Préparateur automatique et programmable de boissons …sebastien.gunther.online.fr/ppe/ppe.pdf · Ce produit, a pour but de répondre à la fois à un besoin de performance et de

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ANTONI Marc

DELUS Simon

GUNTHER Sébastien

LORANG Jérémy

Terminale S

Lycée du Haut-Barr

Année 2007-2008

Préparateur automatique et

programmable de boissons

chaudes

http://papbc.new.fr

http://papbc.new.fr/

Préparateur automatique et programmable de boissons chaudes

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Introduction Le café a le plus souvent pour corollaire détente ou repos. Après de longs voyages, du

Yémen au Brésil, en passant par la Colombie, l'Afrique, le café atteint maintenant les côtes

européennes. Venise en a fait un de ses produits qui a enrichi la cité des Doges dans les siècles

passés. Marseille l'a introduit de son côté. Le traitement du diabète ne l'a jamais déconseillé

explicitement et pourtant les rumeurs, bonnes ou mauvaises, ont été des plus nombreuses sur

son compte. Parmi les européens, les Français sont des consommateurs moyens, mais le café

reste un plaisir gustatif essentiel dans la vie de tous les jours.

Le café provient d'une fève, il contient très peu d'éléments nutritifs. Cependant, il possède

une substance très appréciée, la caféine. On estime la consommation mondiale de café à 400

millions de tasses par jour. Les plus grands consommateurs se retrouvent en Scandinavie avec

10 kg par personne par an. La France, les USA, l'Allemagne, l'Italie et le Canada en

consomment environ 5 à 6 kg.

On remarque donc assez facilement l’importance du café

dans la vie de tous les jours, ce qui oblige sans cesse les

fabricants de machines à café et de distributeurs de boissons à

renouveler leurs produits et à répondre aux attentes des

consommateurs à la recherche de nouveaux produits

permettant à la fois de préparer un café de bonne qualité, en

un minimum de temps. On retrouve pour cela, les

traditionnelles machines à café dans les bureaux ou les lieux

publics, qui produisent du café tout au long de la journée

dans un temps record.

C’est après avoir réfléchi la place du café dans notre

société, et l’importance que les personnes pouvaient y porter,

quelle que soit la classe sociale dont elles sont issues, et quel

que soit leur âge, que nous avons décidé de nous consacrer à

ce domaine.

Nous avons donc réfléchi à un système qui permettrait de préparer un café simplement,

rapidement, dont le principe serait tiré des machines de bureaux, mais qui serait destiné aux

foyers. Cela permettrait donc l’utilisateur, ou aux utilisateurs au sein d’une même famille par

exemple, de choisir la boisson qu’il souhaite, entre le café, le chocolat chaud, le thé et le lait

chaud et de la programmer pour qu’elle soit prête au moment du réveil le lendemain, ou alors

qu’elle soit préparée instantanément. Cette machine serait la fois simple d’utilisation,

pratique, accessible à tous, et permettrait facilement de remplacer les machines à café

traditionnelles qui présentent certains inconvénients.

Nous avons été ainsi amenés à déterminer quelles seraient les solutions techniques les

plus adaptées pour notre projet à travers différentes analyses fonctionnelles et en tenant

compte des coûts des composants. Nous avons donc tout d’abord pris connaissance des

solutions existantes, tout en les comparants à notre projet au niveau du fonctionnement.


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Nous avons donc réussi à rassembler différentes techniques de préparation recherchées

dans différentes solutions existantes pour former notre projet et concevoir le préparateur

automatique et programmable de boissons chaudes (PAPBC).

Pour répondre à notre problématique, nous avons décidé tout d’abord d’introduire le sujet

(analyse fonctionnelle ainsi que diverses recherches), puis d’étudier les aspects mécaniques de

la machine avec la réalisation des pièces ainsi que l’étude de leur fonctionnement mécanique,

et enfin la partie électrique afin de répondre aux exigences du cahier des charges.


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Sommaire

Sommaire Introduction ...................................................................................................................................... 2

Sommaire ......................................................................................................................................... 4

Remerciements ................................................................................................................................. 7

1 Présentation du sujet ............................................................................................................... 8

1.1 Choix du sujet ................................................................................................................... 8

1.2 Analyse du besoin ............................................................................................................. 8

1.3 Recherches sur internet ................................................................................................... 9

1.3.1 Le café ....................................................................................................................... 9

1.3.2 Le chocolat chaud .................................................................................................... 10

1.3.3 Le thé ......................................................................................................................... 11

1.3.4 Le lait ......................................................................................................................... 11

1.4 Cahier des charges ............................................................................................................13

1.5 Emploi du temps ............................................................................................................. 14

1.6 Diagramme « Bête à cornes » ......................................................................................... 15

1.7 Diagramme « Pieuvre » ................................................................................................... 15

1.8 Diagramme FAST ............................................................................................................ 16

1.9 Diagramme SADT ........................................................................................................... 18

1.9.1 Niveau A-0 ............................................................................................................... 18

1.9.2 Niveau A0 ................................................................................................................. 18

1.9.3 Niveau A2 ................................................................................................................. 19

1.9.4 Niveau A3 ................................................................................................................. 19

1.10 Expériences et recherches ............................................................................................... 20

1.10.1 Température du café ................................................................................................20

1.10.2 Fabrication d’une maquette de mélangeur .............................................................20

1.10.3 Mécanique des fluides ............................................................................................. 21

1.10.4 Observation de la machine à café du lycée ............................................................. 21

1.10.5 Bactéries dans l’eau .................................................................................................. 22

2 Aspects mécaniques ................................................................................................................ 23

2.1 L’entonnoir ...................................................................................................................... 23

2.2 L’électrovanne ................................................................................................................. 23

2.3 Le réservoir d’eau ............................................................................................................ 24


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2.4 La carcasse de la machine ............................................................................................... 25

2.5 Le module horloge .......................................................................................................... 26

2.6 Les cuves de poudre ........................................................................................................ 26

2.7 Le système d’acheminement des boissons dans les tasses ............................................ 27

2.8 L’emplacement pour le microprocesseur ....................................................................... 27

2.9 Le système vis sans fin .................................................................................................... 28

2.10 Les boutons de sélections de la boisson ......................................................................... 29

2.11 Disposition des éléments du système ............................................................................. 29

3 Aspects électroniques ............................................................................................................. 31

3.1 Chronogrammes ...............................................................................................................31

3.1.1 Chauffage de l’eau .................................................................................................... 31

3.1.2 Préparation d’une boisson ....................................................................................... 31

3.2 Gérer le système ...............................................................................................................31

3.2.1 Organigramme principal ......................................................................................... 32

3.2.2 Organigrammes des boissons ................................................................................. 33

3.2.3 Organigrammes de commande des moteurs .......................................................... 34

3.2.4 Organigrammes de commande des électrovannes ................................................ 35

3.2.5 Tableau des Entrées et des sorties .......................................................................... 35

3.3 Permettre le branchement sur le secteur ....................................................................... 36

3.3.1 Transformateur ........................................................................................................ 36

3.3.2 Diodes de redressement .......................................................................................... 37

3.3.3 Condensateur de stockage....................................................................................... 37

3.3.4 Régulateur ................................................................................................................ 37

3.4 Détecter la température .................................................................................................. 38

3.4.1 Résistance CTN ........................................................................................................ 38

3.4.2 Résistances Rconsigne et R1 .......................................................................................... 39

3.4.3 Amplificateur opérationnel ..................................................................................... 39

3.5 Détecter la présence des tasses ...................................................................................... 40

3.5.1 Phototransistor et DEL infrarouge ........................................................................ 40

3.5.2 Résistances R1 et R2 ................................................................................................ 40

3.6 Détecter le nombre de tours de la vis sans fin ............................................................... 41

3.6.1 Microrupteur ............................................................................................................ 41

3.6.2 Commutateur DIL ................................................................................................... 41

3.7 Commander la vis sans fin .............................................................................................. 42


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3.7.1 Moteur à courant continu ....................................................................................... 42

3.7.2 Relais électromécanique .......................................................................................... 43

3.8 Commander la libération de l’eau chaude ..................................................................... 43

3.9 Chauffer l’eau ................................................................................................................... 43

3.10 Prendre en compte les choix de l’utilisateur ................................................................. 44

3.10.1 Sélecteurs des boissons........................................................................................... 44

3.10.2 Déclenchement manuel ......................................................................................... 44

3.10.3 Déclenchement programmé ................................................................................... 44

3.11 Coût de l’électronique ..................................................................................................... 45

4 Réalisation d’une maquette ................................................................................................... 46

4.1 Maquette générale de la carcasse .................................................................................. 46

4.2 Maquette détaillée du système vis sans fin .................................................................... 47

Améliorations ................................................................................................................................ 48

Bibliographie .................................................................................................................................. 49

Sites internet .............................................................................................................................. 49

Personnes rencontrées ............................................................................................................... 49

Documents consultés ................................................................................................................ 49

Logiciels utilisés ......................................................................................................................... 49

5 Conclusion ............................................................................................................................... 50

6 Annexes ................................................................................................................................... 51

6.1 Datasheets ....................................................................................................................... 51

6.1.1 Transformateur ........................................................................................................ 51

6.1.2 Diodes de redressement .......................................................................................... 52

6.1.3 Régulateur ................................................................................................................ 53

6.1.4 CTN .......................................................................................................................... 58

6.1.5 Amplificateur opérationnel .................................................................................... 60

6.1.6 DEL à infrarouges ....................................................................................................62

6.1.7 Phototransistor ........................................................................................................ 63

6.1.8 Microrupteur ........................................................................................................... 64

6.1.9 Commutateur DIL .................................................................................................. 64

6.1.10 Moteur et réducteur ................................................................................................ 65

6.1.11 Relais électromécanique ......................................................................................... 66

6.1.12 Electrovanne ............................................................................................................67


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Remerciements

Nous tenons tout d’abord remercier nos professeurs, messieurs Decker et Zappaterra,

qui nous soutenu et accompagné dans notre démarche tout au long de l’année. Sans leur aide

et leurs conseils avisés nous n’aurions jamais pu arriver nos fins.

Nous tenons également à remercier Mme Becker, notre professeur de physique-chimie qui

nous a conseillé dans la fabrication de notre produit. Par ailleurs, elle a mis a notre disposition

du matériel qui nous a permis de réaliser certaines expériences mentionnées dans ce dossier.

Nous remercions aussi Mme Wilhelm qui nous a renseigner sur la prolifération des

bactéries dans l’eau et qui nous a permis d’adapter notre projet en fonction de ses affirmations.

Nous tenons également à remercier M. Bellot qui nous a communiquer la formule de

Torricelli et la relation de Bernoulli concernant la mécanique des fluides.

Nos remerciements sont également adressés à M. Gunther et M. Haessig qui nous ont

aidés dans la réalisation de notre maquette et sans qui nous aurions eu beaucoup de mal à la

réaliser.


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1 Présentation du sujet

1.1 Choix du sujet

Nous avons, avant d’aboutir au choix de ce sujet, effectué un « brainstorming »1 au sein de

notre groupe. Cette étape indispensable l’élaboration de notre problématique a donné libre

cours à notre imagination : nous avons imaginé de nombreuses choses, plus farfelues les unes

que les autres (panneaux solaires sur le toit d’un véhicule, lecteur de CD-ROM à vapeur,

détecteur de collision de porte de voiture,…).

Dans un second temps, nous nous sommes penchés sur un projet plus sérieux : un

préparateur automatique de petit-déjeuner. Au début, il devait s’agir d’une « grosse

machine » prenant la place d’un réfrigérateur et servant à préparer tout le petit-déjeuner :

l’utilisateur n’avait plus qu’ saisir le plateau avec sa tasse de café, son bol de céréales, son

yaourt, son jus de fruit et son croissant.

Sur les conseils de nos professeurs, nous avons décidé de réduire la taille de cette machine

pour qu’elle ne prépare plus que les boissons. Cette réorientation nous a permis de définir un

cahier des charges pour cette « nouvelle machine ». Celui-ci tient compte de deux impératifs

principaux : ne pas présenter de risque quant la sécurité de l’utilisateur et être facile de mise

en œuvre et d’utilisation.

1.2 Analyse du besoin

Ce produit, a pour but de répondre à la fois à un besoin de performance et de rapidité

(boissons prêtes dès le réveil) et à un besoin de confort et de qualité (choix de la boisson,

boisson de qualité). La performance est une exigence liée l’évolution de notre société, où

chaque minute compte (« time is money »2) : il s’agit de permettre aux personnes devant se

lever tôt pour aller travailler de dormir un peu plus longtemps (plus besoin d’attendre que le

café ou le thé soit prêt). La qualité, quant elle, découle du besoin qu’a l’homme de se

démarquer du reste de la société, de personnaliser son environnement : l’utilisateur, peut

choisir quelle boisson il prendra au petit déjeuner, de plus, il peut utiliser n’importe quelle

poudre du commerce (il n’est pas limité dans son choix comme avec les machines dites « à

dosettes »).

1 « Brainstorming » : « remue-méninges »

2 « Time is money » : « le temps c’est de l’argent »


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1.3 Recherches sur internet

1.3.1 Le café

Au cours du XVIIIe siècle, la boisson devient populaire en

Europe, et les colons européens introduisent la culture du café

dans de nombreux pays tropicaux, comme une culture

d'exportation pour satisfaire la demande européenne. Au

XIXe siècle, la demande en Europe était souvent supérieure à

l'offre et a stimulé l'usage de divers substituts au goût proche,

comme la racine de chicorée.

Les principales régions productrices de

café sont l'Amérique du Sud (avec notamment

le Brésil et la Colombie), le Viêt Nam, le Kenya

et la Côte d'Ivoire.

Le graphique ci-contre représente la

quantité de caféine absorbée par jour et par

habitant de café (brun) et de thé (vert) ainsi

que la somme des deux (blanc) pour l'année

1995, d'après les données de la FAO1.

On peut ainsi remarquer l’évolution du

prix du café depuis 2003, en fonction des

différentes sortes. On observe un doublement

de son prix entre 2005 et 2006.

1 Food and Agriculture Organization of the United Nations


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Grâce au tableau ci-dessous, nous pouvons prendre connaissance de la composition du

café, que nous proposons bien évidemment dans notre préparateur de boissons chaudes. On

remarque que le café soluble est plus riche en sels minéraux et vitamines que le café moulu.

1.3.2 Le chocolat chaud

Il faut le déguster lentement comme un petit bonheur où se

mêlent des odeurs d'enfance alors que nos mains gelées

entouraient le bol bien chaud qu'on savourait au retour de

l'école. Les Mayas et les Aztèques1 avaient l'habitude de boire leur

chocolat chaud dans de larges bols pour en humer tous les

arômes et cette coutume s'est maintenue jusqu'à nos jours.

Le chocolat chaud, bien qu’il n’ait pas une part égale à celle du café dans notre société,

représente une part importante de la consommation de boissons chaudes, surtout chez les

enfants qui sont les plus gros consommateurs de ce type de boissons.

Composition du chocolat chaud : (à partir d’un produit du commerce)

AJR : Apports journaliers recommandés

1 Mayas et Aztèques : civilisations précolombiennes disparues d’Amérique du Sud


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1.3.3 Le thé

Le thé est une boisson stimulante, obtenue par infusion des

feuilles du théier, préalablement séchées et le plus souvent oxydées.

D'origine chinoise, où il est connu depuis l'Antiquité, le thé est

aujourd'hui la boisson la plus bue au monde après l'eau. La boisson

elle-même peut prendre des formes très diverses : additionnée de lait

et de sucre au Royaume-Uni, longuement bouillie avec des épices en

Mongolie, préparée dans de minuscules théières dans la technique

chinoise.

Les différentes sortes de thés (noirs, verts, oolong, etc.) ne proviennent pas de différentes

espèces de théier, comme on l'a longtemps cru en Occident, mais sont obtenues en traitant

différemment les feuilles récoltées. Si les opérations élémentaires sont simples à décrire, les

méthodes exactes sont des secrets industriels jalousement gardés.

Une simple tasse de thé est un mélange complexe de plus de 500 substances actives. Outre

les différences liées à la nature du thé, la durée d'infusion, la nature et la température de l'eau

entraînent une variabilité extrême de la composition de la boisson.

Les principaux composants du thé sont l'eau (environ 75 % du thé « sec »), des tanins

(environ 4 %), des protéines (~4 %, seule l'albumine est soluble dans l'eau), des lipides (moins

de 1 %), des acides organiques, des vitamines (A, B, C, E, P), des minéraux (potassium, fluor,

phosphore, magnésium) et des centaines de substances aromatiques ou aux propriétés

pharmacologiques (caféine, théophylline, théobromine, etc.).

En se basant sur l'effet démontré de tel ou tel de ses composants, on prête au thé les vertus

les plus variées. Il entretiendrait le système nerveux, préviendrait le développement du cancer

(en raison des catéchines qu'il contient), ralentirait le vieillissement, favoriserait le drainage,

éviterait les caries, fluidifierait le sang, contrôlerait l'hypertension, etc. Toutefois, l'effet

bénéfique d'une consommation régulière de thé n'a jamais pu être mis en évidence de manière

probante. Le thé reste néanmoins un élément essentiel de la phytothérapie chinoise, de nature

plus préventive que curative.

1.3.4 Le lait

Dès les premiers jours de notre vie, le lait s’impose comme l’aliment essentiel de notre

existence. Jusqu’ environ 5 mois, le lait constitue même l’aliment quasi exclusif du nourrisson.

Tout au long de la vie, le lait reste un élément indispensable et presque incontournable d’un

bon équilibre alimentaire, grâce notamment à sa richesse en protéines (de bonne valeur

biologique) en calcium, et en vitamines.

Chaque période de la vie fait appel à des besoins nutritionnels particuliers, variant en

fonction de l’âge, du sexe, (croissance, puberté, grossesse, ménopause, etc.…) et de l’activité

physique. Les besoins en protéines, calcium et vitamines seront accrus au cours de ces

périodes. Le lait devient alors un aliment indispensable pour répondre à ces besoins.


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Le lait est généralement considéré comme un aliment très complet du

point de vue nutritionnel. Il contient en effet presque toutes les vitamines

(à l'exception notable de la vitamine C et, pour le lait écrémé, des

vitamines A et D). Les matières grasses laitières sont toutefois riches en

acides gras saturé. Pour nourrir les nourrissons, on utilise le lait maternel.

Celui-ci n'est pas produit ni distribué à l'échelle industrielle. Il existe

cependant des banques de lait (lactarium) qui permettent de collecter les

dons de lait maternel et de le redistribuer aux enfants qui en ont besoin

(prématurés, allergiques, ...).

Composition du lait :

300g de lait en poudre permettent d’obtenir en moyenne 3 litres de lait


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1.4 Cahier des charges

L’analyse fonctionnelle et la définition du public ciblé par notre machine nous a permis de

définir un cahier des charges fonctionnel (CDCF)

C3 : Etre esthétique

Taille Largeur Environ 35 cm

Longueur Environ 50 cm

Hauteur Environ 40 cm (carcasse) Poids Poids à vide Pas plus de 7 kg

Poids total Pas plus de 13 kg

- Prix Prix du prototype Environ 350€

Prix commercial De 100€ 200€

C5 : Assurer la protection des ingrédients (contre la lumière,

l’humidité…)

Réservoir d’eau Capacité 5 litres

Matériau Plastique transparent, résistant à la température et

isotherme

Emplacement Au dessus de la carcasse

Remplissage Par le haut (bouchon hermétique)

Type d’eau Eau potable Poudre Capacité d’une cuve Une trentaine de doses

Matériau Métal inoxydable

Emplacement Dépassant de la carcasse

Remplissage Par le haut (bouchon hermétique)

Type de poudre Poudres solubles du commerce

FP1 : Préparer les boissons

Mélangeur Type de mélangeur Entonnoir (mélange par tourbillonnement)

Chauffage Actionneur Résistance chauffante

Température à atteindre

Environ 95°C (368 K)

Temps souhaité de chauffage

Environ 20 secondes

Tuyaux Diamètre De 5 10mm selon l’endroit

Spécifications Etanche et flexible

Matière Plastique

C1 : Etre simple d’utilisation et être facilement programmable

Programmation Choix de la boisson 1 interrupteur par boisson

Déclenchement manuel

Bouton poussoir

Déclenchement automatique

Module horloge

FP2 : Traiter la commande Gestion

électronique Microcontrôleur PIC ou 68HC11

C4 : Permettre le branchement sur le secteur en toute sécurité

Alimentation Adaptateur secteur 220V/24V

- Capteurs Température Circuit CTN1

C2 : Détecter la présence de tasses de taille standard

Présence de tasses

Capteur sans contact

- Niveaux d’eau et de

poudre Repère mini/maxi

C5’ : Permettre le dosage de la poudre

Quantité de poudre Commutateur DIL

C6 : Être étanche Hygiène et Sécurité Conformité aux normes françaises et européennes

1 CTN : Résistance à coefficient de température négatif


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1.5 Emploi du temps


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1.6 Diagramme « Bête à cornes »

1.7 Diagramme « Pieuvre »


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1.8 Diagramme FAST


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1.9 Diagramme SADT

1.9.1 Niveau A-0

1.9.2 Niveau A0


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1.9.3 Niveau A2

1.9.4 Niveau A3


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1.10 Expériences et recherches

Pour correctement définir le cahier des charges, il a été nécessaire d’effectuer certaines

expériences pratiques, de rechercher des formules physiques, de rencontrer certaines

personnes, de faire des recherches sur internet…

1.10.1 Température du café

Nous nous sommes demandé quelle était la température du café lorsqu’il sort d’un

distributeur. Nous (Sébastien et Jérémy) nous sommes donc rendus au laboratoire de chimie

pour nous munir d’un thermomètre. Ensuite, nous sommes descendus la machine café du

lycée. Nous avons commandé un café : 12 secondes après avoir appuyé sur le bouton, nous

avions notre café. Une fois le gobelet récupéré, nous avons tout de suite introduit notre

thermomètre dans le café : la température à la sortie du distributeur se situait aux alentours de

65°C (environ 340K). Cette petite expérience nous a permis de définir la température de

chauffage dans notre cahier des charges.

1.10.2 Fabrication d’une maquette de mélangeur

Nous avons réalisé une maquette grossière du système de mélange et avons fait des essais,

mais il s’est avéré que le système choisi avait des performances en dessous de nos espérances :

la solution n’était pas homogène et il y avait trop de vibrations dues au moteur. Même si ce

n’était qu’une maquette schématique, nous nous sommes aperçus que l’on ne pouvait pas la

fois mélanger et chauffer dans le même récipient. Nous avons donc réfléchi à un autre système

de mélange.


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1.10.3 Mécanique des fluides

La relation modélisant l’écoulement permanant d’un fluide parfait incompressible est la

relation de Bernoulli1 : 𝑃 + 𝜌. 𝑔. 𝑧 +1

2𝜌. 𝑣2 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒. Dans cette relation, P est la pression

(en N/m²), ρ la masse volumique du fluide (en kg/m3), g l’accélération de la pesanteur (en m/s²

ou en N/kg), z l’altitude (en m) et v la vitesse du fluide (en m/s)

Dans le cas d’un liquide qui s’écoule d’un réservoir par un petit orifice, situé en dessous de

la surface du liquide à une distance h, la pression exercée sur le liquide est la même à la surface

qu’au niveau de l’orifice. Si l’orifice est petit, l’écoulement est lent, on peut assimiler

l’écoulement un écoulement permanent pour utiliser la relation de Bernoulli. On peut aussi

négliger la vitesse du fluide la surface par rapport celle du fluide s’écoulant du réservoir.

On parvient à une relation appelée formule de Torricelli2 qui, bien que simple,

représente le débit de l’eau dans le cas que nous étudions : 𝒗 = 𝟐𝒈𝒉 g≈9,81 m/s²

1.10.4 Observation de la machine à café du lycée

Après avoir contacté la société propriétaire de la machine à café du Lycée du Haut-Barr

nous avons rencontré Mme Muller responsable de l’entretien de cette dernière. Cela nous a

permis de voir le fonctionnement général de la préparation d’une boisson chaude et de

remarquer qu’il n’y a pas de système de mélangeur automatique mais qu’il s’agit seulement

d’un système qui fonctionne grâce un entonnoir et la pression du liquide qui vient

s’engouffrer dans celui-ci et qui provoque par conséquent le mélange. Elle nous a également

proposé de nous montrer le fonctionnement du système de paiement mais cela ne nous

intéressait pas puisque notre projet s’adresse aux particuliers. Et pour finir, cette dernière nous

a expliqué que les fluides étaient sous pression dans les tuyaux pour diminuer l’entretien dans

la machine puisque cela permet de ne pas avoir besoin de nettoyer ou d’ajouter un système qui

nettoie les tuyaux.

Nous remercions Mme Muller qui s’occupe de l’entretien de la machine café pour sa

gentillesse et sa générosité (elle a offert à chacun de nous une boisson au choix).

1 Daniel Bernoulli, physicien et mathématicien suisse (1700-1782)

2 Evangelista Torricelli, physicien et mathématicien italien (1608-1647)

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1.10.5 Bactéries dans l’eau

Le mercredi 6 février 2008 nous sommes allés voir Mme Wilhelm, professeur de Sciences

de la Vie et de la Terre au lycée du Haut-Barr dans le cadre de notre PPE, sous les conseils de

notre professeur de physique-chimie. Nous voulions en effet nous renseigner à propos des

bactéries dans l’eau et avant tout le moyen de les éliminer et d’éviter leur prolifération pour

appliquer ensuite ses conseils à notre projet.

Elle nous a dit que l’idéal serait de faire bouillir l’eau, donc de la chauffer 100°C mais qu’

partir de 90°C la plupart des bactéries présentent dans nos régions seraient éliminées. En effet,

les bactéries qui résistent à cette température, ne se trouvent pas dans notre pays.

Nous allons donc adapter notre projet en fonction des conseils de Mme Wilhelm et nous

en profitons pour la remercier de sa disponibilité et de sa gentillesse.

Pour confirmer ses affirmations, nous avons voulu vérifier par nous même l’impact de la

température sur la prolifération des bactéries dans l’eau. Pour cela, nous avons laissé croupir

de l’eau dans un récipient plusieurs jours l’extérieur pour ensuite pouvoir observer des

bactéries au microscope. Nous avons ensuite décidé de chauffer l’eau 95°C et d’observer le

résultat au microscope. Nous en avons conclu que les bactéries ne résistaient pas à une telle

température, car lors de notre seconde observation au microscope, nous n’avons plus aperçu

les bactéries présentes lors de la première observation.


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2 Aspects mécaniques Comme cela a été défini dans le cahier des charges, notre système ne comporte que trois

actionneurs commandés électriquement : un moteur (avec son réducteur), une électrovanne et

une résistance chauffante. Le mélange entre poudre et eau est obtenu grâce au

tourbillonnement de l’eau dans un entonnoir. Bien-entendu, chaque boisson dispose de son

propre moteur et de sa propre électrovanne, c’est- dire qu’il y a en réalité 9 actionneurs,

commandés par le microprocesseur.

2.1 L’entonnoir

Cette pièce permet de mélanger la poudre et l’eau chaude. Elle correspond l’adaptation

d’une pièce, existant sur les distributeurs de boissons, l’échelle du système. Bien qu’en

théorie un simple entonnoir suffirait, nous avons créé une pièce qui oblige l’eau tournoyer

quel que soit le débit de celle-ci, en effet le débit varie en fonction du volume d’eau dans la

cuve. Cette pièce est obtenue par moulage.

Les dimensions de l’entonnoir ont été définies de telle manière ce qu’il ne prenne pas

trop de place dans le système. Les spirales ont une forme caractéristique qui oblige l’eau

suivre un itinéraire défini : même si une partie de l’eau s’écoule directement par l’orifice

inférieur, la majeure partie suit cet itinéraire. L’entonnoir comprend un système de fixation.

2.2 L’électrovanne

L’électrovanne est un élément primordial de notre système, c’est

elle qui libère l’eau de la cuve vers l’entonnoir. Le diamètre du trou

de passage pour le liquide est de 4mm. Pour connaître le temps

d’ouverture de l’électrovanne (qui joue le rôle d’un robinet piloté

électriquement), on a besoin de connaître 2 choses : le débit de l’eau

dans l’électrovanne et le volume souhaité dans la tasse.

𝑡𝑒𝑚𝑝𝑠 𝑑′𝑜𝑢𝑣𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑒 𝑠 =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 (𝑚3)

𝑑é𝑏𝑖𝑡(𝑚3/𝑠)

Le volume maximum est celui d’une tasse classique, c'est-à-dire

de 25cL soit 2,5x10-4 m3. Le débit est égal à la vitesse du fluide

multipliée par la surface du trou. On appelle S la surface : S= πR²=πx2²=4π≈12,56x10-6 m2

La relation de Torricelli, introduite dans la première partie (1.10.3) lie la hauteur de liquide

et la vitesse du liquide : 𝑣 = 2𝑔ℎ avec g≈9,81m/s²


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On calcule pour la hauteur maximale (hmax=165mm=0,165m)

𝑣𝑚𝑎𝑥 = 2𝑔ℎ𝑚𝑎𝑥 = 2 × 9,81 × 0,165 = 1,799𝑚/𝑠

𝑑é𝑏𝑖𝑡𝑚𝑎𝑥 = 1,799 × 12,56 × 10−6 = 2,261 𝑐𝐿/𝑠

𝑡𝑒𝑚𝑝𝑠 𝑑′𝑜𝑢𝑣𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑒 =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒

𝑑é𝑏𝑖𝑡𝑚𝑎𝑥=

2,5 × 10−4

2,261 × 10−5= 11,06𝑠

Le temps d’ouverture sera de 11 secondes. On veut maintenant calculer la hauteur

minimale de liquide dans le réservoir pour que la tasse soit remplie 75%, c’est-à-dire 18,75cL.

On appelle X la hauteur que l’on veut calculer.

𝑑é𝑏𝑖𝑡 =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒

𝑡𝑒𝑚𝑝𝑠=

1,875 × 10−4

11,06= 1,695𝑐𝐿/𝑠

𝑣 =𝑑é𝑏𝑖𝑡

12,56 × 10−6=

1,695 × 10−5

12,56 × 10−6= 1,350𝑚/𝑠

𝑣 = 2𝑔𝑋 donc 𝑋 =𝑣2

2𝑔=

1,3502

2×9,81= 0,093𝑚

La hauteur minimale de liquide pour que la tasse soit remplie à 75% est de 93mm.

2.3 Le réservoir d’eau

Le réservoir d’eau est une cuve de 5 litres dans laquelle l’eau est stockée et chauffée en

permanence. C’est pourquoi elle est fabriquée en plastique spécial qui résiste à une

température d’environ cent degrés et qui est isotherme de façon ce que l’utilisateur ne puisse

pas se blesser par brulures et que le liquide garde sa température. Il y a 4 orifices en dessous de

cette cuve, prolongés par les tubes filetés où sont vissées les 4 électrovannes qui libèrent l’eau

chaude sur les ordres du microcontrôleur. Deux autres orifices permettent l’alimentation de la

résistance chauffante. L’orifice de remplissage, situé en haut de la cuve a été dimensionné de

façon à ce que la résistance puisse être insérée par le haut.

hmin=93mm

v

surface

orifice

hmax=165mm


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2.4 La carcasse de la machine

La carcasse de notre machine,

pièce maîtresse du système, permet de

positionner l’ensemble des pièces du

système. Il nous a donc fallu à la fois

essayer de réduire au maximum la taille

de la pièce, tout en s’assurant que

l’ensemble des parties de notre système

puisse y être intégré.

Nous avons choisi l’aluminium, d’une épaisseur de 2mm pour réaliser notre carcasse. Ce

matériau présente plusieurs avantages, il est peu couteux si on le compare d’autres

matériaux, et il est relativement léger. Une plaque de 1750mm, soit 1,75 m est nécessaire à la

fabrication de notre produit. La plaque devra être simplement pliée aux bons endroits, et

découpée l’endroit où se situe le bol pour avoir plus de place.

Cette pièce est réalisée dans le même matériau que la

carcasse, elle mesure 134mm de hauteur, 182mm de

longueur et 50mm de largeur. Elle permet le

positionnement du bol sous le tuyau d’arrivée du lait sur la

machine.

Un emplacement a été prévu sur cette machine pour y mettre une grille d’écoulement, où

seront directement positionnées les tasses pour que l’on puisse facilement récupérer et jeter le

liquide qui aurait débordé d’une tasse, grâce un bac de récupération, simplement placé sous

cette grille.

Cette carcasse est donc relativement bien conçue, car elle a été étudiée pour être à la fois

solide et rigide, tout en réduisant le poids total de la machine.


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Sur le dessus de cette même pièce, nous

avons réalisé des trous pour permettre

l’intégration des 4 bacs nécessaires pour y

placer les différentes poudres des 4 boissons

proposées et la cuve à eau, qui sera placée à

droite de la machine.

Sur la façade de notre carcasse, nous

retrouvons les emplacements nécessaires à

l’intégration des 4 boutons de sélection des

boissons, qui se situent respectivement au

dessus de l’emplacement où la boisson

sera versée.

2.5 Le module horloge

Sur l’avant droit de notre machine, on trouve des

emplacements qui ont été découpés dans le but d’y placer

l’afficheur LCD, et les boutons de programmation de la

boisson et du système en général.

Il est situé à droite de notre système et permet la

programmation instantanée ou à une heure voulue de la

préparation de boissons.

2.6 Les cuves de poudre

Les cuves de poudre sont en inox, c’est le

matériau qui répond le mieux aux normes

d’hygiène concernant ce type de machine. De plus

il est relativement léger. La contenance de ces

cuves est de 1 litre, ce qui évite de devoir remplir

les cuves trop souvent, tout en gardant les poudres

l’abri de l’humidité et de la poussière. Ses

dimensions sont de 104mm de diamètre, et de

180mm de hauteur totale. Elles permettent à

l’usager de les remplir quand il le désire, grâce au

capuchon doté d’un joint qui permet l’étanchéité

totale de la cuve.


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2.7 Le système d’acheminement des boissons dans les tasses

Sur l’image ci-dessous, on peut observer le système qui permet d’acheminer la boisson de

la sortie de l’entonnoir la tasse. Il est constitué de 4 tuyaux flexibles en matière plastique

résistante la température. Une extrémité est fixée directement la sortie de l’entonnoir, et

l’autre extrémité aux tuyaux rigides directement implantés dans la carcasse.

2.8 L’emplacement pour le microprocesseur

Sur l’image ci-dessous, nous avons la pièce qui renferme le « cœur » de la machine, le

microprocesseur.

Le câble d’alimentation, le plus gros sur l’image permet d’alimenter le microprocesseur et

le module horloge en courant. L’ensemble des câbles rouges représentent les entrées du

microprocesseur et les bleus, les sorties. Cette pièce est directement implantée à la carcasse,

derrière le module horloge. Elle est du même matériau que celle-ci (aluminium).

L’autre image permet de situer cette pièce dans

l’assemblage.


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2.9 Le système vis sans fin

Ce système se place sous la cuve à poudre. Il est composé

de l’ensemble vis sans fin et d’un ensemble motoréducteur. Le

moteur tourne toujours à la même vitesse. On veut définir

cette vitesse. On sait que l’électrovanne est ouverte durant 11

secondes, donc l’acheminement de la poudre doit se faire en

moins de 11s quel que soit le réglage du nombre de tours.

Le nombre de tours maximum est 30 en 10s, donc

180tr/min minimum. Dans la table de réduction du Datasheet

du moteur, on voit que 115≤180≤231, donc le rapport de

réduction doit être de 64:1 (3 roues dentées).

Les calculs effectués dans la partie électronique nous ont

permis de déterminer la vitesse de rotation à précisément

188tr/min soit 31 tours en 10s.

Les images et le fichier SolidWorks montrent le

motoréducteur avec l’ensemble des roues dentées (rapport de

réduction 4096:1)

Le moteur, le réducteur, la vis

sans fin et l’entonnoir sont fixés sur

une même plaque d’aluminium. La

cuve de poudre est posée au dessus

du support de la vis sans fin.

Une pièce allant d’une face l’autre

de la carcasse sert de support de fixation

à deux de ces systèmes. Il y en a deux,

puisqu’il y a au total 4 boissons

préparer.


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Pour connaître la quantité de poudre que la vis sans fin peut déplacer en un tour, nous

avons créé une pièce fictive représentant la poudre contenue dans le pas de la vis sans fin.

Nous avons ensuite calculé son volume avec SolidWorks : 1,69mL

2.10 Les boutons de sélections de la boisson

Pour sélectionner les boissons, l’utilisateur dispose de 4 sélecteurs (interrupteurs 2

positions) qui délivrent directement une information binaire (0 ou 1) au microprocesseur. Ils

sont fixés sur la carcasse à travers des trous disposés approximativement au dessus des

boissons correspondantes.

2.11 Disposition des éléments du système

Sur les deux vues de notre machine, nous pouvons observer la répartition des différentes

cuves. Tout d’abord, les 4 cuves contenant les poudres nécessaires à la préparation des diverses

boissons, et la cuve eau, d’une capacité de 5L qui se trouve l’arrière droit de la machine.

Nous avons fait en sorte qu’il n’y ait pas d’éléments qui

dépassent de la carcasse, pour qu’elle puisse être simplement

implantée dans une cuisine, sans qu’elle n’encombre de trop

la pièce. Nous avons choisi de faire dépasser les cuves pour la

poudre sur le dessus de la machine, pour économiser de la

place l’intérieur et y garder la place pour intégrer

correctement le système de la vis sans fin et les tuyaux

nécessaires l’acheminement du liquide jusqu’ la sortie.

Nous avons décidé de simplement poser la cuve d’eau de

5L sur le dessus de la carcasse, qui reste en place elle-même

grâce au poids de l’eau qu’elle contient. Pour s’assurer de son

maintient total sur la machine, nous avons néanmoins pris

l’initiative de la fixer avec un pistolet à colle à la carcasse par

le dessous.


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Pour le maintien des cuves à poudre, nous avons décidé de les fixer à la carcasse soit avec

un pistolet à colle comme pour la cuve à eau, soit en les soudant à la carcasse. Les cuves à

poudre, étant relativement légères, peuvent être maintenues à la carcasse avec une des deux

solutions citées, en fonction du choix de matériau de la cuve à poudre par le constructeur.

Les différentes cuves ont été séparées d’une distance qui permette la fois de remplir sans

problème les cuves, et de permettre la fixation et le bon fonctionnement du système vis sans

fin l’intérieur de la machine. De plus, les cuves poudres sont facilement reconnaissables

leur couleur qui indique le type de poudre qu’elle contient. Elles ont été disposées de façon

esthétique, à des hauteurs différentes comme on peut le voir sur les vues ci-dessus, ce qui

permet en même temps une meilleure organisation l’intérieur de la machine des éléments de

l’appareil. Comme on peut le voir sur l’image ci-dessous, les éléments ont été relativement bien

intégrés dans la machine, sachant qu’il est nécessaire d’intégrer 4 fois le même ensemble vis

sans fin pour les 4 différentes boissons.


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3 Aspects électroniques

3.1 Chronogrammes

3.1.1 Chauffage de l’eau

Comme on peut le voir sur ce chronogramme,

on réalise un asservissement de la résistance

chauffante : tant que la température n’est pas

atteinte (T<95°C), la résistance chauffante est

alimentée. Ensuite, dès que la température baisse,

elle est nouveau alimentée pour que l’eau soit

maintenue à une température constante.

3.1.2 Préparation d’une boisson

Le chronogramme ci-contre montre le

déclanchement des différentes actions après une

pression sur le bouton poussoir ou le signal du

module horloge. L’électrovanne est alimentée et

s’ouvre pendant 11 secondes quel que soit les

réglages. La durée d’alimentation du moteur

dépend quant à elle du réglage du nombre de tours,

comme on le voit sur le chronogramme, dès que le

nombre de tours de consigne est atteint, le moteur

d’arrête de tourner et interrompt ainsi

l’acheminement de la poudre dans l’entonnoir.

3.2 Gérer le système

La gestion du système est assurée par un microcontrôleur PIC,

choisi pour sa facilité d’intégration dans notre système, plus grande

qu’un 68HC11 par exemple. De plus, il est moins cher que ce dernier.

Le choix du microprocesseur par rapport d’autres solutions

(circuits logiques, automate…) nous permet de simplifier les capteurs

et les actionneurs : tous nos capteurs fonctionnent comme des

capteurs « tout ou rien » = 1 ou 0 ce qui simplifie grandement

l’électronique de ce coté-là.


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Cependant, le défaut majeur du microprocesseur est sa programmation, qui nécessite des

connaissances et un langage particulier, variant sensiblement d’un modèle l’autre, même au

sein d’une même gamme. C’est pour cela que nous ne détaillerons pas le microprocesseur,

nous donnons simplement les caractéristiques qu’il doit avoir, de façon à ce que le

constructeur n’ait plus qu’ choisir parmi les microprocesseurs de son catalogue :

Gamme/Famille Nombre d’entrées/sorties

Tension d’alimentation

Température d’utilisation

PIC minimum 28 5V (±10%) de 0°C à 50°C

3.2.1 Organigramme principal


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3.2.2 Organigrammes des boissons


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3.2.3 Organigrammes de commande des moteurs


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3.2.4 Organigrammes de commande des électrovannes

3.2.5 Tableau des Entrées et des sorties

Entrée Abréviation Sortie Abréviation

Capteur de température

captp Résistance chauffante Rch

Bouton poussoir bp Moteur mot#

Module horloge mh Electrovanne elect#

Capteur de présence de tasse

captas# Les symboles # remplacent les indicatifs

des boissons : é pour le café, T pour le thé, C pour le cacao et L pour le lait.

Sélecteur de boisson sel#

Nombre de tours de vis choisi

nb#

Capteur de tour imptr#

Le microprocesseur doit compter au minimum 28 entrées/sorties (19 entrées et 9 sorties)


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3.3 Permettre le branchement sur le secteur

Les prises de courant domestiques délivrant une tension de 220V en alternatif (50Hz), il

n’est pas possible de l’utiliser directement dans les circuits électriques du microprocesseur

(tension continue de 5V maximum), de la résistance chauffante et de l’électrovanne (tension

de sécurité à cause de la présence de liquide de 24V maximum) ou du moteur (tension

continue de 1,5 à 3V). Un dispositif de conversion de tension est donc mis en place entre la

prise et ces différents composants.

Uentrée = 220V(ac)

Usortie = 5V(dc)

3.3.1 Transformateur

Ce composant permet d’abaisser la tension alternative du secteur de

220V à 24V (toujours en alternatif). Il s’agit de deux enroulements primaires

et deux enroulements secondaires. Les deux enroulements primaires doivent

être reliés en série pour une tension de 220V et en parallèle pour une tension

de 110V : dans notre cas il faut les relier en série, dans le cas d’une utilisation

aux Etats-Unis par exemple, on peut utiliser le même composant en

modifiant simplement les branchements. On utilise les deux enroulements

secondaires en série avec un "point milieu" entre les deux.

U(V

)

t(s)

Transformateur entrée

sortie

U(V

)

t(s)

Fonction alimentation entrée

sortie


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3.3.2 Diodes de redressement

Ces composants permettent de redresser la tension, pour rendre

une tension alternative unidirectionnelle, c’est-à-dire uniquement

positive. Elles doivent supporter des tensions et des courants plus

importants que les diodes classiques.

3.3.3 Condensateur de stockage

Ce condensateur (réalise un filtrage du signal périodique, il est

branché en parallèle avec la charge et une résistance (1MΩ). Il permet

de « lisser » le signal pour obtenir un signal quasi continu. Pour obtenir

un lissage optimal, l’ordre de grandeur de la capacité du condensateur

doit être de 1000µF s’il est utilisé seul.

𝑈𝑚𝑜𝑦 =𝑈𝑚𝑎𝑥

1 +1

2. 𝑅𝐶

3.3.4 Régulateur

Ce composant, partir d’une tension de

8V à 35V délivre une tension continue

constante de 5V, cette tension est la tension

alimentant le microcontrôleur et tous les

circuits qui y sont branchés. Le régulateur

nécessite un montage particulier à base de

condensateurs pour fonctionner : un

condensateur de 100µF entre l’entrée du

régulateur et la masse, deux condensateurs de 10µF et 0,1µF entre la sortie et la

masse. La résistance chauffante, nécessitant une tension d’environ 24V n’est quant elle pas

reliée au régulateur, mais directement aux bornes du condensateur de stockage, tout comme

l’électrovanne.

U(V

)

t(s)

Diodes de redressement

entrée

sortie

U(V

)

t(s)

Condensateurs+régulateur

entrée

sortie


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3.4 Détecter la température

Les deux principaux composants de ce capteur sont un amplificateur opérationnel et une

thermistance de type CTN. L’amplificateur opérationnel est en mode linéaire (comparateur) :

la sortie prend soit l’état logique 1 (5V) ou l’état logique 0 (0V). Aux entrées du comparateur,

on branche deux ponts diviseurs. L’un composé d’une résistance R1 et d’une résistance de

consigne (Rconsigne), l’autre d’une autre résistance R1 et de la CTN.

3.4.1 Résistance CTN

Ce type de conducteur ohmique a pour principale caractéristique d’avoir sa

résistance qui varie en fonction de la température. Elle varie de manière exponentielle

selon une courbe d’étalonnage donnée par le fabricant. Pour plus de précision, il

faudrait étalonner chaque résistance individuellement à cause des imperfections de

fabrication, mais dans notre cas, la température n’a pas besoin d’être connue au degré

près, mais dans une fourchette de ± 3° ce qui correspond globalement à la tolérance

que donne le fabricant. L’équation de variation de la résistance est la suivante :

𝑅 𝑇 = 𝑅(𝑇0) × 𝑒

𝛼100

× 𝑇0+273,15 2×1

𝑇+273,15−

1𝑇0+273,15

Avec : R(T) la résistance en fonction de la température T en degrés Celsius,

R(T0) la résistance à la température initiale T0 en degrés Celsius,

α le coefficient de température

0

1

2

3

4

5

6

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

R(kΩ)

T(°C)

0

1

10

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

R(kΩ)

T(°C)

avec une échelle logarithmique


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3.4.2 Résistances Rconsigne et R1

La résistance Rconsigne (R2) doit avoir une valeur telle que la température T°consigne qui

correspond à la valeur de résistance soit de 95°C (définit dans le cahier des charges 1.4). La

résistance doit donc avoir une valeur de 415Ω (courbe en annexe 5.1.4). Cette valeur n’étant pas

une valeur normalisée de résistance, nous prendrons une résistance de 300Ω (±5%) et une de

120Ω (±5%) branchées en série. Avec la tolérance, la résistance sera comprise entre 399Ω et

441Ω : c’est-à-dire que la température peut être comprise entre 93°C et 97°C ce qui répond à

nos exigences.

Les résistances R1 doivent avoir une valeur telle que la tension de sortie du pont diviseur

soit d’environ 1V lorsque la température de consigne est atteinte. La formule d’un pont diviseur

est la suivante : 𝑉𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒 = 𝑉𝑒𝑛𝑡𝑟 é𝑒 ×𝑅2

𝑅1+𝑅2, donc, lorsque R2=415Ω, Ventrée=5V et Vsortie=1V,

R1=1660Ω (valeur normalisée : 1,5kΩ).

R1 :

R2 : &

3.4.3 Amplificateur opérationnel

Le composant que nous avons choisi se présente sous la forme d’un circuit

intégré 8 broches. Il contient 2 amplificateurs opérationnels indépendants ayant

la même alimentation Vcc(+5V)/Gnd1(0V). L’amplificateur fonctionne en mode

non linéaire (comparateur) : il n’y a pas de retour de la sortie sur aucune des

entrées.

Equations de la sortie :

Vs=Vmax=5V lorsque T°>95°C (RCTN<420Ω)

Vs=0V lorsque T°<95°C (RCTN>420Ω)

1 GND : abréviation de l’anglais « ground », la Terre en français

0

1

2

3

4

5

R(kΩ)

T(°C)

Vs


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3.5 Détecter la présence des tasses

Le montage permettant de détecter la présence des tasses (et du bol) fonctionne grâce à

des capteurs optiques formés d’un phototransistor et d’une DEL infrarouges. La DEL est

placée au-dessus des tasses, au niveau de la carcasse, et le phototransistor est placé en dessous

des tasses. Le principal inconvénient de cette solution est qu’il n’est pas possible d’utiliser des

tasses transparentes, mais comme la majorité des tasses du commerce n’est pas transparente,

cela ne pose pas de réelle difficulté.

3.5.1 Phototransistor et DEL infrarouge

Bien qu’une photodiode soit en réalité mieux adaptée notre besoin, comme elle

est nettement plus chère, nous avons décidé d’utiliser des phototransistors. Le

transistor est passant lorsqu’il est éclairé et il est bloqué dans l’obscurité. Le modèle

que nous avons choisi est sensible uniquement à la lumière infrarouge pour éviter

d’être perturbé par d’autres sources de lumière éventuelles.

La DEL à infrarouges est une diode électroluminescente classique qui, au

lieu d’émettre de la lumière rouge, bleue ou verte, émet de la lumière infrarouge invisible

l’œil nu (780nm<λ1<1µm).

3.5.2 Résistances R1 et R2

La diode et le transistor ne peuvent supporter que des courants de l’ordre de 50mA, il faut

donc fixer la valeur de R1 et R2 de façon à ce que cette valeur ne soit pas atteinte.

U=R×I, avec U≈E=5V et Imax=0,05A : 𝑅 =𝑈

𝐼=

5

0,05= 100Ω

R1 et R2 :

1 λ : longueur d’onde de lumière


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3.6 Détecter le nombre de tours de la vis sans fin

Ce capteur permet de détecter quand la vis sans fin a acheminé la quantité voulue de

poudre, il se décompose en deux parties : la partie qui détecte le nombre de demi-tours

effectués par la vis sans fin et la partie qui donne la consigne au microprocesseur.

3.6.1 Microrupteur

Le microrupteur est un bouton poussoir spécialement conçu pour être

utilisé comme entrée d’un microprocesseur ou d’un automate pour les

modèles plus gros. C’est un capteur avec contact, c’est-à-dire que la pièce de

la vis sans fin devra être spécialement étudiée pour que le temps durant

lequel le contact sera fermé soit le plus court possible de façon n’envoyer

que de courtes impulsions vers le microprocesseur (front montant)

3.6.2 Commutateur DIL1

Le commutateur DIL regroupe plusieurs micro-interrupteurs sur une

boite de la taille d’un circuit intégré. Chaque micro-interrupteur est

connecté à une entrée du microprocesseur de façon à définir le nombre

de tours grâce au codage binaire des entrées (+1 = +2 tours). On choisit un

commutateur DIL 4 voies, c’est-à-dire avec 4 interrupteurs. On peut

alors définir un nombre de tours compris entre 0 et 30 (2 × (24 − 1)). Les calculs effectués en

mécanique nous permettent de définir l’équivalence : 1 tour = 1,69cm3=1,69mL. Des essais

pratiques ont permis de montrer que 1cL=2 cuillères à café

K1 K2 K3 K4 Nbr. de tours Cm3/mL Cuillères à café

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 1 2 3,38

0 0 1 0 4 6,76

0 0 1 1 6 10,14

1 0 1 0 0 8 13,53

0 1 0 1 10 16,91

0 1 1 0 12 20,30

2 0 1 1 1 14 23 ,68

1 0 0 0 16 27,04

1 0 0 1 18 30,42

3 1 0 1 0 20 33,80

1 0 1 1 22 37,18

1 1 0 0 24 40,56

4 1 1 0 1 26 43,94

1 1 1 0 28 47,32

1 1 1 1 30 50,70 5

Le volume de poudre que l’on peut mélanger est donc compris entre 0mL et 5cL ce qui

permet un réglage assez précis de la concentration de la boisson.

1 DIL : « dual in-line » format du boîtier des circuits intégrés standards


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3.7 Commander la vis sans fin

3.7.1 Moteur à courant continu

Le moteur choisi est monté sur un support avec un réducteur

accolé, il fonctionne avec une tension de 1,5V à3V en continu. Le

moteur, par sa nature inductive n’est pas branché sur la sortie du

régulateur mais à la sortie du pont de Graetz :

𝑉𝐺𝑟𝑎𝑒𝑡𝑧 =2𝑈𝑚𝑎𝑥

𝜋= 7,6𝑉

Pour Umoteur≈ 3V :

𝑉𝑚𝑜𝑡𝑒𝑢𝑟 = 𝑉𝐺𝑟𝑎𝑒𝑡𝑧 ×𝑅2

𝑅1 + 𝑅2= 2,44𝑉

R1=100Ω :

R2=47Ω :

Vitesse de la vis sans fin sous 3V avec un réducteur de 64:1 : 231tr/min, sous 1,5V :

115tr/min. Ces données constructeur nous permettent de tracer la courbe de la vitesse de

rotation en fonction de la tension.

La vitesse de rotation de la vis sans fin sous 2,44V est 188tr/min soit 34tours en 11

secondes, plus que le minimum requis.

100110120130140150160170180190200210220230240

1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3

tr/min


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3.7.2 Relais électromécanique

Le moteur fonctionne sous 2,44V, sa puissance nominale est de 1,29W,

𝑃 = 𝑈 × 𝐼 ⇔ 𝐼 =𝑃

𝑈=

1,29

2,44= 0,53𝐴. Le courant maximal circulant dans le

moteur est 1,89A. Le relais électromécanique devra supporter un courant d’au

moins cette valeur. Celui que nous avons choisi supporte un courant de 10A,

une tension de 240V. Dans un bloc, se trouve un seul relais ayant deux

positions à la sortie : lorsque la bobine est alimentée, l’interrupteur se ferme

et alimente le moteur. Le seuil de basculement pour la fermeture de

l’interrupteur est de 3,5V et pour l’ouverture de 0,5V.

La tension aux bornes du relais devient très importante, lors de

l’ouverture des contacts. Pour protéger le transistor commandant le

relais, on utilise une diode dite de « roue libre ».

3.8 Commander la libération de l’eau chaude

L’électrovanne étant composé d’un solénoïde fonctionnant sous une

tension continue de 24V, l’électrovanne est branchée aux bornes du premier

condensateur de la fonction alimentation, en série avec un relais

électromécanique commandé par le microprocesseur. Le relais

électromécanique choisi pour commander les moteurs (3.7.2) comporte des

caractéristiques suffisantes pour être utilisé avec l’électrovanne.

3.9 Chauffer l’eau

Après avoir testé le chauffage jusqu’ ébullition (T°>T°consigne) d’un demi-litre

d’eau avec une résistance de 350W alimentée sous 220V 50Hz qui durait une

dizaine de minutes, nous avons choisi d’utiliser une résistance chauffante

alimentée sous 12V (tension de sécurité). Celle-ci est capable, avec une puissance

de 150W de chauffer 0,6L en 20 min (données constructeur), comme l’eau doit

être constamment à la température de consigne de 95°C, le chauffage initial peut

donc être long (environ 3 heures pour un volume de 5L) : le microcontrôleur

pilotera ensuite notre résistance pour maintenir cette température.

Pour une efficacité optimale,

la résistance chauffante doit être

placée en bas du réservoir, car l’eau chaude a

tendance à remonter vers la surface : la

chaleur doit être répartie le mieux possible.

Le relais électromécanique choisi pour

commander le moteur (3.7.2) et les électrovannes (3.8) comporte des caractéristiques

suffisantes pour être utilisé avec la résistance chauffante.

0

50

100

150T(°C)

t(min)

Allure de l'évolution


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3.10 Prendre en compte les choix de l’utilisateur

3.10.1 Sélecteurs des boissons

La sélection des boissons se fait grâce à

4 sélecteurs 2 positions (0 ou 1) fixés

directement sur la carcasse. Ils sont

directement branchés sur les entrées du

microprocesseur.

3.10.2 Déclenchement manuel

Le déclenchement manuel du cycle de préparation de boissons se fait grâce à

un simple bouton poussoir fixé lui aussi sur la carcasse et relié l’entrée du

microprocesseur.

3.10.3 Déclenchement programmé

Pour une programmation une heure précise, l’utilisateur règle tout d’abord les boissons

désirées, puis il reste appuyé sur le bouton programme et règle en même temps l’heure

laquelle il désire avoir sa boisson grâce aux deux boutons fléchés de sélection. Lorsqu’il

relâchera le bouton programme, l’heure sera alors validée automatiquement et un indicateur

sera activé sur l’afficheur LCD. Pour annuler le programme, il suffit d’appuyer deux secondes

sur les boutons programme et horloge simultanément. A l’inverse, si l’utilisateur veut

reprendre un programme précédent (donc une heure précédemment définie) il appuiera

simultanément sur les boutons programme et horloge à nouveau pendant deux secondes pour

activer la programmation l’heure définie précédemment.

Pour modifier l’heure de la machine, il suffit

l’utilisateur de presser le bouton horloge tout en

sélectionnant grâce aux deux boutons fléchés l’heure

correcte. Une fois que l’utilisateur aura réglé

la la bonne heure, il lui suffira de relâcher le bouton

horloge pour que l’heure soit automatiquement

enregistrée.

Ce module envoie une information binaire (1 ou 0)

sur l’une des entrées du microprocesseur.


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3.11 Coût de l’électronique

Nom du composant/ de la pièce

Quantité

Prix unitaire (prototype)

Total prototype

Prix en quantité >1000 (commercial)

Total commercial

Détail

Electrovanne 4 17,49€ 69,96€ 17,49€ 69,96€ 3.8

Moteur +réducteur

4 8,27€ 33,08€ 8,27€ 33,08€ 3.7.1

Résistance chauffante

1 9,95€ 9,95€ 9,95€ 9,95€ 3.9

Transformateur 1 8,27€ 8,27€ 7,28€ 7,28€ 3.3.1

Relais 9 0,83€ 7 ,47€ 0,75€ 6,75€362,2077 €

3.7.2

Microrupteur 4 0,82€ 3,28€ 0,69€ 2,76€ 3.6.1

Diodes de redressement

2 1,01€ 2,02€ 0,83€ 1,66€ 3.3.2

Phototransistor 4 0,56€ 0,56 € 0,345€ 0,46 € 3.5.1

Commutateur DIL

4 1,45€ 5,80€ 0,33€ 1,32€ 3.6.2

LED infrarouges 4 0,35€ 2,52 € 0,307€ 0,204 € 3.5.1

CTN 1 1,06€ 7,47 € 0,90€ 6,75 € 3.4.1

Régulateur 1 0,56€ 3,28 € 0,46€ 2,76 € 3.3.4

Résistance 100Ω 12 0,21€ 0,42€ 0,017€ 0,204€ 3.5.2/ 3.7.1

Amplificateur opérationnel

1 0,21€ 8,27 € 0,17€ 7,28 € 3.4.3

Résistance 47Ω 4 0,21€ 0,84€ 0,021€ 0,084€ 3.7.1

Condensateur 100µF

1 0,21€ 2,02 € 0,0751€ 1,66 € 3.3.3

Condensateur 10µF

1 0,53€ 2,24 € 0,0462€ 1,380 € 3.3.3

Résistance 1,5kΩ 2 0,94€ 69,96 € 0,0212€ 69,96 € 3.4.2

Condensateur 0,1µF

1 0,21€ 5,80 € 0,036€ 1,32 € 3.3.3

Résistance 300Ω 1 0,30€ 33,08 € 0,024€ 33,08 € 3.4.2

Résistance 120Ω 1 0,21€ 9,95 € 0,0212€ 9,95 € 3.4.2

Microprocesseur

1 5,28€ 5,28€ 4,38€ 4,38€ 3.2

Sélecteur 4 6,15€ 24,60€ 4,78€ 19,12€ 3.10.1

Interrupteur 1 4,47€ 4,47€ 4,09€ 4,09€ 3.10.2

Module horloge 1 12,05€ 12,05€ 12,05€ 12,05€ 3.10.3

TOTAL 70 861,58 € 1291,6483 €

On peut donc constater que l’on ne peut pas faire de réelles économies au niveau de

l’achat de l’électronique pour une petite série (1000 étant un petit nombre pour l’industrie).

Cependant, le cout des pièces les plus chères (électrovannes, moteurs+réducteurs) peut être


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facilement diminué, en les achetant chez des grossistes ou en les fabricant soi-même, dans le

cas d’une fabrication en plus grande série.

4 Réalisation d’une maquette

4.1 Maquette générale de la carcasse

Nous avons réalisé une maquette de notre système en essayant d’illustrer au maximum

son principe de fonctionnement. Nous avons donc réalisé la carcasse dans une plaque

d’aluminium que nous avons ensuite plié et découpé. Nous avons également solidifié le tout

avec quelques barres de renforts en plastique que nous avons fixé à la carcasse avec des vis.

Nous avons fixé la plaque d’aluminium directement sur une plaque de bois, pour

augmenter sa solidité. Nous n’avons pas exactement respecté le modèle SolidWorks que nous

avions réalisé, car les boutons se trouvent de cotés différents sur la maquette et sur le modèle

numérique. Nous avons créé cette maquette dans le but de montrer globalement comment les

éléments seraient disposés autour de la carcasse, c’est pour cela que nous avons également

modélisé les cuves à poudre, et la cuve à eau. Nous avons également fixé les interrupteurs 2

positions sur le devant de la carcasse qui permettent la sélection des boissons.


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4.2 Maquette détaillée du système vis sans fin

Afin de mieux détailler et expliquer le fonctionnement de la partie principale de notre

système, qui est le système vis sans fin avec l’entonnoir et le motoréducteur, permettant de

doser la quantité nécessaire de poudre la réalisation d’une boissonNous avons donc utilisé un

moteur que nous avons récupérer sur une ancienne perceuse sans fil, que nous avons branché

sur un générateur. Nous avons fixé le moteur au système vis sans fin et nous avons fixé

l’entonnoir réalisé en cire en dessous de l’orifice de sortie de la vis sans fin. Nous avons

également placé le microrupteur, permettant de détecter le nombre de tours de la vis sans fin.

Nous l’avons relié une Del qui s’allume chaque fois que la vis a réalisé un tour. Cette

maquette permet de mieux comprendre le système et de suivre plus facilement le parcours de

la poudre lorsqu’elle « quitte » la cuve à poudre.


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Améliorations Notre système, bien que fantastique, peut encore être amélioré sur certains plans :

Le « design » peut être amélioré, notamment en modifiant la place des différentes

pièces ou en changent la forme de la carcasse, on peut imaginer une machine circulaire

ou bien pyramidale.

On peut aussi imaginer proposer la machine à la commercialisation de plusieurs

couleurs, rose, jaune, vert, bleu, turquoise, rouge, marron, noir, gris métallisé, etc.

La principale amélioration que l’on peut envisager, c’est de changer radicalement le

fonctionnement du module horloge, de mettre en place une programmation l’aide

d’un afficheur LCD qui permettrait de visualiser plus clairement les informations et de

programmer individuellement chaque boisson. Nous avons donc recherché un

afficheur sur Internet sur le site internet Radiospares. Nous

avons retenu l’AFFICHEUR GRAPHIQUE 240320DP-FC-

BC-3 (http://radiospares-fr.rs-

online.com/web/search/searchBrowseAction.html?method=

getProduct&R=5327344) que l’on peut voir ci-dessous :

Celui-ci permettrait de visualiser en temps réel la

préparation des boissons et d’afficher les différents horaires choisis en fonction des

différentes boissons désirées.

On peut aussi imaginer remplacer les sélecteurs de boisson par de simples boutons

poussoirs : le microprocesseur prendrait en compte les informations et les stockerait

dans la mémoire.

Une autre amélioration consiste à réduire la taille de la machine et la rendre plus

compacte afin de la transporter plus aisément.

L’intégration d’une télécommande afin de déclencher une préparation instantanée

distance (télécommande d’une portée de 100m).


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Bibliographie

Sites internet

@ GO Tronic : www.gotronic.fr (Catalogue de composants)

@ Bassompierre Scientax : pagesperso-orange.fr/bassompierrescientax (Résistances

chauffantes)

@ Radiospares : www.radiospares.fr (Catalogue de composants)

@ Jeannot : www.jeannot.fr (Résistances chauffantes)

@ Fountain : www.fountain.fr (Machines à café)

@ Distributeur-Boisson : www.distributeur-boisson.net (Machines à café)

@ Ehlers & Co. Elektrogeräte : www.ece-ehlers.de (Résistances chauffantes)

Personnes rencontrées

Personne s’occupant de remplir le distributeur de boissons du lycée : 29/11/07

(Fonctionnement interne de la machine)

Mme Becker (professeur de physique-chimie) : tout au long de l’année (questions par

rapport à la vitesse de l’eau)

M. Bellot (professeur de physique appliquée) : 26/01/08 (réponses par rapport à la

vitesse de l’eau)

M. Haessig (professeur d’atelier) (impression de pièces en 3D)

M. Gunther (professeur de Microtechniques) (aide à la fabrication de la maquette)

Mme Wilhelm (professeur de SVT) (questions au sujet de l’hygiène)

Documents consultés

Mémotech (Sciences de l’ingénieur) : ISBN 2-7135-2491-1 (Formules et relations

électroniques et mécaniques)

Guide des sciences et technologies industrielles : ISBN 2-0917-9451-1 (Formules et

relations électroniques et mécaniques)

Dossiers de PPE des années passées (élaboration du plan)

Logiciels utilisés

SolidWorks (Représentation de pièces en 3D)

Suite Office 2007 (dossier et présentation orale)

Firefox 2(navigation sur l’internet)

Internet Explorer 7 (navigation sur l’internet)


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Conclusion

En conclusion, nous pourrons dire que nous avons réussi à répondre à la problématique en

concevant un appareil permettant la préparation de boissons instantanée, comme la

préparation de boissons programmée. De plus, il permet un choix entre 4 différentes boissons.

C’est un système qui est la fois simple d’utilisation, tout en combinant de nombreuses

techniques et technologies astucieuses permettant le bon fonctionnement du système. Notre

système est donc réellement adapté à un usage à domicile et permet une utilisation par tous les

membres de la famille. Il est largement inspiré des technologies présentes de nos jours dans les

machines à préparation instantanée de boissons chaudes, mais également du fonctionnement

des machines café actuelles. L’enjeu a principalement été d’adapter des systèmes existants

actuellement sur des machines de plus grande envergure pour les adapter à notre système.

Nous avons tout de même réfléchit la possibilité d’amélioration de notre produit, avec

l’ajout d’un afficheur graphique qui permettrait de créer réellement un programme pour la

préparation des boissons. Notre projet, bien que fort judicieusement étudié, peut donc être

amélioré pour une utilisation plus confortable du système. On pourra donc imaginer la mise en

place de plusieurs modèles de cette machine en fonction des options présentes dans le cadre

d’une commercialisation éventuelle.

La réalisation de notre projet nous a réellement demandé un domaine de connaissances

assez vaste. Nous avons donc du nous informer dans plusieurs domaines très variés. Nous

avons donc par conséquent appris de nombreuses choses et nous pensons bien évidemment

que la réalisation de notre projet nous a été très bénéfique. Cependant, il est nécessaire

d’ajouter que nous avons rencontré différentes problèmes au court de notre travail,

notamment le temps qui était un des facteurs les plus difficiles à métriser. Ce projet nous a

demandé énormément d’heures de travail en dehors des cours. De plus, nous avons passé

beaucoup de temps à trouver un sujet et une problématique, après avoir cherché à plusieurs

reprises de nombreuses idées qui n’étaient pas forcément réalisables. La répartition du travail a

également causée problèmes à certains moments.

Ce projet reste donc pour nous une expérience très enrichissante que nous avons été très

contents de partager avec les membres de notre groupe.


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5 Annexes

5.1 Datasheets

5.1.1 Transformateur

Modèle choisi : WT1514 de Walsall Transformer Corporation


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5.1.2 Diodes de redressement

Modèle choisi : STTH8R06G de ST Microelectronics


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5.1.3 Régulateur

Modèle choisi : L7805CV de ST Microelectronics


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5.1.4 CTN

Modèle choisi : n° 151-221 du catalogue Radiospares


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Caractéristiques du modèle choisi:

T0=25°C ; R(T0)=5kΩ ; α=4,39%/K

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6

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

R(kΩ)

T(°C)


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5.1.5 Amplificateur opérationnel

Modèle choisi : MC1458P de Texas Instruments


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5.1.6 DEL à infrarouges

Modèle choisi : LD274 de Siemens


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5.1.7 Phototransistor

Modèle choisi : PT380F de Sharp


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5.1.8 Microrupteur

Modèle choisi : D2F-L d’Omron

5.1.9 Commutateur DIL

Modèle choisi : IKN0200000 d’Apem Components


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5.1.10 Moteur et réducteur

Modèle choisi : Kit 917D de Como Drills


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5.1.11 Relais électromécanique

Modèle choisi : T7SS5E6-5 de Tyco Electronics Schrack


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5.1.12 Electrovanne

Modèle choisi : VDW11-4G-1-M5-Q de SMC


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