Cours:VeloHomeTrainer
Sommaire
Eagle
- shield arduino :Comment créer un shield arduino
- librairie eagle adafruit
Cahier des Charges
schéma fonctionnel
Chaque bloc fonctionnel ne correspond pas forcément à une carte électronique. Vous trouverez ci dessous une description succincte de chaque fonction :
fonction alimentation :
A la mise en route, l'énergie nécessaire au fonctionnement est assuré par une batterie. Lorsque le cycliste pédale suffisamment vite, l'énergie produite par le cycliste permet de recharger la batterie et d'alimenter les composants.
Mise route :
Lorsque le vélo est inutilisé, on cherche à réduire au strict minimum la consommation d'énergie. L'objectif est ici de mettre en route automatiquement le vélo, de l'arrêter lorsqu'il n'est plus utilisé, et de réinitialiser les différentes fonctions au changement de cycliste.
Charges et mesure
L'effort que doit fournir l'utilisateur doit être réglable. Pour ce faire, la charge électrique varie. On pourra afficher l'énergie consommée afin d'évaluer la performance.
Gestion des charges :
La gestion des charges consiste à ajuster l'effort à fournir en fonction du rythme de pédalage du cycliste.
fonction mesure :
Pour suivre l'effort du cycliste, il est nécessaire de mesurer le rythme de pédalage et surtout son évolution. On affiche ces informations à l'utilisateur.
Régulation de U alternateur :
Un alternateur est une machine synchrone dont la tension de sortie dépend de la vitesse de rotation, de la charge et surtout de l'excitation. Il faudra réguler la tension de sortie du moteur à une valeur fixée.
les Alimentations
Les alimentations que nous utiliserons seront basées sur le schéma décrit dans le fichier suivant. Les vidéos permettent d'observer et comprendre le principe.
Media:Alimentation_complete.ogg
Alimentation charge batterie
Objectif : Recharger la batterie et fournir des tensions continues de 5V et 3,3V
Entrées :
Marche : signal logique 0V ou 12V
Induit : signal analogique 0 à 14V
Sorties :
Alimentation : signal analogique au moins 12V
Alimentation : signal analogique : 5V
Alimentation : signal analogique : 3,3V
Batterie : signal analogique :12V
La batterie utilisée est une batterie plomb 6 éléments 7Ah. Vous trouverez les caractéristiques nécessaire à la gestion d'une batterie sur la page wikipedia : http://fr.wikipedia.org/wiki/Batterie_au_plomb
Lorsque l'alternateur tourne suffisamment vite, une régulation permet de garantir une tension d'induit (alternateur) de 14,5V.
La tension 5V permettant d'alimenter les composants électroniques ne sera mise en service qu'à la condition que le signal de marche soit au niveau logique 1.
La description sous forme fonctionnelle est donnée ci après :
Il faudra veiller à limiter la consommation des structures et à veiller au bon refroidissement des composants.
Description des différentes fonctions.
Chargeur de batterie :
La recharge d'une batterie plomb est constituée de 2 phases :
→ charge à courant constant jusqu'à la tension maximum
→ charge à tension constante
La structure proposée sur le site wikigeii vous permettra de répondre à ce cahier des charges
Maximum : La tension de sortie doit être le maximum des 2 tensions d'entrées. Ainsi en cas d'absence de tension d'induit, c'est la batterie qui alimente.
Régulation 5V : Fournir les tensions 5V et 3,3V seulement si la signal marche est au niveau 1
Régulation d'induit :
Objectif : réguler la valeur de la tension d'induit d'un alternateur.
Entrées :
Alimentation : 5V
Alimentation : >12V
Actif : signal logique TTL
Induit : signal analogique 0-14V
Consigne Induit : signal analogique 0-5V
Sorties :
Excitation : signal analogique 0-12V
Induit: signal analogique 0-14V
Induit : signal analogique 0-14V
Rapport Cyclique : signal analogique 0-5V
L'alternateur (de voiture) utilisé est une machine électrique synchrone.
Le rotor est constitué d'une bobine qui sera alimentée en courant continu. Plus ce courant est important plus le champ magnétique généré (l'excitation) est intense. Des balais permettent d'alimenter le rotor (source d'usure).
Le stator est constitué de 3 bobines dans lesquels un courant est induit lors du déplacement du rotor. On obtient une tension triphasée dont la fréquence dépend de la vitesse de rotation et l'amplitude en partie de la valeur de l'excitation.
Un pont de diodes permet de réaliser un redressement double alternance et d'obtenir en sortie de l'alternateur une tension quasi-continue.
L'objectif étant de recharger une batterie 12V, nous régulerons la tension d'induit autour de 14,5V. Un cavalier devra permettre d'utiliser une consigne de tension réglable.
Pour réaliser cette régulation, vous devrez réaliser les fonctions associées aux blocs fonctionnels présentés dans la figure suivante.
Il est à noter que 2 fonctions peuvent être réalisées par un même composant.
Description des différentes fonctions.
Consigne de tension : tension fixe 2,5V
Gain R : gain ajustable par potentiomètre multitours. Pour une tension d'entrée de 14V, alors Vs = 2,5V
Gain K : gain de 30
offset : permet de centrer l'entrée du comparateur à 2,5V ajustable par potentiomètre
générateur triangle : génère un signal triangulaire entre 0 et 5V la fréquence donne la fréquence de découpage du hacheur (qques kHz)
comparateur : signal logique 0V ou 5V en sortie du comparateur (signal MLI)
Hacheur : permet de faire varier la tension moyenne de l'inducteur.
Passe bas: fréquence de coupure à 40 Hz
Gestion des charges
On souhaite que le comportement du système soit le suivant :
→ si le cycliste arrive à maintenir la puissance demandée suffisamment longtemps sans que sa vitesse ne diminue trop, on augmente la charge.
→ si le cycliste diminue sa vitesse, on suppose qu'il n'arrive pas à supporter la charge, et donc on diminue la puissance à fournir.
Mesure de la vitesse
Objectif : Mesurer la vitesse et variation de vitesse des roues/pédalier
Entrées :
Alimentation : signal analogique au moins 12V
Alimentation : signal analogique 5V
Pédalier : signal logique 0V ou 12V
Raz signal logique TTL
Sorties :
Pedalier : signal logique 0V ou 12V
Vitesse : signal analogique 0V à 5V
Variation Vitesse : signal analogique 0V à 5V
Affichage : au choix 0v à 5V
A l'aide d'un ou plusieurs capteurs à choisir, il faudra répondre aux 2 problématiques suivantes :
→ générer un signal logique (0-12V) qui passe à l'état haut régulièrement lorsque le pédalier tourne (par ex quelques ms tous les tours). Cette fonction sera uniquement alimentée en 12V (l'alimentation 5V n'étant active que si on a détecté que le vélo est utilisé) et devra consommer un minimum d'énergie.
→ mesurer la vitesse de rotation instantanée (que ce soit sur le pédalier ou la roue), ainsi que la variation de vitesse. A l'aide d'indicateurs visuels au choix (barregraphe, leds, afficheurs 7 segments … ) vous donnerez une indication au cycliste de ces 2 grandeurs. Les composants utilisés seront alimentés en 5V. On considère que la vitesse de rotation du pédalier sera comprise entre 30 tr/min et 150 tr/min.
Précisions :
→ concernant la vitesse :
Une tension de 0V sur le signal « Vitesse » indique une vitesse nulle.
Une tension de 5V indique que la vitesse est supérieure ou égale à 150tr/min
→ concernant la variation de vitesse :
Une tension de 2,5V indique que la vitesse est stable.
Une tension supérieure à 2,5V indique que la vitesse augmente.
Une tension inférieure à 2,5V indique que la vitesse diminue.
L’accélération angulaire étant difficilement prévisible, on prévoira un réglage du coefficient de proportionnalité entre accélération angulaire et valeur de la tension du signal « VariationVitesse ».
Mise en marche
Objectif : Mise en marche et fin d'utilisation
Entrées :
Alimentation : signal analogique au moins 12V
Alimentation : signal analogique 5V
Pédalier : signal logique 0V ou 12V
Vitesse : signal analogique 0V à 5V
Sorties :
Marche : signal logique 0V ou 12V
Raz : signal logique TTL
Actif : signal logique TTL
L'objectif est de gérer de façon automatisée la mise en route et l'arrêt électrique du vélo, l'arrivée et l'arrêt d'un nouveau cycliste.
Lorsque le vélo est inutilisé, on souhaite réduite au strict minimum sa consommation d'énergie. Pour ce faire l'alimentation 5V n'est présente que si le signal « marche » est au niveau logique 1 (12V).
On laissera active l'alimentation 5 minutes après le dernier tour de roue effectué.
Le signal « RAZ » permet de réinitialiser le système dès qu'un nouveau cycliste se présente. On utilisera entre autre le signal « Vitesse ».
Le signal « Actif » permet d'indiquer qu'un cycliste utilise le vélo. (sans doute lié à RAZ)
Des niveaux réglables permettront de choisir à partir de quelle vitesse on considère qu'un cycliste est présent, et en dessous de quelle vitesse on considère qu'il a terminé.
Le chronogramme suivant reprend cette description :
Vous vous efforcerez d'avoir une consommation la plus faible possible lorsque le signal « Marche n'est pas actif. Pour ce faire, seuls les composants nécessaire à la génération de ce signal seront alimentés en 12V, les autres seront alimentés en 5V.
Vous pourrez ajouter quelques leds qui permettront de connaître l'état du système.
On souhaite en plus ajouter un bouton poussoir de mise en marche du vélo, qui fait passer à l'état haut le signal « marche », sans avoir besoin de tourner le pédalier.
Éventuellement vous pouvez ajouter un bouton arrêt.
