SCIENCES DE L'INGENIEUR

Niveau : Première générale, enseignement de spécialité SI

Objectifs

Mesures des courants

Résistance interne de protection

TP : Lampe de camping

Note du compte rendu :

Note des validations :

1. Objectifs

La lampe de camping quechua BL-40, 40 LUMENS, permet d'éclairer confortablement une personne. Utilisable en extérieur ou sous tente, en camping ou en bivouac.

C'est une petite lampe facile à utiliser et résistante, même sous la pluie. Elle prend peu de place dans un sac à dos. Elle est idéale pour les enfants !

Equipée de base d'une LED blanche, vous êtes chargés de réaliser les mesures sur le prototype afin de procéder aux réglages du programme permettant de la transformer en une lampe multicolore connectée

2. Mesures

Le schéma électrique de la lampe multicolor comprend un microcontrôleur ESP8266 équipé d'un module Wifi et d'une LED tricolore RVB (rouge, verte et bleue).

Le programme suivant va permettre de commander l'allumage individuelle de chaque LED

👉 Câbler les connecteurs de la lampe comme le montre la photo ci-dessous

Programme de commande des diodes :

from machine import Pin # importation de Pin depuis la librairie machine LED_rouge=Pin(15,Pin.OUT) # Led rouge connectée à GPIO15 (D8) LED_verte=Pin(12,Pin.OUT) # Led verte connectée à GPIO12 (D6) LED_bleue=Pin(14,Pin.OUT) # Led bleue connectée à GPIO14 (D5) LED_rouge.value(1) # Allume la led rouge LED_verte.value(0) # éteint la led verte LED_bleue.value(0) # éteint la led bleue

🖰 Copier puis coller ce programme dans le logiciel Thonny.

🖰 Depuis le menu "Outils", puis "options...", sélectionner l'onglet "interpréteur" et choisir "MicroPython (ESP8266)" dans la liste déroulante et valider par "OK".

Vérifier que la console affiche les lignes suivantes :

MicroPython v1.21.0 on 2023-10-05; ESP module with ESP8266
Type "help()" for more information.
>>>

Si ce n'est pas le cas, appuyer sur le bouton stop () ou appeler le professeur.

🖰 Exécuter le programme ,

👉 Brancher le voltmètre sur les broches D8 et GND du microcontrôleur et remplir les lignes de la colonne V du tableau ci-dessous.Modifier le programme afin d'allumer chaque LED à tour de rôle.

	V	I	Rs_int
Led rouge
Led verte
Led bleue

👉 Débrancher le connecteur du fil noir qui est relié au GND.

👉 Insérer la borne ㊉ de l'ampèremètre (10A) dans le connecteur sur le fil noir,

👉 Laisser le fil ㊀ ou COM de l'ampèremètre sur la broche GND du microcontrôleur.

👉 L'ampèremètre va mesurer le courant I passant dans une ou plusieurs LED selon qu'elles sont allumées ou pas.

🖰 Allumer chaque LED l'une après l'autre et compléter le lignes de la colonne I du tableau ci-dessus.

Les diodes sont câblées directement sur les sorties du microcontrôleur, sans résistances de protection.

La résistance de sortie interne des broches GPIO n'est pas précisée dans la documentation technique du constructeur.

Vous allez faire de la rétro-ingénierie pour mesurer cette résistance

Une sortie GPIO s'apparente à un interrupteur commandé électroniquement, construit autour d'un ou plusieurs transistors.

On peut représenter le modèle simplifié par le schéma suivant :

La Résistance Rs, pour la sortie GPIO de la led rouge, peut se calculer de la manière suivante : $Rs_(i\nt)=(3.3-Vr)/(IR)$

🖩 Calculer les résistances des sorties GPIO où sont branchées les 3 LED, puis compléter les lignes de la colonne Rs_int du tableau ci-dessus. Donner une valeur moyenne de cette résistance.

a) Calcul de la résistance Rs avec la led rouge :
	$Rs_(i\nt)=(3.3-Vr)/(IR)$
b) Calcul de la résistance Rs avec la led verte :

🖰 Allumer la LED rouge et bleue en même temps, puis trois LED, rédiger vos constatations quant à l'évolution du courant, était-ce prévisible par calcul ?

Faire valider vos résultats par le professeur

3. Ajustement des courants par MLI

Principe de la MLI

Le signal MLI (Modulation par Largeur d'Impulsion), aussi connu sous le nom de PWM (Pulse Width Modulation), est une technique permettant de moduler la largeur d'une impulsion (ou d'un signal rectangulaire) afin de contrôler la puissance transmise à une charge, par exemple un moteur ou une LED.

Principe de base :

Un signal MLI est un signal périodique de forme rectangulaire avec deux états : haut (ON) et bas (OFF). Le principe de la modulation repose sur la variation du rapport cyclique (ou duty cycle) du signal, c’est-à-dire la proportion de temps où le signal est à l’état haut (ON) par rapport à une période complète. Caractéristiques du signal MLI :

Fréquence

Rapport cyclique (Duty cycle)

Un rapport cyclique de 0% signifie que le signal est toujours à l'état bas (OFF).
Un rapport cyclique de 100% signifie que le signal est toujours à l'état haut (ON).
Un rapport cyclique de 50% signifie que le signal est à l'état haut la moitié du temps, et à l'état bas l'autre moitié.

Application de la MLI :

La modulation de la largeur d’impulsion est souvent utilisée pour contrôler la puissance moyenne transmise à une charge en modifiant simplement le rapport cyclique, sans changer la fréquence.

Contrôle de moteurs : En ajustant le rapport cyclique, on contrôle la vitesse d’un moteur DC. Plus le rapport cyclique est élevé, plus la vitesse du moteur sera rapide.
Contrôle de la luminosité des LEDs : En variant le rapport cyclique, on peut contrôler la luminosité d’une LED (plus le signal est haut longtemps, plus la LED sera lumineuse).
Conversion de tension : La MLI peut être utilisée dans les alimentations à découpage pour convertir des tensions continues en tensions variables ou continues de valeurs différentes.

Le programme ci-dessous va contrôler la luminosité d'une LED via modulation de largeur d'impulsion (MLI/PWM) grâce à un potentiomètre connecté à l'entrée analogique A0.

👉 Brancher le potentiomètre sur l'entrée analogique A0 du microcontrôleur.

Programme MicroPython pour ESP8266 :

from machine import Pin, ADC, PWM from time import sleep # Configuration des broches D8=Pin(15,Pin.OUT) # Led rouge connectée à GPIO15 (D8) D6=Pin(12,Pin.OUT) # Led verte connectée à GPIO12 (D6) D5=Pin(14,Pin.OUT) # Led bleue connectée à GPIO14 (D5) pot = ADC(0) # A0 pour le potentiomètre # Initialisation de la MLI pour contrôler la LED LED_rouge = PWM(D8, freq=1000, duty=0) # Fréquence MLI à 1 kHz LED_verte = PWM(D6, freq=1000, duty=0) # Fréquence MLI à 1 kHz LED_bleue = PWM(D5, freq=1000, duty=0) # Fréquence MLI à 1 kHz while True: # Lire la valeur du potentiomètre (de 0 à 1023) valeur_pot = pot.read() # Appliquer la valeur du potentiomètre à la LED LED_rouge.duty(valeur_pot) # Petite pause pour stabiliser la lecture sleep(0.01)

🖰 Copier puis collez ce programme dans Thonny, exécutez-le

👉 Brancher la voie A de l'oscilloscope sur la broche D8 et GND

👉 Faire varier la course du potentiomètre et relever vos observations ci-dessous

Ajuster le rapport cyclique

Vous allez ajuster les courants en agissant sur la valeur moyenne, plutôt que de rajouter une résistance en série.

👉 Régler la course du potentiomètre pour que I de la LED rouge soit égal à I de la led verte relevé précédemment

👉 Relever les différents temps qui permettent de calculer le rapport cyclique $alpha_r$

🖰 Modifier le programme pour réaliser le même travail avec la LED bleue et calceler le rapport cyclique $alpha_b$

a) Calcul du rapport cyclique $alpha_r$ de la led rouge :
	Période T =
	temps TON =
	
	$alpha_r=?/?$
	
b) Calcul du rapport cyclique $alpha_b$ de la led bleue :

Rapport cyclique $alpha_r$ :

Rapport cyclique $alpha_b :

Balance des blancs

🖰 Compléter le programme ci-dessous (lignes 14,15 et 24) et exécutez-le.

🖰 La couleur lampe devrait s'éclairer en blanc plus ou moins lumineux selon la course du potentiomètre.

En réalité, l'oeil humain est plus sensible au vert, moins sensible au rouge et encore moins au bleu. L'équilibre des courants ne se trouve pas être la meilleure solution.

Les coefficients utilisés pour transformer une image couleur en niveaux de gris sont $0.299 times R + 0,587 times V + 0.114 times B$.

🖰 Inverser juste les 2 valeurs de $alpha_r$ et $alpha_b$ que vous avez trouvées, et observez le résultat.

from machine import Pin, ADC, PWM from time import sleep # Configuration des broches D8=Pin(15,Pin.OUT) # Led rouge connectée à GPIO15 (D8) D6=Pin(12,Pin.OUT) # Led verte connectée à GPIO12 (D6) D5=Pin(14,Pin.OUT) # Led bleue connectée à GPIO14 (D5) pot = ADC(0) # A0 pour le potentiomètre # Initialisation de la MLI pour contrôler la LED LED_rouge = PWM(D8, freq=1000, duty=0) # Fréquence MLI à 1 kHz LED_verte = PWM(D6, freq=1000, duty=0) # Fréquence MLI à 1 kHz LED_bleue = PWM(D5, freq=1000, duty=0) # Fréquence MLI à 1 kHz alpha_r=? alpha_b=? while True: # Lire la valeur du potentiomètre (de 0 à 1023) valeur_pot = pot.read() # Appliquer la valeur du potentiomètre à la LED LED_rouge.duty(int(valeur_pot*alpha_r)) # on multiplie la valeur de pot par alpha_r, int ne garde que la partie entière. LED_verte.duty(valeur_pot) LED_bleue.duty(?) # Petite pause pour stabiliser la lecture sleep(0.1)

Faire valider vos résultats par le professeur

Test du programme final

🖰 Modifier les coefficients de $alpha_r$ et $alpha_b$ dans le programme ci-dessous que vous collez dans Thonny.

🖰 Donner un nom au point d'accès wifi à la ligne 49 (restez correct !).

🖰 Connecter un smartphone au réseau ainsi crée, Exécuter un navigateur et entrer l'URL suivante : 192.168.4.1

🖰 Sélectionner différentes couleurs et faire valider le fonctionnement par le professeur.

Code MicroPython pour ESP8266 de la lampe connectée :

# Serveur Web Lampe connectée BL-40C import usocket as socket import network from machine import PWM,Pin import time # Configuration des broches D8=Pin(15,Pin.OUT) # Led rouge connectée à GPIO15 (D8) D6=Pin(12,Pin.OUT) # Led verte connectée à GPIO12 (D6) D5=Pin(14,Pin.OUT) # Led bleue connectée à GPIO14 (D5) # Initialisation de la MLI pour contrôler la LED rouge = PWM(D8, freq=1000, duty=0) # Fréquence MLI à 1 kHz vert = PWM(D6, freq=1000, duty=0) # Fréquence MLI à 1 kHz bleu = PWM(D5, freq=1000, duty=0) # Fréquence MLI à 1 kHz alpha_r = ? alpha_v = 1 alpha_b = ? def web_page(): html = """ <!DOCTYPE html> <html> <head> <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1"> <title>BL-40-Color</title> </head> <style> body { background: linear-gradient(0.25turn, #f6dfdf,#c3ffc3, #b5b5ff); } </style> <body> <h1>BL-40-Color</h1> <p>Choisir le couleur : <input type="color" id="choix_couleur" onchange="envoie()" value="#000000"></p> <p>Valeurs : <span id="valeur_couleur">#000000</span></p> <script> // Java script function envoie(){ var couleur = document.getElementById("choix_couleur").value; document.getElementById("valeur_couleur").innerHTML = couleur; var req="/?val="+couleur.substring(1); var objet_XHR = new XMLHttpRequest(); objet_XHR.open("GET", req, true); objet_XHR.send(); } </script> </body> </html> """ return html ssid = "?" password = "123456789" ap = network.WLAN(network.AP_IF) ap.active(True) ap.config(essid=ssid, password=password) while ap.active() == False: pass print("Connection réussie") print("Adresse IP du serveur :",ap.ifconfig()[0]) socketServeur = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) socketServeur.bind(("", 80)) socketServeur.listen(5) while True: # attend une connexion d'un client sur le site web connexionClient, adresse = socketServeur.accept() requete = connexionClient.recv(1024) #requête du client requete = str(requete) connexionClient.settimeout(None) #analyse de la requête, recherche de "GET /?val=" if "GET /?val=" in requete: niveau_r = int("0x"+requete[12:14]) print("niveau de rouge :",niveau_r) rouge.duty(int(alpha_r*4*niveau_r)) niveau_v = int("0x"+requete[14:16]) print("niveau de rouge :",niveau_v) vert.duty(int(alpha_r*4*niveau_v)) niveau_b = int("0x"+requete[16:18]) print("niveau de rouge :",niveau_b) bleu.duty(int(alpha_b*4*niveau_b)) #print("Envoi reponse du serveur : code HTML a afficher") connexionClient.send("HTTP/1.1 200 OK\n") connexionClient.send("Content-Type: text/html\n") connexionClient.send("Connection: close\n\n") reponse = web_page() connexionClient.sendall(reponse) connexionClient.close()

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1. Objectifs

2. Mesures

3. Ajustement des courants par MLI

Principe de la MLI

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