Projet fin d`études 07/08

Université Mohamed Premier
École Supérieure de technologie
Oujda
- Prototype de mon Projet de fin d’étude-
Réalisé par:
par:
AZAROUAL Youssef
Département: Génie Électrique
Option: Électronique
-Exemple d’application industriel-
Encadré
Encadré Par:
Mr: Elmamoun AZIZ
Année universitaire:
universitaire: 2007/2008
Avant toute chose, nous tenons à remercier DIEU.
Nous tenons à exprimer nos sincères remerciements à nos formateurs et
formatrices, de leur aide et leurs efforts fournis durant l’année scolaire.
Nos vifs remerciements à tous les responsables de gestion de l’Ecole
Supérieure de Technologie d’Oujda sous la direction de Madame Naima Benazzi.
Nos profonds remerciements à Monsieur ELmamoun AZIZ qui nous a
encadré et soutenu pendant toute la période de temps allouée de ce projet.
Enfin, nous tenons à remercier tous ceux qui nous ont aidé de prés ou de loin
à élaborer ce travail.
Introduction ………………………………………………...…………………..……..…1
Cahier de Charge……………………..…………………………………………………2
Chapitre I : Etude de fonctionnement général…………………….………....3
-La technologie ultrasons …………………………………...……….……...…4
- Le schéma synoptique ………………………………………………...………4
- Le principe de fonctionnement..…………………………………....……….5
-La paire de transducteur……………………………….……….........…..…….5
Chapitre II : Etude partielle...…………………………….………………....……6
I- Le
module d’émission..…………………………………...………………….7
I-1 Étage de Contrôle du temps d’émission…… .…...….………………8
I-2 Étage d’horloge à 40kHz…………………..……………...…….……..11
I-3 Étage transmission de puissance au transducteur (émetteur) ...…12
II- Le
module de réception.……………….…………….…………......………13
II-1 Étage d’amplification………………………….…..…………………….13
II-2 Étage de détection et de conversion………….……..……………….14
II-3 Étage d’acquisition d’impulsion de comptage………………...……16
III- Le
module d’affichage …………………………….…………………..……..18
III-1 L’horloge……………………………………………………...………….19
III-2 Le compteur et le décodeur BCD ……………………...…..……….20
V- le schéma complet de radar ultrasonique……………..………………23
V-1 le typon de schéma complet…………………………..……………..24
V-2 Liste des matérielles………………………………………….………...25
La mise au point ………………………………………………………….…..……….26
Conclusion générale……………………………..…………….…………..…………28
Annexes………………………………………………………….…………………..……26
La qualité d’un technicien supérieur repose sur l’expérience pratique qu’il a
acquise. Ainsi, pendant notre formation, nous avons réalisé un projet de fin d’étude
durant lequel nous avons pu mettre en œuvre nos connaissances théoriques et
enrichi notre savoir faire pratique.
Notre projet consiste à réaliser un radar de recul ultrasonique. Les objectifs
étant fixés, nous avons donc établi la structure générale de ce radar. Cette structure
se décompose en modules interdépendants, afin de la rendre aussi claire que
possible.
Etant donnée le principe du fonctionnement du Radar de recul ultrasonique,
trois modules s’en dégagent :
• Un module d’émission,
• Un module de réception
• Un module qui permet d’afficher la distance mesurée.
Radar de Recul Ultrasonique
Dans notre projet, nous sommes chargés de réaliser un dispositif
électronique qui sert à mesurer la distance séparant l’arrière d’un véhicule où
sont placés l’émetteur et le récepteur et l’obstacle, conformément au dessin cidessous :
-Exemple d’application d’un radar de recul ultrasonique..
Il s’agit donc de réaliser :
Un Emetteur Ultrasonique.
Un Récepteur Ultrasonique.
Un Afficheur de distance.
En principe ce système doit fonctionner pour des distances allant jusqu’à 10m
(999cm).
Le schéma général du dispositif est fourni par notre encadrant. Notre travail
consiste à comprendre le fonctionnent de chaque bloc et réaliser ce dispositif sur un
circuit imprimé.
La Technologie ultrasons:
Les ondes ultrasonores sont des ondes sonores donc des ondes mécaniques.
Cependant, leurs fréquences sont plus élevées que 20khz. De ce fait elles sont
inaudibles donc pas perceptibles par l’oreille humaine. Il n’y a donc pas de gène
pour l’utilisateur.
Le radar de recul ultrasonique possède un émetteur et un récepteur à ultrasons
placés côte à côte. L'émetteur génère une onde ultrasonore en arrière du véhicule.
En présence d'un obstacle, une partie de l'onde est réfléchie vers le récepteur. Le
conducteur du véhicule est renseigné sur cette distance par un signal visuel.
Le Schéma synoptique :
Le Principe de fonctionnement :
Le principe est basé sur la mesure de temps écoulé entre l’émission et le retour
de l’onde ultrasonique. Le système de contrôle remet le chronomètre à zéro puis
commence l’émission ultrasonique. L’onde ultrasonore se propage à la vitesse du
son dans l’air environnant, soit 342 m/sec. Dès qu’un obstacle est rencontré, l’onde
revient vers le transducteur qui stop le chronomètre dès la réception de signal.
La paire de transducteur (R/T40-16) :
Les composants les plus importants et les plus incontournables pour la
réalisation de notre projet sont les deux transducteurs piézoélectriques. En effet,
c’est cette paire de transducteurs qui nous a permis de transformer de l’énergie
électrique en énergie sonore (pour le transducteur émetteur) et de convertir le signal
sonore reçu en un signal électrique utile. Puisque tout le montage doit être construit
autour de ces composants et va dépendre de leur fonctionnement.
Le tableau ci-dessus représente les données du constructeur de transducteur R/T
40-16 :
Size
(mm)
Caractéristiques
Spécif
Fréquence de résonance (KHz)
40
Pression acoustique (dB)
115<
Sensibilité (dB)
-64 <
Diamètre
16.2
Taille
12.2
Borne intervalle
10.0
-Les caractéristique
caractéristiques
éristiques de transducteur (R/T 4040-16)
16) -
I- Le module d’émission :
Le module d’émission se résume au schéma de principe suivant :
I-1 Étage de Contrôle du temps de l’émission :
La solution adoptée pour contrôler le temps de l’émission des impulsions
ultrasoniques est l’utilisation du circuit intégrée NE555 qu’est caractérisé par sa
haute stabilité produisant des signaux de durée précise, il est essentiellement utilisé
en monostable est en astable dont en ait besoin de ce dernier dans notre projet.
• Structure interne de NE555 :
-Figure 11-
NE555 est composé de deux comparateurs de tension, bascule RS, transistor,
inverseur et d’un pont de résistances qui divise VCC sur 3.
1/3VCC est appliquée à la borne positive du comparateur 1 et 2/3VCC est appliquée
à la borne négative de comparateur 2 comme l’indique la figure 1.
• Analyse de fonctionnement de NE555 en astable :
• Hypothèse :
Le condensateur est supposé initialement déchargé : VC = 0 V. On a donc Vseuil
nul, ce qui implique Vs = VCC.
• Le condensateur se charge à travers (R1+R2) selon la formule suivante:
VC=VCC*
e-t/ (R1 + R2)*C,
• Lorsque VC atteint 2/3 VCC, la sortie passe à l'état bas et le transistor devient
passant et le condensateur se décharge à travers R2 selon la formule
suivante :
VC= (2/3) VCC*e
-t/CR2
,
• Lorsque VC atteint (1/3)*VCC, la sortie passe à l'état haut et le transistor est
bloqué et le condensateur se charge à travers (R1+R2) selon la formule
suivante :
-t/ (R1+R2)*C
VC=VCC *(1 – (2/3*
)),
e
• Lorsque VC atteint 2/3*VCC. la sortie passe alors à l'état bas et le transistor
est passant et le condensateur se décharge et Le cycle recommence de
nouveau.
• Tables de vérité du NE555 :
• Diagramme de fonctionnement :
• Calcul de la période T d'oscillation :
La période d'oscillation T est égale à la somme de la durée de charge du
condensateur (Vc variant de 1/3*Valim à 2/3*Valim) et de la durée de décharge (Vc
variant de 2/3 Valim à 1/3 Valim).
T est indépendant de la tension d'alimentation (voir figure 2).
On a : T=TL+TH
Avec : TL= RB*C*ln (VRT/VRR)
;
= RB*C*ln2
=1ms
TH= (RA+ RB)*C*ln (VRT/VRR)
= (RA+RB)*C*ln2
= 64ms
-Figure 22-
IIII-2 Étage d’horloge à 40kHz :
Le transducteur émetteur est excite par un signal formé de slave d’impulsion à
la fréquence de résonance 40KHZ. Pour cela on va utiliser
Un autre NE555 (IC2) qui possède une entrée reset connecter à la sortie de IC1
à travers un inverseur. Quand le niveau H arrive IC2 génère le slave d’impulsion
pendant TL=1ms (l’état bas de IC1) et lorsque elle est au niveau bas (état haut de
IC1) la sortie de IC2 se trouve inhibé, ce qui permettra de commander l’émission
(voir schéma 3).
-Figure 33-
• Calcul du période :
On a : T=TL+TH
Avec : TL= RA*C*ln (VRT/VRR)
= RB*C*ln2
=12,55µs
;
TH= (RA+ RB)*C*ln (VRT/VRR)
= (RA+RB)*C*ln2
= 13,59µs
D’où : la slave d’impulsion est de fréquence :
F =1/T
= 38,25KHz
• Remarque
Remarque
Pour atteindre exactement la fréquence de résonance du transducteur
(40KHz) on ajoute un potentiomètre en série avec la résistance RB.
I- 3 Étage de transmission de puissance au transducteur
(émetteur) :
Dans un premier temps, nous avons pensé alimenter l’émetteur directement
avec le signal d’horloge généré par le NE555. Deux problèmes se sont opposés à
l’utilisation de cette solution :
Le transducteur se comporte comme un circuit RLC série et donc perturbe le
signal d’horloge, ce qui est néanmoins peu contraignant.
La puissance transmise au transducteur est faible, ce qui est très contraignant
car c’est ce qui va principalement limiter la portée du radar.
Finalement, nous avons opté pour l’utilisation du circuit intégrée inverseur
4049 qu’on a utilisé comme doubleur de tension (voir schéma4). Au lieu d’avoir
9V d’amplitude crête à crête, il y a 18V.
-Figure 4Finalement, le schéma ci-dessous représente le module d’émission complet:
IIII- Le
Le module de réception :
Le module d’émission se résume au schéma de principe suivant :
IIII-1 Étage d’amplification :
Les ultrasons qui ont été émis vont revenir affaiblis vers un récepteur
d'ultrasons, mais toujours à une fréquence de 40 KHz. Il est important donc
d'amplifier sélectivement ce signal de façon à pouvoir réaliser une remise en
forme du signal en s'étant affranchi des parasites extérieurs (voir figure 5).
a) Etude théorique :
Figue 5 : Schéma des amplificateurs
amplificateurs opérationnels
opérationnels
b) Explication :
Nous avons choisi d’utiliser des amplificateurs opérationnels. Il faut donc
une alimentation en +Vcc et –Vcc. Or nous disposons uniquement d’une
alimentation
0-9V. La solution retenue est d’établir un point de potentiel à
4,5V. Donc en traitant notre signal par rapport à la masse virtuelle.
On utilise deux amplificateurs TL082 montés en série afin d’amplifier le
signal avec un coefficient de 1000 (40dB en premier AO et 20dB en deuxième),
pour pouvoir le distinguer du bruit parasite.
-Le signal avant l’étage d’amplification d’amplification-
-Le signal après l’étage
IIII-2 Étage de détection et de conversion :
a) Circuit de détection
Après avoir amplifier le signal reçu, on effectue la détection à l’aide de circuit
de la figure 6.
Dans un premier temps on va éliminer la partie négative par la diode D1, puis à
l’aide de détecteur de crête on enlève l’onde haute fréquence (filtre passe bas).
Figure 6 : circuit de détection
b) Circuit de conversion analogique numérique :
On utilise un comparateur LM 358N qui convertit le signal analogique en
signal tout ou rien Sur l’entrée (-), on met le signal. Sur l’entrée (+), on fixe une
tension 0,4V (à l’aide d’un pont de résistance) juste au-dessus de la masse
virtuelle,la sortie de comparateur peut être de Vcc en cas de non-réception de
signal utile et proche de la masse en cas de réception (figure 7).
Figure
7 : circuit de conversion analogique numérique
• Remarque :
Comme le capteur ultrasonique d’émission est placé à cote du capteur
récepteur, ce dernier reçoit l’onde directe au moment de l’émission de l’onde
ultrasonique.
Pour ce débarrasser de l’influence de ce signal on convient de ramener
l’impulsion de transmission a l’entre (+) de comparateur qui a comme effet
l’augmentation de potentiel Vref afin d’éliminer la détection du signal en
question (voir figure 8).
-Figure 8-
IIII-3 Étage d’acquisition d’impulsion de comptage :
Lorsqu’un signal est reçu, on obtient un niveau logique à 1 mais celui-ci
est instable (On a une série de 0 et de 1). En effet, le signal passe
successivement au-dessus et en dessous du seuil. Il faut donc stabiliser le niveau
logique à 1. Pour cela on utilise une bascule RS qui donne une sortie constante
dès le premier niveau logique 1 détecté en entrée (émission). Et remise à zéro
dés qu’un signal de réception est détecté.
a) Bascule RS (4011):
S
0
0
1
1
R
0
1
0
1
Q
0
0
1
Indét
Tableau de vérité
b) Circuit d’acquisition d’impulsion de comptage :
Le circuit de figure 9 nous permet de la mesure de temps écoulé entre l’émission et
la réception de l’onde ultrasonique.
-Figure 9• Explication :
Le signal au point A est inversé de tel façon à exploiter la table de vérité de
bascule RS. Donc, le signal B passe à zéro (émission) dés l’émission de l’onde
ultrasonique et revient à 1 cependant La sortie de bascule reste à 1 à cause de la
combinaison
(B=1, C=1) qui représente l’état de mémoration de la bascule RS.
Dés que la sortie de comparateur (point C) bascule vers zéro, la sortie de bascule
se remit à zéro (Réception) (voir figure 10).
Ce qui précède peut être illustré par les chronogrammes suivants :
Figure 10 : Les chronogrammes
-Impulsion de comptage-
Finalement, le schéma ci-dessous représente le module de réception complet :
III- Le module d’affichage :
La fonction de ce module est d’afficher le résultat de la mesure. Il reçoit en
entrée l’impulsion de comptage qui passe au niveau haut au début de l’émission et
qui retourne à l’état bas lors de la réception de l’onde ultrasonique réfléchi
Ce module se constitue des éléments qui suivent :
• Une horloge.
• Compteur.
• Décodeur BCD.
• Afficheur 7 segments.
Ce schéma synoptique résume le fonctionnement général de module d’affichage :
Remarque :
On a choisi de mesurer une distance maximale de 10 mètres, donc on est
obligé d’utiliser trois digits (afficheur 7 segments à cathode commune) donc trois
compteurs 4510 et trois décodeurs BCD 4511.
III-1 L’horloge :
Le principe utilisé est l’incrémentation d’un compteur tous les deux centimètres
parcourus par la salve d’ultrasons, ce qui correspond à un centimètre dans le sens
aller et un centimètre dans le sens retour. Etant donnée la vitesse de propagation
des ultrasons, on déduit la fréquence d’incrémentation du compteur :
f= 1/T = v/ (2d) avec d=1 cm et v=342 m/s.
Numériquement, f=17,10 kHz.
On a utilisé comme horloge un multivibrateur astable à porte CMOS dont le
schéma est le suivant :
La période du signal produit est fonction des temps de charge et de décharge du
condensateur C pour faire franchir aux entrées des portes logiques le seuil de
basculement qui se situe aux environs de Vcc/2.
La forme de signaux aux différents points est donnée par le diagramme ci-dessous :
Donc on règle l’oscillateur d’une manière à délivrer une fréquence de f=17,10 kHz
Pour cela on exploite la formule de fréquence d’oscillation f=1/ (2,2xCxR).
Etant donné C=2200 pF, en utilisant deux potentiomètre un de 1kΩ et l’autre de
20kΩ
On peut obtenir la résistance qui correspondre à la fréquence espérée.
Calcule de résistance :
R = 1 / (2,2 x C x f)
= 1 / (2,2 x 2200 x 10-12 x 17.18 x 103)
= 1 / (83,15 x 10-6)
= 12,03 x 103
Donc R = 12KΩ
Remarque :
Pour compter seulement le temps d’aller-retour on va laisser passer au compteur
que les impulsions inclus dans l’impulsion de comptage, donc on aboutira le
montage de la figure 7 :
-Figure 1111-
III-2 Le Compteur et le Décodeur BCD :
Les compteurs 4510 qui sont montés en cascade, ils sert à compter les
impulsion reçoivent par l'horloge, non pas seulement sur leur entrée Clock mais
aussi sur leurs entrées Enables qui sont en fait des entrées d'horloge
complémentées.
On a utilisé les décodeurs BCD 4511 en cascade avec les compteurs 4510 pour
convertir les résultas des compteurs à fin de les afficher à travers les afficheurs 7
segments.
•
Les entrée
entrées Enables (MR, LE) :
On attaque les entrés Enables par le montage ci-dessous :
• Explication:
Le signal différencié à la borne de R2 s’applique à l’entré de l’inverseur I3 apes
l’élimination de sa partie supérieure à Vcc par le diode D2.
De même le signal différencie à la borne de R1 se trouve appliqué à l’entré de
l’inverseur I1 après l’élimination de sa partie négative par le diode D1
• Déroulement de mesure :
Lors d’une demande de mesure d’une distance quelconque d (d<10 m), le
compteur est remis à zéro et lancé, par un front montant de l’impulsion de
comptage appliquée à l’entrée MR (Master Reset) du compteur (émission), le front
descendant de l’impulsion de comptage permet d’arrêter le compteur on appliquant
ce front à l’entrée LE (Latch Enable) du compteur (réception).
On peut résumer ces procédures par les chronogrammes suivants :
Finalement, le module d’affichage se résume par le schéma suivant :
V-Le schéma complet de radar de recul ultrasonique.
ultrasonique.
V-1 le Typon de schéma complet :
Le typon de notre projet est fait en double face à fin de faciliter le travail sur le
circuit imprimé et d’éviter au maximum les strapes.
V-2 liste des matérielles :
Bloc Emetteur :
Circuit intégré
IC1 :555
IC2 :555
IC3 :4045
Résistances
R1 :9.1 MΩ
R2 :150 KΩ
R3 :1.5 KΩ
R4 :8.2 KΩ
Condensateurs
C1 :10 nF
C2 :100 nF
C3 :1 nF
C4 :100 nF
Potentiomètre VR1 C5 :100 nF
C20 :100 nF
Transducteur
Quartz T-40
Bloc Récepteur :
Circuit intégré
IC4:LM4553
IC5:LM358N
IC6:4011
Résistances
R5:10KΩ
R6:10KΩ
R7:1MΩ
R8:10KΩ
R9:100KΩ
R10:10KΩ
R11:10KΩ
R12:1 MΩ
R13:47 KΩ
R14:10KΩ
Condensateurs
C6:1nF
C7:1nF
C8:100nF
C9:1nF
C10:1nF
C11:100nF
C21:100nF
Transducteur
Quartz R-16
Diodes
D1:1SS106
D2:1SS106
D3:1S1588
Résistances
R15:10 KΩ
R16:10 KΩ
R17:100 KΩ
21 R= 100KΩ
Condensateurs
C12:10nF
C13:10nF
C14:2200pF
Afficheur
3 Afficheur 7
segments
Diodes
D4 :1S588
D5 :1S588
Bloc Afficheur :
Circuit intégré
IC6:4011
IC7:4069
4511
4510
PotentiométreVR2
PotentiométreVR3
Quelques difficultés ont été rencontrées lors de réalisation de ce projet. La
plupart d’entre elles étaient plutôt minimes et concernaient notamment l’adaptation
des différents étages entre eux.
Notons également notre projet a bien fonctionné lors du câblage sur plaque Lab.
Mais lors de l’étape de mise sur circuits imprimés, même ci quelques pannes se
sont produites.
En particulier on n’est pas arrivé à retrouver quelques signaux générés par le
montage,
Mais après avoir bien vérifie bloc par bloc on a constaté que quelques circuits
étaient endommagés.
Par ailleurs les circuits endommagés étant remplacés, nous avons donc pu faire
fonctionner notre montage comme il se doit.
Durant notre formation à l’école supérieure de technologie nous avons
acquiert des connaissances théoriques et pratiques avancées dans le domaine
d’électronique.
Ce projet qui est une expérience fondamentale, nous a permis de développer
notre esprit d’initiative, d’innovation et de recherche.
De plus, ce projet a eu le mérite de nous apprendre à mieux manipuler les
documentations techniques des différents constructeurs à fin d’en tirer les
informations qui nous sont utiles.
En dehors des connaissances techniques que le projet nous a permis d’avoir, il
nous a donné la possibilité de savoir comment gérer, recueillir, échanger les idées
et ceci nous permet d’améliorer nos capacités dans le domaine de la
communication.
En effet pour bien s’adapter au milieu de l’industriel, il faut plusieurs années
d’expériences théoriques et pratiques. Nous avons constaté que notre formation
nous a doté de certaines compétences.
Les Etudiant de l’école Supérieure de Technologie d’Oujda
Maroc
Génie Electrique, Option Electronique