Sonde de courant sur Adruino

Sonde de courant ratiométrique avec Arduino

IUT MULHOUSE

DUT GEII

ANNÉE SCOLAIRE: 2018/2019

Sommaire

 

  • Introduction
  • Stratégie
  • Présentation du matériel utilisé
  • Conception du circuit
  • Programmation
  • Réalisation du support
  • Analyse des informations obtenues
  • Coût du projet
  • Conclusion
  • Remerciements

 

Introduction

 

Durant notre première année de DUT Génie Electrique et Informatique Industrielle nous devons effectuer un projet d’étude et réalisation. Nous avons choisi de réaliser une sonde de courant ratiométrique à l’aide d’un Arduino uno. Pour mener à bien ce projet nous étions encadrés par deux professeurs, Mr Colicchio et Mr Strafella et notre équipe était composée de la manière suivante :

 

  • Anthony TORT- Responsable conception du circuit et testeur
  • Mathieu REY- Responsable réalisation du circuit et codeur

 

Le but de notre projet est de réaliser une mesure de courant à l’aide d’une sonde sans contact direct avec une isolation galvanique de manière à l’utiliser en toute sécurité. Notre sonde étant une sonde à effet Hall ratiométrique de type analogique, nous l’avons couplé avec un arduino uno afin d’en ressortir les valeurs du courant efficace mesurer  et de pouvoirs les affichées sur un écran oled. Il nous a donc fallu apprendre les bases du codage Arduino.

Nous avons commencé le lundi 27/05 et nous l’avons achevé 20/06.

 

Stratégie

 

Nous avons tout d’abord commencé par la répartition des rôles, ainsi que la création d’une timeline avec laquelle nous devions concorder pour la bonne réalisation de notre projet.

Nous avons ensuite commencé la documentation ainsi que l’analyse matérielle. Celle-ci nous a permis de mieux comprendre la carte arduino et notre sonde ratiométrique. Notre Arduino nous permettra d’alimenter notre sonde et aussi de traiter l’information qu’elle en recevra afin de l’afficher sur notre afficheur Oled.

 

Nous avons pu en tirer un premier schéma:

Nous devions aussi comprendre ce qu’est l’effet hall créer par Mr Edwin Herbert Hall en 1879 qui a énoncé le théorème suivant : “lorsqu’un courant électrique traverse un matériau baignant dans un champ magnétique, celui-ci engendre une tension perpendiculaire à ce dernier”; c’est cette tension qui sera mesurée et traitée pour en déduire le courant d’entrée du système.

La tension de sortie Vs est égale au courant I multiplié par le champ magnétique B multiplié par les constantes du matériau et de l’environnement du système.

 

Présentation du matériel utilisé

 

Pour ce projet nous utilisons trois composants principaux, une sonde de courant a effet Hall ratiométrique ACS712 du type analogique ainsi qu’une carte Arduino uno. Les deux condensateurs présents sur le schéma servant au filtrage et enfin un afficheur Oled qui affichera le courant efficace mesuré.

 

Sonde ACS712 :

Afficheur Grove – OLED Display 0.96 inch:

Conception du circuit

 

L’un des points principaux de notre projet étant la conception du circuit pour créer notre sonde de courant. Pour cela nous avons utilisé le logiciel Kicad afin de réaliser la plaque sur laquelle sera soudé notre sonde ainsi que les connecteurs.

Ces connecteurs servent à:

  • Liaison avec l’Arduino (Alimentation, Masse et Informations)
  • Une sortie oscilloscope
  • Une entrée pour le courant à mesurer
  • Un fusible (protection du circuit)

Le composant ACS712 n’existant pas sur Kicad, nous avons donc dû lire ces documentations afin de créer le symbole ainsi que le module afin de créer notre plaque.

 

Ces schémas Kicad terminés nous voilà à la réalisation de la plaque.

Mais afin de passer à l’étape de la création, des mesures de protection sont nécessaires à cause du contact avec des produits dangereux il faut donc se munir :                                                                                                                                         

 

Des gants en latex

Une blouse de travail

Lunette de protection

Après la création de la carte virtuellement la prochaine étape est de créer la carte électronique qui est réalisée en plusieurs étapes :

  1. Imprimer, découper et passage aux rayons UV

Après avoir imprimé le schéma des pistes KiCad sur une feuille de calque, il faut découper la plaque qui va accueillir la piste avec les dimensions nécessaires, ensuite il faut placer la plaque découpée sur la feuille de calque dans les rayons UV afin de créer une réaction chimique sur la résine présente sur la plaque n’étant pas protégée par les pistes de la feuille de calque.

  1. Passage au révélateur et nettoyeur

La plaque passant dans le révélateur va afficher les pistes qui n’étaient pas exposées aux rayons UV, elle va ensuite passer dans une nettoyeuse au 

perchlorure afin d’enlever les résidus de résine pour ainsi afficher les pistes cuivrées. La plaque sera encore passée aux UV

afin d’enlever toute trace de résine.

  1. Étamage

La plaque va être ensuite plongée dans de l’étain chimique à froid pour y déposer une couche d’étain sur le cuivre afin de le protéger de l’oxydation.

  1. Perçage des pistes

Perçage des pistes avec différentes tailles de foret suivant les différentes pattes des composants, le trou ne doit être ni trop petit ni trop grand.

Programmation

 

Le deuxième gros point de notre projet fut la programmation de notre carte Arduino,

le codage de cette carte Arduino se décompose en trois grandes parties distinctes:

  • L’acquisition de l’information donnée par notre sonde
  • Le traitement de cette information
  • L’affichage de l’information sur notre écran oled

Lorsque la sonde envoie un signal résultant du courant mesuré la carte Arduino va recevoir une valeur binaire qui dans la partie traitement va être convertie en valeur analogique grâce à la fonction map de l’Arduino de manière convertir la tension émise par la sonde et en déduire le courant mesuré en fonction de la courbe ci-dessous présente dans la datasheet du composant.

Lors de la phase de test l’afficheur n’affichant pas la valeur fixe du courant efficace lorsqu’il mesure un courant alternatif, il fallut implémenter un “delay”de 5 ms dans la moyenne pondérée du courant mesuré dans la partie traitement du code.

 

Réalisation du support

 

Afin de rendre notre projet plus compréhensible et utilisable en toute sécurité par les étudiants et les enseignants, nous avons décidé de créer un boîtier afin de servir de support au projet. Celui-ci sera transparent pour un côté esthétique et fonctionnel  (visualisation matérielle en cas de panne).

Nous avons utilisé le site Makercase afin de réaliser le schéma d’assemblage de notre support puis nous avons utilisé le logiciel Coreldraw ainsi que la découpeuse laser de l’IUTLab afin de créer notre boitier. Celui-ci a été décomposé en deux parties. Une première où sera placée la carte Arduino et une autre avec notre plaque électronique où est présente la sonde. Nous avons créé une liaison entre les deux parties afin de pouvoir les connecter entre elles. Nous avons aussi dimensionné les trous pour les différentes fiches d’alimentations, de sortie oscilloscope et fusible ainsi que le trou pour insérer l’écran.

 

Analyse des informations obtenues

 

Les premiers tests de la sonde furent effectués en courant continue ou la sonde était reliée en série avec une résistance variable avec en entrée du système 2A et 24V grâce une génératrice de courant continue. La résistance variable permettait de faire varier le courant. La mesure de sortie de la sonde était effectuée grâce à un multimètre la valeur mesurée variant 2.5V à 3V

  

Dans un second cas nous avons testé la sonde reliée à l’Arduino avec l’afficheur de manière à faire varier la valeur courant sur l’afficheur et dans la console Arduino.

Pour finir nous avons mis notre sonde dans un montage à courant alternatif pour voir la variation du courant sur la sortie oscilloscope .

Coût du projet

 

Le prix final de notre projet est d’environ 75 €, ce prix est plutôt élevé car nous pouvons trouver sur le marché des multimètres adapté à la mesure de courant sur la même plage de mesure que notre sonde au même prix.

Mais notre sonde a un avantage certain, celles-ci grâce à sa carte arduino est beaucoup plus flexible. Nous pouvons donc programmer notre sonde afin d’afficher différentes valeurs et lier par la suite d’autres système à la carte Arduino déjà présente.

Elle possède aussi une fiche oscilloscope ce qui n’est pas présent dans la plupart des appareils de mesure de courant électrique du même type.

Notre sonde a comme but d’être utilisé au sein de l’IUT dans un cadre éducatif. C’est pour cela que le coût de projet importe peu tant il est raisonnable.

Conclusion

 

Ce projet nous tenait à coeur car nous avons réussi à approfondir nos connaissances sur l’effet Hall et comprendre le fonctionnement de différents composants électroniques.

Grâce à l’Arduino nous avons pu approfondir et découvrir de nouvelles connaissances en matière de programmation du système embarqué.

Nous sommes parvenus à réaliser notre projet dans les temps estimés, nous étions même en avance sur notre timeline à un certain temps du projet car notre schématisation prit moins de temps que prévu.

 

Pour aller plus loin

 

Notre projet peut être amélioré, l’implémentation de bouton poussoir pourrait par exemple nous permettre de changer l’affichage et d’afficher différentes valeurs(Max, Min, efficace) .

L’oscilloscope étant relié directement à la sonde la courbe affichée est bonne mais un offset est présent ce qui peut être traité par la suite grâce à un amplificateur opérationnel ou en reliant la sortie oscilloscope à l’Arduino de manière à traiter le signal qui sera affiché sur l’oscilloscope.

En courant alternatif le code fait une moyenne de plusieurs courants efficace à des moments T ce qui est adapté pour le courant continu mais pas pour le courant alternatif, il faudrait repenser entièrement le code du programme Arduino de manière à appliquer la formule ci-dessous pour chaque point à l’instant T.

 

Remerciements

Nous tenons particulièrement à remercier nos tuteurs :

Mr COLICCHIO Bruno

Mr STRAFELLA Salvatore

Mr ROTH Jean-François

Mr DE SABBATA Christophe