Ballon sonde 2009 BTS Systèmes Electroniques Lycée Edouard Branly Amiens.

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Ballon sonde 2009 BTS Systèmes Electroniques Lycée Edouard Branly Amiens

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Ballon sonde 2009

BTS Systèmes Electroniques

Lycée Edouard BranlyAmiens

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La chaîne de vol

Ballon gonflé à l’hélium

Parachute

Réflecteur radar

Nacelle principaleParachute

Réflecteur radar

Nacelle secondaire

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Mise en œuvre de la nacelle principale

• Elle extrait et retransmet la trame GPGGA du GPS (heure, fix, altitude, latitude, longitude…).

• Elle transmet les informations de pression, températures intérieure et extérieure, humidité relative et intensité lumineuse.

• L’émetteur est un modulateur FM de porteuse 139,5 MHZ. Il est fourni par le CNES et porte le nom de Kiwi. Le signal modulant est une modulation FSK où un bit 0 est codé par un signal de fréquence 900 Hz et un bit 1 par un signal de fréquence 1500 Hz. Le débit de la communication est de 600 bauds.

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Etalonnage des capteurs et vérification de conformité avec la

documentation constructeur

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Capteur de pression (MPX4115)

lineaire

y = 0,0044x - 0,4603

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 200 400 600 800 1000 1200

P en hPa

Vc

en V Série1

Linéaire (Série1)

Carte test

Capteur de pression

Capteur de pression étalon

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Capteur d’hygrométrie (HIH4000)

Capteur d’humidité relative

Hygromètre étalon

Solutions salines saturées dont l’atmosphère présente un taux d’humidité connu et constant

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Capteur d’intensité lumineuse (BPW21R)

I=f(E)y = 2E-06x + 0,0001

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0 5000 10000 15000 20000

E en lx

I en

mA

Série1

Linéaire (Série1)

Capteur de lumière

Source de lumière

Luxmètre étalon

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Capteur de température (thermocouple type K, conditionneur AD595)

Sortie de la carte Capteur de températureVS=f(Temp)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

-60 -40 -20 0 20

Thermocouple

Carte de conditionnement

Solution «antigel» à – 28 °C

Thermomètre étalon

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GPS (EM-406)

GPS

Carte test

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Mise en œuvre de la nacelle secondaire

• Elle extrait et retransmet la trame GPGGA du GPS (heure, fix, altitude, latitude, longitude…).

• Elle transmet les informations de son accélération suivant 3 axes.

• Elle possède un système d’auto-largage, soit automatique à une altitude de 500 m, soit forcé par une télécommande au sol.

• Elle possède un système de prise de photos cyclique ou forcée par une télécommande au sol.

• Elle possède un émetteur sonore déclenché automatiquement à une altitude de 200 m lors de la phase descendante.

• L’émission et la réception sont effectuées par un module Xbee-pro à 2,4 GHz (modulation DSSS identique au Wi-Fi). Le débit de la communication est de 4800 bauds.

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Système d’auto-largage de la nacelle secondaire

par servo-moteur

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Capteur d’accélération (ADXL330)

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 40

0.5

1

1.5

2

2.5

3

CARACTERISTIQUE CAPTEUR : Vout = f(G)

Colonne B

G

Ten

sion

de

sort

ie (

Vol

t)

Capteur d’accélération 3 axes

Carte de conditionnement

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Télécommande de la nacelle secondaire

Ecran de contrôle

Antenne d’émission

Emetteur 2,4 GHz

Commande départ cycle photosCommande forçage d’une photoCommande d’auto-largage de la nacelle secondaire

Bouton de validation de la commande

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Choix des piles de la nacelle principale par un test de

capacitéLes contraintes sont :• Durée du vol de 3 h environ.• Température minimale de

l’atmosphère de– 70 °C.

• Consommation des cartes électroniques d’environ 300 mA.

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Décharge à courant constant

à + 20°C et à – 20 °C

Décharge pile 4,5 V à 400 mA à -20 °C

-2

-1

0

1

2

3

4

5

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Temps (s)

U (

V)

Décharge pile 4,5 V à 400 mA à 20 °C

00,5

11,5

22,5

33,5

44,5

0 5000 10000 15000 20000 25000

Temps (s)

U (

V)

Réalisé avec

LabView

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La nacelle principale

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Emetteur Kiwi 139,5 MHz

Antenne d’émission

Capteur de lumière

Processeur

Capteur de pression

Capteur de température

Hygromètre

Connecteur du GPS

Modulateur FSK

Blindage obligatoire contre le rayonnement de l’émetteur

Cartes électroniques nacelle principale

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Appareil photos

Fils de connexion des capteurs fixés à l’extérieur de la nacelle, blindage

Piles 4,5 V

Cartes électroniques blindées

Isolation thermique pour l’électronique ainsi que pour les piles

Interrupteurs avec blindage

Nacelle principale

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La nacelle secondaire

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Télécommande 2,4 GHz Appareil

photos

GPS

AntennesEmetteur/récepteur

2,4 GHz

Processeur

Système d’auto-largage de la nacelle secondaire

Système sonore

Cartes électroniques nacelle secondaire

Accéléromètre

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Assemblage de la nacelle secondaire

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Nacelle secondaire avant fermeture

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Le lâcher du ballon sonde

Vendredi 3 avril 200913 h 59

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Phases de vol de la nacelle principale

Lâcher

Mesures de la pression, de la température, de l’hygrométrie et de l’intensité lumineuseMesure de la position GPS

Décompte de 10 secondes

Décrochage automatique de la nacelle secondaire à 500 m d’altitude ou sur commande depuis le sol

AtterrissageÉclatement du ballon Altitude proche de

30 km

Durée du vol : 3 heures

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Phases de vol de la nacelle secondaire

Lâcher

50 secondesMesures de

l’accélération de la nacelle

Décompte de 10 secondes

Mesure de l’accélération et de la

position GPS

Décrochage automatique de la nacelle secondaire à 500 m d’altitude ou sur commande depuis le sol

10 secondesMesures de

l’accélération de la nacelle

Mesure de l’accélération et de la

position GPS

Atterrissage

Durée du vol : 3 minutes

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Le suivi du ballon en temps réel

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Le trajet de la nacelle secondaire

Réalisé avec

LabView

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Suivi de la nacelle principale sur grand écran en salle de conférence

et sur Internet (mise en place d’un serveur web)

Réalisé avec

LabView

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Affichage des mesures de la nacelle principale sur grand écran

et sur Internet

Réalisé avec

LabView

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Les résultats

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Altitude en fonction du temps

Point culminant : 28 800 mètres au bout de 90 minutes

Vitesse ascensionnelle de 5 m/s

Vitesse pendant la chute de l’ordre de 20 m/sAu-delà de 24000 m le

GPS n’indique plus son altitude

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Évolution de l’hygrométrie

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

Altitude (m)

Ta

ux

d'h

um

idit

é (

%)

A 5000 m la température est inférieure à - 40°C :

Le capteur est en dehors de sa plage de fonctionnement

Au-delà de 5000 mètres, la mesure n’est pas significative

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Évolution de la température à l’intérieur de la nacelle

-40

-30

-20

-10

0

10

20

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

Altitude (m)

Te

mp

éra

ture

du

m

icro

pro

ce

ss

eu

r (°

C)

Entre 0 et 10 km d’altitude, le ballon traverse la troposphère : la température y décroît

Au delà de 10 km d’altitude le ballon évolue dans la stratosphère : la température y est constante (environ – 60°C) puis augmente jusqu’à environ 0°C

L’isolation de la nacelle retarde la chute de la température. On peut voir l’augmentation de température en fin d’ascension.

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Évolution de la pression atmosphérique

0

200

400

600

800

1000

1200

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

Altitude (m)

Pre

ssio

n (

hP

a)

La pression atmosphérique décroît exponentiellement avec l’altitude

Le capteur a atteint sa limite basse de fonctionnement

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Conclusion• Le travail sous forme de projet permet d’aborder de manière

concrète des parties du programme. • Pour les élèves projet est ludique, tout en ayant un contenu

scientifique dense.• Les points forts de ce projet sont :

– Acquisition de savoirs techniques et scientifiques de niveau BTS (GPS, accéléromètres, transmissions radios etc.).

– Initiation à la conduite de projet : planification, travail en équipe.– Développement de la culture scientifique : connaissance de

l’atmosphère, principes physiques relatifs au vol d’un ballon sonde.

– Intérêt des élèves pour les sciences et les techniques, au sein de la section de BTS, mais aussi au sein du lycée.

– Communication des travaux réalisés par les élèves par le biais d’un site internet et le lâcher en début d’après midi de semaine pour toucher un maximum d’élèves.

– Communication dans la presse locale : mise en valeur du travail des élèves, des sections scientifiques et techniques et du partenariat avec Planète Sciences et le CNES.

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http://btsse.branly.amiens.free.fr