ROBO-PONG® - Free

ROBO-PONG® ROBOT D’ENTRAINEMENT AU PING-PONG

STI2D

Évolution du Robo-Pong®

STI2D ROBO-PONG®

Évolution du Robo-Pong / 55

ÉVOLUTION DU ROBO-PONG®

1. ÉVOLUTION DU SYSTÈME Les problématiques retenues résultent d’un réel besoin

exprimé par M. SUCHECKI, éducateur sportif breveté d’état de tennis de table. Un entretien filmé avec set entraineur a permis de fonder une liste de ses attentes par rapport à un robot d’entrainement :

Permettre au pongiste de recevoir des balles similaires aux sensations d’un joueur réel

Jouer des balles dans une même zone mais toujours différentes

Pouvoir placer l’effet souhaité dans un enchaînement Gérer le temps de travail par rapport à la fréquence des balles et le temps de récupération Synchroniser la fréquence de sortie des balles et l’oscillation de la tête du robot de façon à placer

précisément la balle sur la table Permettre le déplacement sur 2 axes des têtes Mécaniser les effets de balles Utiliser 2 ou 3 têtes pour envoyer des balles depuis divers emplacements Supprimer les fils de la télécommande Être alimenté de manière autonome Être commandé à distance par un PC dans le cas d’utilisation simultanée sur plusieurs tables Proposer un système de cibles pour régler finement le tir du pongiste et proposer un aspect ludique

pour une utilisation ponctuelle surtout avec un jeune public

1.1. Énoncé de problématiques retenues pour la STI2D

1.1.1. Problématique commune

Cette problématique sera étudiée par l’ensemble des élèves.

N° Intitulé

0 Comment améliorer la communication homme-machine ? (Infra-rouge, Affichage et LAN)

1.1.2. Problématiques individuelles

Chaque élève étudiera au moins une de ces problématiques.

N° Intitulé

1 Comment synchroniser la fréquence de sortie des balles et l’oscillation de la tête du robot de façon à placer précisément la balle sur la table ?

2 Comment rendre la machine autonome en énergie ?

3 Comment rendre ludique l’apprentissage du retour de balle du joueur ?

4 Comment piloter la machine en s’affranchissant des fils ?

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1.2. Présentation de la carte évolutive du Robo-Pong® Une carte évolutive élève a été conçue pour remplacer les cartes de commandes originelles des

Robo-Pong®. La carte évolutive intègre les fonctionnalités de base des Robo-Pong® 540 et 1040 :

Vitesse d’éjection des balles (BALL SPEED), Cadence d’éjection des balles (BALL

FREQUENCY), Vitesse d’oscillation de la tête du robot

(OSCILLATOR SPEED).

Boîtier de commande du Robo-Pong® 1040

La carte évolutive développée spécialement pour l’étude en STI2D intègre également quelques fonctionnalités supplémentaires :

Interface visuelle sur écran LCD, Interface de réception infrarouge pour la communication avec une télécommande IR.

En outre, elle possède des connecteurs sur lesquels les élèves viendront brancher leur réalisation s’il s’agit de conception en spécialité ou y brancher des solutions existantes pour les étudier en ETT. Il y a un connecteur pour chaque problématique (voir 1. ÉVOLUTION DU SYSTÈME page 2).

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1.3. Schématisation des problématiques associées à la carte évolutive

ROBOPONG BAC STI2D

Problématique n°3 : Comment rendre ludique l’apprentissage du retour de balle du joueur ?

Problématique n°1 : Comment synchroniser la fréquence de sortie des balles et l’oscillation

de la tête du robot de façon à placer précisément la balle sur la table ?

Problématique n°2 : Comment rendre la machine autonome

en énergie ?

Problématique n°4 : Comment piloter la machine en

s’affranchissant des fils ?

Problématique n°0 : Comment améliorer la communication

homme-machine ?

STI2D Carte évolutive

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2. ACTUALISATION DE LA PRÉSENTATION SYSML

2.1. Diagramme de cas d’utilisation (Use case)

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2.2. Diagramme d’exigences (Requirement)

Id = « 001 » Text = « Le robot doit permettre au joueur de suivre un programme d’entrainement adapté à son niveau »

« Requirement » Entrainer au Ping-pong

Id = « 002 » Text = « Les balles doivent être distribuées précisé-ment. On doit pouvoir adapter les paramètres suivants : - Vitesse d’éjection des balles - Cadence d’éjection - Effets de balles - Vitesse d’oscillation de la tête (version 1040) - Les balles doivent être distribuées à des endroits stratégiques sur la table »

« Requirement » Distribuer les balles

Id = « 005 » Text = « Les paramètres de jeux doivent être configurables : - Sur la tête du robot pour les effets de balles - Sur le pupitre du robot pour les autres paramètres - à distance avec une télécommande IR qui doit pouvoir tenir dans la poche - La communication est améliorée grâce à un écran LCD - à distance avec une interface web server »

« Requirement » Faciliter la configuration

Id = « 004 » Text = « Le Robot doit pouvoir contenir 90 balles (version 540) extensible à 200 balles (version 1040). Il peut être équipé d’un filet de récupération de balles en option. Cet équipement est livré de base dans la version 2040 Les balles sont de 40mm de diamètre »

« Requirement » Contenir les balles

Id = « 003 » Text = « Les robots doivent pouvoir être alimentés avec : - Un adaptateur 230VAC/12VDC - une batterie rechargeable afin de rendre le robot autonome »

« Requirement » S’adapter à la

source d’énergie

Id = « 006 » Text = « L’apprentissage doit pouvoir être rendu ludique grâce à un système de cibles judicieusement positionnées sur la table de ping-pong »

« Requirement » Rendre ludique l’apprentissage

req Robo-Pong

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2.3. Diagramme de blocs internes de la carte évolutive seule

Gestion ettraitement del’information

Alimentation

Éjections de balles

Interfacede

commandemanuelle

Récepteur / décodeur I.R.

Interfacevisuelle

Encodagenumérique

6

Ordres decommande

15V 5V 15V

Commandemoteurs

3

6

Commandeafficheur LCD

Informationsvisuelles

Réglages utilisateur

Ondes I.R.

codées

Balles éjectées

BallesM/A

Flux d’information

Flux d’énergie

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2.4. Diagramme de blocs internes de la carte évolutive avec évolutions

Balles renvoyées

Infos cibles touchées

Gestion ettraitement del’information

Alimentation

Éjections de balles

Interface decommandemanuelle

Récepteur IR

Interfacevisuelle

Réglagesencodés

Ordre decommande

15V5V

15V

Commandemoteurs

Commandeafficheur LCD

Informationsvisuelles

Réglagesutilisateur

Onde I.R.codée

Balles éjectées

Balles

Alimentation autonome Tension

batterie

Télé-commande

IR

Réglagesutilisateur

Interface web de

communication

Paramètres sur liaison

sérieParamétrage

Position-nement de la

tête

Info positionde la tête

Positionde la tête

Info balles éjectées

Gestion des cibles

Fonction associée à la problématique n°0





Pongiste

Infos batterie

Flux d’information

Flux d’énergie

M/A

Info balles

éjectées

5V

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2.5. Schéma structurel

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problématique 1

Comment synchroniser la fréquence de sortie des balles et l’oscillation de la tête du robot de façon à placer précisément la balle sur la table ?

1. PRÉSENTATION DE L’EXISTANT

Dans le modèle 1040, il n’existe actuellement pas de gestion contrôlée de l’éjection d’une balle.

En effet, l’oscillation de la tête et l’éjection d’une balle ne sont synchrones, ce qui revient à lancer parfois une balle dans une zone non souhaitée lors d’un entraînement.

ROBOPONG BAC STI2D

Problématique n°1 : Comment synchroniser la fréquence de sortie des balles et l’oscillation

de la tête du robot de façon à placer précisément la balle sur la table ?

Niveau de difficulté : Signal et

énergie Information et

programmation Structure et

matériaux

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2. AMÉLIORATIONS SOUHAITÉES On désire synchroniser la fréquence de sortie des balles et l’oscillation de la tête du robot de façon

à placer précisément la balle sur la table. Pour cela, il est nécessaire de : Choisir une solution technologique permettant de vérifier la position angulaire de la tête. Choisir les composants nécessaires pour la réalisation de cette solution. D’utiliser un modeleur 3D pour représenter cette solution. Réaliser un prototype adaptable et démontable sur la tête existante sans modification de

celle-ci. Choisir une solution technologique permettant de vérifier la sortie d’une balle. Choisir les composants nécessaires pour la réalisation de cette solution. Concevoir et fabriquer une carte électronique.

3. CAHIER DES CHARGES

Positionnement de la tête du robot

Balles éjectées Positionnement

de la têtePosition

de la tête

Info balles éjectées

Info position de la tête

Entrées :

Position de la tête : Position angulaire de la tête dans le plan horizontal. Balle éjectée : Balle éjectée par la tête du Robo-Pong®.

Sortie : Info balle éjectée : Signal numérique informant l’éjection de la balle. Info balle position de la tête : Signal numérique informant la position angulaire de la tête

dans le plan horizontal.

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Pour assurer la compatibilité avec la carte évolutive du Robo-Pong®, la carte électronique répondant à la problématique devra générer les signaux suivant :

gauche centre droite

Posi

tion

angu

laire

N°0

…

N°7

N°8

…

N°15

CDG

B0

… …

CDG

B1

… …

CDG

B2

… …

CDG

B3

… …

DET

ECT_

TIR

… …

Les signaux CDGB0 à CDGB3 et DETECT_TIR sont des entrées du connecteur J5 de la carte évolutive du Robo-Pong®.

t (ms)

100

Balle éjectée

t (ms)

100

Balle éjectée

t (ms)

100

Balle éjectée

t (ms)

100

Balle éjectée

t (ms) t (ms) t (ms) t (ms)




STI2D ROBO-PONG®


Les signaux CDGB0 à CDGB3 permettent d’informer la carte évolutive du Robo-Pong® de la position angulaire de la tête d’éjection des balles. Le codage de cette information est réalisé en code Gray (CDGB0 à CDGB3 : CoDe Gray Bit 0 à CoDe Gray Bit 3) :

Position angulaire N°

CDGB3 CDGB2 CDGB1 CDGB0

0 0 0 0 0

1 0 0 0 1

2 0 0 1 1

3 0 0 1 0

4 0 1 1 0

5 0 1 1 1

6 0 1 0 1

7 0 1 0 0

8 1 1 0 0

9 1 1 0 1

10 1 1 1 1

11 1 1 1 0

12 1 0 1 0

13 1 0 1 1

14 1 0 0 1

15 1 0 0 0

Ce type de codage devra être justifié. Le connecteur réservé pour cette problématique est identifiable sur la carte évolutive du Robo-

Pong® :

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Les broches réservées pour cette problématique sont identifiables sur le schéma de la carte évolutive Robo-Pong® :

4. ÉLÉMENTS ATTENDUS Description des recherches aboutissant à la solution. Schéma structurel répondant au cahier des charges. Réalisation d’une carte (ou veroboard) simple ou double-face d’une surface n’excédant pas

100cm² (10cmx10cm). Prévoir des points tests pour les mesures. Mesure et vérification du fonctionnement du système. Relevés des signaux attendus. Réalisation d’un programme Flowcode qui affiche sur le LCD la position angulaire de la tête et

détection d’un tir. Essais sur la carte évolutive déjà programmée. Mesure et vérification de la précision angulaire du système. Quantifier le coût des composants utilisés pour estimer le coût total de l’ensemble des

problématiques (coût total de l’ensemble des problématiques ne devant pas dépasser la somme de 100€).

Critique du système obtenu : limites, points faibles, améliorations possibles, etc. Prévoir l’intégration des composants utilisés sur le Robo-Pong® 1040 pour contrôler la position

angulaire de la tête en utilisant un modeleur 3D. Cette intégration ne doit pas conduire à des modifications trop importantes du système existant. Il convient de prévoir une évolution facilement adaptable sur la tête du Robo-Pong® 1040.

Prévoir l’intégration des composants utilisés sur le Robo-Pong® 1040 pour contrôler la sortie de la balle en utilisant un modeleur 3D.

Implanter le prototype sur le Robo-Pong® 1040.

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5. ÉLÉMENTS DE RÉPONSES POUR LES CANDIDATS LIBRES

Sites utilisés :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Capteur

http://gdumenil.free.fr/gfichier/mai/cours/Capteurs.pdf

http://philippe.berger2.free.fr/automatique/cours/cpt/les_capteurs.htm

http://pagesperso-orange.fr/loic.isambert/cours/codeurs.pdf

http://www.interface-z.com

http://bacstielectronique.free.fr/fichiers_cours_electronique/capteur_UCL.pdf

A. RECHERCHES DOCUMENTAIRES SUR LES CAPTEURS

1. Donner la définition d’un capteur.

Un capteur est un dispositif transformant une grandeur physique observée en une grandeur exploitable.

2. Quelle est la différence entre un capteur et un transducteur ?

Le transducteur est un dispositif qui convertit une grandeur physique en une autre et le capteur comporte au minium un transducteur.

3. Quelle est la différence entre un capteur passif et un capteur actif ?

Les capteurs passifs sont modélisables par une impédance. Une variation de la grandeur à mesurer entraîne une variation de l'impédance.

Les capteurs actifs transforment l’énergie propre au mesurande (grandeur à mesurer) en grandeur électrique. Ils fonctionnent souvent en électromoteur.

4. Les caractéristiques techniques des capteurs sont regroupées sous le terme « métrologie ». Enoncer et définir les principales caractéristiques techniques d’un capteur.

L'étendue de la mesure : c'est la différence entre le plus petit signal détecté et le plus grand perceptible sans risque de destruction pour le capteur.

La sensibilité : c'est la plus petite variation d'une grandeur physique que peut détecter un capteur.

La rapidité : c'est le temps de réaction d'un capteur entre la variation de la grandeur physique qu'il mesure et l'instant où l'information prise en compte par la partie commande.

La précision : c'est la capacité de répétabilité d'une information position, d'une vitesse,...

5. Comment choisir un capteur ?

Dans un premier temps, il faut définir le type d’évènement à détecter, sa nature, son environnement et la nature du signal délivré par le capteur

STI2D ROBO-PONG®


Dans un second temps, le choix du capteur se fera en tenant compte de ses performances (voir question précédente), ses dimensions et son prix.

B. RECHERCHES DOCUMENTAIRES SUR LE CAPTEUR DE POSITIONNEMENT DE LA TETE

On veut asservir le positionnement de la tête d’éjection du Robo-Pong® 1040, c'est-à-dire positionner (et arrêter) la tête à un endroit bien précis.

1. Doit-on utiliser un repérage linéaire ou angulaire ?

Le repérage utilisé sera angulaire.

2. Rechercher les 2 types de capteur qui permettent ce positionnement.

Il existe le codeur incrémental et le codeur absolu.

3. Quelle est la nature (ou famille) de ces capteurs ?

Ce sont des capteurs optiques.

4. Quelle est la différence sur la mesure de la position entre les deux capteurs ?

Le codeur incrémental fournit une position relative alors que le codeur absolu fournit la position exacte.

5. On s’intéresse aux codeurs absolus :

5.1. Énoncer son principe de repérage de la position.

Les positions angulaires sont repérées sur un disque par des secteurs qui sont codés.

5.2. Quels sont les différents codes qui peuvent être utilisés ? Les expliquer.

Le binaire naturel : codage d’un nombre sur n bits.

Le code GRAY ou binaire réfléchi : il permet de ne faire changer qu'un seul bit à la fois quand un nombre est augmenté d'une unité.

5.3. Quel est le problème engendré par le code binaire naturel ?

Le code binaire peut engendrer un changement de plusieurs bits à la fois pour la variation d’une seule zone d’où des erreurs.

C. RECHERCHES DOCUMENTAIRES SUR LE CAPTEURS DE DETECTION DE SORTIE DE BALLE

On veut s’assurer que la balle soit bien éjectée avant toute nouvelle rotation de la tête.

1. La détection sera fera-t-elle par contact ou non ?

La détection se fera sans contact.

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En allant sur le site http://www.interface-z.com/conseils/tableau-detection.htm, vous trouverez un tableau regroupant des différents capteurs selon leur type de détection.

2. Quelle(s) détection(s) allez-vous utiliser ?

Ce sont les détections passage et mouvement proche qui seront utilisées.

3. Sans faire de recherches, quelles sont les principes de détection qui ne pourront pas être retenus pour votre problématique ? Justifier rapidement.

Ne pourront pas être utilisés : les interrupteurs, les potentiomètres et les tapis sensitifs car ils nécessitent tous un contact avec l’objet à détecter.

4. Expliquer les différents principes de fonctionnement des capteurs potentiellement utilisables.

Barrière IR : un émetteur qui envoie un signal à un récepteur, lorsqu’il y a un obstacle, le récepteur ne reçoit plus rien.

Réflexion IR : l’émetteur et le récepteur sont sur le même boitier, un signal est émis puis réfléchi (s’il n’y a pas d’obstacle) en direction du récepteur.

Capteur photoélectrique (LDR) : c’est une photorésistance sensible à la quantité de lumière reçue : la variation d’intensité lumineuse entraîne une variation de la résistance.

Proximètre IR : triangulation optique, très précis mais non adapté pour de petites distances.

Capteur pyroélectrique : détection de mouvement de chaleur.

Télémètre à ultrason : l’émetteur et le récepteur sont sur le même boitier, on mesure le temps écoulé entre l’émission de l’onde sonore et son retour (difficile à mettre en œuvre).

5. En prenant en compte les contraintes de dimensions (tailles du capteur et de la tête d’éjection) et de prix, énumérer les capteurs utilisables dans cette problématique.

Les 3 premiers semblent être réalisables pour résoudre la problématique.

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D. EXEMPLE DE SOLUTION ÉLÈVE POUR LA PROBLÉMATIQUE 1

STI2D ROBO-PONG®


STI2D ROBO-PONG®


PROBLÉMATIQUE 2

Comment rendre la machine autonome en énergie ?


La gamme ROBO-PONG® ne permet pas une utilisation en l’absence d’une prise électrique proche.

2. AMÉLIORATIONS SOUHAITÉES Pour être en mesure de rendre autonome la machine en énergie, il est nécessaire de :

Dresser un bilan énergétique du système. Choisir une source d’alimentation parmi différents types de batterie. Implanter la batterie choisie sur le système en prenant en compte l’esthétique globale en

utilisant un modeleur 3D. Réaliser un prototype permettant de rendre autonome le fonctionnement du ROBO-PONG®

tout en assurant le rechargement de la batterie quand c’est possible.

Problématique n°2 : Comment rendre la machine autonome

en énergie ?

ROBOPONG BAC STI2D




matériaux

STI2D ROBO-PONG®



Alimentation autonome

15V

Alimentation autonome

Tension batterie

Infos batterie

Entrées :

15V : Tension d’alimentation continue +15V / 1A. Sortie :

Tension batterie : Tension d’alimentation sécurisée continue +12V / 1A . Infos batterie : Signaux numériques indiquant la présence du secteur, la charge de la batterie

et si la batterie est fortement déchargée (probablement défectueuse).

Les caractéristiques électriques pour la réalisation du chargeur de batterie sont de 15V minimum

en entrée du chargeur (tension fournie par le bloc secteur livré avec les Robo-Pong®). En plus de gérer la charge de la batterie et pour assurer la compatibilité avec la carte évolutive du

Robo-Pong®, la carte électronique répondant à la problématique devra générer les signaux suivant : Signal SECTEUR : Un niveau logique bas indique la présence de la batterie uniquement. Un

niveau logique haut indique la présence du secteur. Signal CHARGE : Un niveau logique haut indique que la batterie est dans un cycle de

chargement. Signal DÉCHARGÉE : Un niveau logique haut indique la présence d’une batterie fortement

déchargée et probablement défectueuse. Les connecteurs réservés pour cette problématique sont identifiables sur la carte évolutive du

Robo-Pong® :

STI2D ROBO-PONG®


Les broches réservées pour cette problématique sont identifiables sur le schéma de la carte

évolutive Robo-Pong® :

Remarque : VMOT est la tension provenant de la batterie.

4. ÉLÉMENTS ATTENDUS Description des recherches aboutissant à la solution. Schéma structurel répondant au cahier des charges. Réalisation d’une carte (ou veroboard) simple ou double-face d’une surface de 100cm²

(10cmx10cm) environ. Prévoir des points tests pour les mesures. Mesure et vérification du fonctionnement du système. Relevés des signaux attendus. Réaliser un programme permettant d’afficher sur l’afficheur LCD le mode de fonctionnement

du chargeur de batterie (batterie chargée, batterie en charge, batterie défectueuse et batterie uniquement : absence de secteur).

Essai sur la carte évolutive déjà programmée. Quantifier le coût des composants utilisés pour estimer le coût total de l’ensemble des


Critique du système obtenu : limites, points faibles, améliorations possibles, etc. Implantation de la batterie choisie sur le système en prenant en compte l’esthétique globale en

utilisant un modeleur 3D.

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5. ÉLÉMENTS DE RÉPONSES POUR LES CANDIDATS LIBRES

Sites utilisés :

http://fr.wikipedia.org

http://www.ni-cd.net/

http://www.jade-technologie.com/downloads/Comment_choisir_la_bonne_batterie.pdf

http://www.cyclowatt.com/infos-vae/batteries-plomb-lithium-nimh.php

A. RECHERCHES DOCUMENTAIRES

1. Quelle est la différence entre une pile, un accumulateur et une batterie ?

Une pile ne se recharge pas contrairement à un accumulateur. Une batterie est composée de plusieurs accumulateurs.

2. Quelles sont les réactions chimiques mises en jeu dans une pile et un accumulateur ?

Une pile est un générateur qui transforme de l'énergie chimique en énergie électrique par une réaction d'oxydoréduction spontanée.

Un accumulateur se comporte comme une pile lors de sa décharge et comme un électrolyseur de sa charge.

3. Qu’est-ce que l’effet mémoire ?

La décharge de l’accumulateur ne descend pas en dessous d’un certain seuil (qui n’est pas le théorique). Ceci n’est vrai que si les seuils de décharges partielles sont exactement les identiques à chaque fois, il est donc extrêmement rare.

4. Quelles sont les 3 grandeurs importantes pour un accumulateur ? Donner leur définition.

La capacité (en A.h) : c’est la quantité d’énergie pouvant être emmagasinée et restituée.

La tension (en V) : c’est la valeur moyenne de la tension aux bornes de l’accumulateur pendant la décharge.

La résistance interne (en ) : une valeur très faible permet de diminuer la chute de tension aux bornes de l’accumulateur pendant la charge.

5. Quelles sont les caractéristiques techniques à prendre en compte dans le choix d’une batterie ?

Masse et dimensions

Tension, capacité (courant de décharge)

Durée de vie

Autodécharge

STI2D ROBO-PONG®


6. Énoncer les différentes technologies existantes : noms, avantages, inconvénients et tensions nominales.

Technologie Avantages Inconvénients Tension nominale

Plomb

Robuste

Puissante

Charge facile

Économique

Autodécharge faible

Polluante

Dimensions importantes

Durée de vie faible 2V

Nickel–Cadmium (Ni-Cd)

Technologie éprouvée

Fort courant

Tension faible

Effet mémoire

Autodécharge importante

Cadmium très polluant

1,2V

Nickel-Hydrure-Métallique (Ni-Mh)

Fort débit de courant

Charge rapide

Peu polluante

Tension faible

Pas de surcharge possible

Prix élevé

1,2V

Lithium-Ion (Li-ion) et Lithium-polymère (Li-po)

Forte tension

Nombre de cycles de charge

Autodécharge très faible

Pas d’effet mémoire

Coût élevé

Risque d’explosion pendant la charge

Durée de vie faible

3,7V

B. MESURES DE PUISSANCES

Liste du matériel :

Robo-Pong® 1040 + carte de commande du 540 et 1040 + carte évolutive 1 alimentation continue 12V 1 prise jack alimentation 1 ampèremètre Des balles de ping-pong (20 au minimum)

Travail à faire sur chaque carte :

1. Relier la carte au robot.

1. Alimenter la carte en 0 / 12V DC.

2. Placer un ampèremètre pour mesurer le courant absorbé par le système (alimentation + robot).

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3. Mesures sans balle :

3.1 Relever la valeur du courant quand les potentiomètres sont au mini et au maxi.

Carte 540 Carte 1040

Rmin 0,196A 0,308A

Rmax 0,312A 0,354A

3.2 Calculer la puissance absorbée dans les 2 cas. C’est la puissance nécessaire pour qu’il fonctionne, on peut assimiler cette puissance aux pertes du système.


Rmin 2,3W 3,7W

Rmax 3,7W 4,2W

4. Mesures avec balles :

4.1 Relever la valeur maximale du courant quand les potentiomètres sont au mini et au maxi.


Rmin 0,200A 0,34A

Rmax 0,358A 0,423A

4.2 Calculer la puissance absorbée dans les 2 cas


Rmin 2,4W 4W

Rmax 4,3W 5,1W

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4.3 Calculer la puissance utile à la montée des balles et à leurs lancements puis le rendement du système pour chaque valeur de résistance.


Pu Rmin 0,1W 0,3W

Rmax 0,6W 0,9W

Rmin 4,1% 7,5%

Rmax 14% 17,6%

Comparaison des cartes :

1. En comparant vos résultats de mesures sur les cartes 540 et 1040, concluez sur l’intérêt de ne pas avoir la même technologie de commande entre les 2 cartes sachant que le Robo-Pong® 1040 possède 3 moteurs alors que le Robo-Pong® 540 en possède 2.

En proportion, la technologie de la carte 1040 utilisant des R.I.T, permet de consommer moins d’énergie pour le fonctionnement des composants que celle utilisant une M.L.I.

2. Quelle carte permet d’avoir le meilleur rendement ? Pourquoi avoir autant d’écart entre les cartes Robo-Pong® et la carte évolutive ?

C. CHOIX DE LA BATTERIE

1. En tenant compte de vos résultats expérimentaux, calculer la capacité nécessaire sachant que l’on doit pouvoir utiliser les machines pendant 8 heures.

On considère que le courant maximum absorbé par le Robo-Pong® vaut 0,5A.

La capacité de la batterie doit être de 0,5 x 8 = 4 Ah et sa tension nominale 12V.

2. En étudiant les valeurs nominales de tension et des capacités disponibles, les coûts, déterminer la ou les technologies la ou les plus adaptées.

La technologie Li-ion ne permet pas d’avoir une tension de 12V (soit 3 x 3,7 = 11,1V ou 4 x 3,7 = 14,8V)

La batterie au plomb coûte environ entre 10€ et 35€.

Une batterie Ni-Mh ou NiCd de 2,4Ah a un coût supérieur à 90€.

La solution à retenir est une batterie au plomb en raison de son coût et surtout de nos stocks.

STI2D ROBO-PONG®



STI2D ROBO-PONG®


PROBLÉMATIQUE 3 Comment rendre ludique l’apprentissage du retour de balle du joueur ?


Le constructeur propose en option une série de trois cibles de

diamètres différents à disposer sur la table. Chaque fois que le joueur touche une des cibles, des points sont

comptabilisés (par exemple : 3 points pour la petite cible, 2 points pour la moyenne et 1 point pour la plus grande).

Les points de l’ordinateur sont comptabilisés en fonction du temps séparant deux impacts sur une des cibles. Plus on met de temps à toucher une cible, plus l’ordinateur marque de points.

Ce type de comptage de points ne prend pas en compte la position de la balle par rapport au

centre de la cible. La cible peut être ratée de peu ou de plus loin sans que l’ordinateur ne fasse la différence.

ROBOPONG BAC STI2D

Problématique n°3 : Comment rendre ludique l’apprentissage du retour de balle du joueur ?




matériaux

STI2D ROBO-PONG®


2. AMÉLIORATIONS SOUHAITÉES Pour être en mesure de contrôler la précision d’un renvoi de balle sur une cible, on demande

d’étudier une solution capable d’évaluer, puis d’attribuer des points en fonction de la distance du point d’impact de la balle et du centre de la cible.

Pour cela, vous devrez présenter : Une nouvelle règle pour le comptage des points. Une étude dimensionnelle de la (ou des) nouvelle(s) cible(s). Une démarche de choix de composants. Une étude des caractéristiques des matériaux employés compatibles avec le capteur choisi

pour la détection de l’impact. Réalisation d’un prototype pour valider la solution.


Gestion des cibles

Infos cibles touchées Gestion des

cibles

Balle renvoyée

Entrées : Balle renvoyée : Balle de ping-pong retournée par le joueur vers la cible.

Sortie :

Infos cibles touchées : Signaux indiquant quelle cible vient d’être touchée par la balle retournée par le joueur.

STI2D ROBO-PONG®


Pour assurer la compatibilité avec la carte évolutive du Robo-Pong®, la carte électronique répondant à la problématique devra générer les signaux suivant :

Cibles loupées Mauvais tir Bon tir Très bon tir

Impa

ct d

e la

bal

le

CAPT

1-CI

BLE

CAPT

2-CI

BLE

Les signaux CAPT1-CIBLE et CAPT1-CIBLE sont des entrées du connecteur J4 de la carte évolutive. Ce connecteur est identifiable sur la carte évolutive du Robo-Pong® :

t (ms)

100

Impact de la balle

t (ms)

100

Impact de la balle

t (ms) t (ms)

t (ms)

100

Impact de la balle

t (ms) t (ms)

100

Impact de la balle

t (ms)

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Les broches réservées pour cette problématique sont identifiables sur le schéma de la carte évolutive Robo-Pong® :

4. ÉLÉMENTS ATTENDUS Les nouvelles règles du jeu précisant le mode de comptage des points Description des recherches aboutissant à la solution. Descriptif des composants choisis pour capter l’impact de la balle sur les cibles en justifiant

leur choix. Descriptif des matériaux choisis pour réaliser les cibles en justifiant leur choix. Plan des nouvelles cibles Schéma structurel répondant au cahier des charges. Réalisation d’une carte (ou veroboard) simple ou double-face d’une surface n’excédant pas

100cm² (10cmx10cm). Prévoir des points tests pour les mesures. Mesure et vérification du fonctionnement du système. Relevés des signaux attendus. Réalisation d’un programme flowcode qui affiche sur le LCD la cible qui à été touchée.

Réalisation de programmes flowcode qui compte les points avec la nouvelle règle de comptage établie.

Essai sur la carte évolutive déjà programmée. Quantifier le coût des composants utilisés pour estimer le coût total de l’ensemble des


Critique du système obtenu : limites, points faibles, améliorations possibles, etc. Prototype de la solution.

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5. ÉLÉMENTS DE RÉPONSES POUR LES CANDIDATS LIBRES Sites utilisés :

http://fr.wikipedia.org

http://gdumenil.free.fr/gfichier/mai/cours/Capteurs.pdf

http://philippe.berger2.free.fr/automatique/cours/cpt/les_capteurs.htm

http://www.interface-z.com

http://sti.cnam.fr/instrumesure/down/capteur/capteursB0_1.pdf

A. RECHERCHES DOCUMENTAIRES SUR LES CAPTEURS

1. Donner la définition d’un capteur.

Un capteur est un dispositif transformant une grandeur physique observée en une grandeur exploitable.

2. Quelle est la différence entre un capteur et un transducteur ?

Le transducteur est un dispositif qui convertit une grandeur physique en une autre et le capteur comporte au minium un transducteur.

3. Qu’appelle-t-on conditionneur ?

Un conditionneur est un circuit électronique de traitement du signal issu d'un capteur.

4. Quelle est la différence entre un capteur passif et un capteur actif ?

Les capteurs passifs sont modélisables par une impédance. Une variation de la grandeur à mesurer entraîne une variation de l'impédance.

Les capteurs actifs transforment l’énergie propre au mesurande (grandeur à mesurer) en grandeur électrique. Ils fonctionnent souvent en électromoteur.

5. Les caractéristiques techniques des capteurs sont regroupées sous le terme « métrologie ». Énoncer et définir les principales caractéristiques techniques d’un capteur.

L'étendue de la mesure : c'est la différence entre le plus petit signal détecté et le plus grand perceptible sans risque de destruction pour le capteur.

La sensibilité : c'est la plus petite variation d'une grandeur physique que peut détecter un capteur.

La rapidité : c'est le temps de réaction d'un capteur entre la variation de la grandeur physique qu'il mesure et l'instant où l'information prise en compte par la partie commande.

La précision : c'est la capacité de répétabilité d'une information position, d'une vitesse...

6. Comment choisir un capteur ?

Dans un premier temps, il faut définir le type d’évènement à détecter, sa nature, son environnement et la nature du signal délivré par le capteur

Dans un second temps, le choix du capteur se fera en tenant compte de ses performances (voir question précédente), ses dimensions et son prix.

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B. RECHERCHES DOCUMENTAIRES SUR LES CAPTEURS CIBLES

En allant sur le site http://www.interface-z.com/conseils/tableau-detection.htm, vous trouverez un tableau regroupant des différents capteurs selon leur type de détection.

1. Quelle(s) détection(s) allez-vous utiliser ?

C’est la détection pression- poids qui sera utilisée.

2. Quel est le capteur le plus adapté ?

C’est le capteur FSR (Force Sensing Resistor)

3. Expliquer son principe de fonctionnement.

Les capteurs de pression FSR sont des capteurs dont la résistance varie en fonction de la pression exercée sur ceux-ci. La valeur de la résistance diminue lorsque la pression augmente.

4. Quels sont les grands domaines d’applications de ce capteur ?

La médecine, la robotique, la musique électronique et les périphériques de saisie pour ordinateur.

5. Est-ce un capteur passif ou actif ?

C’est un capteur passif.

6. Quels sont les conditionneurs utilisables ? Les expliquer rapidement.

Le montage potentiométrique : c’est l’association série d’une source de tension, du capteur et d’une résistance. Inconvénient : sensible aux parasites.

Le pont d’impédance : le déséquilibre traduit une variation de résistances. L’utilisation d’un amplificateur différentiel à la sortie du pont permet d’éliminer les parasites.

L’amplificateur opérationnel : l’amplification est déterminée par la résistance du capteur.

C. LECTURE DE LA DOCUMENTATION SUR LES CAPTEURS CIBLES

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A. EXEMPLE DE SOLUTION ÉLÈVE POUR LA PROBLÉMATIQUE 3

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PROBLÉMATIQUE 4 Comment piloter la machine en s’affranchissant des fils ?


Pour modifier les paramètres du ROBO-PONG® le joueur ou l’entraineur doit agir sur le pupitre de commande placé sur la table de ping-pong.

ROBOPONG BAC STI2D

Problématique n°4 : Comment piloter la machine en

s’affranchissant des fils ?




matériaux

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2. AMÉLIORATIONS SOUHAITÉES Pour être en mesure de commander la machine en s’affranchissant des fils, il est nécessaire de

concevoir une télécommande complète. Pour cela, vous devrez présenter : Un bilan récapitulatif des fonctions à remplir et des commandes à installer. Une épure du boîtier de télécommande prenant en compte les impératifs d’ergonomie

(position, taille des différentes commandes…). Choisir les composants de communication (afficheur ou voyants, boutons poussoirs, touches…)

nécessaires au dialogue homme-machine. Concevoir et fabriquer une carte électronique avec le nombre de touches nécessaires (Voir

document annexe des codes RC5 à transmettre). Choisir un boîtier disponible dans le commerce qui permet d’implanter l’électronique, ainsi que

la source d’énergie.


Télécommande

Onde I.R.codée

TélécommandeRéglages

utilisateur

Entrées :

Réglages utilisateur : Sélection des fonctions du Robo-Pong® : Vitesse, Cadence, etc. Sortie :

Onde I.R. codée : Support de l’information des ordres d’entrées transmis vers le Robo-Pong®.

Le connecteur réservé pour cette problématique est identifiable sur la carte évolutive du Robo-Pong® :

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Pour information, les broches du microcontrôleur utilisées pour cette problématique sont identifiables sur le schéma de la carte évolutive Robo-Pong® :

Le récepteur I.R. (fonction réalisée par le pic16F88) génère les signaux suivant (exemple de code RC5 reçu et émis vers le pic18F4620 : code 20 en décimal) :

CLK

_RC

5RX

RC

5RX

t (µs) 216µs

48µs

MSB LSB

t (µs)

24µs 24µs

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Le tableau suivant correspond au codage RC5 souhaité dans la télécommande élève :

Fonctions de la télécommande Codage RC5 Programme n°0 0 Programme n°1 1 Programme n°2 2 Programme n°3 3 Programme n°4 4 Programme n°5 5 Programme n°6 6 Programme n°7 7 Programme n°8 8 Programme n°9 9

Standby 12 Décrémentation cadence 21 Incrémentation cadence 20 Décrémentation vitesse 19 Incrémentation vitesse 18

Décrémentation rotation 29 Incrémentation rotation 28

4. ÉLÉMENTS ATTENDUS Essais et analyse d’une télécommande RC5 du commerce. Description des recherches aboutissant à une solution disposant uniquement des touches

nécessaires. Schéma structurelle répondant au cahier des charges. Réalisation d’une carte (ou veroboard) simple ou double-face d’une surface n’excédant pas

100cm² (10cmx10cm). Prévoir des points tests pour les mesures. Réalisation d’un programme flowcode qui affiche sur le LCD (de la carte évolutive) le paramètre

envoyé par la télécommande. Mesure et vérification du fonctionnement du système. Relevés des signaux attendus coté

émetteur et récepteur. Essais de réceptions sur la carte évolutive déjà programmée. Quantifier le coût des composants utilisés pour estimer le coût total de l’ensemble des


Intégration de la télécommande dans un boîtier adapté. Rédiger une notice d’utilisation de la télécommande à destination des utilisateurs. Critique du système obtenu : limites, points faibles, améliorations possibles, etc.

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5. ÉLÉMENTS DE RÉPONSES POUR LES CANDIDATS LIBRES Sites utilisés :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Couleur

A. ETUDE DE L’EMISSION ET LA RECEPTION INFRAROUGE

1. L’image ci-dessous représente le spectre de la lumière.

Les couleurs sont caractérisées par une grandeur nommée . Quelle est son nom ?

C’est la longueur d’onde.

2. Deux couleurs ne sont pas représentées sur le spectre car non visible par l’œil humain. Quelles sont-elles ?

Ce sont les Ultra-violet et l’infrarouge.

3. Dans quel intervalle de longueurs d’onde se situe la lumière visible ?

D’environ 0,4 à 0,76µm

4. Quelle est la longueur d’onde de l’infrarouge ?

De 0,75 à 500µm.

5. Fonctionnement des composants :

5.1 Rappeler le fonctionnement d’une DEL.

Une DEL convertit le courant électrique en lumière. Si elle est parcourue par un courant, elle émet de la lumière.

5.2 Qu’est-ce qu’une photodiode ?

C’est un composant qui transforme le rayonnement lumineux en un signal électrique.

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5.3 Repérer sur le schéma, les parties émission et réception.

5.4 Câbler les 2 montages ci-dessous sur des plaques indépendantes en positionnant un ampèremètre permettant de mesurer le courant circulant dans la DEL. Vous veillerez à ce que la DEL et la photodiode soient alignées et distantes d’environ 10cm. On mettra la boite à décade de résistance R à 50 .

5.5 Régler sur le GBF, un signal rectangulaire de fréquence 3,8kHz et variant de 0 à 10V. Alimenter la partie émission avec ce signal.

5.6 Ajuster la valeur de la boite à décade afin d’obtenir un courant de 50mA.

5.7 Relever en concordance des temps les tensions aux bornes de R et Rp.

GBF

+10V

Rp=100k

Émission Réception

R

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5.8 Positionner un obstacle entre la DEL et la photodiode et relever de nouveau les courbes. Justifier le résultat obtenu sur la partie réception.

Comme la photodiode ne reçoit pas la lumière émise par le DEL, elle ne produit pas de courant électrique donc la tension aux bornes de Rp vaut 0.

6. Influence de la longueur d’onde :Repérer sur vos courbes de la question 5.7, les phases d’éclairement et d’obscurité.

6.2 Changer la DEL IR par la DEL jaune et relever en concordance des temps les tensions aux bornes de R et Rp.

6.3 Dans le cas de le DEL jaune, que se passe-t-il ?

Éclairement Obscurité

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La photodiode ne reçoit pas la lumière émise par la DEL jaune.

6.4 Retrouver dans les documentations techniques les différentes longueurs d’onde des DEL et de la photodiode.

SFH4511 : 950nm ± 55nm

Del jaune HPY5066Y : 570nm ± 30nm

Photodiode BPV10NF : 790nm à 1050nm avec un fonctionnement optimal à 940nm.

6.5 Quel est le 1er critère pour le choix de la DEL et de la photodiode ?

Les longueurs d’onde des composants doivent être accordées.

7. Influence de la distance :

7.1 Remettre la DEL IR pour la partie émission.

7.2 Pour d = 5cm, d = 15cm, et d = 30 cm, relever en concordance des temps les tensions aux bornes R et Rp. L’alignement entre la DEL et la photodiode doit être parfait.

d = 5cm

d = 15cm

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7.3 Interpréter en une phrase, l’ensemble des courbes relatives à la partie réception pour les 3 distances.

Plus on éloigne l’émetteur du récepteur, moins la photodiode reçoit de lumière d’où une baisse de la tension aux bornes de Rp (car moins de courant produit).

7.4 Modifier la valeur de la boite à décade afin d’obtenir un courant à 20mA et relever de nouveau les courbes pour une distance de 5cm et 15cm.

d = 30cm

d = 5cm

d = 15cm

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7.5 Quel est le 2nd critère pour le choix des composants ?

La DEL doit émettre un rayonnement suffisant à une distance de plusieurs dizaines de cm.

8. Influence de l’angle d’émission :

8.1 Régler la valeur de la boite à décade afin d’obtenir un courant à 50mA.

8.2 Utiliser l’abaque fourni (fichier abaque.pdf dans le répertoire). Positionner la partie réception au milieu des arcs de cercles (ne plus y toucher) et éloigner la diode émettrice de la photodiode de 10cm.

8.3 Relever en concordance des temps la tension aux bornes de R et Rp pour les angles 0°, 15° et 30° (on déplacera la partie émission suivant l’arc de cercle).

angle : 0°

angle : 15°

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8.4 Commenter l’ensemble des courbes obtenues.

Plus l’angle augmente, plus la réception de la photodiode diminue.

8.5 Retrouver dans la documentation technique la valeur maximale de l’angle de la DEL et de la photodiode utilisées pour avoir un fonctionnement optimal.

SFH 4511 : ± 4°

Photodiode BPV10NF : ± 20°

8.6 Quel est le 3ème critère pour le choix des composants ?

Utiliser une photodiode qui capte avec un angle suffisamment grand.

B. ETUDE DU PROTOCOLE RC5

1. Appuyer sur la touche 0 de la télécommande et la maintenir appuyée afin d’émettre plusieurs trames. Relever la tension aux bornes de Rp.

angle : 30°

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2. Compléter le chronogramme ci-dessous en ajoutant les durées.

La télécommande émet la seconde trame de bits 84ms après la fin de la précédente trame.

3. On s’intéresse à une trame. Dilater la base de temps afin de ne visualiser qu’une seule trame. Relever si le matériel à disposition le peut, la courbe à l’écran. 1 paquet d’impulsions correspond à 1 bit, compter le nombre de bits envoyés par 1 trame.

Il y a deux trames possibles par chiffre. 14 bits sont envoyés par trame.

trame1 trame 2

108 ms

24ms 84ms

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

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4. Mesurer la durée d’un bit (prendre la mesure sur les 2 premiers). En multipliant le nombre de bits par la durée d’un seul, vérifiez que vous obtenez la durée d’une trame.

Durée d’un bit : 1,6ms.

14 x 1,6 = 22,4 ms durée d’une trame

5. Dilater de nouveau la base de temps afin de visualiser les impulsions à l’intérieur d’un bit. Relever si le matériel à disposition le peut, la courbe à l’écran.

6. Mesurer de façon précise la période d’une impulsion et calculer sa fréquence. La fréquence d’une impulsion de un bit de la trame correspond à la fréquence d’émission de la télécommande.

T = 26,4µs et f = 37,88kHz.

La télécommande fournie émet à environ 38kHz. Les niveaux hauts sont donc modulés à 38 kHz.

Le récepteur de la carte évolutive démodule le signal.

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C. Organisation et construction du code RC5

http://www.positron-libre.com/electronique/protocole/rc5/code-rc5.htm

1. Limites du code RC5

Le code RC5, peut générer 2048 ordres différents organisés en 32 groupes de 64 commandes chacun. Nous pouvons par conséquent attribuer une adresse rc5 individuelle à chaque équipement, sans se soucier des influences de réglage d'un appareil sur l'autre.

2. Constitution d'une trame en code RC5

Elle se compose d'une suite de 14 bits et sa construction est la suivante :

- 2 bits de départ - 1 bit de basculement - 5 bits d'adressage du système - 6 bits d'instruction

Les 2 bits de départ sont utiles pour ajuster le niveau de la commande automatique du gain AGC dans le circuit intégré de réception. Le bit de basculement indique une nouvelle transmission de données. Sa valeur change à chaque nouvelle activation d'une touche afin de distinguer une nouvelle pression d'une pression continue sur la même touche. Les 5 bits suivants déterminent l'adresse du dispositif devant réagir à la commande. Nous avons donc 25 = 32 groupes d'adressage. L'instruction destinée à l'appareil est codée dans les 6 derniers bits. Ce qui donne 26 = 64 instructions.

3. Détail d'un bit

Les bits du code RC5 sont codées en biphasé (codage Manchester), c'est à-dire qu'un bit est composé de 2 demi-bits alternés. La combinaison bas/haut caractérise un bit positionné à 1 et la combinaison haut/bas un bit remis à 0.

4. Détail d'une trame

Chaque bit ayant une longueur de 1,778 ms, une trame rc5 dure alors 14 x 1,778 = 24,892 ms (24,889 ms en réalité sur les documentations voir les explications un peu plus loin sur cette page).

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5. Enchaînement des trames

La périodicité des messages (ou trame) à été choisie comme telle : c'est un multiple de la durée d'un bit soit, 64 x 1,778 = 113,792 ms (113,78 ms exactement)

6. Code RC5 des adresses des appareils

Adresse-Système Appareil

0 TV1

1 TV2

2 Vidéotexte

3 Extension pour TV1 et TV2

4 Laser Vision Player

5 Magnétoscope1 (VCR1)

6 Magnétoscope 2 (VCR2)

7 Réservé

8 SAT1

9 Extension pour VCR1 et VCR2

10 SAT2

11 Réservé

12 CD-Vidéo

13 Réservé

14 CD-Photo

15 Réservé

16 Préampli Audio1

17 Tuner

18 Magnétocassette analogique

19 Préampli Audio2

20 CD

21 Rack Audio ou Enregistreur

22 Récepteur satellite Audio

23 Magnéto DCC

24 Réservé

25 Réservé

26 CD Inscriptible

27 à 31 Réservé

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7. Code RC5 des Instructions communes à toutes les adresses

Instruction Signification 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 12 Standby 16 Volume + 17 Volume – 18 Brightness + 19 Brightness – 20 Color saturation + 21 Color saturation – 22 Bass + 23 Bass – 24 Treble + 25 Treble – 26 Balance right 27 Balance left 63 System select … …


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1. Réception de la trame sur la carte évolutive mesurée sur les points tests CLK_RC5RX et RC5-RX

Le composant U3 (PIC16F88) se charge de la réception de la trame infrarouge via le récepteur U5 (SFH5110-38), la décode puis l’envoie vers le composant U1 (PIC18F4620).

La communication du PIC16F88 vers le PIC 18F4620 est effectuée en binaire naturel sur le signal RC5-RX et cadencé par le signal d’horloge CLK_RC5RX.

Touche 9 de la télécommande

PIC16F88 vers PIC 18F4620

Touche 5 de la télécommande

PIC16F88 vers PIC 18F4620

CLK_

RC5R

X

RC5-

RX

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