KiCad

Cette catégorie regroupe l’ensemble des articles qui aborde l’utilisation du logiciel KiCad, suite logicielle libre dédiée à la conception de circuits électroniques, dans le développement du diorama de la Batcave du projet BATLab112.

Conception de l’architecture électronique du pont élévateur du projet BATLab112 : schémas KiCAD, Arduino et régulation des moteurs

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Résumé

Cet article s’inscrit dans la continuité de la publication consacrée au test d’intégration de la nouvelle architecture électronique du système de commande du pont élévateur du projet BATLab112. Les essais réalisés ont permis de valider le fonctionnement de cette nouvelle conception, tant sur les plans matériel que logiciel, confirmant ainsi sa conformité aux objectifs fonctionnels…

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Validation de l’architecture électronique après les essais d’intégration

Cet article s’inscrit dans la continuité de la publication consacrée au test d’intégration de la nouvelle architecture électronique du système de commande du pont élévateur du projet BATLab112. Les essais réalisés ont permis de valider le fonctionnement de cette nouvelle conception, tant sur les plans matériel que logiciel, confirmant ainsi sa conformité aux objectifs fonctionnels définis lors de la phase de conception.

Cette validation constitue une étape déterminante dans le développement du diorama. Elle marque le passage entre la phase de vérification fonctionnelle et celle de la documentation technique, dont l’objectif est de présenter en détail l’organisation de l’architecture électronique ainsi que les choix d’ingénierie qui ont conduit à sa conception.

Une architecture électronique entièrement conçue sous KiCAD

Comme l’ensemble des développements électroniques du projet BATLab112, les schémas du système de commande du pont élévateur ont été réalisés avec le logiciel KiCAD. Cet environnement de conception électronique (EDA) permet d’organiser un projet complexe sous la forme d’une arborescence de schémas hiérarchiques réunis dans un fichier unique.

Cette méthode de conception présente plusieurs avantages. Elle améliore la lisibilité de la documentation, facilite l’identification des différents sous-ensembles fonctionnels et garantit une parfaite traçabilité des évolutions apportées au système tout au long de son développement. Elle reflète également la démarche méthodique d’ingénierie adoptée pour l’ensemble du projet BATLab112.

Une organisation hiérarchique pour comprendre progressivement le système de commande

L’architecture électronique est volontairement organisée selon plusieurs niveaux hiérarchiques. Cette structuration permet de découvrir progressivement le système de commande, en passant d’une vision globale de l’installation jusqu’au détail de chacun des circuits imprimés (PCB).

Le premier niveau de l’arborescence offre une vue d’ensemble des principaux équipements qui composent le système de commande du pont élévateur. Les niveaux suivants détaillent ensuite l’architecture interne de chacun de ces sous-ensembles afin de mettre en évidence leurs fonctions, leurs interactions et leur contribution au fonctionnement global de l’installation.

Niveau 1 : Vue d’ensemble de l’architecture électronique du système de commande

Le premier niveau de l’arborescence des schémas présente l’ensemble des équipements constituant le système de commande du pont élévateur. Cette représentation globale permet d’identifier immédiatement les principaux sous-systèmes ainsi que les liaisons électriques assurant leur fonctionnement coordonné.

L’architecture s’articule autour de plusieurs ensembles fonctionnels spécialisés, chacun remplissant un rôle précis dans le pilotage, l’alimentation et le contrôle du pont élévateur.

Armoires de distribution électrique : alimentation des composants électroniques et des moteurs

Les armoires de distribution électrique assurent la fourniture des différentes tensions nécessaires au fonctionnement du système. 

  • Une alimentation de 5 V courant continu (5 VDC) est dédiée aux composants électroniques tels que les cartes Arduino, les relais, les diodes électroluminescentes (LED) et les différents circuits de commande.
  • Une seconde alimentation en 12 V courant continu (12 VDC) est réservée aux moteurs électriques assurant la transmission du mouvement vers les différents axes du pont élévateur.

Le choix de cette tension d’alimentation, distincte de celle utilisée pour les composants électroniques, résulte des caractéristiques des moteurs retenus lors de la phase de conception. Ceux-ci ont été dimensionnés afin de développer le couple nécessaire à l’entraînement des différents axes du pont élévateur, ce qui impose une alimentation en 12 VDC adaptée à leurs performances électromécaniques.

Plateformes moteurs : transmission du mouvement et mesure de la vitesse de rotation

Le système comprend quatre plateformes moteurs, chacune intégrant les éléments usinants : 

  • Un moteur électrique chargé d’entraîner un axe du pont élévateur.
  • Un capteur optique permettant de mesurer sa fréquence de rotation.
  • Une armoire de raccordement électrique regroupant les connexions de puissance et les liaisons des capteurs.

Cette organisation modulaire facilite les opérations de câblage, de maintenance et de remplacement des équipements.

Armoires de commande : cœur de l’électronique de contrôle du pont élévateur

L’ensemble est piloté par deux armoires électriques intégrant l’électronique de commande du système. Elles regroupent les cartes électroniques assurant le traitement des informations provenant des capteurs, le pilotage des moteurs, la gestion des interfaces d’entrée et de sortie ainsi que les fonctions de sécurité nécessaires au fonctionnement du pont élévateur.

Ces armoires constituent le cœur de l’architecture électronique développée pour BATLab112 et assurent la coordination de l’ensemble des équipements afin de garantir un fonctionnement fiable, reproductible et évolutif du diorama.

Console de commande : centre de pilotage et de supervision du pont élévateur

Les quatre consoles de commande développées dans le cadre du projet BATLab112 reposent sur une architecture mécanique commune. Ce design générique constitue une plateforme standardisée sur laquelle viennent s’intégrer des sous-ensembles électroniques spécifiques à chaque équipement industriel représenté dans le diorama. Cette approche modulaire facilite la conception, la maintenance et les évolutions futures, tout en garantissant une ergonomie homogène entre les différentes consoles.

La console de commande constitue le centre névralgique de l’architecture électronique du système de commande du pont élévateur. Elle centralise l’ensemble des fonctions de pilotage, qu’il s’agisse des commandes manuelles utilisées lors des phases d’exploitation ou des commandes automatiques exécutées par le système de contrôle.

En complément de ces fonctions de commande, la console assure la réception et le traitement des informations transmises par les armoires électriques de contrôle et d’interface ainsi que par les différents capteurs de fin de course répartis sur le pont élévateur. Ces données sont exploitées pour restituer en temps réel l’état de fonctionnement de l’installation, notamment la position des différents axes, l’état des mouvements en cours et les informations nécessaires à la supervision du système.

Si tous les équipements apparaissent dans la vue d’ensemble de l’architecture, ils ne nécessitent pas le même niveau de description. Certains sous-ensembles assurent essentiellement des fonctions de raccordement électrique, tandis que d’autres concentrent les fonctions de traitement, de commande et de régulation qui constituent le cœur du système électronique. Les développements qui suivent portent donc principalement sur ces derniers.

Périmètre de présentation des schémas électroniques

Les niveaux hiérarchiques suivants de l’arborescence des schémas électroniques ne détaillent pas les armoires de distribution électrique ni les plateformes motorisées. En effet, ces sous-ensembles se limitent essentiellement à des fonctions de raccordement électrique réalisées au moyen de borniers, sans intégrer de circuits électroniques de commande ou de traitement de l’information.

Leur représentation détaillée n’apporterait donc aucun élément supplémentaire à la compréhension de l’architecture électronique globale du système de commande du pont élévateur. L’article se concentre ainsi sur les schémas des sous-ensembles assurant les fonctions de contrôle, d’interface et de pilotage, qui constituent le cœur fonctionnel de cette architecture.

Cette première représentation fournit une vision globale de l’architecture du système et constitue le point de départ de l’analyse détaillée développée dans les sections suivantes. Chaque niveau de l’arborescence apportera ensuite un degré supplémentaire de précision afin de présenter successivement les armoires électroniques, la console de commande, puis les différents circuits imprimés qui composent le système.

Niveau 2 – Décomposition fonctionnelle des principaux sous-ensembles électroniques

Après avoir présenté l’organisation générale du système de commande, le deuxième niveau de l’arborescence détaille l’architecture interne des principaux sous-ensembles électroniques. Cette approche permet de comprendre comment les différentes fonctions sont réparties entre les cartes électroniques, les microcontrôleurs et les interfaces de puissance afin d’assurer le pilotage, la régulation et la supervision du pont élévateur.

Architecture électronique de la console de commande du pont élévateur

Le deuxième niveau de l’arborescence des schémas électroniques présente l’organisation interne de la console de commande et détaille les différents sous-ensembles électroniques qui la composent.

Dans le cas de la console de commande du pont élévateur, l’architecture électronique s’articule autour de quatre sous-ensembles fonctionnels principaux :

  • les cartes électroniques (PCB) dédiées aux commandes manuelles, qui regroupent l’ensemble des organes de pilotage mis à la disposition de l’utilisateur. Elles permettent notamment de commander la montée et la descente du pont élévateur, ainsi que les différentes fonctions de contrôle accessibles depuis la console ;
  • les cartes électroniques (PCB) assurant les fonctions spécifiques au contrôle et au pilotage du pont élévateur. Elles permettent notamment de définir la consigne de référence de la vitesse de rotation des moteurs électriques, afin d’adapter la vitesse de déplacement du pont élévateur en fonction des conditions d’exploitation retenues ;
  • les cartes électroniques (PCB) d’interface avec les capteurs de fin de course, chargées de conditionner et de transmettre les informations issues des différents détecteurs répartis sur l’installation. Elles assurent en particulier l’arrêt automatique des moteurs lorsque le pont élévateur atteint sa position haute ou sa position basse, garantissant ainsi le respect des limites mécaniques de fonctionnement ;
  • les cartes Arduino Mega et les écrans TFT de 2,8 pouces, qui assurent le traitement des informations, la communication avec les armoires électroniques de contrôle et d’interface, ainsi que l’affichage en temps réel de l’état du système de commande et de la position du pont élévateur.

Cette organisation hiérarchique met en évidence la séparation des fonctions de commande, d’acquisition des informations, de traitement et de supervision, conformément aux principes d’une architecture électronique modulaire, évolutive et facilement maintenable.

La console de commande constitue l’interface entre l’utilisateur et le système. Son fonctionnement repose cependant sur plusieurs armoires électroniques qui assurent le traitement des informations, la régulation des moteurs et la commande de puissance. L’étude de leur architecture permet de mieux comprendre la répartition des fonctions au sein du système de commande.

Architecture électronique de l’armoire de contrôle et d’interface de puissance des moteurs

Le deuxième niveau de l’arborescence des schémas électroniques présente l’organisation interne de l’armoire électrique d’interface de puissance des moteurs du pont élévateur. Cette armoire constitue l’interface entre le système de commande et les actionneurs, en assurant à la fois la distribution des signaux de commande, la gestion de la puissance électrique et les fonctions de sécurité nécessaires au fonctionnement de l’installation.

Son architecture électronique est organisée autour de trois sous-ensembles fonctionnels principaux :

  • Un circuit imprimé (PCB) assurant les fonctions de bornier de raccordement électrique et de sectionneur. Il centralise les liaisons électriques entre les différents équipements et permet l’isolement électrique de l’armoire afin de sécuriser les opérations de maintenance ou les interventions manuelles sur les composants électroniques ;
  • Un premier PCB L298N intégrant un double pont en H, chargé de l’interface de puissance avec deux des moteurs électriques. Il assure le pilotage du sens de rotation ainsi que la régulation de leur vitesse à partir des consignes transmises par le système de commande ;
  • Un second PCB L298N intégrant un double pont en H, assurant les mêmes fonctions pour les deux autres moteurs électriques du pont élévateur. Cette répartition permet de commander indépendamment les quatre moteurs tout en conservant une architecture modulaire, évolutive et facilement maintenable.

Alors que l’armoire d’interface de puissance assure l’alimentation et le pilotage électrique des moteurs, une seconde armoire est dédiée aux fonctions de contrôle et de régulation. Cette séparation des fonctions constitue un choix d’architecture qui améliore la modularité du système tout en simplifiant les opérations de développement, de maintenance et d’évolution.

Architecture électronique de l’armoire de contrôle et de régulation de la vitesse des moteurs

Le deuxième niveau de l’arborescence des schémas électroniques présente l’organisation interne de l’armoire électrique de contrôle et de régulation de la vitesse de rotation des moteurs du pont élévateur. Cette armoire assure le traitement des informations issues des capteurs de vitesse, l’exécution des algorithmes de régulation ainsi que la génération des consignes destinées à l’armoire d’interface de puissance.

À l’image de l’armoire de contrôle et d’interface de puissance, elle intègre :

  • Un circuit imprimé (PCB) assurant les fonctions de bornier de raccordement électrique et de sectionneur. Ce sous-ensemble centralise les connexions électriques de l’armoire tout en permettant son isolement lors des opérations de maintenance ou des interventions sur les composants électroniques.
  • Une carte Arduino Nano R4, le coeur du système, dont le programme met en œuvre les algorithmes de régulation de la vitesse des quatre moteurs électriques. Chaque moteur est piloté indépendamment à partir des mesures fournies par son capteur de vitesse, ce qui permet de compenser les écarts de fonctionnement entre les motorisations et de garantir la parfaite synchronisation de leurs mouvements. Cette régulation indépendante contribue à maintenir l’horizontalité et la stabilité du pont élévateur tout au long de ses déplacements verticaux.
  • Un écran OLED i2c fournissant en temps réel des informations synthétiques sur la vitesse de rotation de chacun des moteurs ainsi que sur l’état de fonctionnement du système de régulation. Implanté au plus près des équipements électroniques, cet affichage constitue un outil de diagnostic particulièrement utile lors des phases de développement, de mise au point des algorithmes de régulation et de réglage des paramètres de fonctionnement du pont élévateur.

Niveau 3 – Schémas détaillés des circuits imprimés et des composants électroniques

Le troisième et dernier niveau de l’arborescence correspond au degré de détail le plus fin de la documentation électronique. Chaque feuille hiérarchique décrit soit un composant complexe, tel qu’une carte Arduino ou un écran TFT, soit le schéma complet d’un circuit imprimé développé spécifiquement pour le projet BATLab112. Cette organisation garantit une parfaite traçabilité entre l’architecture fonctionnelle du système et sa réalisation électronique.

Carte électronique de centralisation des commandes manuelles

Architecture du PCB010 : une organisation modulaire des commandes manuelles

Le PCB010, dédié à la centralisation des commandes manuelles de la console du pont élévateur, est constitué de deux circuits imprimés distincts. Ce découpage résulte d’un choix de conception visant à optimiser l’implantation de l’électronique au sein de la console de commande, à simplifier le câblage et à faciliter les opérations de maintenance ainsi que les évolutions futures du système.

  • Le premier circuit imprimé regroupe l’ensemble des composants directement accessibles à l’utilisateur, tels que les commutateurs (switchs), les boutons-poussoirs et les voyants à LED, qui constituent l’interface de commande et de signalisation de la console.
  • Le second circuit imprimé est exclusivement consacré aux relais de logique câblée, assurant le traitement des commandes manuelles et la mise en œuvre des fonctions logiques nécessaires au pilotage du pont élévateur. Cette organisation contribue à améliorer la lisibilité de l’architecture électronique tout en facilitant l’intégration mécanique des différents composants dans un espace restreint.

Logique câblée : un choix d’ingénierie pour la sécurité et le réalisme du projet BATLab112

Cette architecture répond à une volonté plus large du projet BATLab112 : reproduire le plus fidèlement possible les principes de fonctionnement des installations industrielles réelles. Dans cette optique, les commandes manuelles des quatre consoles pilotant les différents équipements du diorama ont été réalisées selon une logique câblée, plutôt qu’au moyen d’un traitement logiciel intégral.

Ce choix technologique présente plusieurs avantages. Il permet tout d’abord de dissocier les fonctions de commande manuelle des traitements réalisés par les microcontrôleurs, ce qui améliore la robustesse du système et simplifie son analyse fonctionnelle. Il contribue également à renforcer la sécurité de fonctionnement, en particulier pour les équipements mettant en œuvre des mouvements mécaniques tels que le pont roulant, le pont élévateur ou la plateforme rotative.

En effet, les fonctions de commande reposent sur des relais électromécaniques dont le comportement est intrinsèquement sûr : en cas de coupure de l’alimentation électrique, leurs contacts reviennent automatiquement dans leur position de repos. Cette caractéristique facilite la mise en œuvre de fonctions de sécurité passives, sans nécessiter d’intervention logicielle, et garantit l’arrêt des mouvements dans un état prédéfini. Cette approche, largement utilisée dans les installations industrielles, renforce la sécurité des personnes et la protection des équipements tout en participant au réalisme technique recherché par le projet BATLab112.

Carte électronique de contrôle et de réglage du pont élévateur

Réglage des paramètres de fonctionnement du pont élévateur

Le PCB020 regroupe les fonctions de contrôle et de réglage des principaux paramètres de fonctionnement du pont élévateur. Son rôle est de fournir les consignes nécessaires au système de commande, notamment celles relatives à la vitesse de déplacement de l’installation, afin d’adapter le comportement des moteurs aux conditions d’exploitation retenues.

Dans sa version actuelle, cette carte électronique reprend une architecture déjà développée et validée pour le pont roulant bipoutre du projet BATLab112. Elle repose sur un montage astable à base de circuit intégré NE555, capable de générer un signal carré dont le rapport cyclique est réglable. Ce signal constitue la consigne de référence utilisée pour piloter la vitesse de rotation des moteurs du pont élévateur.

Le choix de réutiliser cette architecture illustre l’un des principes de conception appliqués au projet BATLab112 : capitaliser sur les solutions techniques déjà éprouvées afin de limiter les développements spécifiques, d’améliorer la fiabilité des nouveaux équipements et de garantir une cohérence d’ensemble entre les différents systèmes du diorama.

Une architecture susceptible d’évoluer avec le système de régulation

Bien que cette solution réponde actuellement aux besoins du système de commande, son architecture n’est pas encore définitivement figée. Les évolutions en cours d’étude concernant le PCB030, chargé de la gestion des capteurs de fin de course, pourraient conduire à revoir certaines fonctions du PCB020.

En particulier, la mise en œuvre d’un recalage automatique de l’horizontalité du pont élévateur en fin de course pourrait nécessiter une adaptation des paramètres de commande et des stratégies de pilotage des moteurs. Dans cette hypothèse, les fonctions actuellement assurées par le générateur de consigne pourraient évoluer afin de mieux s’intégrer à l’architecture globale de régulation.

Carte électronique de gestion des capteurs de fin de course du pont élévateur

Gestion des positions haute et basse du pont élévateur

Le PCB030 est dédié au raccordement et au traitement des informations issues des capteurs de fin de course du pont élévateur. Ces capteurs assurent la détection des positions extrêmes de l’installation, en fin de montée et en fin de descente, afin de déclencher automatiquement l’arrêt des moteurs lorsque le pont atteint sa position haute ou sa position basse.

Dans sa configuration actuelle, l’architecture repose sur deux capteurs de fin de course : un premier associé à la position haute et un second à la position basse. Cette solution constitue une première étape de validation du système de commande et permet d’assurer les fonctions essentielles de sécurité et de pilotage du pont élévateur.

Limites de l’architecture actuelle et perspectives d’évolution

Si cette architecture répond aux besoins fonctionnels de base, elle reste toutefois conditionnée par les performances de la régulation de vitesse des quatre moteurs. En effet, avec seulement un capteur pour chaque position extrême, le système suppose que les quatre axes du pont élévateur conservent une parfaite synchronisation tout au long des cycles successifs de montée et de descente.

Or, même si l’algorithme de régulation permet d’obtenir une excellente stabilité du pont au cours d’un déplacement et garantit ainsi des conditions de fonctionnement satisfaisantes pour le transport de la Batmobile, de très faibles écarts de synchronisation peuvent subsister entre les différents moteurs. Pris isolément, ces écarts restent négligeables, mais leur accumulation au fil des cycles de fonctionnement pourrait progressivement provoquer un défaut d’horizontalité du pont élévateur.

À terme, ce phénomène pourrait entraîner un décalage entre les quatre axes de levage, susceptible de compromettre la stabilité de la Batmobile lors de ses déplacements ou, dans le cas le plus défavorable, de provoquer un arc-boutement mécanique capable de bloquer le mouvement du pont.

Afin de supprimer ce risque, une évolution de l’architecture est actuellement à l’étude. Elle consisterait à équiper chacun des quatre axes de son propre capteur de fin de course, soit quatre capteurs pour la position haute et quatre capteurs pour la position basse. Au-delà de leur fonction de sécurité, ces capteurs permettraient de mettre en œuvre une procédure de recalage automatique de chaque axe à l’issue de chaque déplacement. Chaque cycle de montée ou de descente deviendrait ainsi une phase de réinitialisation de l’horizontalité du pont, éliminant les erreurs cumulées de synchronisation et garantissant durablement la stabilité mécanique de l’ensemble du système.

Conclusion

Une architecture électronique du diorama conçue selon les principes de l’ingénierie

La conception de l’architecture électronique du système de commande du pont élévateur constitue une étape majeure dans le développement du diorama de la Batcave projet BATLab112. Au-delà de la réalisation d’un simple système de commande, cette architecture traduit une véritable démarche d’ingénierie fondée sur la séparation des fonctions, la modularité des sous-ensembles et la hiérarchisation de la documentation technique.

L’organisation des schémas électroniques sous KiCAD reflète directement cette approche. En structurant la conception selon plusieurs niveaux de détail, depuis la vue d’ensemble du système jusqu’aux schémas des circuits imprimés, elle facilite la compréhension de l’architecture, simplifie les opérations de maintenance et garantit une parfaite traçabilité des évolutions apportées au projet. Cette méthode de conception constitue également un support précieux pour la validation fonctionnelle, le développement de nouvelles fonctionnalités et la documentation technique du diorama.

Les choix retenus, tels que la séparation des fonctions de régulation et d’interface de puissance, la commande indépendante des quatre motorisations, l’utilisation de cartes Arduino spécialisées ou encore la standardisation de la console de commande, illustrent la volonté de concevoir un système à la fois fiable, évolutif et facilement maintenable. Cette architecture offre ainsi une base robuste pour les futures évolutions du pont élévateur, tout en restant cohérente avec les principes de conception appliqués à l’ensemble des équipements industriels du projet BATLab112.

BATLab112 : un diorama pédagogique fondé sur une démarche d’ingénierie

Au-delà de ses aspects techniques, cette architecture illustre également la philosophie qui guide le développement du projet BATLab112. Bien qu’il s’agisse d’un diorama à l’échelle 1/12 inspiré de l’univers de Batman, sa conception repose sur les mêmes méthodes, outils et exigences que celles mises en œuvre dans les projets industriels. Chaque sous-ensemble est étudié, documenté, testé puis validé selon une démarche méthodique, où les choix de conception sont justifiés par des considérations fonctionnelles, mécaniques, électroniques et logicielles. Le diorama devient ainsi un véritable support d’expérimentation et de démonstration des pratiques de l’ingénierie des systèmes complexes.

Cette approche répond pleinement aux objectifs du projet BATLab112 : démontrer qu’il est possible de transposer, à l’échelle d’une maquette fonctionnelle, les méthodes de conception utilisées dans l’industrie afin de créer un système cohérent, évolutif et techniquement documenté. Au-delà de la réalisation d’un objet de démonstration, le projet a vocation à constituer une ressource pédagogique permettant d’illustrer les interactions entre la mécanique, l’électronique, l’automatisme, l’informatique embarquée et la modélisation numérique. Chaque article publié contribue ainsi à documenter cette démarche et à partager les choix d’ingénierie qui ont conduit à la réalisation progressive du diorama.

Une architecture modulaire au service des évolutions futures

Les prochains articles de cette série approfondiront chacun des sous-ensembles présentés ici. Ils détailleront notamment la conception des différents circuits imprimés (PCB), les choix de dimensionnement des interfaces électroniques, les algorithmes de régulation développés pour l’Arduino Nano R4, ainsi que les programmes assurant le pilotage de la console de commande et la supervision du pont élévateur. Cette exploration progressive permettra de suivre l’ensemble du processus de conception, depuis les premiers schémas électroniques jusqu’à la validation fonctionnelle du système complet, tout en mettant en lumière la démarche d’ingénierie qui constitue l’identité même du projet BATLab112.

Voir aussi

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Articles – KiCAD

Intégration d’un écran OLED i2c dans le système de contrôle du pont élévateur basé sur Arduino Nano R4

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Cet article présente le test fonctionnel de l’affichage des fréquences de rotation des moteurs du pont élévateur du diorama de la Batcave, sur un écran OLED i2c, via la carte Arduino Nano R4 du système électronique de contrôle.… Lire la suite →

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7–10 minutes

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Sommaire

  1. Contexte de l’intégration d’un écran OLED i2c avec Arduino Nano R4
  2. Choix technologique et implantation fonctionnelle
    1. Pourquoi choisir un écran OLED i2c avec Arduino Nano R4
    2. Contraintes d’intégration dans l’armoire électrique de contrôle
    3. Conception mécanique réalisée à l’aide de FreeCAD
  3. Schéma de montage
    1. Conception du schéma électronique sous KiCad
    2. Périmètre de l’étude et perspectives de validation globale
    3. Mise en place du banc de test et simulation du signal moteur
    4. Rôle des résistances pull-up dans la communication I²C
    5. Spécificités du câblage i2c avec Arduino Nano R4
  4. Le code
  5. Validation fonctionnelle et perspectives d’évolution du système de contrôle Arduino Nano R4
  6. Voir aussi
    1. Articles – Pont élévateur
    2. Story – Pont élévateur
    3. Articles – Prototypes

Contexte de l’intégration d’un écran OLED i2c avec Arduino Nano R4

L’article précédent présente l’intégration d’une carte Arduino Nano R4 au sein de l’architecture électronique du système de contrôle dédié à la régulation de vitesse de rotation des moteurs du pont élévateur du diorama de la Batcave. Cet article expose, dans un premier temps, les motivations ayant conduit au remplacement des circuits imprimés (PCB) de conversion fréquence–tension par une carte Arduino UNO. Dans un second temps, il analyse les raisons techniques justifiant l’évolution vers une carte Arduino Nano R4.

Au-delà de la correction de dysfonctionnements identifiés dans les versions antérieures, l’intégration d’une carte Arduino Nano R4 dans l’armoire électrique de contrôle du pont élévateur ouvre la voie à l’intégration de nouvelles fonctionnalités. Parmi celles-ci figure notamment la possibilité d’un affichage local des données de traitement, directement au plus près du système. Cet article se concentre ainsi sur la validation fonctionnelle de cette capacité d’affichage.

Choix technologique et implantation fonctionnelle

Pourquoi choisir un écran OLED i2c avec Arduino Nano R4

Comme indiqué précédemment, les motivations ayant conduit à l’utilisation d’une carte Arduino Nano R4 dans cette architecture sont détaillées dans un article antérieur.

L’écran OLED i2c, piloté par la carte Arduino Nano R4 intégrée à l’armoire électrique de commande, a pour vocation d’assurer un affichage local des données au plus près du système de contrôle et de régulation de la vitesse des moteurs. Il permet notamment de visualiser les valeurs mesurées des fréquences de rotation des quatre moteurs.

Ce dispositif répond à un double objectif. D’une part, il facilite les phases de mise au point de la chaîne matérielle et logicielle dédiée à l’acquisition des données. D’autre part, il permet de vérifier la bonne transmission ainsi que le traitement cohérent de ces informations jusqu’à la console de commande centralisée.

Contraintes d’intégration dans l’armoire électrique de contrôle

Le choix d’un écran de 1,3″ résulte d’un compromis entre l’encombrement physique et la capacité d’affichage requise. En effet, ses dimensions doivent rester compatibles avec une intégration sur la porte de l’armoire électrique de commande, au sein de laquelle est implantée la carte Arduino Nano R4.

Parallèlement, cet écran doit offrir une surface d’affichage suffisante pour permettre une visualisation exploitable des quatre valeurs de fréquences de rotation correspondant aux moteurs du système. À ce titre, sa définition de 128 × 64 pixels permet d’envisager un affichage simultané et lisible de l’ensemble de ces informations.

Conception mécanique réalisée à l’aide de FreeCAD

La conception mécanique de l’intégration de l’écran i2c OLED 1,3″ a été réalisé avec le logiciel FreeCAD.

Dans la mesure où le présent article est spécifiquement consacré à l’intégration électrique de l’écran OLED au sein du système de contrôle du pont élévateur du diorama de la Batcave, les aspects relatifs à la conception mécanique des deux armoires constituant le système de commande seront traités dans une publication ultérieure.

FreeCAD est un modeleur 3D paramétrique open-source.

Voir la page dédiée à FreeCAD

Schéma de montage

Conception du schéma électronique sous KiCad

Le schéma électronique a été réalisé à l’aide de la suite logicielle KiCad.

La présentation détaillée du schéma complet du système électronique de commande du pont élévateur du diorama de la Batcave, dont les différentes feuilles sont illustrées dans la capture d’écran figurant en en-tête de ce paragraphe, fera l’objet d’un article dédié à venir.

KiCad est une suite logicielle open source pour la conception électronique.

Voir la page dédiée à KiCad

Périmètre de l’étude et perspectives de validation globale

Le schéma présenté se concentre exclusivement sur l’intégration de l’écran OLED en interface i2c avec la carte Arduino Nano R4.

Un article ultérieur sera consacré à la validation complète de la chaîne d’acquisition et de traitement des données, depuis les capteurs jusqu’à la console de commande centralisée.

Mise en place du banc de test et simulation du signal moteur

Dans le cadre de ce test fonctionnel de l’affichage des valeurs de fréquences, une carte Arduino UNO a été utilisée pour générer un signal carré de fréquence fixe 512 Hz, simulant ainsi les signaux issus des capteurs optiques des plateformes motorisées.

Ce même signal a été transmis aux 4 broches de la carte Arduino Nano R4 dédiées aux mesures de la fréquence de rotation des moteurs. Ce qui justifie que la même valeur soit affichée sur l’écran pour les 4 fréquences.

Rôle des résistances pull-up dans la communication I²C

Ce schéma met en évidence la présence de deux résistances de 4,7 kΩ. Il s’agit de résistances de tirage, couramment appelées résistances de pull-up. Leur rôle est d’assurer un niveau logique haut stable (ici 5 V) sur les lignes de communication, notamment lorsque celles-ci ne sont pas activement pilotées par un dispositif du bus.

En effet, sur un bus comme l’I2C, les composants ne génèrent pas directement un niveau haut. Ils peuvent seulement tirer la ligne vers le bas (niveau 0). Sans résistance de pull-up, la ligne resterait alors dans un état indéterminé lorsqu’elle n’est pas sollicitée. Ces résistances agissent donc comme un rappel vers le niveau haut, garantissant un signal propre et exploitable pour tous les éléments connectés au bus.

Spécificités du câblage i2c avec Arduino Nano R4

La difficulté rencontrée lors de la mise au point de ce montage, pourtant en apparence simple, tient au fait que la version précédente, basée sur une carte Arduino UNO, ne nécessitait pas l’ajout de résistances de pull-up. Le raccordement direct des lignes SDA et SCK de l’écran à celles de l’Arduino suffisait alors pour obtenir un fonctionnement correct de l’affichage.

En revanche, lors du remplacement de la carte Arduino UNO par une NANO R4, l’écran est resté totalement inactif. Ce comportement s’explique par une différence de conception interne des broches SDA et SCK entre les deux cartes. Contrairement à l’UNO, la NANO R4 ne permet pas un fonctionnement fiable du bus I2C sans l’ajout explicite de résistances de pull-up externes.

Source : https://docs.arduino.cc/tutorials/nano-r4/user-manual/

Le code

#include <pwm.h>
#include <Adafruit_SH110X.h>

const int MaxReadNumber = 10;
const int MaxPulseNumber = 1;
const int pinIn[] = {2, 4, 7, 8};

int Freq[]    = {0,0,0,0};
int Period[]  = {0,0,0,0};

float FreqInFloat   = 0.0;
float PeriodInFloat = 0.0;

// PWM Duty Cycle
int DUTY_CYCLE_READ  = 0;
int DUTY_CYCLE_INIT  = 0;
float DUTY_CYCLE_SET = 0.0;

const int PIN_DUTY_CYCLE = A7;

const int PIN_FREQ0	= 2;
const int PIN_FREQ1	= 4;
const int PIN_FREQ2	= 7;
const int PIN_FREQ3	= 8;

const int PWM_D5_PIN = 5;
const int PWM_D6_PIN = 6;
const int PWM_D9_PIN = 9;
const int PWM_D10_PIN = 10;

PwmOut PWM_D5(PWM_D5_PIN);
PwmOut PWM_D6(PWM_D6_PIN);
PwmOut PWM_D9(PWM_D9_PIN);
PwmOut PWM_D10(PWM_D10_PIN);

Adafruit_SH1106G display = Adafruit_SH1106G(128, 64, &Wire, -1);

void setup()
{  
  pinMode(PIN_FREQ0, INPUT);
  pinMode(PIN_FREQ1, INPUT);
  pinMode(PIN_FREQ2, INPUT);
  pinMode(PIN_FREQ3, INPUT);

  pinMode(PWM_D5_PIN, OUTPUT);
  pinMode(PWM_D6_PIN, OUTPUT);
  pinMode(PWM_D9_PIN, OUTPUT);
  pinMode(PWM_D10_PIN, OUTPUT);

  PWM_D5.begin(25000.0f, 0.0f);
  PWM_D6.begin(25000.0f, 0.0f);
  PWM_D9.begin(25000.0f, 0.0f);
  PWM_D10.begin(25000.0f, 0.0f);

  MotorFrequencySetUp();

  Serial1.begin(9600);

  display.begin(0x3c, true);
  display.clearDisplay();
  //display.drawRect(0, 0, 128, 64, 1);
  display.setTextSize(1);
  display.setTextColor(SH110X_WHITE);
  display.setCursor(0, 0);
  display.println("BATLab112 Project");
  display.println("Lifter Bridge Control");
  display.setCursor(0, 24);
  display.println("Freq.1 =     Hz");
  display.setCursor(0, 34);
  display.println("Freq.2 =     Hz");
  display.setCursor(0, 44);
  display.println("Freq.3 =     Hz");
  display.setCursor(0, 54);
  display.println("Freq.4 =     Hz");
  display.display();
  delay(500);
}

void loop()
{
  for(int i=0; i<4; i++)
  {
    Period[i] = ReadPeriod(pinIn[i]);
    PeriodInFloat = Period[i] * 1.0;
    if(PeriodInFloat!=0)
    {
      FreqInFloat = (1000000/PeriodInFloat);
    }        
    else
    {
      FreqInFloat = 0;
    }
    Freq[i] = floor(FreqInFloat);
  }
  DisplayFrequency();
}

float ReadPeriod(int signal)
{
  float SignalPeriod = 0;
  int PulseCounter = 0;
  int HighTime = 0;
  int LowTime = 0;
  while(PulseCounter < MaxPulseNumber)
  {
    while (HighTime == 0)
    {
      HighTime = pulseIn(signal,HIGH);
    }
    while (LowTime == 0)
    {
      LowTime = pulseIn(signal,LOW);
    }
    SignalPeriod = HighTime + LowTime;
    PulseCounter++;
  }
  SignalPeriod = SignalPeriod / PulseCounter;
  return SignalPeriod;
}

void DisplayFrequency()
{
  display.setTextColor(SH110X_WHITE, SH110X_BLACK);
  for(int i=0; i<4; i++)
  {
    if (Freq[i]>999)
    {
      Freq[i] = 999;
    }
  }
  display.setCursor(53, 24);
  display.println(Freq[0]);
  display.setCursor(53, 34);
  display.println(Freq[1]);
  display.setCursor(53, 44);
  display.println(Freq[2]);
  display.setCursor(53, 54);
  display.println(Freq[3]);
  display.display();
}

Cet extrait du sketch implémenté sur une carte Arduino Nano R4 se concentre spécifiquement sur la gestion de l’affichage des fréquences de rotation des moteurs via un écran OLED utilisant une interface I2C.

La fonction setup() assure l’initialisation de l’affichage en définissant une trame graphique structurée. Celle-ci comprend notamment des lignes de titre ainsi que des libellés associés aux différentes mesures, sous la forme « Freq.x = … Hz », permettant de préparer un cadre de visualisation clair et stable pour l’utilisateur.

La fonction DisplayFrequency() est, quant à elle, dédiée à la mise à jour des valeurs numériques affichées. Son fonctionnement repose sur une logique séquentielle simple consistant à écrire, à des positions prédéfinies de l’écran, les fréquences correspondant aux différents canaux mesurés. Cette fonction est appelée à l’issue de la phase d’acquisition des signaux, réalisée par la fonction ReadPeriod(), ainsi qu’après le traitement permettant de convertir les périodes mesurées en fréquences.

Validation fonctionnelle et perspectives d’évolution du système de contrôle Arduino Nano R4

Le test fonctionnel relatif à l’affichage des fréquences de rotation des quatre moteurs du pont élévateur du diorama de la Batcave s’avère concluant. Les résultats obtenus permettent d’ores et déjà de valider la capacité de la carte Arduino Nano R4 à acquérir et mesurer de manière stable et précise les signaux issus des capteurs optiques des plateformes motorisées.

Des travaux complémentaires demeurent toutefois nécessaires. Dans un premier temps, il conviendra d’évaluer la précision des mesures en conditions dynamiques, c’est-à-dire en présence de variations de fréquence induites par les comportements mécaniques du pont élévateur.

Dans un second temps, lors de l’intégration du système électronique de régulation avec la structure électromécanique du pont, il sera nécessaire de valider la mise en œuvre complète de la boucle logicielle de régulation des vitesses, afin d’assurer un pilotage cohérent et robuste de l’ensemble du dispositif.

Voir aussi

Articles – Pont élévateur

Story – Pont élévateur

Articles – Prototypes

Pont élévateur – Electronique – Conception Ep1

Stef1 commentaire

Cet article présente la première partie de la conception et du prototypage de l’électronique de commande du pont élévateur, du diorama de la Batcave à l’échelle 1/12, du projet BATLab112.

  1. Introduction
  2. Cahier des charges
  3. Principe de fonctionnement général
  4. Schéma électronique
  5. Sourcing
  6. Modélisation 3D
  7. Intégration
  8. Voir aussi

Introduction

Cet article fait suite à la conception détaillée mécanique et la réalisation des quatre prototypes de la plateforme de motorisation des axes du pont élévateur. Cet article présente la conception détaillée de l’électronique de commande qui va contrôler les mouvements du pont élévateur en pilotant les moteurs des plateformes.

Pour plus d’infos :

Cahier des charges

Atelier de la Batcave – Cahier des charges – Freecad 3D

Le cahier des charges de l’électronique de commande est conforme au cahier des charges général du projet BATLab112 présenté dans l’article ci-dessus. La vidéo associée est la mise à jour de l’illustration de ce cahier des charges initial, intégrant l’avancement de la conception 3D des différents composants du diorama.

L’électronique doit permettre de commander le pont élévateur par la mise en oeuvre des fonctions suivantes :

  • Commander le sens de déplacement à la verticale du pont élévateur en fonction des actions sur les commandes manuelles.
  • Maintenir une vitesse constante lors du déplacement à la verticale du pont élévateur pour maintenir l’horizontalité du pont élévateur lors de son déplacement à la verticale.
  • Détecter les positions haute et basse du pont élévateur pour interdire le déplacement au-delà de ces positions.
  • Détecter un défaut de rotation d’un des moteurs pour anticiper un éventuel défaut d’horizontalité.
  • Transmettre des informations sur l’état du système : Position des commandes manuelles, vitesse de rotation des moteurs, défauts …

L’ensemble des fonctions décrites dans le cahier des charges doit être entièrement compatibles avec un raccordement du pont élévateur sur un modèle de console de commande déjà mise en oeuvre dans le diorama pour piloter la plateforme rotative et le pont roulant.

Pour plus d’infos :

Principe de fonctionnement général

Le mouvement vertical du pont élévateur est assuré par les 4 plateformes de motorisation des 4 axes verticaux.  Le principe est très simple la rotation des moteurs entraine la rotation des 4 axes. Ces axes sont des vis sans fin, sur lesquelles est fixé le pont élévateur. La rotation de ces vis sans fin entraine le déplacement verticale du pont.

La console de commande regroupe l’ensemble des commandes manuelles et automatiques pour contrôler la vitesse et le sens de rotation des moteurs, mais aussi les écrans d’affichage de ces informations. La conception de la console de commande a déjà donné lieu à la réalisation de deux modèles opérationnels mis en œuvre pour commander la plate-forme rotative et le pont roulant bipoutre. 

Deux armoires électriques regroupent l’ensemble des composants, des circuits électriques et électroniques nécessaires pour transmettre et convertir les signaux électriques. 

Les signaux de commandes issues de la console de commandes sont transmises à une armoire électrique dans laquelle se trouvent deux PCB de type : Double Pont en H à base de L298N. Ces  PCB convertissent les signaux de commandes du sens de déplacement vertical du pont élévateur, portés par des tensions de 5VDC, en signaux de tension 12VDC, compatibles avec l’alimentation électrique des moteurs.

ScreenShot FreeCAD Conception 3D

Les plateformes de motorisation des axes du pont élévateur sont connectées, d’une part à l’armoire de contrôle des moteurs, et d’autre part, à une deuxième armoire électrique dans laquelle se trouvent 4 PCB de type convertisseur de fréquence en tension. Ces PCB transforment les signaux électriques en fréquence, issus des photocoupleurs des capteurs de vitesse de rotation présents sur chacune des plateformes, en signaux électriques en tension, compatibles avec les broches d’entrées de l’Arduino en charge de l’affichage de ces informations sur les écrans de la console de commande. 

Schéma électronique

Screenshot KiCAD Contrôle des moteurs
Screenshot KiCAD Mesure de la vitesse de rotation

Le schéma du montage électronique se partage en deux parties. La première partie correspond au circuit de contrôle de la vitesse et du sens de rotation des moteurs. La deuxième partie correspond au circuit de conversion des signaux électriques issus des capteurs photocoupleurs de mesure de la vitesse de rotation des moteurs.

Contrôle de la vitesse et du sens de rotation des moteurs

Au centre de ce schéma on retrouve les deux doubles pont en H à base de composants L298N. Chaque pont en H pilote 2 moteurs directement raccordés sur chacune de ses sorties.

Le signal carré à rapport cyclique variable est dirigé vers les entrées EnA et EnB des deux double pont en H pour garantir une vitesse de rotation des moteurs identiques.

+ d’infos : https://arduino.blaisepascal.fr/pont-en-h-l298n/

Comme mentionné au dessus, la variation de la vitesse de rotation des moteurs est commandée par un générateur de signal carré, à rapport cyclique variable. Ce montage est réalisé à partir d’un oscillateur NE555.

Dans ce montage la résistance R301 et le condensateur C301 fixe la valeur de la fréquence. Le potentiomètre P300 permet le réglage du rapport cyclique.

Les commandes manuelles ont été schématisées le plus simplement possibles ; Deux switches dont la combinaison de leurs positions donne la commande du sens de rotation.

S2S1Moteur
00Stop
01Sens 1
10Sens 2
11Stop

Le détails de ces commandes sera développé lors de la conception de la Console de commandes associée au pont élévateur.

Mesure de la vitesse de rotation des moteurs

Au centre de ce schéma, on retrouve quatre convertisseurs de fréquence en tension (Hz to V), MIKROE 2890. Ces convertisseurs transforment les signaux électriques en fréquence, issus des photocoupleurs des capteurs de vitesse de rotation, en signaux électriques en tension, compatibles avec les broches d’entrées de l’Arduino.

Le convertisseur Hz to V ayant besoin d’une tension d’alimentation électrique de 3,3V, un convertisseur Tension / Tension, LM33V assure la conversion de la tension d’alimentation électrique de 5VDC en 3,3VDC.

Edition des schémas électroniques

LEs schéma électriques et électroniques du diorama de la Batcave du projet BATLab112 sont édités avec la suite logicielle Open Source KiCad .

Voir la page dédiée à KiCad

Sourcing

Le sourcing des composants principaux est réalisé dès la phase de conception pour intégrer la modélisation 3D de ces composants dans la conception détaillée des armoires électriques.

Le sourcing est réalisé à partir d’une plateforme de ventes en ligne. Ce choix est essentiellement dicté par un objectif de limitation du nombre de fournisseurs, mais aussi de centralisation des commandes et ainsi envisager des économies d’échelle, notamment sur les frais de livraison.

Sourcing câblage

1. Jack 3,5 mm
2. Jack 5,5 mm
3. Bornier vert
4. Bornier bleu
5. Presse étoupe
  1. Les prises Jack 3,5 mm sont utilisées en entrées/sorties pour connecter des câbles de très petites sections véhiculant des signaux de commandes de très faibles intensités.
  2. Les prises Jack 5,5 mm sont utilisées en sorties pour connecter des câbles de sections plus importantes pour alimenter des éléments tels que les moteurs à courant continu.
  3. Les borniers verts sont utilisés en entrées/sorties pour connecter des câbles de très petites sections véhiculant des signaux de commande en interne d’une armoire électrique.
  4. Les borniers bleus sont utilisés en entrées/sorties pour connecter des câbles de sections plus importantes véhiculant des tensions d’alimentation d’éléments tels que des moteurs.
  5. Les presse étoupes sont utilisé en entrées d’une armoire électrique pour connecter le câble d’alimentation général de l’armoire.

Sourcing des composants actifs

Le contrôle du sens et de la vitesse de rotation des moteurs à courant continu est assuré par une carte électronique de type Double pont en H équipée d’un composant L298N.

Une carte est capable de piloter deux moteurs simultanément, par conséquent, deux cartes de ce type sont nécessaires pour piloter les moteurs des quatre plateformes de motorisation des quatre axes du pont élévateur.

La mesure de la vitesse de rotation des moteurs est assuré par une carte électronique convertisseur fréquence / Tension. Ce PCB convertit les signaux en fréquence issus des capteurs des plateformes en signaux en tension compatible avec les micro-controlleurs Arduino des consoles de commandes.

Une carte est capable de convertir un signal en fréquence, par conséquent, quatre cartes de ce type sont nécessaires pour mesures les vitesse de rotation des moteurs des quatre plateformes des quatre axes du pont élévateur.

Modélisation 3D

Conception 3D

La modélisation du poste électrique équipant la Batcave du projet BATLab112 a été réalisé avec le logiciel FreeCad V0.21.2

Voir la page dédiée à FreeCAD

Bibliothèque de modèles 3D

Les fichiers des modèles 3D utilisés lors de la conception préliminaire du poste HT/BT équipant la Batcave du projet BATLab112 sont téléchargés à partir de la plateforme GrabCAD.

Voir la page dédiée à GrabCAD

Intégration

Screenshot FreeCAD Motors Control
Screenshot FreeCAD Measures Control

Tous les composants d’une même page de schéma sont regroupés dans une armoire électrique à l’échelle 1/12. On obtient ainsi, une première armoire électrique sur laquelle sont raccordés les moteurs électriques, les commandes manuelles et le signal carré de contrôle de la vitesse de rotation des moteurs, issus de la console de commandes. La deuxième armoire électrique est raccorder aux photocoupleurs des capteurs de mesure de la vitesse de rotation des moteurs et à la console de commande pour lui transmettre les signaux électriques correspondants aux vitesses de rotation.

Cet article ne détaille pas la conception de la structure des armoires électriques. Cette conception a déjà fait l’objet d’un article spécifique.

Pour plus d’infos :

Détail des borniers de raccordement électriques

Screenshot FreeCAD Terminal Block Motors Control
Screenshot FreeCAD Terminal Block Measures Control

Compte tenu des dimensions à l’échelle 1/12 de ces armoires électriques, la conception de l’intégration des composants doit être précise. Le point crucial réside dans le design et l’intégration des borniers de raccordement électriques.

Voir aussi

Articles – Pont élévateur

Articles – Conception détaillée