation d’un autre pas (voir figure 1-B).

Si on applique la tension sur les bobines A-A, mais avec une polarité inversée, l’aimant sera alors attiré versces deux bobines et on obtiendra alors un autre pas de rotation (voir figure 1-C).

Pour obtenir encore un autre pas de rotation, on devra appliquer une tension de polarité inversée sur les

bobines B-B (voir figure 1-D).

Schéma électrique d'un moteur

pas à pas unipolaire



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Donc, pour faire effectuer un tour complet à l’axe du moteur, on devra appliquer de façon séquentielle une

tension sur les bobines A-A, puis sur les bobines B-B, puis à nouveau, mais avec une polarité inversée, sur les

bobines A-A et sur les bobines B-B.

Plus le nombre d’aimants présents sur le rotor et de bobines présentes dans le stator sera important, plus

grand sera le nombre de pas nécessaires pour faire effectuer un tour complet à l’axe du moteur.

2.6. Schéma électrique : (Voir Annexe)

Le schéma électrique représenté en Annexe, contient deux étages. La partie en haut, et qui utilise les deux

circuits intégrés «L297» et «L298», est le circuit de puissance qui sert à faire sortir des bornes A-A et B-B les

combinaisons nécessaires pour faire tourner n’importe quel type de moteur pas-à-pas.

La partie en bas, et qui utilise le microcontrôleur PIC 16F877, sert à envoyer au circuit intégré «L297» les

impulsions d’horloge (un signal PWM) pour faire tourner le moteur à différentes vitesses.

Nous commençons la description de leur fonctionnement avec la partie en haut, où le premier circuit intégré

que l’on trouve est un L297 et construit par SGS-Thomson.

Ce circuit intégré, grâce à une logique interne, présente sur ses sorties 4, 5, 6, 7, 8 et 9 toutes les

combinaisons nécessaires pour piloter les couples de bobines A-A et B-B.

Ces sorties contrôlent le pilotage et le sens de rotation du moteur pas-à-pas, tandis que les broches 14 et 13

sont utilisées pour contrôler le courant maximal pouvant être absorbé par les enroulements du moteur.

Le trimmer R2, relié à la broche 15 de «L297», sert à faire varier le courant de pilotage du moteur d’un

minimum de 1 milliampère à un maximum de 2 ampères. C’est grâce à cette possibilité que nous pouvons yrelier n’importe quel type de moteur pas-à-pas, du plus petit au plus gros.

Les autres entrées se trouvant sur ce circuit intégré ont les fonctions suivantes :

Broche 10 "Enable" = En appliquant une tension de 5 volts sur cette broche, cela confère au circuit intégré

«L298» l’aptitude à piloter le moteur.

Broche 17 "Direction" = Si on place cette broche au niveau logique 0, le moteur tourne dans le sens contraire

des aiguilles d’une montre. Si, au contraire, on le place au niveau logique 1, c’est-à-dire qu’on le relie à la

tension positive des 5 volts, le moteur tourne dans le sens des aiguilles d’une montre.

Donc, même si vous vous trompez en reliant les fils des bobines A-A et B-B et si vous les inversez, vous n’aurez

pas de problèmes car, vous pourrez toujours inverser le sens de rotation, grâce à cette broche.

Broche 19 "Half-Full" = Si cette broche est placée au niveau logique 0, l’axe moteur tourne avec des pas

entiers, tandis que si elle est placée au niveau logique 1, l’axe moteur tourne avec des demis pas. En effet,

"Full" en anglais signifie "entier" et "Half" signifie "demi".

Broche 18 "Clock" = Sur cette broche, on applique une onde carrée dont la fréquence détermine la vitesse de

rotation de l’axe moteur.

Le second circuit intégré est un L298/N, également construit par SGSThomson.

C’est en fait le véritable "driver" du moteur, car il reçoit du circuit intégré «L297» toutes les séquences

logiques pour piloter les 8 transistors de puissance placés à l’intérieur de son boîtier. Ces transistors ont la

charge de l’alimentation des fils de sortie A-A et B-B des bobines du moteur. Ce circuit intégré, capable

d’alimenter les moteurs bipolaires, peut débiter un courant maximal de 2 ampères sur sa sortie.



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Les résistances R9, R10 et R11, R12 de 1 ohm, reliées aux broches 1 et 15, servent à contrôler le courant qui

parcourt les bobines du moteur.

Si le courant absorbé par les bobines dépasse la valeur que nous avons imposée grâce au trimmer R2, le

circuit intégré «L297» limite immédiatement le courant de sortie de «L298», pour éviter que celui-ci puisse

être endommagé, protégeant ainsi également les enroulements du moteur.

Les diodes schottky, de DS2 à DS9, que l’on trouve reliées aux sorties A-A et B-B, tant sur le positif que sur la

masse, servent à protéger le circuit intégré de surtensions dangereuses, toujours présentes pendant les

phases de commutation.

Les broches 11 et 12 de «L297» et la broche 9 de «L298» sont alimentées avec une tension stabilisée de 5

volts, tandis que sur la broche 4 de «L298», on applique une tension continue non stabilisée, qui servira à

alimenter les bobines du moteur.

La description du circuit de pilotage étant terminée, nous pouvons à présent nous intéresser à la partie haute

du schéma, concernant le PIC 16F877.

Ce microcontrôleur est utilisé pour commander l’étage de puissance en impulsions carrées de signal PWM.

Ceci permet de varier la vitesse de rotation de l’axe moteur, mettre en marche et arrêter le moteur.

Sur le schéma, on a fixé le choix de l’avance moteur soit en pas complet, rotation de l’axe moteur en sens

antihoraire.



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3. LDR et conversion analogique/numérique Photorésistance (LDR)

Une photorésistance est un composant dont la valeur en ohms dépend de la lumière à laquelle il est exposé.On la désigne aussi par LDR (Light Dependent Resistor = résistance dépendant de la lumière).

La principale utilisation de la photorésistance est la mesure de l'intensité lumineuse (appareil photo, systèmes

de détection, de comptage et d'alarme...).

Une photo résistance est composée d'un semi-conducteur à haute résistivité.

Principe

Un cristal de semi-conducteur à température basse contient peu d'électrons libres. La conductivité du cristal

est très faible, proche de celle d'un isolant. Lorsque la température du cristal augmente de plus en plus

d'électrons qui étaient immobilisés dans les liaisons covalentes s'échappent et peuvent participer à la

conduction.

A température constante si le même cristal semi-conducteur est soumis à une radiation lumineuse, l'énergie

apportée par les photons peut suffire à libérer certains électrons utilisés dans les liaisons covalentes entre

atomes du cristal. Plus le flux lumineux sera intense, plus le nombre d'électrons disponibles pour assurer la

conduction sera grand, ainsi la résistance de la LDR est inversement proportionnelle à la lumière reçue.

Propriétés

L’éclairement du soleil est de l’ordre de 20.000 lux.

D’après le tableau ci-dessous, on remarque que notre résistance sera de l’ordre d’une dizaine de l’Ohm.

Ta=29°C Source de lumière Illumination (lux) Résistance

Eclairement lunaire 0.1 1 MΩ

Ampoule à 1m de distance 50 3 KΩ

Lumière fluorescente 500 300Ω

Soleil claire 30.000 50Ω



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La résistance du LDR est une fonction linéaire de l’éclairement.

D’après la figure ci-dessus, on constate que la position de maximum d’éclairement pour une longueur

d’onde donnée correspond à un maximum global pour le reste du spectre. De plus, le maximum de sensibilité

spectrale de la LDR est dans le domaine du visible (entre 500 et 700 nm), ce qui correspond à nos besoins

puisque l’énergie récupérer par le panneau solaire est dans le domaine visible.



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Conversion analogique numérique

Le rôle du convertisseur analogique numérique est de transformer une tension analogique en un nombre

binaire (proportionnel à la tension analogique).

On doit d’abord transformer la résistance donnée par la LDR en une grandeur compréhensible par le pic.

La solution la plus simple est la transformation de la résistance en tension, cela facilite aussi la conversion

analogique numérique.

Transformation de la résistance en une tension

La résistance de la LDR varie entre 50 et 1000 Ohm. Ainsi, d’après le graphe ci -dessus, la tension à la

borne de RA0 va varier entre 2.5 jusqu’à 4.7 V

Cette information sera utile par la suite.

RA0= [LDR/ (LDR+R)]*5



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Conversion

Choix des canaux d'entrées :

On doit d’abord configurer une entrée comme analogique, on a choisi le port A comme entrée

analogique et particulièrement RA0 pour faire la conversion.

Conversion sur 10 bits

Le pic 16F877 travaille avec un convertisseur analogique / numérique interne qui permet un

échantillonnage sur 10 bits, on peut avoir 1024 valeurs.

Choix de la fréquence d'horloge du convertisseur ADC :

On a choisi de travailler avec la fréquence de l’oscillateur RC interne puisqu’on a utilisé des fonctions

prédéfinis du logiciel MIKROC pour faire la conversion.

Calcul du temps de la conversion

Lorsqu'on numérise un signal, on envoie au CAN un ordre de conversion, et on récupère la valeur binaire

en sortie au terme d'un délai appelé temps de conversion.

La formule d’obtention des temps Tad est simple, puisqu’il s’agit du temps d’instruction (Tosc) divisé par

le diviseur donné. Pour notre

cas, à 4Mhz, le temps d’instruction est de 1/4.000.000, soit 250ns. Donc, avec un diviseur de 2, on aura

500ns.

Il faut à présent préciser que le PIC nécessite un temps Tad avant le démarrage effectif de la conversion,

et un temps supplémentaire Tad à la fin de la conversion. Donc, le temps total de conversion est de :

- Tad : avant le début de conversion (le temps de connexion du condensateur est inclus)

- 10 * Tad pour la conversion des 10 bits du résultat

- Tad supplémentaire pour la fin de la conversion de b0

Algorithme :

Dans notre cas, il faut attendre un temps d’acquisition de 20 μs et un temps de conversion de 24μs. En

somme, voici l’algorithme :

1. attendre 20 μs ;

2. lancer la conversion ;

3. attendre 24 μs ;

4. prendre les valeurs numériser ;



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4. Programmation

On a utilisé des fonctions prédéfinis du Mikroc pour la conversion analogique numérique :

ADC_Init : cette routine initialise le PIC module interne de la conversion analogique numérique

du PIC pour travailler avec l’horloge de l’oscillateur interne RC. L’horloge détermine le temps

nécessaire pour effectuer la conversion analogique numérique (min 12TAD).

ADC_Read : elle possède pour entrée le numéro du canal du port d’entrée avec laquelle on fait

l’acquisition de la tension analogique. Elle retourne 10 ou 12 bits des valeurs non signés

On a utilisé aussi les fonctions prédéfinis du Mikroc pour la configuration du mode PWM :

PWM1_Init: dont le prototype est « void PWM1_Init(const long freq); », initialise le module

PWM avec rapport cyclique 0. Paramètre Freq est un PWM désirée fréquence en Hz (voirdispositif de fiche technique pour des valeurs correctes dans le respect avec FOSC).

Cette routine doit être appelée avant d'utiliser les autres fonctions du PWM Bibliothèque.

PWM1_Start : dont le prototype est « void PWM1_Start(void); », déclenche la génération de

signal PWM.

PWM1_Stop : dont le prototype est «void PWM1_Stop(void); », arrête la génération de signal

PWM.

On devrait en plus que ceci, configurer les registres du timer2 pour fonctionner en mode PWM.



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Le schéma de l’algorithme est le suivant :

Acquisition dela tension

Conversion

analogique-

numérique

Comparais

on avec le

minimum

de tension

précédant

Enregistrement

de la valeur

numérique

Enregistrement

de nouveau

minimum de

tension

Test

Si fin

(360°)

Retour à la position

du minimum



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Code source du programme

int i,m=0; // position float present_value;

float min_value ; // minimum de tension correspond au maximum de luminosité

void main() {

porta=0xFF;

TRISA=0b11111111;

porta=0xFF;

TRISC = TRISC & 0b11111000; // RC2 = CCP1 et RC1=CCP2 en sortie

CCP2CON = 0;

CCPR2L = 127;CCP2CON = 0b00111100; // DC1b1 et DC1b0 = 11, et CCP1 Mode = 11XX pour PWM

T2CON = 0x04; // soit Timer2 ON avec div = 1

PWM1_Init(250);

adc_init();

present_value =adc_read(0); // acquisition de valeur analogique et conversion

min_value = present_value; // initialisation

for (i=0;i<=50;i++) // boucle de recherche au maximum d’éclairement

{

PWM1_Start();Delay_ms(2000);

CCP2CON = 0;

Delay_ms(2000);

present_value =adc_read(0);

if(present_value < min_value)

{ min_value = present_value;

m=i;

}

CCP2CON = 0b00111100;

}

for(i=0;i<=m;i++) // boucle de retour au maximum d’éclairement

{

CCP2CON = 0b00111100;

PWM1_Start();

Delay_ms(2000);

CCP2CON = 0;

Delay_ms(2000);

}

}



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5. Carte électronique Nous avons utilisé le logiciel ISIS Proteus pour la simulation de notre montage. En plus, nous nous

sommes servit de sont module ARES pour le routage du circuit sur carte imprimée. Le résultat du routageest comme suite :

Couche de dessus Couche de dessous



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Conclusion

Ce travail, effectué dans le cadre du module « applications à base de microprocesseurs » a pour

objectif la recherche de la position optimale de la lumière du soleil, détectée par une photorésistance, a

l’aide d’un moteur pas à pas. Une fois la position est trouvée, le moteur assure le retour à la position du

maximum de la luminosité.

Ce mini projet a présenté une opportunité pour développer nos connaissances sur le plan de

programmation de microcontrôleur et sur le plan de conception électronique par la réalisation d’une

carte électronique.

Nous profitons aussi de l’occasion d’énoncer les difficultés qu’on a eues lors d’implémentation du

circuit électronique aussi bien que pour le choix des composants de commandes et de puissance en quoi

nous avons consacré la majorité de notre temps.

Ce projet peut avoir une extension intéressante dans le domaine de l’énergie solaire, on peut

l’adapter à une grande échelle en commandant les panneaux solaires par un vérin ou un moteur pour

maximiser la production de l’énergie solaire durant la journée.



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Annexe

Annexe.1



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Documents

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