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Dorian KERBERENES

Rapport de projet 2012Solution optique n°2

BTS Systèmes Électronique (2 è m e année) Carhaix Bowling Club (CBC)

Lycée Vauban Carhaix Bowling-Club Rue Kérichen Dépendances de Persivien BP 62506 29270 – Carhaix-Plouguer 29225 BREST Cedex 02 Tèl. : 02.98.93.03.20Tel : 02.98.80.88.63 Fax : 02.98.80.88.42

Outil d'entraînement Bowling Projet BTS Sysèmes Electroniques 2012

1 Sommaire du dossier personnel

1 Sommaire du dossier personnel .................................................................................................... 2

2 Exposé des travaux personnels ..................................................................................................... 3 2.1 Cahier des charges et schéma-blocs ........................................................................................... 3

2.2 Bilan temporel des tâches .......................................................................................................... 5

2.3 Les choix et caractéristiques des composants ............................................................................ 6

2.4 Les essais, simulations et mesures ............................................................................................. 9

2.5 Algorigrammes et algorithmes ................................................................................................. 10

2.6 Schéma structurels ................................................................................................................... 12

2.7 Le dossier de fabrication .......................................................................................................... 18

2.7.1 Typon côté TOP ................................................................................................................ 18 2.7.2 Typon côté BOTTOM ...................................................................................................... 19 2.7.3 Plan d'implantation ........................................................................................................... 20 2.7.4 Plan de perçage ................................................................................................................ 21

2.8 L'estimation des couts / nomenclature ..................................................................................... 22

2.9 Les procédures de tests ............................................................................................................ 24

2.10 Les comptes-rendus d'essai .................................................................................................... 25

2.11 Procédure de mise en oeuvre et réglage ................................................................................. 26

3 Conclusion .................................................................................................................................. 26

4 Annexe ........................................................................................................................................ 27 4.1.1 La carte LEDs .................................................................................................................. 27 4.1.2 BS170 ............................................................................................................................... 28 4.1.3 APDS9120 ........................................................................................................................ 30 4.1.4 74HC540 .......................................................................................................................... 31 4.1.5 K8063 ............................................................................................................................... 32 4.1.6Programme du CPLD ........................................................................................................ 34

Dossier personnel Dorian KERBERENES 2/34


2 Exposé des travaux personnels

2.1 Cahier des charges et schéma-blocs

Fonction schéma-bloc Contraintes technologiques

Travail à fournir

Etudiant 3

Dorian KERBERENES

Solution optique n°2 Essais sur 4 types de capteurs :

– GP2Y0D80SZ0F– OPB732– APDS-9120-020– HSDL-9100

Choix d'un capteur ( performances,facilité de mise en oeuvre, coût...)

Traitement par CPLD, voire CPLD+PIC

Programmation VHDL (ou VHDL+C)

Affichage local sur led

Affichage déporté 2 digits interface série

Cartes imprimées capteurs

Carte imprimée de traitement

Boîtier affichage déporté

Logiciels associés

Dossier technique



L'outil d'entraînement Bowling est destiné à aider les débutants. Le système terminé aura comme but de détecter sur quelle latte du plancher du bowling la boule passe, d'afficher à l'aide d'une LED située au dessus de la piste sur quelle latte elle est passée, puis avec un affichage déporté en bout de piste indiquer le numéro de la latte.

Voici le montant qui sera situé juste au dessus de la piste de bowling, dessous sont fixés les capteurs qui détecteront le passage de la boule.

Sur le devant du montant sera fixée une barre de 39 LED (1 par latte, entourée en rouge) de manière à indiquer sur quelle latte la boule est passée.



2.2 Bilan temporel des tâches

Semaine Jour Heure Activités Bilan horaire

4 Vendredi 4 Découverte du projet 4

5

Lundi 8 Test des capteurs

16Mercredi 4 Test des capteurs

Vendredi 4 Test des capteurs

6

Lundi 8 Recherche interconnexion composants / carte

16Mercredi 4 Recherche interconnexion composants / carte

Vendredi 4 Recherche interconnexion composants / carte

Vacances hiver

9

Lundi 8 Programmation CPLD

24Mercredi 4 Programmation CPLD

Vendredi 4 Programmation CPLD

10

Lundi 8 Programmation CPLD

Mercredi 4 Programmation PIC

16Vendredi 4 Programmation PIC

11

Lundi 8 Programmation PIC

Mercredi 4 Saisie de schéma8

Vendredi 4 Saisie de schéma

12

Lundi 8 Routage 8

Mercredi 4 Perçage et soudure8

Vendredi 4 Perçage et soudure

13

Lundi 8 Mesures, tests et dépannages

16Mercredi 4 Mesures, tests et dépannages

Vendredi 4 Mesures, tests et dépannages

14

Lundi 8 Essai global avec les cartes

16Mercredi 4 Essai global avec les cartes

Vendredi 4 Essai global avec les cartes

Vacances Printemps



2.3 Les choix et caractéristiques des composants

Les différents capteurs :

APDS9120 VCC : 2.4 – 3.6V.PIN d'activation.Signal de sortie déjà mis en forme.Fréquence : 10kHz à 3V.Consommation : 90mA.Détecte les objets jusqu'à 5 cm.Prix : 2.02€.

Dans ce cas la boule est passsé sur le capteur n°1.

GP2Y VCC : 2.7 – 6.2V.Signal déjà mis en forme.Détecte les objets jusqu'à 5 cm.Prix : 3.9€.

La boule est passée entre le capteur 2 et 3.

HSDL9100 VCC : 3V.Diode émettrice, réceptrice.Fréquence : 10kHz, 3V.Courant maximum dans la LED 100mA.Distance jusqu'à 3cm.Prix : 1.72€.

Le test a été effectué à une distance de 0,5 cm.

OPB732 VCC : 2VLED émettrice, photo-transistor.Fréquence : 10kHz, 2V.Distance 3 cm.Prix 3.67€.

Le test a été effectué à une distance de 3cm.



Mon choix s'est donc porté vers le capteur APDS9120. Il nécessite une tension de 3.3V normalisée, un pulse de fréquence de 10kHz, pour un prix d'ensemble faible compte tenu du fait que les signaux sont déjà mis en forme. Ce qui n'est pas le cas du HSDL9100 qui nécessite l'ajout de composants pour la mise en forme des signaux : le prix total dépasse celui de l'APDS9120. L'OPB732, à lui seul, est plus cher que l'APDS9120 sans mise en forme. Tous ces élément confèrent à l'APDS9120 un meilleur rapport qualité / prix. Le GP2Y a une mise en forme des signaux sans avoir besoin d'éléments externes (pulse) mais pour un coût total bien supérieur a celui de l'APDS9120.

1 ère théorie : j'ai tout d'abord pensé interconnecter les capteurs / LED / CPLD comme suit :

La diode permettait au CPLD de contrôler les LED dans affecter la sortie des capteurs.

Plusieurs problèmes se sont posés, la sortie des capteurs est normalement au niveau "1", ce qui rend le système caduc. Après simulation, le CPLD ne peut pas compiler 39 entrées / sorties.

2 nd théorie : je me suis donc dirigé vers un buffer à la place de la diode et de deux CPLD à la place d'un seul.

L'interconnexion capteur / buffers / CPLD est donc opérationnelle. En revanche la liaison RS232 pour contrôler les deux afficheurs 7 segments ne fonctionne pas, le signal généré par le CPLD n'est pas d'assez bonne qualité.

3 ème théorie : je me suis ensuite dirigé vers l'utilisation d'un PIC, le PIC a donc pour rôle de contrôler les CPLD qui sont eux connectés aux LEd / capteur (par l'intermédiaire des buffers) et de la liaison RS232.

La liaison permet au PIC de contrôler l'action des CPLD et l'état des Buffer (haute impédance ou juste inverseur). La liaison marron permet de recevoir l'état des capteurs ou de contrôler des LED.

La liaison violette est le résultat de la conversion 39bit => 5bits faits par les CPLD pour indiquer au PIC l'état des capteurs. Et vice versa lorsque le PIC contrôle les LED par l'intermédiaire des CPLD.

Les CPLD :

Les premier tests ont été effectués sur le CPLD MAX7128SLC84, le problème majeur a été le fait qu'il ne possédait pas assez de connexion interne pour interconnecter tous les capteurs aux LED. Je me suis donc tourné avec l'utilisation en parallèle de deux CPLD EPM7064, ce qui a permis d'interconnecter les capteurs aux LED et au PIC pour le traitement des données.



Les buffers :

Les buffers, contrôlés par le PIC permettent de couper la connexion entre CPLD et capteurs et donc de contrôler les LED. Ils possèdent également une porte inverseuse, grâce à cela, le signal des capteurs lors d'un événement sera au niveau "1".

Le PIC :

Mon choix s'est tourné vers le PIC16F883, il possède le nombre d'entrées / sorties nécessaire pour contrôler les éléments gravitant autour, une horloge interne pouvant aller jusqu'à 8MHz, ce qui dispense de composants supplémentaires, un CCP pour générer le 10kHz nécessaire au capteur APDS9120 et une liaison RS232 pour la communication avec les afficheurs.

Le LM317 :

C'est un régulateur contrôlé par une résistance, de 1,2V à 25V.

Voici la formule pour déterminer la tension de sortie du régulateur :

Il peut être comparé à un pont diviseur inversé.

Les afficheurs 7 segments :

Les Velleman kit K8063 étaient présélectionnés, puis contrôlés par RS232.

Alimentation 12V.



2.4 Les essais, simulations et mesures

Essais sur le capteurs APDS9120 :

La boule est passée sur le deuxième capteur, il y a bien un écart dans le temps.

La boule est passée entre le deuxième et le troisième capteur. Il y a toujours un écart dans le temps.

Les données sont donc exploitables par le micro-contrôleur.

La liaison RS232 :

Le test de la liaison RS232



2.5 Algorigrammes et algorithmes

Algorigramme du programme présent dans le CPLD :



Algorigramme du programme présent

dans le PIC :



2.6 Schéma structurels













2.7 Le dossier de fabrication

2.7.1 Typon côté TOP



2.7.2 Typon côté BOTTOM



2.7.3 Plan d'implantation



2.7.4 Plan de perçage



2.8 L'estimation des couts / nomenclature

Le fournisseur est Radio Spare. La carte principale :

Quatité Désignation Référence Prix

12 C9, C11, C12, C18, C26, C29 - C35 100n 0,48

8 C18, C19, C20, C36 - C40 100n - CMS 1,07

5 C13, C14, C15, C16, C27 47µ 0,5

1 C17 10n 0,45

5 C21 - C25 10µ 0,25

1 C28 6.8n 0,14

1 D3 DIODE 4004 0,09

3 D41 - D43 LED 0,6

2 J11, J43 BORNIER 2 POINTS 1

2 J15, J16 CON40 0,72

1 J41 RJ11 0,7

2 J44, J55 CON10 - CPLD 2

5 J47, J48, J51, J52, J58 CON5 0,25

4 J59, J60, J86, J87 CON2 0,08

2 J61, J62 CON3 0,06

1 J63 JUMPER 0,02

10 J66 - J75 CON8 0,8

4 J80 - J84 CON1 0,04

4 J76 - J79 CON20 1,6

1 P1 DB9 1,2

4 R5, R14, R15, R17 470 0,04

6 R6, R7, R8, R9, R10, R11 1k 0,06

1 R12 47k 0,01

1 R13 330 0,01

3 R16, R20, R25 10k 0,03

1 R19 15k 0,01

2 R21, R23 3.3k 0,02

2 R22, R24 2.2k 0,02

1 SW1 BOUTON POUSSOIR 0,13

4 TP3 - TP6 POINT TEST 0,16

2 U4, U7 EPM7064 20,54



1 U5 PIC16F883 1,72

1 U6 Support DIP14 0,12

1 U9 MAX232A 4,69

5 U36 - U40 74HC540 1,5

1 U41 NE555 0,5

1 U42 LM7805 0,65

1 U43 LM317 0,62

1 Plaque d'époxy double face 16/10 - 35µ 16,5 cm / 18,5 cm 7,37La carte capteurs : Coût total : 50,25€

39 U1 - U39 APDS9120 89,7

39 R1 - R39 10 0,39

39 R40 - R78 10k 0,39

39 R78 - R117 1M 1,5

39 C1 - C39 3,3n 6,5

39 C40 - C78 100n 11,7

39 C78 - C117 6,8u 11,7

39 U40 - U78 Support 8 pts 1,12

1 U79 LT1085CT 8,19

5 U80 LT1587-3.3 36,35Une carte LED : Coût total : 167,54€

10 R1 -R39 100k 0,1

10 R40 - R78 470 0,1

10 M1 - M39 BS170 4,7

2 J56 - J63 BORNIER 2 POINTS 1

1 C1 - C4 100n 0,04

1 Plaque époxy double face 16/10 35µ 270/36 2,35Coût total : 8,29€

4 D1, D2, D38, D39 LED Rouge 0,64

7 D3 - D9 LED Bleu 3,92

14 D10 - D23 LED Verte 4,9

14 D24 - D37 LED Jaune 2,66Coût total : 12,12€

Un afficheur coût 39,9€ soit 79,8€ les deux.

Le coût du système complet est de 342,87€.



2.9 Les procédures de tests

– S'assurer que la LED rouge est bien allumée.

– Régler R26 pour que LM317 broche = 3.3V.

– S'assurer que quand SW relâché MCLR du PIC = 0V et quand appuyé MCLR = 5V.

– Mise en place du PIC16F883

– Ajout du programme de test

– Mise en place du MAX232

– Mise sous tension sous tension de la carte

– Envoi d'un programme de test sur PIC

– Visualisation des données envoyées sur le PC

avec hyper-terminal.

– Contrôle des tensions aux bornes du support CPLD :

CPLD Tension théorique Tension pratique

Broche 3 5V 5,05V

Broche 10 0V 0V

Broche 15 5V 5,05V

Broche 22 0V 0V

Broche 23 5V 5,05V

Broche 30 0V 0V

Broche 35 5V 5,05V

Broche 42 0V 0V

– Ajout du CPLD

– Test de la programmation avec envoi d'un programme de test.

– Mise en place des buffers

– Vérification de l'état des sorties du buffers, si niveau "0" en entrée, niveau "1" en sortie et vice versa.

Voie 1 : après le buffer

Voie 2 : en sortie des capteurs avant le buffer



2.10 Les comptes-rendus d'essai

On procède à l'installation de la carte en la connectant avec la carte LED et la carte capteur. Lors du déclenchement d'un capteur, comme on peut le voir sur le graphe ci-dessous, le CPLD renvoie bien en sortie le bon signal.

Voie 1, capteur 1.

Voie 2, capteur 2.

Voie 3, sortie 1 CPLD

Voie 4, sortie 2 CPLD

L'afficheur connecté au PIC par RS232, est pleinement fonctionnel :

Le signal est correcte en sortie des buffers, il y a bien une inversion.



2.11 Procédure de mise en oeuvre et réglage

– Alimenter la carte en 12V maximum.

– La LED rouge doit être allumée.

– Régler R26 pour avoir 3,3V en sortie du LM317.

– Couper l'alimentation.

– Mettre en place tous les circuits intégrés.

– Connecter les deux connecteurs 40 broches aux LEDs et aux capteurs.

– Connecter l’horloge des capteurs à HCpic.

– Connecter les broches d'alimentation LEDs.

– Alimenter tous les circuits.

3 Conclusion

J'ai terminé ce projet qui consistait a créer un système d’entraînement de bowling dans le cadre du BTS Systèmes Électroniques.

Ce sujet était très intéressant, il m'a permis d'amener à son terme un projet en étant confronté aux réelles difficultés de la conception d'un tel système. L'objectif a été atteint en temps et en heure, ce qui m'a permis d'effectuer des tests plus poussés.

La plus grande difficulté a été le dimensionnement des composants lors des premières semaines, lié à l'assimilation des caractéristiques de chaque famille logique (HC, TTL) et aux restrictions des micros contrôleurs.

Par la suite, ce fût le découlement logique après la saisie des schémas structurels, jusqu’au test du système entier. J'ai pu, par la suite, comparer ma solution avec d’autres solutions, en tirer les avantages et les inconvénients. Il s’avère donc que ma solution n'est pas la meilleure au niveau prix et facilité d'utilisation mais reste parfaitement viable.

Ce projet m'a apporté de l'expérience sur la réalisation de projet en ayant un cahier des charges et un délai à tenir.



4 Annexe

4.1.1 La carte LEDs



4.1.2 BS170





4.1.3 APDS9120



4.1.4 74HC540



4.1.5 K8063





4.1.6 Programme du CPLD


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