Cours:Télémètre

Ressources enseignant

Présentation du projet

Objectif

Ce projet consiste à réaliser un télémètre à ultrasons.

Notions de base

télémètre de chantier

transducteurs ultrasons

Un télémètre est un instrument qui permet de mesurer la distance séparant un observateur d'un point éloigné par des procédés optiques , acoustiques ou radioélectriques et qui est employé par exemple par les photographes, géomètres et géographes ainsi que dans l'armée et l'aviation.

L'ultrason (US) est une onde mécanique et élastique, diffusée par les gaz, les liquides, les tissus mous (chair, organes) ou les solides. La gamme de fréquences des ultrasons se situe entre 16 000 et 10 000 000 Hertz donc trop élevées pour être perçues par l'oreille humaine.

La mesure par ultrasons utilise un ensemble composé de deux transducteurs (un émetteur et un récepteur), parfois dans le même élément, associé à une électronique de contrôle.

Principe du télémètre

mesure par réflexion

Le télémètre à ultrason émet un signal à une fréquence en ultra-sonique et attend le retour d'un écho provoqué par la réflexion de l'onde émise. La distance est mesurée à partir de la vitesse de propagation de l'onde et du temps qui sépare la génération du signal et la réception de l'écho. La vitesse du son dans l'air est de 342 m/s à 20°C ( 331 m/s à 0° C).

Autres applications des ultrasons

contrôle de pièce par ultrasons

Echographie médicale

Les ultrasons sont utilisés pour mesurer les distances, mais aussi dans le domaine médical pour les échographies et industriel pour la recherche de défauts ( crack sur le dessin ) dans des pièces métalliques

Principe de mesure

Il est basé sur la mesure du temps écoulé entre l’émission et le retour de l’écho. Lors de la commande de mesure, le télémètre met le chronomètre à zéro puis commence l’émission d'une salve ultrasonique. L’onde ultrasonore se propage à la vitesse du son dans l’air environnant, soit 342m/sec. Dès qu’un obstacle est rencontré, l'écho revient vers le transducteur qui stoppe le chronomètre dès réception du signal. Le résultat sortant du chronomètre est proportionnel à la distance parcourue par l'onde. Il suffit donc de le convertir en mètres pour connaître la mesure, puis de l'afficher.

Cahier des charges technique :

Caratéristiques :

• Commande de la mesure par appui sur bouton poussoir
  
• affichage du résultat sur un écran LCD
  
• alimentation autonôme
  
• utilisation d'un module Emetteur/Récepteur à ultrason de type HC SR04
  
• distance mesurée : de 1cm à 1 m
  
• précision : +/- 1 mm
  

Principe de la mesure par ultrason :

PRODUIRE une SALVE :	la salve sera produite par un appui sur un bouton poussoir. Ses caractéristiques ( fréquence et amplitude )dépendront de celles du transducteur.
EMETTRE une onde US :	l'émetteur est un MA40S4S du fabricant MURATA
RECEVOIR une onde US :	Le récepteur est un MA40S4R du fabricant MURATA
DETECTER le premier écho :	cette fonction devra assurer l'élimination des échos suivants et/ou des parasites. Le signal issu du récepteur sera amplifié entre 10 et 200 fois. On détectera son enveloppe qu'on comparera à une rampe de référence destinée à éliminer les échos et les parasites afin ne de détecter que le signal utile ( voir dessin ).
MESURER le temps :	entre le signal émis et la réception de sa réverbération.
CONVERTIR en mètres :	la mesure devra être précise à +/-1mm
AFFICHER le résultat :	l'affichage sur 4 digits se fera par l'intermédiaire du moniteur accessible par le biais de l'outil de développement Arduino.

Structure du télémètre

Le télémètre sera conçu autour d'une carte à micro-contrôleur ATtiny 2313 et d'un module Emetteur/Récepteur à ultrason de type HC SR04. L'affichage de la mesure s'effectuera grâce à un afficheur 7 segments 4 digits CC04-41SURKWA.

Description des fonctions secondaires

signaux du télémètre

GENERATEUR de SALVE :	produit une salve de à .... Hz à chaque appui sur un bouton poussoir.
AMPLIFICATEUR émission :	assure le doublement de la tension grâce à un pont en H à transistors bipolaires
EMETTEUR US :	émetteur MA40S4S du fabricant MURATA
RECEPTEUR US :	récepteur MA40S4R du fabricant MURATA
AMPLIFICATEUR réception :	amplifie le signal issu du récepteur entre 10 et 200 fois ( réglable )
DETECTEUR d'enveloppe :	restitue l'enveloppe du signal reçu
GENERATEUR de RAMPE :	génère une rampe négative représentant le gabarit minimum du signal à percevoir afin d'éliminer les parasites et ne détecter que le signal utile ( voir dessin ). La rampe est réinitialisée à chaque commande.
COMPARATEUR :	compare l'enveloppe du signal détecté à la rampe afin de détecter le signal reçu.
BASE de temps :	produit un signal périodique représentatif du temps
COMPTEUR :	détermine le temps entre la commande de mesure et le retour du signal ( ce temps est caratéristique de la distance parcourue ) . Le comptage démarre lors de la commande et s'arrête lors de la réception du signal.
CONVERTISSEUR :	convertit le temps en distance
TRANSMISSION :	permet la transmission du résultat au moniteur sur l'écran du PC
AFFICHEUR le résultat :	affichage le résultat sur 4 digits sur l'écran de l'ordinateur.

Organisation du travail :

travail en binôme sur 7 semaines

1ère semaine :

• Présentation des projets et choix
  
• Etude des transducteurs :
  
• Recherche des caractéristiques de fonctionnement des transducteurs ( tension et fréquence )
  
• Tests : mise en oeuvre d'un émetteur et d'un récepteur ( portée, influence de la fréquence, influence de la tension )
• Recherche documentaire sur les "pont en H à transistors bipolaires"
  
• Recherche documentaire "amplificateur à gain variable" ( 10 < amplification < 200 )
  
  

2ème semaine :

• Tests : mise en oeuvre d'un "pont en H à transistors bipolaires"
  
• Tests : mise en oeuvre d'un "amplificateur à gain variable"
  
  
• Recherche documentaire sur la structure "détecteur d'enveloppe"
  
• Recherche documentaire sur la structure "comparateur"
  
  

3ème semaine :

• Tests : structure "comparateur"
  
• Tests : structure "détecteur d'enveloppe"
  
• Fonction programmée " génération d'une salve"
  
  

4ème semaine :

• Fin des tests fonctionnels
  
• Saisie du schéma et routage
  
• Programmation
  
  

conseils pour le routage :

• • ne pas utiliser les bornes DIGITAL 0 et 1 de la carte Arduino ( car elles servent pour la programmation )
    
  • utiliser les bornes DIGITAL 2 et 3 pour détecter le signal ( car elles permettent de gérer des interruptions )
    
    

5ème semaine :

• Routage /Programmation
  
• Tirage du PCB
  
  

6ème semaine :

• Montage / Programmation
  
  

7ème semaine :
Intégration / Tests finaux

Composants utilisés

Nom	Type	Boîtier	Librairie Eagle	Référence eagle	Documentation	Fournisseur	Référence
MA40S4S*	Émetteur US	traversant	con-wago-500	W237-102	MA40S4S.pdf	Farnell	1777667
MA40S4R*	Récepteur US	traversant	con-wago-500	W237-102	MA40S4R.pdf	Farnell	1777668
TL081 ID	1 AOp	CMS			TL081	Farnell	1459712
TL082 CD*	2 AOp	CMS	linear	TL082D (TL082)	TL082	Farnell	1103183
MC33201	AOp rail to rail	CMS			MC33201	Farnell	9666656
LM311 D*	comparateur	CMS	linear	LM311D (LM311)	LM311	Farnell	2293183
LM339 AD	4 AOp	CMS			LM339	Farnell	2293717
BC 856B*	Transistor PNP	CMS	transistor-pnp	BC856BSMD (BC856*)	BC856	Farnell	17198065
BC 807	Transistor PNP	CMS			BC807	Farnell	1798082
BC 817	Transistor NPN	CMS			BC817	Farnell	1798076
BC 846 B*	Transistor NPN	CMS	transistor-npn	BC846BSMD (BC846*)	BC846	Farnell	1798074
BAT60J*	Diode de commutation	CMS	diode	SOD323_ST	BAT60J	Farnell	1467544
TS4148	Diode de signal	CMS				Farnell	8150214
Rx	Résistances	CMS	rcl	R1206		Farnell
Cx	Condensateurs	CMS	rcl	C1206		Farnell
CPOL	Condensateurs 150µF 6.3V	CMS	rcl	SMC_D		Farnell
Xn	Connecteur 2 bornes à vis		con-wago-500	W237-102		Farnell