Kévin Juge

Matériel

• Circuit d'alimentation avec régulateur (pour pouvoir utiliser une alimentation externe 12V ou une alimentation USB)
• Un circuit dérivé du programmateur UsbPicProg, comprenant:
  • 1 micro-contrôleur Microchip PIC18F2450 (pour programmer le second)
  • 1 pompe à charge pour générer la tension de programmation à partir du 5V provenant du port USB
• Le circuit de prototypage
  • Micro-contrôleur Microchip PIC 16F877A
  • Mémoire Microchip 24C16
  • Liaison série RS232 (Maxim MAX232)
  • Buzzer
  • Afficheur LCD 2x16 caractères
  • Drivers ULN2003 pour piloter un moteur pas-à-pas
  • 4 boutons
  • 3 potentiomètres (entrées analogiques)
  • 4 LEDs
  • Pont en H L298 pour piloter un moteur (2 sens, activation et mesure de courant)

En 2017, une seconde version de la carte a vu le jour afin d'améliorer:

• Utilisation de la liaison série du micro-contrôleur PIC18F2550 afin de l'utiliser comme convertisseur série / USB, ce qui aurait nécessité de modifier son programme par la suite.
• Intégration d'un support à force d'insertion nulle (ZIF) afin de simplifier le changement de micro-contrôleur (par exemple PIC 18F)
• Gestion de l'alimentation 12V par transistors (alimentation buzzer et moteurs)

Logiciel

La programmation pouvait être réalisée avec:

• Des logiciels Open Source: Code::Blocks et le compilateur Small Device C Compiler (SDCC)
• L'environnement de développement intégré du fondeur: MPLAB et le compilateur libre CC5X (PIC 16F) ou CC8E (PIC 18F), que nous utilisions en IUT

Le programme du programmateur est fourni par UsbPicProg

Celui développé pour le second micro-contrôleur a permis de tester les différentes fonctions de la carte

Gestion des interruptions

• Timer (commande du moteur pas-à-pas, LEDs, buzzer, ...)
• Communication série

L'un des boutons permet de sélectionner un mode, qui s'affiche sur l'affficheur LCD:

1. Affichage des valeurs des entrées analogiques sur l'afficheur LCD
2. Gestion d'un moteur à l'aide du hacheur en modulation de largeur d'impulsion (MLI), affichage courant, tension, et sens de rotation
3. Gestion d'un moteur pas-à-pas, affichage du sens de rotation
4. Gestion du buzzer, fréquence variable grâce à la MLI
5. Communication par liaison série

Matériel

Circuit d’alimentation

• Alimentation 230V AC / 9V DC
• Alimentation 9V DC : commande des relais
• Alimentation 5V DC : super condensateur, entrées logiques et micro-contrôleur
• Alimentation 3,3V DC : convertisseurs MAX31865, réglage de charge et LED

Entrées logiques

• Heures creuses (230V)
• Relance charge (230V)
• Thermostat externe (230V)
• Sécurité ventilateurs (230V)
• Présence alimentation (3,3V) - Entrée (dans le domaine d’alimentation RTC) pour la mise en veille et réveil du micro-contrôleur.

Entrées analogiques

• 3 Sondes de température / convertisseur - SPI
• Sonde noyau – Pt700
• Sonde extérieure – Pt100
• Sonde ambiance – Pt100
• 1 entrée analogique : réglage du niveau de charge

Sorties logiques

• 3 relais 16A pour les résistances (2kW)
• 1 relais 16A pour les ventilateurs

Super condensateur

• Permet de remplacer une batterie et sert à alimenter le micro-contrôleur en cas de coupure électrique (afin de sauvegarder les paramètres et l’horodatage)

Micro-contrôleur

• ESP32-WROOM-32D sur carte de développement ESP32-DevKitC

Du fait de l’utilisation des convertisseurs de température Max31865, qui ne sont fabriqués qu’en CMS, j’ai choisi de faire fabriquer la carte après un premier essai avec ma machine à graver. Ce qui explique la taille des pistes, des via et autres composants traversants.

En 2023: Réalisation d’une seconde version pour corriger quelques erreurs

• La carte de développement ESP32-DevKitC-32D est obsolète : remplacement par un Module ESP32-WROOM-32E, ce qui permet de supprimer l’alimentation 5V DC et les régulateurs de tension.
• Correction d’une inversion entre le signal de présence d’alimentation (entrée non RTC) et la seconde LED (non configurable en sortie)
• Ajout des résistances de pull-up pour la liaison SPI des convertisseurs des sondes
• Ajout d’une entrée pour le décodage du signal Pulsadis EDF (informations liées à la tarification)

Logiciel

Le module ESP32 comprend

• module Wifi 2,4GHz + Bluetooth + Bluetooth LE
• mémoire flash
• une antenne Wifi (sur la carte)
• le micro-contrôleur peut être cadencé jusqu’à 240MHz et comprend 2 cœurs
• il est muni de FreeRTOS

Le logiciel est réalisé en C++ avec 4 classes principales, comprenant les différentes tâches

Les classes

Main

Point d’entrée de l’application

Initialise les principales classes (MessageSwitcher, HardwareManagement, WebServer, SchedulingAndRegulation), démarre leurs tâches et appel infiniment la fonction « switchMessage »

MessageSwitcher

Classe dédiée aux files de messages

La fonction « switchMessages » permet de router les messages entrants vers les files de messages appropriées (selon l’identifiant du message)

HardwareManagement

Gestion des interfaces matériel / logiciel

• 1 Timer (1s) pour déclencher la mesure des valeurs analogiques
• 1 bus SPI : partagé entre les 3 convertisseurs des sondes de température
• 5 entrées logiques avec leur gestionnaire d’interruption : qui envoie un message vers un gestionnaire d’événement ou une file de message en cas de changement d’état
• 1 entrée analogique
• 7 sorties logiques : LEDs et relais
• 4 filtres afin d’utiliser une valeur moyenne des mesures analogiques

L’exécution de la tâche permet, successivement

• Lecture des messages reçus dans la file de messages
• Mise à jour, si besoin, de l’état des sorties
• Lecture successive, si autorisé, des mesures analogiques et envoi, si besoin, des nouvelles valeurs dans la file de messages

La mise à jour de l’état des entrées est réalisée par interruption : un message est envoyé dans la file de message lors d’un changement d’état

Un timer permet de déclencher la mesure des valeurs analogiques, en raison de leur faible fréquence (1s).

Le code du Max31865 et du SPI est issu du dépôt GitHub suivant:

SchedulingAndRegulation

Gestion des régulateurs (charge et température ambiante), chargement / sauvegarde des paramètres

• 1 Timer (1s) pour transmettre les tendances au serveur Web

L’exécution de la tâche permet, successivement

• Lecture des messages reçus dans la file de messages
• Mise à jour, si besoin, des données liées aux régulateurs, état des entrées, sauvegarde des paramètres et mise en veille, mise à l’heure et mise à jour des paramètres
• Mise à jour des points de consignes en fonction de la planification horaire
• Mise à jour des régulateurs
• Mise à jour de la commande des relais et LEDs

Mise à l’heure

L’horloge RTC est celle du micro-contrôleur, toutefois elle s’arrête en veille profonde. Le réglage de l’heure, et non la date, se fait de manière autonome grâce aux informations heures creuses / heures pleines et l’interface web permet à l’utilisateur de régler l’horodatage.

Dans le lieux où est installé l’appareil, les heures creuses sont déclenchées selon 2 créneaux par jour 15h-17h et 22h-6h

Si la période d’heures creuses a durée 2, il est 17h. Sinon il est 6h le jour suivant.

Cette page m’a permit d’améliorer l’algorithme de mon régulateur PID:

Cette page m’a permis d’implémenter le régulateur de charge, et d’y ajouter quelques fonctionnalités comme le décalage du point de charge :

Settings

Ils contiennent:

• 1 planification par défaut, soit 24h configurable par 1/2h
• 1 planification hebdomadaire (7 jours, configurables par 1/2h)
• température hors gel
• température de confort
• température réduite
• nombre de jours de congés restants
• horodatage
• activation de la sonde de température externe
• activation de la gestion du ventilateur
• puissance de relance
• puissance nominale
• type d’alimentation (monophasée, triphasée)
• type d’accumulation (proportionnel, automatique, …)
• décalage de charge (début, milieu, fin de nuit)

Afin de simplifier le programme, chacune des tâches WebServer et SchedulingAndRegulation instancie la classe Settings, qui permet de charger / sauvegarder les paramètres depuis la mémoire flash. Lorsqu’une modification d’un paramètre a été effectuée depuis l’interface Web, celui-ci est sauvegardé dans la flash et un signal est envoyé à la tâche SchedulingAndRegulation pour lui indiquer qu’une modification a eu lieu. Trois identifiants de messages, correspondants au différents paramètres, sont implémentés : paramètres, consignes et planification.

WebServer

Gestion de l’initialisation du WiFi en point d’accès, gestion des connexions et échange de données avec la page Web (dont celles de configuration) grâce à plusieurs gestionnaires des ressources et une librairie Json (cJSON).

Le site web est réalisé en HTML/CSS, et tous les fichiers sont stockés sur le micro-contrôleur du fait de la configuration en point d’accès, ce qui nécessite beaucoup de mémoire (79,5ko).

L’exécution de la tâche permet, successivement :

• Lecture des messages reçus dans la file de messages
• Copie, si besoin, des données liées aux tendances dans un buffer tournant
• Mise à jour des index liés au buffer

Matériel

Carte principale

Circuit d'alimentation

• Alimentation 230V AC / 12V DC
• Alimentation 12V DC : contrôle par relais
• Alimentation 5V DC : supercondensateur, horloge RTC, sorties analogiques et Raspberry Pi Zero W (ou ESP32)
• Alimentation 3,3V DC : convertisseurs MAX31865, entrées logiques, communication

Entrées logiques

• Niveau bas du réservoir (230 V)
• Niveau haut de réservoir (230 V)
• Reserve (230V)
• Reserve (230V)
• Présence d'alimentation (3,3 V) - Pour mettre le nano ordinateur en veille

Entrées analogiques

• 4 sondes de température / convertisseur - SPI
• Température aller panneaux – Pt100
• Température retour panneaux – Pt100
• Température entrée de l'échangeur – Pt100
• Température sortie de l'échangeur – Pt100

Sorties logiques

• 1 relais 16A pour électrovanne de vidange
• 2 relais 16A en réserve

Sorties analogiques

• 2 sorties analogiques (vers 10 V) avec MCP4922 / amplificateurs (SPI)
• Circulateur avec un Triac (230 V / 16 A)

Communication

• 1 émetteur-récepteur RS485 pour communication par carte externe
• 1 émetteur-récepteur RS485 pour la communication de la chaudière

Super condensateur

• Permet de remplacer une pile et sert à alimenter le nano ordinateur en cas de coupure de courant

Horloge RTC

• DS1337 (I2C)

Nano-ordinateur

• Raspberry Pi Zero W

Carte déportée

Circuit d'alimentation

• Alimentation 9V DC
• Alimentation 3,3 V DC : convertisseurs MAX31865, entrées, communication et microcontrôleur

Entrées analogiques

• 2 sondes de température / convertisseur - SPI
• Température aller panneaux – Pt100
• Température retour panneaux – Pt100
• Irradition solaire
• Pression, température, humidité - BME280 (SPI)

Communication

• 1 émetteur-récepteur RS485 pour la communication avec la carte principale

Microcontrôleur

• Microchip PIC16LF1508

Matériel

Le système sera constitué de plusieurs cartes électroniques, adaptées aux différentes parties. Et différentes configuration seront testées.

• Les cartes d'instrumentation, positionnée sur l'aile. Ce qui permet de remonter les informations liées à sa dynamique (gyroscope / accéléromètre).
  Une communication radio est nécessaire du fait de la longueur des lignes, et 2 configurations seront testées : Bluetooth et radio inférieure au GHz
• La carte de commande, qui récupère, traite les informations et commande l'aile. Cette carte est compatible pour les 2 modes de commaunication radio.
• Les cartes de puissance qui adaptent les tensions nécessaires aux servomoteurs
• La carte de commande d'un ventilateur, qui est optionnelle, et permettra de tester le système

Carte d'instrumentation 1 (sur l'aile)

Première option de la carte où le micro-controleur fait l'interface entre les capteurs et l'émetteur radio

Circuit d’alimentation

• Alimentation par batterie jusqu'à 9V DC
• Alimentation 3,3V DC : gyroscope, accéléromètre, émetteur radio, micro-contrôleur

Capteurs

• Accéléromètre IIS2DLPC
• Gyroscope IAM-20380

Communication

• Si4060

Micro-contrôleur

• STM8L101F3P

Carte d'instrumentation 2 (sur l'aile)

Seconde option de la carte où il paraît possible d'utiliser le module BlueNRG-M2SP comme interface avec les capteurs et émetteur, du fait de ses possibilités de programmation.

Circuit d’alimentation

• Alimentation par batterie jusqu'à 9V DC
• Alimentation 3,3V DC : gyroscope, accéléromètre, BlueNRG-M2SP

Capteurs

• Accéléromètre IIS2DLPC
• Gyroscope IAM-20380

Communication

• BlueNRG-M2SP

Carte de commande

Circuit d’alimentation

• Alimentation 12V DC (à partir d'une alimentation déportée du fait de la puissance nécessaire au pilotage de l'aile)
• Alimentation 3,3V DC : super-condensateur, convertisseur analogique-numérique, récepteur radio, micro-contrôleur
• Alimentation 5V / 3,3V DC : port USB

Entrées logiques

• Passage par zéro de la tesnion (sinusoïde 230V)

Entrées analogiques

• Convertisseur analogoique-numérique (SPI)
• tension de sortie des 3 hacheurs
• courant des 3 hacheurs
• Vitesse du vent (anémomètre)
• Direction du vent (Girouette)

Sorties analogiques

• sortie PWM pour régler la tension des 3 hacheurs
• sortie PWM pour le servomoteur des arrières de gauche
• sortie PWM pour le servomoteur des avants
• sortie PWM pour le servomoteur des arrières de droite
• sortie PWM pour piloter le ventilateur (fonction test)

Communication

• Si4362
• STM32WB55
• Connecteur pour communaiction SPI (si besoin d'évolution)

Micro-contrôleur

• STM32WB55

Carte de puissance

Ne connaissant pas l'effort de traction nécessaire au pilotage de l'aile, je prévois d'utiliser des servomoteurs de 35kg. Ce qui permet de dimenssionner les hacheurs.

Caractéristiques

• Alimentation 12V DC à partir d'une alimentation déportée du fait de la puissance nécessaire
• Sortie jusqu'à 12V DC - 6A
• Circuit d'amplification pour la commande du transistor (3,3V / 12V)
• Mesure de la tension et courant de sortie
• Carte générique pour les 3 hacheurs

Carte de commande d'un ventilateur (test du système)

Circuit de commande d'un ventilateur, afin de simuler le vent et tester le système

Caractéristiques

• Commande du ventilateur par PWM depuis la carte de commande et Triac (230V AC - 16A)
• Détection du passage par zéro de la tension sinusoïdale (cahrge inductive) à destination du micro-contrôleur