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 multicolore 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 individuel 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.

Si vous voulez l'utiliser sur vos ordinateurs portables

télécharger la version suivante :

Thonny Python v5.0.0
Il faudra également télécharger, décompresser le fichier zip puis installer le pilote de l'esp8266 : télécharger

🖰 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 (voir photo du connecteur entouré en rouge).

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

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

👉 Placer le multimètre en fonction ampèremètre. Il 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 en modifiant le programme 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 équivalente RSint, 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 équivalentes des sorties GPIO où sont branchées les 3 LED, puis compléter les lignes de la colonne Rs_int du tableau ci-dessus. Calculer la 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

Visualisation la MLI à l'oscilloscope.

L'oscilloscope permet de visualiser la tension en fonction du temps.

L'axe horizontal d'un oscilloscope, souvent appelé l'axe X ou axe du temps, représente comment le signal varie au fil du le temps. Cet axe est gradué en seconde. Chaque division (carreau) indique la base de temps : le temps écoulé, par exemple 1ms/division.
Ce temps peut être modifié en appuyanr sur la touche
L'axe vertical souvent appelé l'axe Y ou axe de tension, représente l'évolution de la tension du signal mesuré. Cet axe est gradué en volts. Chaque division indique la sensibilité : le nombre de volts du signal, par exemple 1V/division.
La sensiblité de l'oscilloscope peut être ajustée en appuyant sur les touches

On peut décaler le 0V de l'oscilloscope en ppuyant sur les touches

Le trigger ou déclenchement, permet de déterminer la tension à partir de laquelle le signal va s'afficher sur l'oscilloscope.
On peut le régler sur front montant ou descendant. puis
et le départ du déclenchement avec les touches directionnelles

👉 Brancher la voie A de l'oscilloscope sur les broches D5 et GND de l'ESP8266

Régler la base de temps à 200ms/div,
Régler la sensibilité à 1V/div
Régler le trigger pour que le front montant démarre au début de l'écran."
Pour figer le signal, appuyer sur la touche

Capture à partir des ordinateurs portables uniquement.

Avant de brancher l'interface USB de l'ocilloscope au PC, télécharger li pilote suivant : PL2303_Prolific.zip

Exécuter le programme PL2303_Prolific_GPS_1013_20090319.exe après avoir ouvert l'archive et installer le pilote.

Brancher le port USB l'oscilloscope au PC.

👉 Capturer à l'oscillogramme une MLI avec un rapport cyclique de 60% en faisant varier la course du potentiomètre.

Rappel : $alpha=(t_"on")/T$

MLI à 60%

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 calculer 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 :

Balance des blancs

Les réglages précédents permettent d’égaliser les courants moyens dans les trois composantes de la LED. Ils ne garantissent cependant pas l’obtention d’un blanc : les composantes rouge, verte et bleue ont des caractéristiques lumineuses différentes et l’œil ne présente pas la même sensibilité à toutes les longueurs d’onde.

🖰 Compléter les coefficients k_r et k_b du programme avec les rapports cycliques déterminés précédemment, puis observer la couleur du mélange obtenu.

🖰 Sur ce prototype, permuter les valeurs des coefficients rouge et bleu et comparer les deux mélanges. Lequel paraît le plus proche du blanc ?

Cette permutation est un essai expérimental propre au montage. Elle ne constitue pas une règle générale de correction du blanc.

🖰 Affiner les coefficients pour obtenir un blanc visuellement satisfaisant.

Conserver ces coefficients, puis faire varier le potentiomètre pour régler la luminosité du mélange.

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 k_r=? k_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*k_r)) # on multiplie la valeur de pot par k_r, int ne garde que la partie entière. LED_verte.duty(int(valeur_pot*k_v)) LED_bleue.duty(?) # Petite pause pour stabiliser la lecture sleep(0.1)

Faire valider vos résultats par le professeur

Brancher la voie B de l'oscilloscope sur les borches D5 et GND afin de visualiser le signal qui commande la LED bleue.

Appuyer sur la touche B de l'oscilloscope puis F1 our l'activer (INPUT B ON),
Régler la sensibilité à 2V/div,
Régler la base de temps sur 200ms/div,
décaler les 0V des voies A (LED rouge) et B (LED bleue) avec la touche "MOVE", afin de visualiser la voie A en haut et la voie B en bas de l'écran de l'oscilloscope.

Chronogramme — Balance des blancs

Test du programme final

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

🖰 Donner un nom au point d'accès wifi à la ligne 55 (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 k_r = ? k_v = 1 k_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 la 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(k_r*1023*niveau_r/255)) niveau_v = int("0x"+requete[14:16]) print("niveau de vert :",niveau_v) vert.duty(int(k_v*1023*niveau_v/255)) niveau_b = int("0x"+requete[16:18]) print("niveau de bleu :",niveau_b) bleu.duty(int(k_b*1023*niveau_b/255)) print() #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()

Faire valider vos résultats par le professeur

SCIENCES DE L'INGENIEUR

DÉCONNECTÉ

TP : Lampe de camping

1. Objectifs

2. Mesures

Si vous voulez l'utiliser sur vos ordinateurs portables

3. Ajustement des courants par MLI

Principe de la MLI

Capture à partir des ordinateurs portables uniquement.

MLI à 60%

Chronogramme — Balance des blancs

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