Les 1ère STL BT, ont été sélectionnés début juin pour participer à l’expérience éducative du CNES liée à la mission Alpha de Thomas Pesquet #Elèvetonblob.

L’objectif de cette expérience est de proposer aux élèves de plusieurs établissements scolaires sélectionnés de reproduire, au sol, l'expérience menée par l'astronaute Thomas Pesquet sur le Blob (Physarum polycephalum LU352).

Il s'agira pour les élèves de mettre en œuvre des protocoles scientifiques, de travailler à des solutions techniques pour la prise de vue des Blob pendant 7 jours et de comparer leurs observations sur le comportement, la nutrition et la vitesse de déplacement de leurs blobs avec les résultats obtenus dans l'ISS.

La mission des élèves de SI, consiste à mettre au point un suivi en timelapse du Blob durant 7 jours

• Le Blob devra se trouver dans l'obscurité, car il ne déteste la lumière solaire, maximum 2 heures par jour, sinon il meurt.
• La puissance lumineuse ne devra pas excéder 50 lumens

• Il faudra prendre en photo le Blob toutes les minutes, pendant 24h avec une résolution minimale de 2 Mpixels.
• Une fois le Blob réveillé il se propage rapidement et fait le tour de la boîte plusieurs fois en 24h.
• Il apprécie l'humidité et une température comprise entre 20 et 26°C
• Il faudra stocker les photos sur un support numérique, de capacité suffisante.
• La prise de vue devra se situer entre 200 et 250 mm du Blob avec un filtre de rapprochement d'un diamètre de 52 mm.
• L'expérience doit se dérouler obligatoirement dans la semaine du 11 au 17 octobre.

Une équipe, encadrée par M. SCHMITT, se chargera de :

• la conception de la chambre photographique du Blob
• la fixation du système de prise de vue
• concevoir le support orientable et réglable en hauteur, de la source lumineuse
• la réalisation du prototype, permettant le maintien en position des deux boîtes contenant un blob, du capteur d'humidité et de température, d'un afficheur LCD ainsi que la résistance chauffante

Une autre équipe, encadrée par M. HASSENFORDER, se chargera de :

• choisir et dimensionner la source lumineuse
• choisir puis programmer, configurer le système de prise de vue et dimensionner le support de stockage
• choisir la source d'énergie du système et l'interface de puissance pour alimenter la source lumineuse
• Programmer un système permettant de pouvoir choisir la température désirée (entre 20 et 26°C) et de commander une résistance de chauffante
• Programmer un système permettant de mesurer et d'afficher la température et l'humidité dans chambre photographique

Une LED se caractérise principalement par 3 grandeurs :

• la chute de tension directe Vf aux bornes de la led pour un courant I de 20 mA.
• l'intensité lumineuse Iv qui s'exprime en mcd (millicandela)
• l'angle de diffusion θ, en degrés.

A partir des deux grandeurs précédentes, on peut calculer le flux aussi appelé puissance lumineuse en lumen (lm)

Caractéristiques des 2 LED choisies

LED 5mm L5WCN5	Led blanche 1W HUW01BC

Calculer le flux de la LED 5mm L5WCN5, puis en déduire le nombre de LED qu'il faudrait pour obtenir la même puissance lumineuse que la LED HUW01BC

La puissance électrique de la LED HUW01BC, sachant que :

P = U x I

P : en Watts
U : VF en Volts
I : somme des IF des LED en Ampères

Calculer la puissance électrique absorbée par les LED 5mm L5WCN5 et conclure sur le choix du type de LED

Commande de l'allumage de la LED

La LED doit s'allumer toutes les 2 minutes durant 3 secondes, temps nécessaire à la caméra pour choisir la bonne vitesse d'obturation, puisque cette dernière est dans le noir complet.

Les sorties des cartes à microprocesseurs, permettent en général de délivrer un courant maximal de 20 mA par sortie.

Il faudra donc insérer entre la sortie et la LED un interrupteur électronique (non étudié) qui permettra de raccorder la LED directement à l'alimentation de la carte du microcontrôleur.

La carte comprend deux alimentations : 5V et 3.3 V

Raccordement : la résistance à insérer en série avec une led se calcule par la loi d'Ohm :

Lorsque l'interrupteur J1 est fermé, on veut limiter le courant IF à 150 mA. A partir des caractéristiques de la LED ci-dessous, relever VF , puis dimensionner la résistance de protection R pour les deux alimentions Vcc = 5V ou Vcc = 3.3V

\\\text {Pour IF = 150mA, VF = ?} \\\text {Calcul de R lorsque VCC = 5V :} \\

Simulation de la limitation de courant circulant dans la LED

Cliquez sur ce lien : Tinkercad

Cliquez sur "Utiliser mon pseudo", puis entrez votre identifiant réseau

Cliquez sur Créer une première conception de circuits

Reproduire le montage ci-dessous

Cliquez sur composants et sélectionner tout, afin de voir tous les composants. Cliquez sur l'élément résistif et donner lui la valeur calculée précédemment

Faire un choix de la source d'alimentation

Programmation du cycle d'allumage

Choix des composants

Le choix se porte sur un nano-ordinateur qui possède des ports d'entrées/sorties (GPIO) ainsi que la possibilité d'y connecter une caméra : un Raspberry Pi.

Connectez hors tension les périphériques du Rasberry pi :

1. écran (interface HDMI),
2. clavier,
3. souris,
4. le connecteur et sa "breadboard",
5. en dernier l'alimentation.

Avant d'alimenter le Raspberry pi, brancher la LED et une résistance de 470 Ω sur la "breadboard", comme le montre la photo suivante

Faire vérifier le câblage par le professeur

Branchez le câble d'alimentation et exécuter l'application de programmation Thonny Python IDE, puis saisir le programme suivant, que vous aviez modifié précédemment

Algorithme du programme d'essai

Saisir le programme python suivant :

# Importation des librairies from time import sleep from gpiozero import LED # déclaration de la broche où est connectée la LED : GPIO13 led = LED(13) # Début du programme for i in range(0,10): # répéter 10 fois led.on() sleep(1) # pause en secondes led.off() sleep(1) # Fin du programme

modifiez le programme afin d'allumer la LED toutes les 2 minutes pendant 3s durant 7 jours

Faire valider le fonctionnement par le professeur

Calculer la durée d'éclairement maximale de la LED toutes les 2 minutes, afin de ne pas exéder 2h par jour.

5.1. Simulation du courant maximal délivré par une broche de sortie d'un microcontrôleur

Cliquez sur ce lien : Tinkercad

Cliquez sur "Rejoindre avec le surnom", puis entrez votre identifiant réseau

Cliquez sur Circuits, puis créer un circuit

Reproduire le montage ci-dessous

Cliquez sur composants et sélectionner tout, afin de voir tous les composants

Modifier le code pour uniquement activer la broche 13

Relevez le courant maximal circulant dans la LED fourni par la broche de sortie 13 de l'Arduino

D'après le graphique ci-dessous, quel serait le flux lumineux émis par la LED HUW01BC ? Conclure sur la possibilité d'alimenter directement la LED de puissance avec la sortie d'un microcontrôleur

5.2. Simulation d'un amplificateur de courant à transistor

Créer et simuler le montage ci-dessus

Faire varier le potentiomètre et vérifier que l'amplificateur de courant est capable de fournir le courant nécessaire pour émettre un flux lumineux de 50 lm

Un élément résistif de résistance 3.9 kΩ est associé en série avec le potentiomètre de résistance 10 kΩ

Régler le potentiomètre afin que la LED émette le flux désiré.

Déplacer le potentiomètre, sans modifier son réglage et le sortir du "breadboard". Y brancher un multimètre en mode Ohmmètre (mode résistance), puis relever sa valeur. En déduire la valeur de la résistance totale équivalente aux 2 résistances associées en série.

5.3. Câblages et mesures

Câbler les composants et l'ampèremètre tels qu'ils sont représentés ci-dessus sur la "breadboard" du Raspberry pi.

Faire valider par le professeur avant de mettre le montage sous tension.

Rechercher sur Internet un capteur, tout en un, permettant de mesurer l'humidité et la température pour le Raspberry pi

Proposez votre choix au professeur

6.1. Mise en œuvre du capteur de température et d'humidité

Suivre les instructions du tutoriel suivant

Les parties "Installez les bibliothèques Python" et "Installez la bibliothèque CircuitPython DHT" ont déjà été réalisées en amont.

Une fois le capteur câblé en présence du professeur, créer un nouveau script python saisir le code suivant.

import time import board import adafruit_dht import psutil # We first check if a libgpiod process is running. If yes, we kill it! for proc in psutil.process_iter(): if proc.name() == 'libgpiod_pulsein' or proc.name() == 'libgpiod_pulsei': proc.kill() sensor = adafruit_dht.DHT11(board.D23) while True: try: temp = sensor.temperature humidity = sensor.humidity print("Temperature: {}*C Humidity: {}% ".format(temp, humidity)) except RuntimeError as error: print(error.args[0]) time.sleep(2.0) continue except Exception as error: sensor.exit() raise error time.sleep(2.0)

Vérifiez qu'il fonctionne correctement

En Vous aidant du tutoriel suivant, modifiez le programme afin : d'incruster dans l'image l'heure, la température et l'humidité

Calculer la taille moyenne d'une image. Déterminer la capacité de la carte mémoire afin d'y stocker les 7 jours d'observation.

Ajouter la possibilité d'enregistrer un fichier qui contient le compteur d'image, la date, l'heure, la température et le taux d'humidité.

Il devra être au format csv avec un séparateur ";"

exemple :

numéro;date;heure;température;humidité
1;12/08;10:00;21;45
2;12/08;10:02;21;45
3;....

On désire maintenir une température constante dans la chambre photographique, en commandant une résistance chauffante.

Cette partie sera gérée par un microcontrôleur Arduino pour ne pas surcharger le code du Raspberry Pi

A la mise sous tension de l'Arduino l'utilisateur doit pouvoir régler la consigne de température entre 20 et 26°C par pas de 1°C en actionnant 2 boutons poussoir + et -. Un troisième bouton permettra de valider le choix et exécuter le programme qui commande la résistance chauffante ainsi que l'affichage de la température et l'humidité (programme précédent).

Une LED simulera la commande de la résistance chauffante.

• un bouton poussoir "plus" sera connecté à la broche 3 de l'Arduino
• un bouton poussoir "moins" sera connecté à la broche 4 de l'Arduino
• un bouton poussoir "valide" sera connecté à la broche 5 de l'Arduino
• Une LED connectée à la broche 6 de l'Arduino simulera la commande de la résistance chauffante.

Algorithme:

Créer la variable consigne
Arduino : générer le code
Mettre consigne à 20
Répéter jusqu'à ce que le bouton poussoir "valide" = 1
	si le bouton poussoir "plus" est activé et que la consigne est inférieure à 26 alors
		ajouter 1 à consigne
	fin si
	si le bouton poussoir "moins" est activé et que la consigne est supérieure à 20 alors 
		retrancher 1 à consigne
	fin si
	Effacer l'afficheur LCD
	Afficher sur la ligne 0 le texte "Consigne : " et valeur de consigne et  " Deg"
	attendre 0.5s
fin répéter	
Répéter indéfiniment
	attendre 2s
	Stocker dans la variable temp la valeur de la température lue par le capteur
	Stocker dans la variable hum la valeur de l'humidité lue par le capteur
	Effacer l'afficheur LCD
	Afficher sur la ligne 0 le texte "temp : " et valeur de temp et  " Deg"
	Afficher sur la ligne 1 le texte "hum : " et valeur de hum et " %"
	si la température est inférieure à la consigne alors
		mettre la broche de la résistance chauffante à l'état haut
	sinon 
		mettre la broche à l'état bas
	fin si
Fin répéter

Si besoin visionner la vidéo de prise en main du logiciel mblock

Dans Mblock, cliquez sur choix des extensions, puis gérer les extensions

Cliquez sur Ajouter puis sélectionner "zip file" et ajoutez la librairie extension-tsuno.zip

Réaliser le programme correspondant à l'algorithme ci-dessus

Pour téléverser le programme dans l'Arduino, connectez-vous au port de communication de l’arduino (Le dernier en général)

Cliquez sur Téléverser dans l’Arduino

Faire valider par le professeur

8.2. Alimenter la résistance chauffante depuis l'Arduino

Avec une alimentation de laboratoire réglée sur 12V, branchez la résistance chauffante et relever le courant.

Calculer sa résistance R

En vous inspirant du montage amplificateur de courant à transistor, simuler un circuit électrique similaire, afin qu'un Arduino puisse commander la résistance chauffante alimentée sous 12V.