Jeu de mémoire

Cahier des charges

Présentation du projet

L'objectif du projet est de réaliser un jeu de mémoire en quantité industrielle (une centaine). Ce jeu est simple : une série de leds s'allume dans un ordre particulier, le joueur doit reproduire parfaitement cette séquence.

Objectifs

Organisation du projet

Public ciblé

Ce jeu est tout public, il permet de tester sa mémoire et ses réflexes.

Description du fonctionnement

- Dimension des cartes : le plus compact possible
- Disposition des leds, boutons et microcontrôleur : leds et boutons organisés en 4 (comme un dé), position du microcontrôleur à définir
- Différents niveaux possibles : la difficulté des niveaux augmentera avec des séries à reproduire qui deviendront de plus en plus longues et rapides
- Alimentation de la carte : le jeu de mémoire sera alimenté par une pile plate du type pile de montre

Les leds de ce jeu seront contrôlées par un microcontrôleur AT Tiny qui permettra de faire allumer aléatoirement les leds dans un ordre précis.

Etude préalable des leds

Tests sur carte Arduino Uno

On fait d'abord clignoter une led sans bouton :

void setup()
{
  pinMode(13,OUTPUT); // on précise ici que la patte 13 est une sortie
}

void loop()
{
  digitalWrite(13,0); // extinction de la led 13 de la carte Arduino
  delay(100);
  digitalWrite(13,1); // éclairement de la led 13 de la carte Arduino
  delay(100);
}

On fait ensuite clignoter la led avec un bouton sur le principe suivant : si le bouton est appuyé, la led est allumée, sinon elle est éteinte. On code le programme suivant :

unsigned char ledPin = 13; // on positionne la led
unsigned char bpPin = 2;   // le bouton est sur la patte 2
unsigned char etatBp;      // on récupère l'état du bouton

void setup()
{
  pinMode(bpPin,INPUT);
  pinMode(ledPin,OUTPUT); // on configure les e/s
}

void loop()
{
  etatBp = digitalRead(bpPin); // on "lit" l'état de l'entrée
  if (etatBp==1)
       digitalWrite(ledPin,0); // on "écrit" l'état de la sortie 
  else
       digitalWrite(ledPin,1);
}

On veut savoir s'il est possible d'avoir un signal d'entrée et un signal de sortie sur la même patte du microcontrôleur. L'objectif est simple : si le bouton est appuyé, on allume la led sur la carte Arduino et la led externe, sinon on les éteint. Nous allons faire 2 programmes distincts pour observer d'une part l'état du bouton avec la liaison série, et d'autre part faire clignoter la led.

Liaison série

unsigned char bpPin = 13; // le bouton est sur la patte 13
unsigned char etatBp;    // on récupère l'état du bouton 

void setup()
{
  pinMode(bpPin,INPUT);  // on configure les e/s
  Serial.begin(9600);    // on communique avec la liaison série
}

void loop()
{
  etatBp = digitalRead(bpPin); // on "lit" l'état de l'entrée

  Serial.print("Etat du bouton : ");
  Serial.println(etatBp);      // on observe l'état du bouton avec la liaison série

  delay(500);
}

On réutilise le programme qui fait clignoter une led sans bouton vu ci-dessus. On constate que la led externe clignote, ce qui montre qu'il est possible de commander 2 opérations différentes sur une même patte de microcontrôleur.

Remarque : nous avons fait les tests sur une carte Arduino Uno alimentée en 5V. En réalité, le microcontrôleur AT Tiny que nous allons utiliser sera alimenté en 3V avec une pile CR2032. Par conséquent, nous allons faire de nouveaux tests avec une carte Arduino Due qui permet de fournir 3V.

Tests sur Arduino Due

On vérifie si les programmes testés précédemment fonctionnent avec la carte Adruino Due.

On fait clignoter la led sans bouton :

void setup()
{
  pinMode(13,OUTPUT); // on précise ici que la patte 13 est une sortie
}

void loop()
{
  digitalWrite(13,0); // extinction de la led 13 de la carte Arduino
  delay(100);
  digitalWrite(13,1); // éclairement de la led 13 de la carte Arduino
  delay(100);
}

Utilisation de la liaison série :

unsigned char bpPin = 13; // le bouton est sur la patte 13
unsigned char etatBp;    // on récupère l'état du bouton 

void setup()
{
  pinMode(bpPin,INPUT);  // on configure les e/s
  Serial.begin(9600);    // on communique avec la liaison série
}

void loop()
{
  etatBp = digitalRead(bpPin); // on "lit" l'état de l'entrée

  Serial.print("Etat du bouton : ");
  Serial.println(etatBp);      // on observe l'état du bouton avec la liaison série

  delay(500);
}

On obtient les mêmes résultats qu'avec la carte Arduino Uno : on peut interragir sur une seule patte en envoyant un signal en entrée et en en récupérant un autre en sortie.

Nous avons câblé les composants de la manière suivante pour réaliser les tests sur Arduino Uno et Due.

Fabrication d'une première carte

Routage de la carte

Choix du microcontrôleur

Nous allons fabriquer une carte avec 4 leds et 4 boutons. Comme nous pouvons les contrôler sur une même patte, le microcontrôleur que nous utiliserons aura besoin de 4 ports e/s, un GND et un VCC.

Nous avons choisit le microcontrôleur AT Tiny 10 car il est idéal pour les applications de petites tailles et surtout il permet de convertir un signal d'entrée AA en un signal stable 3V en sortie.

Documentation complète du microcontrôleur

Dimensionnement des composants

Nous avons choisi des composants de type CMS : comme ils sont plus petit que des composants de type traversants, nous pourrons fabriquer les cartes en optimisant au maximum leur taille.

Le prix des composants CMS étant également moins élevé que des composants traversants, nous pourrons réduire le coût de nos cartes.

Notre carte sera double face car nous ne pouvons pas placer le support de pile et les composants sur une même face : ce support a une zone où seule la piste de masse peut être en contact avec la pile.

Détermination de la taille de la carte

Choix de la taille de la carte

	Choix n°1	Choix n°2	Choix n°3	Choix n°4
Dimensions	85x38 mm	65x30 mm	55x35 mm	50x30 mm
Prix pour 100 cartes	281,88 €	211,49 €	210,09 €	186,97 €
Prix pour 1 carte	2,82 €	2,11 €	2,10 €	1.87 €

Nous avons abandonné le choix n°1 : la carte est trop grande, la place des composants n'est pas optimisée. C'est également la carte la plus chère.

Nous avons aussi mis de côté le choix n°4 : la carte est de trop petite taille, ce qui ne permet pas une prise en main idéale pour jouer avec.

Notre choix s'est donc porté sur les options n°2 et n°3. Nous avons choisi le n°2 car il n'y a pas de différence de prix entre les deux et nous opté pour une carte un peu plus longue que large, pour une meilleure ergonomie.

Création d'un composant et saisie des schéma et board

Nous devons créer un composant qui permet de récupérer les signaux pour programmer le microcontrôleur de notre carte. Il comporte les signaux GND, CLK, DATA, RESET et VCC.

Nous avons plusieurs contraintes pour router la carte :

- la carte doit avoir une taille précise pour une bonne utilisation
- la carte doit être la plus compacte possible dans le respect des dimensions définies précedemment
- les boutons doivent être sur les côtés de la carte, les leds disposées à côté des boutons
- les pistes doivent être les plus larges possibles et les plus courtes
- les composants doivent être de type CMS
- il ne doit pas avoir de vias autour de la zone du support de la pile
- prévoir une encoche pour le connecteur dans le but d'imprimer plusieurs cartes à la fois, en optimisant la place

Création d'un composant sur Eagle

Schéma de la carte

Board de la carte

Schémas du connecteur

Montage de la carte

Détourage et perçage de la carte

Une fois le PCB fabriqué, il faut détourer et percer la carte. Cette étape peut être réalisée avec une machine (Charly Robot), mais nous la ferons manuellement au regard du contour simple de notre carte.

Remarque : il ne faut pas limer abusivement les extrémités de la carte pour ne pas endommager les pistes. Il faut également limer suffisamment au niveau du connecteur pour pouvoir l'enficher correctement dans le boîtier de programmation.

Nous obtenons le PCB suivant :

Test de continuité

Une fois le PCB détouré, nous devons nous assurer que les pistes ne présentent pas de défaut : nous utiliserons un multimètre en position Ω et deux pointes disposées aux extrémités des pistes. Nous entendrons un bip si la continuité testée est en bon état (muet si défaillante).

Montage des composants

Notre carte est double face, mais les composants CMS sont uniquement disposés sur la face supérieure. Nous ferons donc un brasage par refusion : on apporte de la pâte à braser par un procédé additif (sérigraphie par exemple), le composant est ensuite posé directement sur cette pâte. L'ensemble est ensuite porté à température de plus de 180°C pour faire une refusion de l'alliage de la brasure.

Le support de pile sera soudé manuellement.

Soudure des vias

Notre carte contient des vias qui permettent d'assurer la liaisons de pistes présentes sur les deux faces. Ils seront soudés manuellement sur notre prototype, mais le fabriquant s'en chargera au moment de la commande des 100 cartes.

Une fois ces étapes terminées, nous obtenons la carte suivante :

Chiffrage pour une fabrication de 100 cartes

Chiffrage du PCB

Nous pouvons chiffrer notre PCB grâce au site Eurocircuits en ayant au préalable créé un compte : http://be.eurocircuits.com/shop/orders/services.aspx .

Dans la rubrique PCB proto / Analyse your data, nous pouvons évaluer notre fichier .brd. Nous connaîtrons ainsi son prix ainsi que de nombreuses informations sur le PCB.

Une fois que l’évaluation est faite, nous pouvons observer notre PCB en cliquant sur PCB Visualizer. Enfin nous pouvons corriger nos erreurs éventuelles indiquées dans PCB Configurator et PCB Checker.

Nous obtenons un coût pour 100 PCB de 211.49€, soit 2.11€ à l'unité.

Chiffrage des composants

Le site Farnell http://fr.farnell.com/ nous permet d’obtenir les prix des composants qui nous intéressent.

L’ensemble des composants pour 100 cartes coûte 306.76€, soit 3.07€ à l'unité.

Coût global

Ce qui nous donne, au bout du compte, une carte qui coûte environ 5.18€.

Remarque : ce prix n’inclut pas le prix de la pile car le cahier des charges ne précise pas si elle est fournie ou non. L’objectif étant d’avoir une carte la moins chère possible, elle ne sera pas fournie.

Fabrication d'une deuxième carte

Routage

Principales modifications

Nous avons intégralement repensé l'organisation des composants autres que les boutons et les leds tout en conservant l'aspect ergonomique du jeu. Le schéma électrique reste inchangé.

Ce nouveau routage nous permet d'avoir une carte légèrement plus petite, mais les pistes sont mieux organisées. Nous avons également pu réduire le nombre de vias de 18 à 7.

Board de la nouvelle carte

Les boutons poussoirs sont orientés verticalement pour que les pistes les relient directement. Cela permet d'économiser de la place au niveau de la largeur de la carte.

Le microcontrôleur a été replacé au centre de la carte car il est le composant principal du jeu.

L'aspect symétrique de l'organisation des composants permet d'optimiser la largeur des pistes, de diminuer leur nombre et de gagner de la place.

Les pistes sur la face arrière ont également été fortement réduite pour ne garder que l'essentiel. Le fait d'utiliser un plan de masse au niveau de la zone de la piste permet de diminuer le nombre de vias et de donner plus d'importance à la piste de masse. Ce lien nous a permis de réaliser : http://www.lucidarme.me/?p=1744 .

Enfin, la dernière modification effectuée est la mise en forme d'un nouveau contour de carte : l'encoche réservée au connecteur en cas de panélisation a été légèrement mise à jour : les angles sont moins importants, ce qui permet un meilleure prise en main, mais aussi une panélisation plus simple à réaliser.

Panélisation

Les encoches volontairement créées nous ont permis de réaliser une panélisation de notre carte pour pouvoir réaliser une commande groupée à moindre coût.

Pour réaliser un panneau, il suffit de faire un copier-coller d'un board et de la dupliquer autant de fois qu'on le désire. Il faut cependant fermer le fichier .sch sinon Eagle affichera un message d'erreur.

On constate alors que les noms des composants ne sont pas identiques pour chaque nouvelle carte. Pour corriger ce détail, il suffit de changer de couche dans Eagle : sur l'icone Layer Settings, on remplace la couche 25 tNames par la couche 125 _tNames. On peut alors écrire les mêmes noms de composants pour chaque échantillon sans message d'erreur d'Eagle.

Exemple de panel

Marquage sur la carte

A l'image du dé électronique utilisé en informatique pour la programmation de microcontrôleur, nous avons réalisé un marquage sur la carte : nous avons inscrit le nom du projet, l'IUT de Troyes, le département GEII et les résistances de la carte.

Il faut toutefois faire en sorte que ce marquage ne vienne pas se superposer au pastilles réservées au composants CMS : le marquage étant réalisé avec une couche spécifique, il ne doit pas toucher les pastilles car elles sont dépourvues de vernis.

Nous avons donc fait de nombreux essais et de nombreuses visualisations sur le site Eurocircuits avant de trouver la position parfaite de ce marquage.

Marquage réalisé sur le board

Visualisation de la carte

Grâce au logiciel GerberLogix (disponible gratuitement), nous pouvons avoir un aperçu de ce que sera notre carte. Son utilisation est très simple : il suffit de sélectionner les fichiers nécessaires à la fabrication de la carte et de les charger dans le logiciel.

Représentation virtuelle de la carte

Création d'un fichier Gerber

Le lien suivant permet de créer tous les fichiers nécessaires pour la fabrication d'une carte électronique. http://www.build-electronic-circuits.com/gerber-file/

En plus des fichiers .cmp, .plc, .sol, .stc, .sts, .drd, nous avons rajouté un fichier .ctr qui ne contient que le contour de notre carte. Nous avons ensuite envoyé ces fichers, sous forme d'archive, à une entreprise qui fabrique les cartes électroniques.

Chiffrage de la carte

Etant donné que nous avons entièrement repensé le routage de notre carte, son prix a évolué. Après plusieurs vérifications sur le site Eurocircuits, nous avons fait en sorte d'avoir une carte de classe 4, ce qui a permis de réduire le coût du PCB.

Un devis de fabrication pour 100 PCB nous a été proposé par l'entreprise AC Plus (Cf le fichier .pdf ci-dessous), le prix de fabrication à l'unité serait de 2,30€ .
Fichier:IETR U OFD 1503102-1.pdf

Le chiffrage des composants reste quand à lui inchangé (se référer au paragraphe 3.3.2 Chiffrage des composants) : il faut toujours compter environ 3€ pour l'ensembles des composants pour une carte.
Le coût total serait donc d'environ 5,30€ à l'unité. Notre nouvelle carte sera légèrement plus chère (+ 0,12 cts), mais elle comportera un marquage spécifique absent de la première version.

Montage de la nouvelle carte

Nous avons fabriqué notre deuxième carte de la même manière que la première (se référer au paragraphe 3.2 Montage de la carte) :

- détourage et perçage de la carte
- test de continuité
- montage des composants
- soudure des vias

Nouvelle carte vue de face et de dos

La seule difficulté de montage a été la présence de vias en dessous de 2 boutons CMS.
Notre carte étant un prototype, les vias sont à réaliser manuellement. Nous avons donc du les décaler en faisant des straps (voir fils orange sur la photo).