SCIENCES DE L'INGENIEUR

Niveau : Première générale, enseignement de spécialité SI

 

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TD : Acquisition de l'information

Exercice 1 : Drone

L’AR drone de Parrot possède un capteur de distance permettant de contrôler l’altitude du drone.

Ses caractéristiques sont données par le tableau suivant :

Tension d’alimentation3.2~5.2V
Courant de fonctionnement8mA
Fréquence ultrasonique40kHz
Plage de mesure2-350cm
résolution1cm
Type de sortieImpulsion en ms
Taille du capteur50mm X 25mm X 16mm
Poids du capteur13g
Angle de mesure15 degrés
Température de fonctionnement-10 à 60 °C

Les simulations donnent les résultats suivants :

Les échèles sont les suivantes : 5ms/division pour les temps (axe X) et 2V/division pour la tension (axe Y)

Quelle est la tension d'alimentation du capteur ?

On donne la relation suivante permettant de calculer la distance en fonction de la durée de l’impulsion haute.

    $Dist\anc\e=(duree\ de\ l'impu\lsion * vitesse\ du\ son)/2$

La durée de l’impulsion est en secondes et la vitesse du son en m.s-1

Compléter le tableau ci-dessous :

Distance simulée (m)durée de l'impusion (s)distance calculée (m)Erreur (m)
0,90
2,75

Que peut-on dire sur le type d’erreur du capteur ?

Exercice 2 : Thermomètre

 

Complétez le tableau ci-dessous

Température (°C)Tension (V)

Ce capteur fait partie de quelle famille ?

Montrez par calcul que la sensibilité du capteur est de 10mV/°C

La sensibilité du capteur correspond au coefficient directeur de la droite : $s=Delta_(s o r t i e)/Delta_(entrée)$

Le graphique ci dessous représente l'évolution de la tension en fonction de la température.

Relever graphiquement la valeur de la tension délivrée par le capteur lorsque la température est de 50°C

Le capteur est connecté à l’entrée analogique A0 du microcontrôleur Arduino. Celui-ci possède un convertisseur analogique numérique 10 bits. Sa tension de référence Vref = 5V.

Calculez le quantum, puis la sensibilité numérique en °C. Cette méthode engendrera quel type d'erreur ?

Le quantum est donné par le relation suivante : $q=?/?$ Calcul de la sensibilité numérique en degré Celsius : $sn = ?$ Conclusion :

Exercice 3 : Pesée de cartouche de gaz

Les cartouches de gaz CV360 sont utilisée dans les lampes à souder par exemple. Le système représenté ci-dessous permet de vérifier le poids des cartouches après remplissage de celles-ci.

  1. Pour cela un capteur de force transforme le poids en une tension Ve proportionnelle à celui-ci,
  2. elle est ensuite convertie par un CAN en un signal numérique N sur 7 bits (b0 à b6),
  3. elle est traitée par un microcontrôleur qui commandera le remplissage et l'éjection des cartouches remplies.

Caractéristiques des compsants :

  1. Poids des cartouches
    • Cartouche vide : 52g
    • Cartouche pleine : 110g
  2. Capteur de poids
    • Ve = 0 V pour un poids de 0g,
    • Ve = 4 V pour un poids de 100g.
  3. Convertisseur Analogique Numérique (CAN) :
    • Vref = 5V
    • Nombre de bits n = 7

    Mise en forme du signal :

    Q1. D'après les caractéristiques du capteur de poids, calculer sa sensibilité en V/g

    La sensibilité du capteur correspond au coefficient directeur de la droite : $s=Delta_(s o r t i e)/Delta_(entrée)$

    Convertisseur analogique numérique

    Q2. D'après le nombre de bits utilisés par le convertisseur analogique numérique, calculer la résolution (le quantum) lorsque la tension Vref = 5V

    Calcul du quantum : $q = ?$

    Q3. Démontrez que la sensibilité numérique est inférieure à 1 gramme

    Calcul de la sensibilité numérique : $sn = ?$

    Q4. Calculer le poids maximal mesurable, lorsque la tension en sortie du capteur U = 5V

    Calcul du poids maximal lorsque U = 5V : $p\max = ?$

    Q5. Déterminer les codes décimaux Nvide pour une cartouche vide puis Npleine pour le poids d'une cartouche pleine.

    Calcul de la valeur décimale convertie d'une cartouche vide :

    Comparateur et logique

    Q6. Lors d'une mesure, le CAN indique un code binaire N = 0b 100 0010. La cartouche est-elle vide, pleine ou en cours de remplissage ? Précisez dans ce cas les états logiques des sorties EVE et EVR du microcontrôleur ?

    Calcul du poids de la cartouche :

    Q7. Compléter l'algorigramme ci-dessous correspondant à la description du fonctionnement suivant :

    • Losque la cartouche vide est détectée,
    • on actionne l'électrovanne de remplissage de gaz EVR
    • lorsque la cartouche est pleine,
    • on désactive EVR puis on active l'électrovanne d'éjection de cartouche EVE
    • on attend 1s
    • on désactive EVE

Exercice 4 : Robot anti-incendie

Le robot est contrôlé à distance par un opérateur à l’aide d’un pupitre de commande.

Il est constitué d’une turbine Magirus portée par un tracteur à chenilles.

Lors de son déplacement sur une pente ou un devers, il faut contrôler son l'inclinaison afin d'éviter qu'il ne se renverse.

L'angle maximal en pente est limité à 20° en montée, 30° en descente et à 15° en dévers (voir figure ci-dessous)

La figure ci-dessous représente les deux axes de cet inclinomètre et la caractéristique obtenue pour la plage de mesure de -45° à +45° de chaque angle. Le signal obtenu est une tension US variant de 0 à 5 V, représentative de l’angle d’inclinaison.

Q1. À partir de la caractéristique de l’inclinomètre, établir l’équation de la tension US en fonction de l’angle θ pour la plage de mesure [-45°,+45°] de cet inclinomètre.

L'équation d'une droite affine est de la forme : $Us = a*Theta + b$ Calcul de la pente a de la droite (sensibilité du capteur) : $a = ?$ Calcul de b (l'ordonnée à l'origine): En partant de l'équation initiale on remplace Us, a et $Theta$ : $Us = a*Theta + b$

Q2. A partir de l'équation précédente, calculer les tensions délivrées par le capteur pour les angles suivants

Un convertisseur analogique numérique CAN permet de numériser la tension US (tension variant de 0 à 5 V issue de l’inclinomètre) en un signal numérique N codé sur 10 bits, représentatif de l’angle de roulis θR ou l'angle de tangage θT selon l'axe.

Le diagramme de blocs internes [ibd] de la chaîne d’information est donné ci-dessous

Q3. Préciser la nature du flux d'information correspondant aux points A, B et C de la figure 5 (analogique ou numérique).

Q4. Après avoir calculé le quantum du CAN, compléter le tableau donnant les différentes valeurs de tension US et N issues de la numérisation (valeurs de N en décimal, puis en binaire).

Calcul du quantum : $q = ?

AngletensionSignal numérique N (sur 10 bits)
Décimalbinaire
+45° 1023
+20°
+15°
-15°
-30°
-45°

Q5. Montrer que la précision en degré issue de la numérisation de l’angle de roulis θR est inférieure à 0,1° conformément au cahier des charges.

Calcul de la précision ou sensibilité numérique : $sn = ?$

Q6. Compléter l'algorithme suivant en remplaçant les ?, afin de faire retentir 2 alarmes sonores différentes (ALARME1 ou ALARME2) lorsque les angles maximums de roulis θR ou de tangage θT sont dépassés.

  • NR représente la valeur convertie par le CAN de l'angle de roulis,
  • NT représente la valeur convertie par le CAN de l'angle de tangage.

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