Instrumentation Arduino d'un train électrique

## Problème original posé en Septembre 2015

On souhaite munir un train électrique de capteurs afin de :

- déterminer sa position (position, vitesse, sens) sur le circuit pour gérer de l'affichage, piloter le courant ou manipuler un aiguillage. Par exemple :

-mesurer le temps de passage en deux positions pour déterminer la vitesse.

- déterminer une butée sans contact sur la voie de garage et changer de sens avant de toucher la butée.

- mesurer le champ magnétique créé par le courant et en déduire la valeur courant d'alimentation (ampèremètre)
La démonstration finale doit permettre de montrer aux spectateurs différents rôles possibles d'un capteur magnétique.

## Questions pour vous :

Qu'est ce qu'un capteur à effet Hall ?

Comment mesure-t-on un courant traditionnellement  ?

Chercher les caractéristiques d'un capteur Hall commercial (site de Radiospares)

futur cahier des charges pour piloter l'alimentation du train.

Est une source de tension ou de courant ?

Est ce du courant dc ou ac ? Quelle puissance électrique est nécessaire ?

Qu'est ce qu'un Arduino ? Lesquels peuvent lire un capteur et comment ?

Quelles sorties (courant max, tension max) sont disponibles sur un Arduino ?

Comment déterminer la vitesse du train ?

Comment actionner un aiguillage ?

### Premiers travaux

Caractériser le train. Comment mesurer tension , intensité du courant ?

Chercher une alim réglable (l'alim commerciale n'a que quelques positions).

Est-ce que le courant est stable quand le train avance ?

Avec les aimants et capteurs fournis (à fournir !), évaluer les distances, orientations, stabilité qui permettent de détecter l'aimant (et donc le train).

## Datasheets

Arduino Uno : lien

## Annexe 3 : LogBook

Pour la présentation "fin de première partie", nous voudrions bien voir toutes les mesures que vous avez faites (sous forme de graphiques avec les détails de protocole ou de photos (au plus simple pour visualiser)).

Par exemple : courbe courant -tension (train vide, chargé ...), courbe signal Hall (passage train) à l'oscillo ? avec vos boitiers d'acquisition ?). Ordre de grandeur du bruit, de la reproductibilité ...

Votre cahier des charges (courant, tension, puissance pour les alims dont vous révez.

### Pour le 10 juin :

> 1.Scénario pour le 10 juin
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Nous allons faire tourner le train. Grâce à deux capteurs, connaissant la distance entre les deux, nous allons calculer la vitesse du train et l'afficher sur l'écran LCD. Au bout de quelques passages du train, nous allons le faire arrêter puis faire reculer, à l'aide d'un moteur, nous allons commander l'aiguillage le faire inverser et "garer" le train dans la partie qui part vers l'intérieur.

> 2.Matériel à amener
>
>

3 LED, 3 résistances telles que lorsque le capteur détecte le passage et que la troisième broche donne entre 2.7V et 5V au maximum, la LED s'allume (chaque LED avec une résistance, branchées en série entre sortie du capteur et Arduino pour montrer la nouvelle tension créée par la détection de l'aimant), le moteur pour l'aiguillage, écran LCD et un capteur en plus des 2 autres en construction s'il vous plaît .

--> L'afficheur alphanumérique 2 lignes de 16 caractères est arrivé. IL y a un potentiometre pour regler le contraste. Une plaquette et un paquet de fils pour le relier a l'Arduino (il y a 8 pattes d'alimentation+communication et 8 pattes de données). Je l'ai essayé en 8 fils données mais il faut peut etre essayer en 4 fils (mode I2C) pour garder plus de sorties numériques sur l'Arduino.

--> Une LED + 400 Ohm pour une sortie (les autres sont dans la prochaine commande).

--> Le moteur Conrad. Attention il va falloir réfléchir à sa commande (1A et 16Vac pour l'actionner).

--> Une Led + poteau de modélisme ferroviaire (bonus)

--> Pour l'Arduino il y a un module avec 4 relais.(Le lien suivant présente l'idée. http://www.seeedstudio.com/wiki/Relay\_Shield\_v3.0). Chaque relai peut commander jusqu'à 3A.

> 3.Matériel EPA utilisé
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8 câbles "basiques", 8 fiche banane 4mm male empilable ( pour relier les petits câbles Arduino aux câbles de test), 1 multiprise

### Mardi 3 mai 2016 :

Alors nous avons regardé pour le moteur, normalement il doit aller. Pour basculer le levier il doit être avancé de 6 mm. l'écran LCD devrait être bon et la référence est : 21523.

**Mardi 5 avril 2016 :**

2 capteurs Hall à sortie binaire : OK en construction

Pour la commande d'aiguillage : Le moteur Conrad (http://www.conrad.fr/ce/fr/product/1396900/426c112-------Echelle-Universel?) doit faire l'affaire (en commande). Il faudra regarder comment le relier au mécanisme d'aiguillage (où le positionner ?). De combien doit avancer le levier pour que l'aiguillage bascule ? (Pouvez vous aussi me redonner la référence de la boîte de train ?

Ecran LCD pour Arduino : Est ce à cela que vous pensez ? : https://www.arduino.cc/en/Tutorial/HelloWorld

Lorsque vous aurez le détail du circuit électrique (alimentation des capteurs, des moteurs, de l'Arduino ...) il faudra aussi voir si une alimentation spéciale est fabriquée.

## Mardi 29 mars 2016

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### **Pourrait-on avoir un afficheur electrique/ écran pour pouvoir afficher notre vitesse s'il-vous plait?**

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### Mardi 15mars 2016

#### bilan de la séance

Nous avons regardé si des interférences pouvaient exister par rapport à la détection de l'aimant par le capteur à effet hall. Nous avons donc tester le circuit en tension et regarder si des interférences pouvaient être créés soit par les rails ou soit par la locomotive. Nous avons aussi commencé à réfléchir à un scénario pour la vidéo de présentation final. De plus nous avons regarder aussi quelques programme basique que l'on pourrait faire tourner sur l'arduino pour commander le train.

#### Objectif de la séance suivante =

Continuer le scénario et la recherche de programmes simple. De plus nous aurions besoin de 2 autres capteurs à effet hall.

### Mardi 01mars 2016

#### bilan de la séance

Aujourd'hui nous avons mesuré le champ magnétique de notre aimant (qui possède un diamètre de 6mm et une longueur de 16mm et est de forme cylindrique) nous mettons dans les commentaires le graphique et les données que nous avons obtenu, nous avons réalisé les mesures avec un Teslamètre et cassylab. Le capteur était placé perpendiculairement à notre aimant car c'est comme ceci que le champ magnétique est le plus fort.

#### Objectif de la séance suivante

Mettre en ligne nos recherches sur l'effet hall et faire un programme permettant de lire le capteur avec l'arduino

### Mardi 09 février 2016

#### bilan de la séance

Suite à la revue de projet et les différents conseils donnés, nous allons repenser notre projet. quelques recherches approfondis sur l'effet HALL, on a un schéma simplifié. nous avons compris le champ magnétique déviait les électrons qui passaient dans le capteur, ces électrons déviés forment une nouvelle tension : tension HALL. cette tension est la tension que donne notre capteur a l'arduino (supérieure à 2.5V).

#### Objectif de la séance suivante

C'est à dire plus se concentrer sur l'effet HALL, faire un programme arduino facile et à l'aide de LED pouvoir expliquer de manière simple l'effet HALL et l'arduino. Nous allons structurer ce qu'on va presenter dans la vidéo finale afin de ne pas trop s'éparpiller.

### Mardi 19 janvier 2016

#### Bilan de la séance

Nous avons avancé le powerpoint pour le compte rendu oral du projet.

### Mardi 12 janvier 2016

#### Bilan de la séance

Nous avons procédé a de nouveaux tests avec le circuit et l'arduino. Nous avons réussi a faire tourner le petit programme qui consiste a faire marcher le train puis le faire arrêter toutes les 10 secondes. Nous n'avons pas encore pris en compte le capteur a effet hall dans le programme.

#### Objectif de la séance suivante

Nous allons maintenant essayé de rentrer le programme sur l'arduino pour que le train s’arrête après deux passages devant le capteur.

### Mardi 5 janvier 2016

#### Bilan de la séance

Nous avons commencé a procédé a des tests avec des programme pour arrêter le train durant dix secondes et le remettre en route dix secondes. Nous n'avons pas réussi a faire fonctionner le programme mais nous avons une idée de ce qui ne va pas.

#### Objectif de la séance suivante

Faire fonctionner ce petit programme et essayé de

### Mardi 15 décembre 2015

#### Bilan de la séance

Nous avons commencé a écrire le programme a l'aide de la documentation nous indiquant les différentes fonctions que nous pouvons entré dans le programme afin de déclarer des variables, des entrées et des sorties, afin de permettre a l'arduino de commander un limiteur d’intensité placé avant le train pour faire ralentir ce dernier.

#### Objectifs de la séance suivante

Nous allons finir le programme et l'entré dans la carte arduino afin de le tester avec le circuit et le train.

### Mardi 8 décembre 2015

#### Bilan de la séance

Nous avons trouvé le circuit afin de n'utiliser qu'un seul générateur comme alimentation. Nous avons commencer a imaginer la boite qui pourrait contenir le générateur et la disposition des différentes sorties du générateur. Il fournira 14V mais un pont diviseur de tension sera mise en place pour ne pas sur-alimenter la carte arduino. Nous avons aussi continuer le programme pour la carte arduino et regarder les differentes fonctions comme loop et setup qui faudra utiliser pour entrer le programme dans la carte arduino.

#### Objectifs de la séance suivante

Nous allons voir avec les préparateurs pour avoir des fils permettant d'alimenter l'arduino à l'aide du montage que nous avons déterminé, et commencer a faire la boite. Nous continuerons aussi le programme.

### Mardi 1 décembre 2015

#### Bilan de la séance

Vincent et Carl ont commencé a caractériser le circuit afin de pouvoir réunir toutes les alimentations en une seule. Sébastien a commencé à regarder l’algorithme nécessaire pour l'arduino. nous avons également télécharger le logiciel arduino sur notre ordinateur afin de pouvoir commencer à créer le programme (qui pour l'instant nous permettrait d'arrêter le train dans un premier temps).

#### Objectifs de la séance suivante

Continuer d'étudier le circuit et avancer sur le programme.

### Mardi 17 Novembre 2015

#### Bilan de la séance

Nous avons finalement installer le capteur sur une petite baguette en bois afin qu'il soit le plus proche de l'aimant lors du passage du train. Nous avons donc percer un trou dans la plaque au bord des rails afin de placer cette baguette de telle sorte a avoir la plus grande détection du champ. Nous avons ensuite regarder si le capteur était bien placer a l'aide de CassyLab. Nous avons aussi placer la carte électronique du capteur et fait d'autre trou sur la plaque afin de pouvoir déplacer la baguette avec le capteur.

#### Objectifs de la séance suivante

Nous aurions besoin de la carte électronique arduino afin de pouvoir contrôler le train lors de son passage à un certain endroit détecter a l'aide du capteur. Nous aimerions aussi un autre capteur a effet hall afin de detecter le train en un autre point du circuit de lui envoyer une autre commande.

### Mardi 10 Novembre 2015

#### Bilan de la séance

Nous avons commencer a regarder l'effet de géométrie de l'aimant afin de pouvoir maximiser la détection du champ. Ainsi nous avons pu déterminer la place exacte du capteur pour détecter les plus grandes variations de courant possible lorsque le train passe. Nous avons demandé un petit tube en plastique aux préparateurs présents afin d’insérer le capteur a l’intérieur et commencer a faire des marques afin de bloquer ce tube.

### Mardi 3 Novembre 2015

#### Bilan de la séance

Nous avons commencé par tracé la courbe f(I)=U caractérisant la relation intensité-courant en utilisant les valeurs moyenne de l'intensité pour chaque valeurs entières de la tension (1 à 14V) mais cette relation n'est pas linéaire. Nous avons aussi déterminer le coefficient pour contrôler l'alimentation en externe et il vaut 6. L'arduino uno peut donc suffire pour contrôler cette alimentation réglable. Nous avons utilisé une carte d'acquisition et le logiciel cassyLab afin de mesurer des variations plus précise pour le placement du capteur. Ainsi nous avons pu commencé a placé la carte électronique avec le capteur, que l'on a éloigné a l'aide de fil plus long, afin de pouvoir modifier la position du capteur sans bouger la carte électronique.

#### Objectifs de la séance suivante

Finir de mettre en place le capteur afin d'avoir les plus grandes variations possible lors du passage du train, prendre des photos du montage complet et des différentes expériences réalisées car nous n'avons pas pu en prendre avant. Pourrions nous avoir l'arduino pour la séance prochaine ?

### Mardi 13 Octobre 2015

#### Bilan de la séance

Nous avons fait des recherches sur la carte électronique arduino UNO, elle devra être alimenter par un bloc alimentation qui fournit une tension de 9V et une intensité de 500mA en sortie. Nous avons eu un petit contre-temps car lorsque nous avons débrancher un des câbles d'alimentation de l'alimentation réglable, la fixation a cassé donc nous avons du attendre les préparateurs afin de pouvoir la ressouder. Une fois cela fait, nous avons commencé a chercher comment disposer les aimants et le capteur afin de mesurer la plus grande variation en sorti du capteur. Nous avons commencé aussi a se demander comment nous pourrions piloter l'aiguillage depuis l'arduino.

#### Objectifs de la séance suivante

Nous devons encore regarder quelle tension en entrée à appliquer à l'alimentation réglable afin qu'elle alimente le train avec une tension de 14V. Nous allons aussi regarder la variation de courant lorsque le capteur détecte l'aimant à l'aide d’un oscilloscope.

### Mardi 6 Octobre 2015

#### Bilan de la séance

Nous avons déterminer la position exact du capteur : le coté cylindrique doit être placé parallèlement au coté le plus large du capteur. Nous avons ensuite mesuré les différentes valeurs du courant en fonction de la tension. Nous avons aussi fait des recherches sur l'effet de géométrie et les différentes formules qui donne le champ d'un aimant qui a une forme particulière. De plus, nous avons cherché des infos sur les sorties de l'arduino qui sont soit analogiques ou numériques afin de placer l'alimentation réglable sur la bonne sortie.

#### Objectifs de la séance suivante

Nous devons encore rechercher des infos sur l'arduino, sur son alimentation et sur son fonctionnement. Nous devons aussi essayer de fixer le capteur dans la position idéale que nous avons trouvé.

### Mardi 29 Septembre 2015

#### Bilan de la séance

On a monté la nouvelle alimentation réglable que vous nous avez fourni, de plus les préparateurs de physique nous ont aidés à modifier le câblage afin de pouvoir mesurer la tension et le courant correctement. Ainsi, nous avons pu déterminer le courant qui varie entre 80 et 150 mA, nous pensons que cette variation est due aux frottements générés par les roues du train sur les rails dans les virages. On a commencé à chercher la position idéale pour placer le capteur à effet HALL qui détectera le passage du train grâce aux aimants placés sur le train. nous pensons que cette position est à la fin d'une des deux lignes droites. Or, il y a une ligne droite où il y a l'aiguillage donc on va le mettre en face. Nous avons essayé le capteur à effet HALL donc sans champ magnétique, il y a une tension de 2.5 V, nous avons d'abord essayé les aimants fournis, le capteur détecte bien les aimants mais il y a une disposition spéciale du capteur qui permet de mieux détecter le champ, il faut mettre les aimants perpendiculairement par rapport au capteur.

#### Objectifs de la séance suivante

Nous avons encore des recherches a faire : la position exacte du capteur par rapport à l'aimant, sur l'arduino et son fonctionnement

### Mardi 22 Septembre 2015

#### Bilan de la séance

Nous avons commencé à étudier le train.

- masse locomotive : 194 g

- masse wagon blé : 54 g Masse totale : 338.5 g

- masse wagon container : 43 g

- masse wagon cailloux vide : 47.5 g

Nous avons eu un petit contre-temps : nous nous sommes aperçu que les rails n'ont pas été monté correctement, nous avons donc du tout démonter afin de replacer certains rails. Nous avons ensuite mesuré la longueur des rails assemblés : il y a 2 demi-cercles d'un diamètre de 76cm donc p = 2\*pi\*38 = 76pi et deux lignes droites de 72cm donc L = 72\*2+76pi = 144+76pi cm

Puis nous avons mesuré a la vitesse maximale le temps que mettait le train pour faire un tour. Nous avons trouvé un temps d'environ 26s pour 3 tours donc nous trouvons une vitesse de 0.44m.s-1 .

Nous avons aussi essayé de mesurer le courant et la tension à l'aide d'un multimètre mais nous avons du bricoler car nous ne pouvions pas raccorder de façon correcte le multimètre et nous ne pouvions pas démonter le boitier de contrôle.

#### Objectifs de la séance suivante

Déterminer plus précisément le courant et la tension, commencer a chercher des solutions pour placer le ou les capteurs que nous devrons utiliser, se renseigner d'avantage sur l'arduino,...

### Mardi 15 Septembre 2015

#### Bilan de la séance

Découvert en 1879 par le physicien E. Herbert Hall. Le capteur fonctionne grace à l'effet Hall :

Lorsqu'un élément conducteur est traversé par un courant et qu'il passe dans un champ magnétique, une tension apparait sur les faces latérales de l’élément. C'est donc une nouvelle tension.

Vh= Kh\*B\*I0

Kh : constante de Hall (qui dépend du matériau)

B : champ magnétique d'induction

I0 : courant appliqué à l'élément
-travail effectué pendant la séance
-bibliographie, recherche sur ...
-point sur les besoins qui apparaissent ...

On mesure le courant traditionnellement a l'aide d'une pince ampèremétrique ou d'un ampèremètre branché en série.

Un capteur hall mesure une tension, il est en général linéaire (lit toutes les valeurs possible) ou en tout ou rien (n'a que 2 états : oui ou non).

Le cahier des charges sert a informer une personne sur la fonctionnalité du système.

Un arduino est une carte électronique qui traite les informations reçues par différents capteurs (environ 40euros) nous pensons acheter pour le moment une carte arduino UNO basique (environ 20euros) qui lit les informations de capteurs grâce a un microcontrôleur.

#### Questions/demandes posées aux encadrants

**Devons nous trouver l'aimant et le capteur a effet hall ou uniquement le capteur ? Si il s'agit uniquement du capteur pourriez-vous nous donner les caractéristiques de l'aimant ?**

### Mardi 8 Septembre 2015

Présentation du cadre général du partenariat puis des huit projets.
Présentation de quelques matériels.