Thème: Régulation d'un volume d'air.
Support: Grand Aquarium de forme rectangulaire.
Intitulé du sujet: Mise en évidence des pertes d'un milieu et l'obligation de la régulation.
Formulation de la problématique: Comment maintenir un milieu à une certaine température ?
Nature de la production finale attendue: Conception d'une enceinte et mise en application de la régulation.
Le 11/10/17:
Définition de la "régulation":
Maintenir en équilibre un système ( la grandeur sera ici, la température )
Le support sur lequel nous étudierons la température sera un volume d'air compris dans un Tupperware (matière plastique). Apparaîtront les "notions de pertes d'énergies" (transfert thermique avec le milieu extérieur).
Pour mesurer la température du milieu, on possède plusieurs choix:
- Thermocouple
- Thermistance
Il faudra isolé le meilleur moyen de mesurer la température en étudiant les cas un par un.
Pour réguler la température du milieu, on possède plusieurs choix:
- Thermocouple
- Résistance
- Peltier
Il faudra isolé le meilleur moyen de réguler la température en étudiant les cas un par un.
Planning:
Mercredi 08 Novembre
Réalisation de l’experience de « chauffe » de l’air.
Mercredi 15 Novembre
Réalisation de l’experience de « refroidissement » de l’air (effet Peltier).
Mercredi 22 Novembre
Montage et utilisation d'un capteur de température LM335 avec arduino.
Mercredi 29 Novembre
Montage arduino comprenant transistor et relais.
Trouver et respecter les conditions pour les brancher sur un arduino.
Mercredi 06 Décembre
Étalonnage du capteur de température, et apprendre sur arduino "les condition" et les autres bouts de code.
Mercredi 13 Décembre
Comme le colis et reçu, modification de la boite pour introduire le circuit de chauffe et le module peltier.
Mercredi 20 Décembre
Réalisation entière du montage "arduino + capteur + transistor + relais".
Mercredi 10 Janvier
Le capteur LM35 fut anéanti. Etude d'un nouveau capteur, le LM35, suivi d'un étalonnage et d'une étude du branchement sur l'arduino.
Mercredi 17 Janvier
Absent: Dorian Justifiée.
Mercredi 24 Janvier:
Réalisation entière du montage "arduino + capteur + transistor + relais" avec le nouveau capteur et cette fois ci en intégrant au montage le circuit de chauffe et de refroidissement.
Mercredi 31 Janvier:
Programmation de l'arduino pour réaliser une gestion autonome du circuit de régulation de température d'un milieu en essayant de simplifier au maximum le circuit.
Mercredi 7 Février:
Etude d'un capteur à IR. Acquisition du signal sur l'arduino.
Transformation du signal IR d'une Télécommande en un signal Hexadecimal.
Permettant de classer et de retrouver quel touche appartient à quel information Hexadecimal.
Mercredi 14 Février:
Programation d'un arduino pour commander les circuit de Régulation par une Télécommande
Mercredi 21 Février:
Réalisation complète du circuit de régulation avec fonction autonome et manuelle du circuit.
Étude
d'une température en fonction du temps :
Trouver puis réaliser un montage
pour étudier l'évolution de la température en fonction du temps.
Tracer la courbe t=f(T)
Qu'est
ce qu'une thermistance?:
Les
principaux capteurs de température utilisés en électronique sont
basés sur la loi de variation d'une résistance.
Certains
croient que ces éléments ne suivent pas la loi d'Ohm en disant que
ce sont des résistances non linéaires cependant, la loi d'ohm
s'applique toujours car la thermistance offre une résistance
électrique.
On
utilisera une CTN grâce à ces avantages listé ci dessous
Les avantages
d'une CTN par rapport à un thermocouple et une pt100 :
Les CTN coûte
peu cher comparer a un thermocouple ou une pt100 .
On peut en
trouver facilement un peu partout dans des magasins de bricolage
Contrairement
aux autres sondes avec des longueurs de câble assez court les CTN
possèdent de très long câble de mesure.
Contrairement
aux autres capteurs de température la CTN est plus stable et précise
pour des mesures.
L grandeur
d'entrée est une température et la grandeur de sortie est une
résistance.
La résistance
de la CTN diminue lorsque la température augmente.
La Ctn utilisé
aura une résistance 1KΩ
a 25°C.
Une
fois le montage suivant réalisé.
Nous
décidons de relever le temps écoulé pour que la température
augmente de 0,5°C.
On
obtient ainsi une courbe t=f(T)
Etude du module Peltier
Étude du module Peltier
pour les faces chaudes et froides :
Trouver un montage
permettant d'alimenter le module Peltier tout en respectant la
tension max à ne pas dépasser et le courant max à ne pas dépasser
c'est à dire
Umax=15V
Imax=8A
Puis relever les
variations de température dans un premiers temps de la face chaude
grâce aune pt 100 puis la face froide toujours a l'aide d'une pt
100.
On étudiera ainsi l'effet
thermoélectrique et le transfert calorifique du milieu utilisé au
milieu extérieur par le module Peltier.
L'effet
thermoélectrique
Cet
effet est à la base d'applications, dont très majoritairement la
thermométrie, puis la réfrigération(ex. Module Peltier) et par des
nouveaux modèles plus modernes ex :(par «thermopile» ou
«calopile»).
Le
refroidissement thermoélectrique
Le
refroidissement thermoélectrique est une technique de
refroidissement utilisant la thermoélectricité.
On utilise
pour cela des composants nommés «modules Peltier» qui transforment
un courant électrique en une différence de température.
Principe
du module Peltier
Les modules
Peltiers sont nommés ainsi car ils mettent en œuvre la
thermoélectricité et plus précisément l’effet Peltier.
Ce module
est alimenté par un courant et présente deux faces, l’une dite
froide et l’autre chaude.
L'objet à
refroidir doit se mettre sur la face froide, tandis qu’il est
nécessaire d’avoir un mécanisme d’évacuation de la chaleur de
l’autre côté (ventilateur...).
Formule reliant Température à la Résistance R
R=R0(1+aT)
Formule reliant Température à la Résistance R
R=R0(1+aT)
Télécharger le logiciel pour l'arduino.
Savoir faire correspondre les câble à leur entrée et sortie.
Utilisation avec des capteurs.
Etude
du lm 335 et de ces caractéristiques :
Le capteur de température Lm est
intéressant car son prix est faible est car sa proportionnalité
entre la température absolue en Kelvin et sa tension
Ce capteur a une variation de mV /K
La sonde lm 335 possède les caractéristiques suivantes :
-A 0°C soit 273,15K le lm 335 délivre 2,7315V
- A 100°C soit 373,15K le lm 335 délivre 3,7315V
-La pente de la droite caractéristique du capteur lm 335 est 10mV/K car :
A=∆θ/∆U
A=(3.7315-2.7315)/100=0.010V
-Elle doit être alimenté sous 5V avec une résistance de 5Ω
-Le capteur va de -50°C a 150°C
Plage d’intensité : 450uA ;5mA
Résistance :1KΩ
Lien du datasheet:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm335.pdfV=a*θ+V0A=0,010V/°CV0=2,7315VV=0,010θ+2,7315V=0,010*25+2,7315
V=2,98V pour θ=25°C
Nous avons appris a coder pour sortir la valeur de la température a partir d'un capteur sur aduino,
Ce capteur a une variation de mV /K
La sonde lm 335 possède les caractéristiques suivantes :
-A 0°C soit 273,15K le lm 335 délivre 2,7315V
- A 100°C soit 373,15K le lm 335 délivre 3,7315V
-La pente de la droite caractéristique du capteur lm 335 est 10mV/K car :
A=∆θ/∆U
A=(3.7315-2.7315)/100=0.010V
-Elle doit être alimenté sous 5V avec une résistance de 5Ω
-Le capteur va de -50°C a 150°C
Plage d’intensité : 450uA ;5mA
Résistance :1KΩ
Lien du datasheet:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm335.pdfV=a*θ+V0A=0,010V/°CV0=2,7315VV=0,010θ+2,7315V=0,010*25+2,7315
V=2,98V pour θ=25°C
Nous avons appris a coder pour sortir la valeur de la température a partir d'un capteur sur aduino,
Objectifs
du 13/12/17
V=a*θ+V0
Voth=2,7315
Voexp=2,375
a 25°C Vth=2,98
Vexp=2,99
a= (V-V0)/ θ
a=(2,99-2,815)/25
a= 7*10-3
ath= 10*10-3
V=a*θ+V0
V02exp=2,768
V2exp=2,942
a2exp=a1exp
=7*10-3
a2exp=(2,942-2,768)/25=7*10-3
On
peut donc dire que la sensibilitée du capteur est de 0,007 V.°C-1
Si
notre capteur est parcouru par un courant trop élevé il risque de
s'échauffer et d'afficher une mauvaise tension.
Pour
cela grâce a la Loi d'Ohm, on en déduit qu'il faut mettre en série
une résistance de 4,7KΩ pour que l'intensité sois faible : I
<5mA.
Nous
avons commencer a étudier le circuit « relais » pour
commander sur l'arduino une résistance chauffante par effet joule,
L'arduino
ne peut supporter que 40mA en tension de sortie.
Le
relais utilise pourtant 70mA, l'arduino ne le supporte pas.
Pour
pouvoir l'utiliser, on utilise une résistance de 12,500kOhm (Loi
d'Ohm avec U=5V et I= 400µA) en série avec un transistor, pour
pouvoir faire tourner le relais.
Le
relais permettra de faire circuler le courant a travers une
résistance qui chauffera le milieu par effet Joules (alim 12V).
Le deuxième transistor n'est pas utilisé à cet endroit, par la suite il sera utilisé autre part pour réaliser la fonction autonome du circuit de régulation.
(schéma séparé des différents circuit ci dessous)
Lorsque le relais est alimenté:
Les ronds rouge correspondent aux interrupteur ouvert
Étude
du lm35 et de ces caractéristiques en programmation avec
l'arduino :
Le
lm 335 étant endommager nous avons du recommencer notre programme
avec un autre capteur de température appelé le lm35.
Lien
du datasheet du lm35.
Le
lm 35 est précis à 0,5° près.
Sa
tension minimale d'entrée est de 4V et sa tension maximale est de
30V.
Caractéristique
du lm35 :
à 0°, U=0mV
Le capteur a pour fonction, une fonction linéaire: U=aӨ --> car capteur de température.
La pente de cette équation vaut a=10mV/°C
La pente de cette équation vaut a=10mV/°C
On
appellera U la tension délivré par le lm35 en fonction du degré.
à 25°C a Ө=0,010*25+0
à 25°C
a Ө=0,25
Ainsi
nous reprogrammons l'arduino afin d'afficher la température dans son
milieu en fonction de la tension.
Cela se nomme l'étalonnage.
On étalonne nous même le capteur pour vérifier et modifier la fonction duu capteur pour obtenir des valeurs Vraies.
Cela se nomme l'étalonnage.
On étalonne nous même le capteur pour vérifier et modifier la fonction duu capteur pour obtenir des valeurs Vraies.
Cependant
le montage n'est pas identique au lm335. Contrairement a l'ancien
capteur, le montage de celui ci ne nécessite pas de résistance.
On
obtient une fois l’étalonnage avec l'arduino terminé ce
graphique :
| T [°C] | Tension [V] |
22
|
0,214
|
28
|
0,275
|
30
|
0,29
|
35
|
0,335
|
40
|
0,384
|
45
|
0,429
|
50
|
0,479
|
Une
fois l'étalonnage et la graphique obtenue du lm35 fait on obtient une fonction du type affine:
V=aӨ+b
avec:
a=0.009
b=0.009
donc:
V=aӨ+b
avec:
a=0.009
b=0.009
donc:
V=
0,009Ө+0,009
Ө=(V-0,009)/0.009
On
réalise ensuite le montage ci dessous avec comprenant le circuit avec transistor et relais qui tout deux commandent les circuit de chauffe et le circuit de refroidissement.
Schéma du circuit(pas encore optimisé:
Schéma du circuit(pas encore optimisé:
Le deuxième transistor n'est pas utilisé à cet endroit, par la suite il sera utilisé autre part pour réaliser la fonction autonome du circuit de régulation.
(schéma séparé des différents circuit ci dessous)
On
réalise ensuite le même montage en mettant une résistance a la
place du module perltier.
Pour utiliser les relais, nous avons dû apprendre à le connaitre.
Le principe est simple, si le relais est alimenté, 2 interrupteur sur 4 sont fermés ( c'est à dire, qu'ils laissent passer le courant).
Si le relais n'est pas alimenté, il s'agit cette fois-ci des deux autres interrupteurs qui se ferment pour laisser passer le courant.
Pour résumer: seul 2 interrupteurs sur 4 laisse passé le courant.
A l'aide d'un Ohm-mètre, on a pu déterminer quels interrupteurs étaient ouvert ou non si le relais était alimenté ou non.
Voici un récapitulatif sous forme de Schéma:
Lorsque le relais est alimenté:
Les ronds rouge correspondent aux interrupteur ouvert
Les ronds bleu correspondent aux interrupteur
fermer .
Inversement
lorsque le relais n'est pas alimenté.
Les ronds rouge correspondent aux interrupteur fermé
Les ronds rouge correspondent aux interrupteur fermé
Les ronds bleu correspondent aux interrupteur ouvert .
Programmation de la régulation avec un arduino
void setup() {
pinMode (13,OUTPUT); // broche 13 configurée en sortie
Serial.begin(9600); // Initialise la communication avec le PC
}
// Fonction loop(), appelée continuellement en boucle tant que la carte Arduino est alimentée
void loop() {
// Mesure la tension sur la broche A0
int tension = analogRead(A1);
float tensionlu = tension * (5.0 / 1023.0);
// Transforme la mesure (nombre entier) en température via un produit en croix
float temperature_celcius = (tensionlu-0.009)/0.009;
// Envoi la mesure au PC pour affichage et attends 250ms
Serial.print(tensionlu);
Serial.println(" V");
Serial.print(temperature_celcius);
Serial.println(" °C");
delay(2000);
if (temperature_celcius < 20){
digitalWrite(13,HIGH);
}
else {
digitalWrite(13,LOW);
}
}
Réalisation complète du montage avec programmation quasiment complète :
On
décide de refaire le montage d'il y a deux semaines avec le Peltier
et la résistance chauffante.
On
obtient alors ce montage
La
partie du haut correspond a la voie 1 de l'arduino.
Lorsque
l'interrupteur est fermer dans le voie 1 la résistance chauffante se
met en route et réchauffe le milieu dans laquelle elle est.
Dans
le sens inverse quand l'interrupteur est ouvert le module Peltier se
met en route il aura pour rôle de refroidie le milieu dans lequel il
se trouve.
Grâce
a l'étalonnage du lm35 nous avons obtenue la fonction représentative
du capteur qui nous permet d'afficher la température et la tension
associé avec notre arduino.
La
partie basse du montage correspond a la voie 2 de l'arduino.
Lorsque
la voie 2 est alimenter le module Peltier ne refroidit plus et la
résistance chauffante ne baisse plus on remarquera ainsi une baisse
de température qui finira par rester constante une fois qu'elle sera
descendu jusqu'à la température ambiante de son milieu.
Afin
de vérifier le programme de l'arduino on utilise un ampèremètre
sur chaque voie afin de vérifier qu’elle voie est alimenter et si
elle correspond a la tâche demander a l'arduino.
Par
exemple si le programme contient une erreur on peut très bien se
retrouver avec la voie 2 alimenter et la voie 1 non alimenter tout en
ayant demander a l'arduino d'alimenter la voie 1 et de ne pas
alimenter la voie 2.
On
peut aussi les utiliser par souci de sécurité afin de vérifier si
le courant passe dans les différentes voies de l'arduino relié au
montage.
Réalisation du circuit complet avec le système de régulation programmé avec l'arduino et étude des caractéristique
Aprés avoir retravailler le montage, il est quasiment prêt à être utilisé dans les meilleurs conditions. Il est clairement plus petit (comporte moins de fils) et son organisation est simple et claire.
Voici le Schéma du circuit final:
Réalisation du circuit complet avec le système de régulation programmé avec l'arduino et étude des caractéristique
Aprés avoir retravailler le montage, il est quasiment prêt à être utilisé dans les meilleurs conditions. Il est clairement plus petit (comporte moins de fils) et son organisation est simple et claire.
Voici le Schéma du circuit final:
Après plusieurs études sur l'arduino (travail maison), je connais maintenant les bases du code sur l'arduino.
J'ai recommencé le programme de 0.
J'ai organisé le code de façon à m'y retrouver rapidement et de manière à comprendre quel partie du code correspond à "quoi" dans le circuit.
Je pose le code ci-dessous:
CODE:
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
int Transistor1 = 8; // Pin de sortie du transistor 1
int Transistor2 = 7; // Pin de sortie du transistor 2
int TensionLu = analogRead(0); // Lecture de la tension à l'entrée analogique "A0" (binaire)
float Tension = TensionLu * ( 5/1023); // conversion en valeur décimale de la tension de l'entrée analogique "A0"
float Temp = (Tension - 0.009)/0.009; // Equation permettant de retrouver la température selon les caractéristique du capteur:
// V=aT+b
// a=0.009 V/°
// b=0.009 V
Serial.print("Température:");
Serial.print(temp);
Serial.println(" °C");
delay(2000);
if ( Temp <= 19 ){
digitalWrite(Transistor1, HIGH); // Envoi une tension en sortie Pin 8 (Transistor 1)
// La Résistance Chauffante est en marche
digitalWrite(Transistor2, LOW);} // N'envoi pas de tension en sortie Pin 7 (Transistor 2)
// Le Peltier n'est pas en marche
else if ( Temp >= 28 ){
digitalWrite(Transistor1, LOW); // N'envoi pas de tension en sortie Pin 8 (Transistor 1)
// La Résistance Chauffante n'est pas en marche
digitalWrite(Transistor2, HIGH);} // Envoi une tension en sortie Pin 7 (Transistor 1)
// Le Peltier est en marche
else{
digitalWrite(Transistor1, LOW); // N'envoi pas de tension en sortie Pin 8 (Transistor 1)
// La Résistance Chauffante n'est pas en marche
digitalWrite(Transistor2, LOW);} // N'envoi pas de tension en sortie Pin 7 (Transistor 2)
// Le Peltier n'est pas en marche
}
Après avoir réalisé le montage final et vérifié le programme, il est maintenant l'heure de tester si tout fonctionne correctement.
Pour cela on intègre au montage des ampèremètre pour vérifier si la programmation est en accord avec l'objectif final de la régulation.
Objectif
du 31/01/18
Étude
du montage de régulation et de ces différentes boucles
On
décide de réaliser le montage de la semaine dernière afin de
tester les différentes circuits du montage au complet.
Pour
cela on rajoute un ampèremètre dans la boucle contenant la
résistance chauffante qui permettra de vérifier si la résistance chauffe.
Un
autre en série d'une résistance de10Ω 20W
dans la boucle du Peltier qui va permettre de vérifier s'il refroidit.
Un
troisième pour vérifier le fonctionnement de la sortie du pin 8 de
l'arduino.
Puis
un quatrième pour vérifier le fonctionnement de la sortie du pin 7
de l'arduino.
La
bobine ayant tendance a créer des surtensions on place une diode de
roue libre au bornes du transistor du collecteur à l’émetteur
afin d'éviter les surtensions .
On
ajoute deux résistances une en série avec la bobine au cas ou la
résistance intégré serait trop faible.
Puis
une résistance en série avec le Peltier pour le protéger en cas
d'intensité du courant trop forte.
On
décide ensuite de mettre en rhéostat en série avec le Peltier afin
de mesurer sa résistance pour atteindre 1,5A.
On
trouve R=7Ω
On
teste finalement les différentes boucles du montage afin de savoir
si le programme marche parfaitement.
On
peut observer au fur et a mesure des tests que le programme marche
parfaitement.
Il
consiste à alimenter le Peltier quand la température est supérieur
a 28°C.
et alimente la résistance lorsque la température se trouve en dessous de 27°C
et alimente la résistance lorsque la température se trouve en dessous de 27°C
Il
ne reste plus qu'à le réaliser dans notre milieu c'est a dire dans
un tupperware de forme carré afin de mettre le Peltier dans un
milieu différents.
En restant dans le même milieu le Pelletier va chauffer et non pas refroidir.
En restant dans le même milieu le Pelletier va chauffer et non pas refroidir.
Objectif du 21/01/18
Étude
de la régulation avec une télécommande infrarouge avec l'arduino :
Le montage avec notre
Pelletier plus puissant fonctionnant parfaitement nous décidons de
passer a la deuxième partie de notre projet qui n'est autre que la
régulation commander à distance avec une télécommande un peut
comme pour changer les chaînes d'une télévision.
Pour cela on utilise une
photo diode en série avec l'arduino et deux résistance on envoie
ensuite un signal a la diode en appuyant sur une touche de la
télécommande que l'arduino va recevoir et le convertira ensuite
sous forme binaire.
Grâce a ceci l'arduino
réussira a savoir a qu'elle moment il doit couper l'alimentation
soit dans la boucle du Peltier soit celle de la résistance soit la
boucle général.
Mais pour aujourd'hui nous
nous contenteront simplement des modifications du code de l'arduino
pour couper ou alimenter le montage.
L'alimentation dans les
différentes est aussi possible mais plus compliqué que la boucle
général.
Une fois le code trouver
nous décidons de créer cette fois ci le programme pour le relever
de température grâce au logiciel Linx qui nous permet d’utiliser
labview.
Nous aurions plus utiliser
le programme tout fait utiliser habituellement en TP avec Mr
krasinski, mais pour être sur que le programme marche et comme nous
venons d'étudier labview avec Mr Guesnard la séance précédente,
nous pouvons créer un programme pour relever la tension mesuré par
l'arduino dans un premier temps qui est réalisable en connaissant
les bases de labview.
Puis on modifiera par la
suite afin de relever la température calculer a partir de la tension
mesuré a l'arduino afin qu'il envoie un signal au peltier pour qu'il
commence a refroidir ou au contraire qu'il arrête.
Exemple avec ce programme sur labview qui convertir la température en Celsius en degré Fahrenheit dans la face arrière on retrouve tous les composants du montage comme des additionneur ou des multiplicateurs ou encore un bouton stop pour arrêter le programme.
Puis dans la face avant on
retrouve deux thermomètre pour faire varier la température en
Celsius ou en Fahrenheit ainsi que les résultats des conversions
dans un sens ou dans l'autre.
On créera donc un nouveau code qui va permettre l'acquisition du signal infrarouge de la télécommande mais l'arduino semblent capter aussi des parasites que nous devons filtrer.
On créera donc un nouveau code qui va permettre l'acquisition du signal infrarouge de la télécommande mais l'arduino semblent capter aussi des parasites que nous devons filtrer.
Face arrière de labview :
Objectif du
21/03/18
Finalisation
des circuits intégré et étude du nouveau montage :
La semaine
dernière nous avions remarqué que le relais 5v une pouvait être
utiliser directement dans notre montage avec l'arduino.
On a donc
percer a différents endroits du circuit intégré afin d'ajouter un
transistor et une diode de roue libre pour éviter les surtensions
que nous avions remarquer avec un oscilloscope.
Quand au
transistor il nous permettra de contrôler l'arduino et le transistor
en même temps ainsi nous pourrons utiliser un relais 5V.
Une fois le
transistor et la diode de roue libre souder on pourra utiliser le
circuit intégré dans notre montage et faire en sorte de réduire le
nombre de composants et la taille du montage.
Ainsi tout le
montage pourra se contenir dans la boîte isolé que nous avions
commandé précédemment il sera donc plus facile d'utilisation et
nous pourrons voir s'il y a des problèmes ou non avec les circuits
intégré.
On teste
ensuite les circuits imprimé en série avec l'arduino a l'aide de
deux LED une verte pour le premier relais et une rouge pour me
deuxième.
On crée
ensuite un nouveau programme pour l'arduino qui allumera tour à tour
la LED verte puis la LED rouge pendant 3s.
Si la LED
s'allume cela montre que le relais fonctionne et qu'il laisse passer
le courant jusqu'à la LED si au contraire une fois le programme
lancé la LED ne s'allume pas cela montrera soit une erreur du
programme soit une problème de soudure au autre sur le circuit
imprimé.
Lors de notre
première tentative nous avons testé avec un relais correspondant a
la LED verte malheureusement une fois le programme exécute la LED ne
s'allumer pas , il s'agissait d'une erreur de programme nous n'avions
pas défini sur quel sortie de l'arduino se trouvait la LED.
Une fois
l'erreur corrigé nous avons relancée le programme et la LED c'est
allumé.
Le programme
fonctionne aussi pour deux relais.
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