Post on 15-Apr-2018
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GESTION ET RECHARGE DES
BATTERIES
INSTITUT SUPERIEUR DES SCIENCES ET TECHNIQUES
Master 1 système embarqués dans les transports
Rapport du projet tuteuré
MOUJIB Houssaine
2
Remerciement
Nous souhaitons tout d’abord remercier nos professeurs et responsables de la
formation systèmes embarqués dans les transports de l’institut supérieur des sciences
et technologies INSSET de saint Quentin, mais également monsieur Mohamed
HAMZAOUI responsable de notre projet, monsieur J.SENLIS et monsieur
T.CAPITAINE notre encadrant des travaux pratique pour leurs conseils, leurs aide et
leur écoute face à nos questions.
Nous tenons aussi à remercier les étudiants du projet Gestion de recharge des
batteries 2009, et particulièrement ERWAN ody, pour sa disponibilité.
Enfin, nous remercions tous les responsables de la formation SET de l’INSSET.
3
Sommaire
Introduction
1 Présentation du projet…………………………………………………………………………………………… 6
1.1 Contexte du projet …………………………………………………………………………………………… 6
1.2 Enjeux …………………………………………………………………………………………………………………………… 6
1.3 Fonctionnalités ………………………………………………………………………………………………………….. 7
1.4 Qualité de service attendue…………………………………………………………………………. 7
1.5 Limites ……………………………………………………………………………………………………………… 7
2 Etude documentaire…………………………………………………………………………………………. 8
2.1 Robot PROMOCO………………………………………………………………………………………………….. 8
2.2 Présentation de PIC 16F877………………………………………………………………………………. 9
2.3 Le logiciel utilisé …………………………………………………………………………………………………….. 10
3 Plan d’actions…………………………………………………………………………………………………… 11
3.1 Démarches de développement……………………………………………………………………………. 11
3.2 Calendrier prévisionnel……………………………………………………………………………………………. 12
3.3 Organisation du projet …………………………………………………………………………………………. 13
4 Présentation du système électronique ……………………………………………………… 15
4.1 Carte gestion de batterie ……………………………………………………………………………………. 15
4.2 Carte source ou carte onduleur …………………………………………………………………………… 16
5 Réalisation pratique……………………………………………………………………………………….. 17
6 La matrice IADT …………………………………………………………………………………………… 18
4
7 Expérimentation…………………………………………………………………………………………………… 19
7.1 Environnement de travail ………………………………………………………………………………………… 20
7.2 Ancien schéma fonctionnel ……………………………………………………………………………………. 21
7.3 Nouveau schéma fonctionnel ………………………………………………………………………………….. 21
7.4 Cahier des charges ………………………………………………………………………………………………… 22
7.5 Développement logiciel …………………………………………………………………………………………. 22
7.6 Cycle de test ……………………………………………………………………………………………………………. 23
8 Réalisation des cartes…………………………………………………………………………………….. 24
8.1 Cartes gestion communication ……………………………………………………………………………… 24
8.2 Carte gestion des batteries…………………………………………………………………………………. 26
9 Mon intervention au sein de l’équipe………………………………………………………….. 27
10 Bilan …………………………………………………………………………………………………………………… 27
5
Introduction
Pour la 4ème fois le département de systèmes embarques pour les transport
propose le sujet du robot PROCOMO, ce sujet a pour but de commander la recharge de
ces Le robot PROMOCO, donc l'objectif du notre projet est la recharge des batteries
et le contrôle de leur niveau en permanence, quand ce dernier devient faible, le
superviseur sera intervenu par la carte gestion des batteries pour que le robot se
déplace vers la source afin de charger les batteries, la recharge des batteries se fait
sans contact, par L'Intermédiaire d'un transformateur à air. Le transfert d'énergie se
fait par couplage électromagnétique.
C’est dans ce cadre que s’intègre le travail qui nous a été proposé cette année. En
effet, les cartes ont bien été crées au cours du projet, même l’étude des beugs des
programmes. D’ou notre sujet :
Gestion et Recharge des Batteries
Il est important de noter que, contrairement à d’autres groupes, nous avons eu la
chance d’obtenir le sujet que nous désirons.par conséquent, nous avons été très motivés
durant toute la durée de celui-ci.
Le présent document est donc le compte rendu de l’ensemble du travail effectué
au cours des cinq mois. Dans le cadre du projet tuteuré.
Dans une première partie, nous présenterons da manière précise le contexte et
les objectifs de notre projet puis nous nous intéresserons à l’étude documentaire
réalisée ainsi qu’au plan d’actions adopté .ensuite, nous détaillerons le système
électronique embarqué sur le robot. Enfin nous commenterons l’ensemble du travail
réalisé cette année, tant matériel que logiciel.
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1 Présentation du projet
1.1 Contexte du projet
Le robot PROMOCO est alimentée via deux batteries, une gérant la partie électronique
et, l'autre la partie puissance. Celles-ci lui permettent d'être autonome.
Après une utilisation prolongée, ses batteries doivent être rechargées.
L'objectif de ce projet intitulé « Gestion et recharge de batteries » est d'être
capable de recharger ces deux batteries sans intervention humaine.
A chaque instant, le niveau des deux batteries devra être mesuré puis envoyé au
superviseur.
Lorsque le niveau sera jugé critique par le superviseur, aux alentours de 20% de sa
charge maximale, le superviseur donnera l'ordre au robot de se diriger vers sa source
pour une recharge complète.
Ce rechargement s'effectuera sans contact, le robot se positionnera au dessus de la
source et récupérera la puissance nécessaire par un champ électromagnétique.
La base émettra la puissance si et seulement si le robot est correctement positionné.
Lorsque la charge sera complète, la base arrêtera d'envoyer la puissance. L'information
indiquant «batteries rechargées» sera émise au superviseur.
1.2 Enjeux
Les enjeux du projet sont très clairs.il s’agit de comprendre le fonctionnement de
chacune des cartes, les modifier si nécessaire et de concevoir et de implémenter le
programme embarqué sur les PIC.
Il est particulièrement important de rédiger une documentation complète du système
électronique pour faciliter la reprise du projet l’an prochain. En effet, aucune
documentation précise et exhaustive ne nous ayant été transmis. Nous considérons qu’il
est primordial de combler ce manque.
L’enjeu final du projet est d’arriver à un niveau d’aboutissement tel que le robot pourra
fonctionner parfaitement.
7
8
1.3 Fonctionnalités
D’un point de vue logiciel, les fonctionnalités à développer sont les suivantes :
� Gestion et ordre du robot
� Commande optimale de la recharge des batteries
� Chargement optimal des batteries
� Liaison entre PIC et PC
Nous aurons l’occasion de parler en détail de chacune de ces fonctionnalités par la suite
de ce rapport.
1.4 Qualité de service attendue
A la vue de l’état du projet lorsque nous l’avons commencé, nous serons satisfaits si la
majorité des cartes électroniques est gérée par le microcontrôleur.
Nous nous concentrons particulièrement cette année sur la mise à jour du système
matériel, sur le développement d’une base logicielle et sur la documentation du projet en
vue de faciliter la reprise de ce dernier par d’éventuels étudiants l’an prochaine.
1.5 Limites
Le projet étant par nature innovateur, peu de limites se posent. Nous avons des
objectifs principaux mais si ces derniers sont atteints d’autres améliorations techniques
sont envisageables. Notre limite principale sera le temps que nous consacrons au projet.
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2 Etude documentaire
2.1 Robot PROMOCO
Le robot PROMOCO est alimentée via deux batteries, une gérant la partie électronique
et, l'autre la partie puissance. Celles-ci lui permettent d'être autonome.
Après une utilisation prolongée, ses batteries doivent être rechargées.
L'objectif de ce projet intitulé « Gestion et recharge de batteries » est d'être capable
de recharger ces deux batteries sans intervention humaine.
A chaque instant, le niveau des deux batteries devra être mesuré puis envoyé au
superviseur.
Lorsque le niveau sera jugé critique par le superviseur, aux alentours de 20% de sa
charge maximale, le superviseur donnera l'ordre au robot de se diriger vers sa source
pour une recharge complète.
Ce rechargement s'effectuera sans contact, le robot se positionnera au dessus de la
source et récupérera la puissance nécessaire par un champ électromagnétique.
La base émettra la puissance si et seulement si le robot est correctement positionné.
Lorsque la charge sera complète, la base arrêtera d'envoyer la puissance. L'information
indiquant «batteries rechargées» sera émise au superviseur.
Nous regrettons seulement qu’aucune documentation précise chaque carte n’ait été
fournie. En effet n’étant pas électricien. Nous avons eu quelques difficultés à
comprendre le fonctionnement de chaque carte carte à partir des schémas.
Un gros travail de compréhension à donc été effectué. pour faciliter la reprise du
projet, nous avons donc par la suite rédigé une documentation vulgarisée que vous
pourrez trouvez en annexe.
En résumé, nous avons eu à notre disposition :
� Schémas et routage des cartes format PROTEUS
� Datasheet des composantes actifs,
� Datasheet des composantes passifs
� Datasheet du microcontrôleur,
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2.2 Présentation de PIC 16F877
Le choix des étudiants s’est porté sur le microcontrôleur PIC16F877 de Microchip, et ce
pour plusieurs raisons. Après une étude documentaire approfondie, nous avons maintenu
cette décision.
En effet, le PIC16F877 fait partie de la famille PIC 16F de microcontrôleurs que
propose microchip pour contrôler la gestion d’énergie de façon optimale.
Le modèle 16F877, pouvant être cadencé jusqu'à une fréquence d’horloge relativement
élevée de 40Mhz, est idéal pour des applications ou la gestion de puissance et d’énergie
est critique. Relativement simple d’utilisation, ce dispositif fournit une solution à prix
compétitif pour des systèmes dits intelligents et disposant de très peu de hardware,
comme c’est le cas pour notre projet.
Le PIC 18F877 possède tous les périphériques classiques dignes d’un microcontrôleur
(compteur, module PWM,…) ainsi que certaines fonctionnalités spécifiques.
Parmi celles–ci, nous retiendrons les suivantes, qui s’avèrent particulièrement
intéressantes dans le contexte de ce projet et qui confortent le choix de l’emploi de ce
microcontrôleur :
25 ports d’entrées sorties disponibles
Le système électrique complet faisant intervenir un nombre important de cartes, il est
nécessaire de disposer de suffisamment de ports d’E/S afin des les interlocuteurs et de
commander chacune d’entre elles.
Module USART universal synchrnous asynchronous receiver transmitter
Ce module peut être configuré en un système asynchrone Full-duplex capable de
communiquer avec des périphériques tels qu’un ordinateur.la liaison série avec un PC est
une des fonctionnalités à développer et sera donc réalisée grâce à ce module.
Mémoire de données EEPROM de 256 octets
Durant la course ses paramètres de course pouvant être stockés dans cette mémoire de
manière dynamique sans avoir recours à un module externe supplémentaire (Mémoire
RAM par exemple).
De plus la conception et la réalisation d’un logiciel embarqué sur un PIC 18F877 sont
relativement confortables, grâce notamment à un enivrement de développement
Microchip gratuit et un compilateur C.
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2.3 Le logiciel utilisé
Des le début, nous avons fait le choix développer le programme de ce robot, afin de
disposer de plus de confort et d’être à même de proposer rapidement une application
opérationnelle.
Le compilateur utilisé est MPLAB C18 de Microchip. Il est optimisé pour les
microcontrôleurs de la famille PIC18F877.ce compilateur intègre également des
bibliothèques et des fonctions spéciales qui nous permettent d’utiliser les périphériques
du PIC (USART,…) à partir d’un haut niveau de programmation.
MPLAB IDE (version V8.36) également de Microchip, est l’environnement de
développement qui nous servira à réaliser le programme embarqué. Le compilateur
MPLAB C 18 sera intégré à cet environnement. Ce logiciel gratuit propose un simulateur
qui est très utile pour exécuter pas à pas un programme et ainsi le débugger avant de le
charger sur PIC.
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3 Plan d’actions
3.1 Démarches de développement
Notre projet peut être découpé en cinq étapes bien distinctes.
1ère Etape : Documentation et préparation du projet
Récupération des documents et des dossiers concernant le projet,
Récupération des cartes électroniques, du robot et des batteries,
Achat des composants nécessaires projets.
2ème étape : Analyse de l’existant
Analyse des documents récupérés en phase 1,
Analyse des cartes électronique,
Rédaction d’un dossier de synthèse d’analyse des cartes.
3ème étape : Réalisation matérielle
Fabrication d’un programmateur,
Phase d’expérimentation sur platine des tests,
Modification des cartes : source et gestion des batteries.
4ème étape : Réalisation logicielle
Développent d’une interface de communication,
Conception du programme embarqué,
Implantation du programme.
5ème étape : Finalisation
Tests de corrections,
Préparation de la soutenance.
13
3.2 Calendrier prévisionnel
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3.3 Organisation du projet
L’équipe est constituée de :
� ODEY Erwann
� MOUJIB Houssaine
� BRAS-RABILLER Matthieu
� SWINGDOUW Florent
Nous avons travaillé soit tous ensemble et selon l’état de l’avancement du projet.
De manière générale, nous nous sommes distribué le travail de la manière suivante
� Documentation et préparation du projet : groupe complet
� Analyse de l’existant : Groupe complet
� Réalisation matérielle : Binôme
� Réalisation logiciel : Groupe complet
� Finalisation : Groupe complet
Nous pouvons schématiser l’organisation pratique et les différents acteurs intervenants
sur ce projet de la manière suivante :
Mohamed
HAMZAOUI
Erwann
ODYE
MOUJIB
Houssaine
Gestion et recharge des
batteries
Florent
SWINGDOUW
Matthieu
BRAS-
RABILLER
Acteurs du projet
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En ce qui concerne les moyens matériels mis à notre disposition, l’ensemble de
composantes électroniques utilisées au cours de ce projet nous a été fourni par
laboratoire SET.
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4 Présentation du système électronique
4.1 Carte gestion de batterie
La mesure de la tension, le circuit de commutation ont été conservés puisqu'ils
fonctionnaient les années passées.
La mise en forme de l'alimentation se fait par un doubleur de tension qui permet, dans
notre cas, de linéariser la tension reçue.
La mesure du courant quant à elle évolue. En effet, le LEM n'est pas exploitable au 100%
en présence de champs électromagnétiques, c'est pour cela que nous le remplaçons par
l’ACS712, un composant plus petit, mois cher et qui fonctionne
Parfaitement en milieu perturbé.
Schéma fonctionnel de la carte gestion des batteries
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4.2 Carte source ou carte onduleur
Nous avons choisi de conserver la partie onduleur à base de transistors, condensateurs
et diodes plutôt que de prendre un onduleur vendu dans le commerce. En effet, cet
onduleur a été validé par Mr Hamzaoui l'année passée et est capable de transmettre une
puissance aux alentours de 200W bien supérieure à nos besoins estimés à 70W.
Les réglages de la fréquence et du rapport cyclique se feront grâce à des
potentiomètres multi-tours pour assurer une meilleure précision.
Les phototransistors de position et de transfert d'information fonctionnent à des
longueurs d'ondes différentes pour éviter tout problème.
L'antenne et les phototransistors seront montés en déporté par rapport à la carte
principale.
Schéma fonctionnel de la carte SOURCE
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5 Réalisation pratique
Choix technologique
Ce projet est la suite des travaux effectués les années précédentes. Nous avons dû
faire des choix, garder ce qui fonctionnait, étudier les améliorations envisageable, tout
en ayant un coup de reviens assez faible.
Le code
L'ensemble du projet sera codé en C sous MPLAB.
Les tests unitaires
Ils vont permettre de tester le programme d'une façon complète afin de vérifier que
les données de la carte Onduleur et de la carte Gestion de batterie sont bien
récupérées.
Il faudra simuler des erreurs pour bien prendre en compte tous les cas de figures
possibles.
Les tests d'intégration
Pour une bonne entente entre les cartes réalisées et les autres, il faudra vérifier que le
niveau des deux batteries sont correctement envoyés dans le bus CAN à destination du
Superviseur.
Les indicateurs de réussite
La validation des points suivants permettra l'aboutissement du projet :
� L'alimentation de toutes les parties électroniques des deux cartes,
� La détection entre Led IR et phototransistors associés,
� Une mesure de courant exacte,
� La réception des données par les microcontrôleurs,
� Un transfert de puissance efficace entre les deux cartes,
� Une mise en charge de batteries par ordre de nécessité (la plus faible),
� L'arrêt du transfert d'énergie lorsqu'elles sont chargées,
� La communication en bus CAN.
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6 La matrice IADT
Cette matrice permet de valider le cahier des charges.
a- L'inspection
Cette partie est une vérification visuelle du bon fonctionnement. Il faut
particulièrement faire attention :
� Au clignotement de la LED 'PWM' sur la carte onduleur indiquant sa mise en
marche,
� Aux LEDs destinées au RX et TX de la liaison série des deux cartes,
� Aux LEDs de mise en charges des batteries,
� A la bonne connexion des antennes.
b- L'analyse
Il s'agit d'une étude plus en détail :
� Du programme avec correction des bugs,
� Des cartes avec vérification de soudures correctes, de bon contact, l'absence
de court-circuit.
c- La démonstration
La démonstration, synonyme de bon fonctionnement, est basée sur :
� La communication opérationnelle entre la carte Gestion de batterie et le
superviseur,
� Le transfert et la réception d'énergie,
� La bonne recharge des batteries.
d- Les tests
Il s'agira de tester les points énoncés dans la partie démonstration.
Liste matériels :
Pour ce projet, nous aurons besoin du matériel conventionnel (pc, poste à souder,
multimètre,…)
20
7 Expérimentation
Afin de nous familiariser avec la programmation et l’utilisation du PIC 18F877, nous
avons utilisé une platine de tests, ce type de plaquette convient très bien pour une
phase d’expérimentation.
Cette méthode permet de tester le programme avant son implantation
Injection du programme à l’aide du logiciel PICDOWNLOWNDER
Test du programme par MPLAB
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7.1 Environnement de travail
Nos précédentes réalisations matérielles, n’étaient pas présentes sur le système
électronique du ROBOT. Afin de les intégrer dans le ROBOT, nous avons entièrement
reconstruit la carte SOURCE, on nous basant sur son précédant schéma électronique.
Environnement de travail
PIC- DOWNLOWDER
COM
PIC
18F788
Interface-série
MPLAB
Oscilloscope
Visualisation de PWM
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7.2 Ancien schéma fonctionnel
Schéma contenant 2 pic telque le pic 12F615 contrôle uniquement la PWM.
7.3 Nouveau schéma fonctionnel
Donc nous avons réalisé ce nouveau schéma développé afin de procéder une bonne étude
avec un seul PIC à la place de deux Pic.
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7.4 Cahier des charges
Dans le cadre de notre projet le but est de générer le champ magnétique utile à la
recharge des batteries. Cette carte a déjà été réalisée précédemment.
La fonction à rajouter est la commande du système, l’action qui permettra le démarrage
ou l’arrêt du processus.
De plus, il serait judicieux de revoir le choix des composantes, surtout les transistors
de puissance. Actuellement du à la qualité des transistors, le courant de sortie est
limité à 8 A.
7.5 Développement logiciel
Pour une Commande de l’onduleur, nous avons étudié le signal PWM.
Est un signale de sortie issue de la patte 17 (CCP1), permettant de commander
l’onduleur.
On peut faire varier son rapport cyclique en changeant la valeur du registre PR2 associé
au TIMER 2.
Développement du programme pour choix du mode PWM
Configuration pour choix PWM,
REGISTRE CCP1CON (PWM sur CCP1)
; ------------------------------------
CCP1CON B'00001100' ; mode PWM
; b7 : 0
; b6 : 0
; CCP1X b5 : 0 Compare de pwm
; CCP1Y b4 : 0
; CCP1M3 b3 : 1 Choix mode de fonctionnement
; CCP1M2 b2: 1 1100 = PWM
; CCP1M1 b1: 0
; CCP1M0 b0 : 0
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7.6 Cycle de test
Cycle de développement
Travail demandé
La méthode de travail pour le développement des pro grammes d’acquisition est la suivante:
Programmateur
PIC C COMPILER
Réalisation des programmes
Transfert des prog vers le PIC
TEST
Correction et rectification
25
8 Réalisation des cartes
8.1 Cartes gestion communication
Cartes gestion des batteries
Afin de finaliser notre travail de ce projet tuteuré, nous avons réussi à réaliser de
nouvelles cartes qui sont totalement opérationnelles, capables de définir les taches du
robot PROMOCO et de gérer la communication entre robot et sol de recharge.
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8.2 Carte gestion des batteries
Cette carte permette de commander le processus de commande de la recharge des
batteries on se basant sur l’information de PWM.
On respectant les ordres :
� Batteries faibles : marche de recharge des batteries,
� Batteries chargées : arrêt de charges des batteries.
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9 Mon intervention au sein de l’équipe
J’ai participé à plusieurs taches pratiques durant mon projet au sein de l’équipe comme :
Développement et programmation des cartes,
La réalisation des cartes,
La correction et test du programme.
10 Bilan
Difficultés rencontrées
Quelque ambigüité au niveau de la compréhension du Datasheet pour quelques
fonctionnalités.
Intérêts personnels du projet :
Ce projet était une expérience enrichissante sur le plan technique et organisationnel.
En effet, il m’a permis de développer mes connaissances au niveau de la réalisation et
conception des cartes.
Ce projet ma permis de se familiariser avec un nouveau outils de développement langage
assembleur.