Semaine 2

Design et production d'électronique

    Contenu de la semaine

  1. Électricité versus électronique
  2. Qu'est-ce que l'électricité?
  3. Qu'est-ce que Arduino?
  4. Jour 1 - Circuit, composantes et programmation IDE
  5. Jour 2 - Création d'un circuit avec Eagle
  6. Jour 3 - Réalisation du circuit


Électricité versus électronique

Le premier thème abordé c'est la distinction de deux notions, soit celle d'électricité et d'électronique. Voici une défintion qui me semble claire et qui résume bien ce que nous avons vu dans la formation.

L’électricité est un phénomène physique qui permet de transmettre de l’énergie d’un générateur à un récepteur, pour produire un mouvement (moteur), de la chaleur, de la lumière… Le générateur transforme une forme d’énergie quelconque (solaire, chimique, thermique…) en énergie électrique. L’électronique est la science du traitement des signaux électriques. Elle utilise des composants particuliers (LED, processeur, transistor…) fonctionnant généralement avec un courant électrique de faible intensité.
PDF Les circuits électriques - Site de Bruce Demaugé-Bost

Différences entre l'électricité et l'électronique

Électricité Électronique
Énergie Gros ampérage Petit ampérage
Particularité Demande moins de précision dans le contrôle de l'énergie Exige plus de précision dans le contrôle de l'énergie
Appareils Four, fer à repasser, éclairage, chauffage Téléphone intelligente, ordinateur, robotique
Personne ressource Électricien Électrotechnicien ou technicien en électrotechnique


Qu'est-ce que l'électricité?

L'électricité est un phénomène physique qui permet de transmettre de l'énergie. Avant d'aller plus il faut définir ce qu'est un atome pour bien comprendre el phénomène.

Un atome

L'atome est composé entre autres de trois parties bien connues. Les neutrons et les protons qui se trouvent dans le noyau de l'atome. Puis il y a les électrons qui orbitent autour du noyau.

Partie de l'atome

L'énergie produite est le courant électrique qui est obtenu par le déplacement des électrons d'un atome à l'autre dans un matériau conducteur. Plus le fil conducteur est gros, plus l'ampérage est grand. Ce qui m'amène a définir quelques notions.

Concepts de base

  • Voltage (V): c'est la tension électrique soit la force qui poussen le courant vers l'avant.
  • Intensité du courant (I): Elle se mesure en Ampère (A) et représente le débit des électrons qui se déplacent dans un élément conducteur.
  • Puissance électrique, le wattage (W): Elle se mesure en Watt et repésente la quantité d'énergie produite par le courant électrique.
  • Résistance: La résistance se mesure en Ohms (Ω)

Ce qu'il faut retenir c'est que pour qu'une lumière s'allume en réalité le circuit doit être fermé afin que le courant passe d'un bout à l'autre. Ceci permet d'avoir une différence de potentiel qui est défini par la tension électrique entre le cathode (+) et le anode (-).

Comment lire une résistance

D'abord, la résistance doit être lu de gauche à droite en plaçant généralement l'anneau qui est le plus à l'écart à droite. Ensuite, chaque anneau correspond à chiffre, un multiplicateur et une tolérance.

Explication des anneaux sur les résistances

Ensuite, il faut se référer à un tableau pour connaître les valeurs correspondant à chaque anneau et ainsi pouvoir savoir combien de Ohms possède la résistance.

Tableau des couleur pour les résistances

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Qu'est-ce que Arduino?

Arduino est d'abord un microcontroleur qui possède une interface EDI ( environnement de développement « intégré ») en anglais un IDE (integrated development environment). Il s'agit d'une plateforme d'apprentissage qui permet d'écrire du code donc de faire de la programmation.

L'origine du code de programmation provient du C++ mais il a été modifié de sorte que les libraries que Arduino a créé ne peuvent s'appliquer par la suite sur du C++. Elles ne peuvent être utilisées qu'avec la plateforme IDE.

Le kit Arduino permet de tester des circuits grâce aux divers composants fournis ainsi que le breadboard que l'on appelle en français une platine de prototypage ou une platine d'expérimentation.

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La structure d'un programme IDE

Lorsqu'on écrit un programme, il y a une structure, un peu comme lorsqu'on rédige une dissertation. Dans un exercice d'écriture on retrouve donc, l'introduction, le développement et la conclusion. Dans un programme on retrouve, aussi principalement trois parties, soit la déclaration des variables, le «setup» qui est l'initialisation des variables et finalement le «loop» qui est l'exécution des fonctions à réaliser.

La partie setup n'est lu qu'une seule fois par le microcontroleur au début de la mise en marche. Ensuite, le loop est exécuté en boucle tant et aussi longtemps que l'on n'éteint pas la machine.




JOUR 1 - Circuit, composantes et programmation IDE

Exercice #1 - Faire clignoter une LED

Pour premier exercice, nous devions concevoir un circuit avec Arduino, pour faire simplement clignoter une DEL (Diode électroluminescente). D'abord voici le montage réalisé.

Circuit sur Arduino

Ensuite, il faut écrire le code qui permet à cette DEL de s'allumer et de s'éteindre durant un laps de temps donné. Pour ce faire, il faut déinir sur quelle pin la DEL est placée, indique dans l'initialisation des variables que c'est une sortie (Output) et finalement, il faut lui de s'allumer (HIGH) et de s'éteindre (LOW) dans un délai donné par exemple (delay (500)) ce qui équivaut à une demi seconde.

Programme Arduino

Exercice #2 - Faire fonctionner un potentiomètre LED

Comme deuxième exercice il fallait faire fonctionner un potentiomètre. Donc il a fallu ajouter au montage cette composante et modifier le code en conséquence. Les nouvelles notions pour cette fonction c'est entre autres d'ajouter une variable dont la valeur peut changer appelée «val» dans mon cas. Et aussi ajouter l'option l'option qui permet de voir les données dans un moniteur la commande Serial.begin(9600)

Programme Arduino

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JOUR 2 - Création d'un circuit avec Eagle

Préparation du projet final

D'abord il faut savoir ce que notre circuit aura comme composantes pour réaliser les commandes que l'on souhaite lui donner.

Dans mon cas, je voulais utiliser le capteur à ultrason pour faire allumer deux DEL.
Donc pour concevoir mon circuit j'ai eu besoin de divers éléments.

  • deux petites DEL l'une rouge l'autre bleue;
  • deux résistances correspondant au bon voltage pour les deux couleurs de DEL;
  • un ISP (In-System Programming) qui permet de transferer les données de l'ordinateur au microcontrôleur;
  • un microcontrôleur ATTINY44 qui continendra le code du programme;
  • un capteur à ultrason qui permettra d'évaluer les distances;
  • et finalement une composante pour faire entrer l'énergie comme un connecteur USB.
  • Il est important aussi de voir les fiches techniques des différentes composantes utilisées pour évaluer les besoins en résistance ou en énergie nécessaire pour le bon fonctionnement.

    Capteur à ultrason fiche technique (datasheet)

    HC-SR04_datasheet

    ISP - In-System Programming - Pinout

    HC-SR04_datasheet

    Une fois le choix des pièces nécessaires, il faut dessiner le schéma du circuit afin de savoir où nous allons connecter nos composantes et les caractéristiques de celles-ci. Par exemple, le choix des résistances s'il y a lieu, les identifer et leur attribuer les infos pertinentes (mesures). J'ai d'abord tout fait cela à la main pour bien comprendre le tout.

    circuit dessiner à la mitainte

    Puis dans le cadre de cette formation nous avons utilisé Eagle pour réaliser le schéma numérique.

    Avec ce logiciel il est possible de faire principalement trois choses:

    • Dessin technique
    • Dessin du circuit (board)
    • Dessin des composantes

    D'abord avant de dessiner le circuit il faut connaître également la manière dont est composé le microcontrôleur afin de programmer aussi les pins avec les bons numéros. Il faut dont se référer dans le cas du ATTINY44 à cette image dans laquelle on peut voir les correspondances de couleur brune pour le Arduino.

    ATTiny44-pinout

    Ensuite, on crée notre dessin technique en nommant bien toutes les pins pour pouvoir ensuite les connecter avec des filets (nets) simplement en écrivant le nom de la pin où celui-ci doit aller. Cela évite de faire des dessins techniques surchargés.

    Dessin technique - Cliquer sur l'image pour agrandir
    Eagle plan général

    Nommer les pins
    Eagle plan général

    Cette étape permet d'associer des pins plus rapidement et facilement puisqu'elles ont le même nom.

    Dessin du circuit (board)
    Eagle board

    Dessin du circuit (board)
    Eagle board



    JOUR 3 - Flatcam, CNC et soudure

    Transfert du circuit dans Flatcam pour faire PCB (Printed circuit board)

    Une fois le circuit dessiner, il faut évidemment l'envoyer vers une CNC qui pourra graver le circuit sur une plaque de cuivre. Il faut donc transférer le fichier dans une autre application qui permettra de créer un fichier Gcode que la CNC pourra décoder.

    Dans ce cas-ci nous avons donc utilisé Flatcam. Ce logiciel permet de créer deux types de fichiers. Celui pour faire des traces pour dessiner le circuit (GRBL) et celui pour réaliser les trous (EXCELLON) si besoin (pour des circuits Through-hole).

    Lorsqu'on fait des circuits avec composants soudés en surface (surface mount), il n'est donc pas nécessaire de faire des trous. Donc nous avons utilisé dans notre cas uniquement le fichier de type GRBL.

    Ouverture fichier dans Flatcam
    Eagle board

    Génération des géométries
    Eagle board

    Découpe des géométries
    Eagle board

    Ouverture fichier dans Flatcam
    Eagle board

    Réalisation du circuit avec la CNC

    Il faut s'assurer que la pointe de la fraise soit bien placée et que les axes X et Y soient placé là où on le souhaite pour les initialiser. Plus spéfiquement l'axe de la hauteur, le Z, lui doit être mis à zéro pour s'assurer que la machine puisse bien graver.

    Paramètre du logiciel pour la CNC
    Eagle board

    Création du circuit avec la CNC
    Eagle board

    Réalisation des soudures

    J'ai réalisé quelques belles soudures. Une soudure est belle entre autres lorsque l'aspect de l'étain est brillant et qu'elle est répartie uniformément et de quantité suffisante. C'était un peu laborieux surtout pour les yeux étant donné que les éléments à souder sont très petits. Idéalement on doit chauffer la plaque (pad) et la patte d'une composante où l'on veut souder et ensuite approcher le fil d'étain pour qu'une goutte s'y dépose uniformément.
    Circuit et soudures

    Il faut s'assurer évidemment que les éléments à souder sont placer dans le bon sens. Par exemple les DEL le côté négatif se trouve à être du côté où se trouve une petite ligne verte.

    Mon projet allait bon train mais malheureusement nous avons rencontré un problème technique. Il nous manquait une pièce pour permettre la connexion du ISP que nous avons voulu créer avec des pièces que nous avions en main et finalement, en forçant la chose et bien nous avons abîmer le circuit. Ainsi il était inutilisable. Et vu les délais que nous avions il nous a été impossible de produire un autre circuit.

    Malgré tout j'ai bien apprécié mon expérience, il n'y a pas de toute que je vais réaliser d'autres projets comme celui-ci afin de pouvoir designer un circuit et faire la soudure des pièces ainsi que la programmation.