Conception d’une prise électrique à switch automatique

  • Introduction

Lors de notre deuxième année en DUT GEII, nous sommes amenés à travailler sur un projet de notre choix, nous avions juste à soumettre nos idées au professeur, à savoir Monsieur Ould Abdeslam. Après longue réflexion, nous nous sommes décidés pour un projet de multiprise « intelligente ». Nous avons décidés de coupler cette multiprise à une Raspberry afin de traiter les informations recueillies par les différents capteurs mis en œuvre dans ce projet.

  • Présentation du Sujet

Cette « multiprise intelligente » est capable d’effectuer plusieurs mesures auprès des appareils branchés sur celle-ci permettant ainsi au consommateur d’être maître de sa consommation électrique. Il pourra connaître la consommation électrique de chacune des 8 prises composant la multiprise et, suivant l’appareil qu’il aura choisi de brancher dessus, il aura plusieurs modes à sa disposition lui permettant par exemple d’ouvrir le circuit lorsque son smartphone ou son pc portable sera chargé ou encore de connaître la qualité du courant utilisé (présence d’harmoniques). Dans l’idéal nous aimerions aussi mettre au point une interface pour smartphone lui permettant de gérer l’ensemble des fonctionnalités de manière simple et intuitive si le temps nous le permet.

Ce projet d’une durée de 1 mois se clôture par une évaluation d’un site mis au point par nos soins ainsi que d’une vidéo récapitulative que nous réaliserons.

Nous sommes maintenant sensibilisés au travail de projet puisqu’il s’agit du troisième projet à notre actif depuis le début de notre formation, nous évoluons donc en parfaite autonomie, sans que des cours de conduite projet nous soient dispensés comme ce fût le cas lors de nos précédents projets. L’évaluation portera aussi sur notre esprit d’équipe, notre implication et le sérieux dont nous avons fait preuve au cours de toute la durée de notre projet.

 

Pour se faire, nous sommes une équipe de deux étudiants à savoir :

  • Louis SPIESSER
  • Guillaume MAILLARD

 

  • Cahier des Charges

Schéma « Bête à corne » :

 

Bête à corne

Schéma « Pieuvre » :

 

Pieuvre

 

Fonction Principale : Rendre notre Multi-prises attractive afin de rendre le public attentif sur sa consommation électrique.

Fonctions Contraintes : Nous devons faire face aux éventuelles contraintes rencontrées pour faire de notre multiprise un projet rentable, intéressant et pédagogique.

 

  • Contrainte énergie : La contrainte énergie est en rapport avec l’utilisation de l’électricité, nous devons faire quelque chose d’optimal. C’est-à-dire réfléchir à chaque circuit électrique et à chaque composant afin de minimiser les pertes électriques.
  • Contrainte de compréhension : Nous devons rendre les données récoltées compréhensibles par le public.
  • Contrainte sécurité : Il faut assurer une sécurité suffisante afin de garantir la sécurité des usagers. Effectivement les prises sont alimentées en 220V et 16A ce qui s’avère dangereux en cas de dysfonctionnement.
  • Contrainte Informatique : Nous utilisons une Raspberry afin de lire et analyser les données récoltées par les capteurs. Au delà de ça, nous aimerions créer une interface visuelle afin de rendre le projet plus intuitif et permettre à l’utilisateur de choisir entre différents modes. La prise en main et la maîtrise des différents logiciels permettant sa programmation sont donc nécessaires.

Bien sûr la taille ainsi que l’ergonomie sont aussi des points importants pour ce projet.

 

  • Développement

Pour vous montrer les idées de ce projet voici un schéma explicatif.

 

Capture

Pour vous expliquer plus en détails, la multiprise est pilotée par une Raspberry PI capable d’envoyer une consigne binaire (0 & 1). Ce signal nous permettra d’alimenter chacune des prises selon le besoin par le biais d’un circuit imprimé. Cette consigne traverse une série de composants jusqu’à l’activation de la prise et ainsi l’alimentation de l’appareil branché. Grâce à un programme python, nous commandons les différentes séquences à envoyer à la multiprise.

La présence de la Raspberry nous permet de traiter des données. En effet, le but étant de calculer la consommation des appareils branchés, nous obtenons par le biais de capteurs de courant les signaux et les spectres de chaque prise activée. Nous pouvons ainsi lire et analyser les données obtenues afin de les afficher sur une interface crée a partir de la Raspberry afin de faciliter la compréhension de l’utilisateur.

Ce système permet alors de contrôler la consommation des appareils branchés afin de réduire au maximum les pertes d’énergies.

 

  • Conception

Pour assurer le bon fonctionnement du circuit nous avons dans un premier temps voulu comprendre comment se comportent les différents composants que nous allions utiliser à savoir les capteurs de courants, les relais ainsi que les optocoupleurs.

De ce fait nous avons établis le schéma général de notre projet dans lequel y figure ces derniers :

 

schéma géné

 

 

 

 

 

 

 

 Schéma général d’un des huit étages de la multiprise

 

PR1: Bloc résistances.

JP2 : Raspberry, envoyer consigne et récolte des données.

U19 : Optocoupleur, protéger la Raspberry d’un éventuel retour de tension.

U1 : ULN, amplifie le courant à la sortie de l’optocoupleur.

K1 & J1 : Relai 3 contacts avec sorties connecteur.

 

  • Capteur de courant

 

test capteur

 

A partir du DataSheet spécifique à notre capteur, nous avons établis un montage sur une plaque d’essai. Nous avons ainsi alimenté ce capteur et y connecté un élément consommant assez de courant pour obtenir une mesure. Cette mesure a été prise à la borne de VIOUT.

 

 

 

 

 

 

Conception du support capteur :

Capture Eschéma

capt

 

Une fois notre montage effectué sur une plaque d’essai, nous avons procédés à l’impression du circuit imprimé correspondant pour y accueillir notre capteur de courant. A suivi le test du capteur, non concluant par faute de calibre (20A). Nous avons ainsi décidé de changer le calibre pour passé à un plus petit (5A). Nous avons obtenu le signal ci-dessous qui correspond au courant absorbé par l’appareil branchés.

 

TEK00000

Ce test nous a permis de s’assurer du bon fonctionnement du capteur choisi. Cette simulation sera la même sur notre circuit imprimé, chaque capteur relié a chaque prise, prendra les données de la consommations des appareils branchés.

 

 

  • Présentation Raspberry

Image1

Lancé en 2013, le Raspberry Pi est un nano ordinateur détaillé. L’IUT a mis à notre disposition la dernière version, le Raspberry Pi 3. Celui-ci possède un processeur ARM de 1200 MHz, 4 ports USB, 1 port Ethernet, un module Bluetooth, un port HDMI, une prise audio 3.5 mm et un lecteur de carte Micro SD.

Le Raspberry Pi propose aussi des ports GPIO (General Purpose Inputs Outputs) qui nous permettent d’y brancher différents modules matériels tels que des capteurs comme c’est notre cas dans ce projet.

 

Afficher l'image d'origine

 

 

Nous avons plusieurs sorties/entrées à notre disposition (GPIO x) qui nous permettrons d’y connecter nos huit prises ainsi que nos capteurs.

Nous les relirons ensemble sur la masse commune de notre Raspberry (GND).

 

 

 

 

 

 

  • Codage Python de notre Raspberry

Nous avons réaliser plusieurs essais afin de se familiariser avec la programmation de la Raspberry. Ils consistaient à contrôler différents composants à l’aide d’un programme écrit par nos soins.

testrasp1

Clignotement d’une LED à partir d’une consigne GPIO Raspberry (présence d’une résistance de 270 Ohms pour protéger la LED)

 

Ce montage ainsi que de son programme adéquat nous a permis de simuler l’activation d’une des huit prises. En effet, l’appui sur le bouton poussoir nous permet d’allumer la LED qui reste dans cet état tant que nous n’avons pas ré-appuyé sur ce même bouton. Il s’agit donc du même principe pour envoyer une consigne d’activation ou de désactivation de la prise.

 

programme + mon,tage

Consigne continue permettant de choisir le temps d’activation de la LED

  • Programme de gestion des ports GPIO

Du côté de la programmation de la Raspberry, nous avons dû nous atteler à la programmation de ses ports GPIO afin d’alimenter nos différents relais.

Néanmoins, avant d’avoir pu travailler sur ce même but, nous avons été dans l’obligation de tester chacun des différents ports de la Rpi afin de s’assurer du nombre de GPIO disponibles, la désignation de certains d’entre eux étant parfois approximative voire inexistante pour certains.

Une fois cette partie de « reconnaissance » effectuée; il a donc fallu configurer les différents ports en sortie afin de permettre une alimentation du relai en 3.3 V, nous avons pu bénéficier du squelette de notre programme mis à disposition sur le site lwiringPi disponible à cette adresse: http://wiringpi.com/examples/testing-wiringpi-v2/.

Dans l’exemple ci-dessous, nous nous contentons de la configuration d’un seul port dans un premier temps (correspondant donc à un de nos 8 étages), la variable a étant donc le numéro du port que nous souhaitons configurer.

Ce programme peut être facilement testé en y raccordant une diode ainsi qu’une résistance afin de s’assurer de la bonne alimentation de la diode et donc du bon fonctionnement du port en question. C’est d’ailleurs ce que nous avons été contraints de faire, notre circuit n’étant pas encore en état de fonctionnement.

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Programme python sur Raspberry

Toujours dans ce même exemple, une fois notre programme compilé et lancé, nous pouvons constater l’incidence de celui-ci dans le tableau récapitulatif des différents ports de la Rpi ci-dessous. On constate effectivement que le port 1, correspondant au premier GPIO est bien passé à l’état de sortie.

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Affectation des sorties GPIO

Conception du circuit imprimé

Montage 1 étage (1 prise)

1etage

A partir de ce schéma, nous avons voulu tester le bon fonctionnement avant d’imprimer le schéma complet. Nous voulions être du bon fonctionnement du projet avant de se lancer dans la réalisation complète qui aurait pris du temps et beaucoup de composants si elle s’avérait défectueuse. Nous avons alors fait les essais sur une plaque de test.

Test du schéma un montage

On observe branché dans l’ordre comme ci dessus, Optocoupleur, ULN et Capteur.

IMG_2078
Test sur plaque d’essai

Montage général

Après fonctionnement sous souhaitions développer le schéma général à la taille réelle (8 prises). Nous avons ainsi créée le circuit imprimé complet du projet

 

schema complet
Schéma général sous Eschema
dzadza
Schéma général sur PCBNew

 

Afin d’élaborer ce schéma, nous avons du nous référer au Datasheet de chaque composant afin de crée de nouveau modèle de composant. Nous avons donc redessiné les composants pour les intégrer aux bibliothèques du logiciel.

creation nouveau composant
Création de l’empreinte de l’ULN

Le respect des distances entre chaque PAD, est primordial, il correspondra aux trous de perçage pour intégrer le composants sur le circuit.

 

  • Bilan

Arrivés à l’issue de ce projet, nous avons eu l’opportunité de travailler sur un projet assez élaboré avec de beaux enjeux, nous avons eu l’occasion de manipuler et de prendre en main une multitude de composants (optocoupleurs, relais, amplificateur de courant, capteur de courant, abaisseurs de tensions, etc..) que nous n’avions jusqu’alors jamais connus. De bonnes idées en ont découlé, le projet dans sa partie théorique était bien établi dans nos esprits, notre esprit d’initiative a lui aussi été sollicité et de belles choses en ont découlé. Même si au final notre projet laisse de côté un bon nombre de critères que nous espérions mener à bien comme la mise au point de scénarios ou encore la mise au point d’un interface, ce projet impliquait énormément de tâches intermédiaires à accomplir, tâches dont nous nous sommes pas rendu compte tout de suite et qui nous ont fait perdre beaucoup de temps. Sur toute la durée de ce projet, nous en sortons tout de même bien enrichis: En effet, la lecture de datasheets, la prise en main des différents composants et la mise au point de notre propre circuit imprimé ne sont que les exemples majeurs des connaissances que nous avons acquises durant notre projet.

  • Problèmes rencontrés

Un problème de gestion du secrétariat du l’IUT nous a retardé, en effet le déblocage de fond étant impossible nous avons été contraint à nous limiter à la partie théorique pendant un long moment. Cette partie était certes nécessaire afin de  le projet mais cependant trop longue. Ainsi n’ayant pas pu travailler avec nos composants dès le début, nous avons dû nous contenter d’hypothèses pour réfléchir à l’avancement du projet. Nous nous sommes alors renseignés pour les branchements de chaque composant sans pouvoir les tester directement. La vérification de chaque composant et la mise en relation de ceux-ci nous pris beaucoup de temps. Nous avons dus remodeler beaucoup de montages sans vrais résultats. Les problèmes principaux ayant été cités, nous avons eu à faire face – comme dans tout projet –  à une multitude de problèmes moindres comme par exemple des problèmes de configuration de la Raspberry, des problèmes à reprendre en main Kicad

  • Choix des composants 

 

Connecteurs 2 contacts : http://fr.rs-online.com/web/p/borniers-pour-ci/8024849/

Capteur de courant : http://fr.rs-online.com/web/p/capteurs-de-courant/8660767/

Relais sans accrochage : http://fr.rs-online.com/web/p/relais-sans-accrochage/0366259/

Fiche 4mm : http://fr.rs-online.com/web/p/fiches-et-prises-de-test-4-mm/0404171/

Optocoupleurs : http://fr.rs-online.com/web/p/optocoupleurs/6912154/

 

  • Bibliographie & Sources

Datasheet Capteur de courant ACS723 : http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/13b5/0900766b813b538c.pdf

Utilisation de la Raspberry :

  • https://espaceraspberryfrancais.shost.ca/Autre/Connecter-Raspberry-au-PC-par-cable-Ethernet-Francais/
  • https://wiki.electroniciens.cnrs.fr/index.php/Installation_d’une_cha%C3%AEne_de_compilation_crois%C3%A9e_(GCC)_sous_Eclipse
  • https://www.youtube.com/watch?v=DcNHmtlL3AU