Projet de réalisation d'un boitier multifonction permettant de peser un objet, de mesurer la température ambiante, de piloter une lampe en bluetooth à partir d'un smartphone Android ou iOS.

1. CONCEPTION ET REALISATION D’UN
OBJET ELECTRONIQUE
Application : Relais bluetooth – Balance
connectée
De la conception à la fabrication
Département GEII de l’IUT de l’Indre
Eric PERONNIN

2. De nombreuses disciplines du DUT GEII en
jeu
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Gestion de
projet
Mathématiques
Electronique
Analogique
Electronique
Numérique
Informatique
Embarquée
Physique des
capteurs
Anglais
CAO
Electronique
Physique des
Capteurs
Carte
Electronique

3. Aspects relatifs à la Gestion de Projet
De la conception à la fabrication
Département GEII de l’IUT de l’Indre
Eric PERONNIN

4. Cahier des charges : critères
Conception d’un boitier pilotable à distance permettant de
commuter une lampe, peser un objet, mesurer la température
ambiante.
Critère N°1 : pilotage possible à partir d’un smartphone permettant
également d’afficher diverses informations en provenance du
boitier.
Critère N°2 : offrir une cible aux étudiants de première année.
 Utilisable durant les séances de TP d’Informatique Embarquée.
 Montrant sur un exemple concret l’ensemble des disciplines
mises en jeu pour développer un système électronique.
Critère N°3 : faible coût de fabrication.
 Les composants et le circuit imprimé sont financés par le
département GEII.
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5. Cahier des charges : critères
Critère N°4 : consommation réduite.
 Enjeux écologiques.
 Limiter le coût de fonctionnement.
 Permettre un fonctionnement sur batterie en mode balance
connectée.
Critère N°5 : permettre différentes activités de travaux pratiques
avec :
 un système de développement simple d’utilisation,
 des boutons poussoirs et LEDs pour interagir simplement avec
l’utilisateur,
 un capteur de température,
 divers capteurs et périphériques via une connectique de type
Grove issue du monde Arduino.
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6. Analyse et exploitation du cahier des charges
Deux aspects à considérer
 La possibilité de piloter une lampe, peser un objet, mesurer une
température.
 L’utilisation comme cible pour des travaux pratiques.
Cas de l’application exploitant un smartphone
 Boitier autonome et mobile en mode balance connectée :
 intégration d’un système de communication sans fil
compatible avec la majorité des smartphones et de petites
exigences énergétiques,
 alimentation par piles.
 Eléments de test :
 au moins un bouton poussoir,
 1 LED.
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7. Analyse et exploitation du cahier des charges
Cible pour les travaux pratiques
 LEDs et Boutons poussoirs en nombre (3 de chaque minimum).
 Ajout :
 d’un capteur de température,
 d’un connecteur de type Grove pour des entrées tout ou rien,
 d’un connecteur Grove pour une communication entre
composants ou des entrées analogiques,
 d’un connecteur de communication (liaison série) pour la
programmation et visualiser des informations envoyées par la
carte sur un PC hôte.
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8. Analyse et exploitation du cahier des charges
Synoptique du système
8
Système
de
contrôle
Capteur de
température
Alimentation par bloc secteur USB ou piles
LED 1
LED 2
LED 3
Relais
Bouton Poussoir 1
Bouton Poussoir 2
Bouton Poussoir 3
Jauge de
contraintes
Connecteur Grove
Communication /
Analogique
Connecteur Grove
Tout ou Rien
Liaison PC
Programmation
Affichages divers
Liaison
sans fil

9. Conception Matérielle : orientation
informatique embarquée
Boitier multifonction
Département GEII de l’IUT de l’Indre
Eric PERONNIN

10. Conception
Choix permettant de limiter le coût de fabrication.
 Utilisation d’un microcontrôleur faible coût pour jouer le rôle du
système de contrôle.
– Offre pléthorique à entre 0,50€ pièce et 5€ / 1000 .
– Programmation aisée dans un langage de haut niveau.
– Famille Atmega pour accéder aux bibliothèques Arduino.
 Exploitation d’un capteur de température électronique.
– Sensibilité réduite vis-à-vis des variations de la tension d’alimentation et tension
d’alimentation minimale inférieure à 2v.
» 2 piles AAA ou une pile plate CR2032 :
en début de vie : 3v de tension
en fin de vie : 1.8v
– Très faible consommation.
– Mise en œuvre et exploitation aisée.
– Précision de +/- 0.2°C en faible coût (0,60€ unité / 1000).
– Plage de température de -20°C à +100°C.
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11. Conception
Choix du mode d’alimentation.
 Bloc secteur 230v - 5v pour téléphone portable
 Batteries ou piles dans le cas de la balance connectée.
– 2 à 3 piles AAA.
 Solutions rejetées
– Dispositif stockant l’énergie des mouvements.
» Les + :
• Bilan écologique.
» Les - :
• Coût élevé car technologie propriétaire.
• Difficulté de mise en œuvre.
– Piles boutons.
» Les + :
• Encombrement limité.
» Les - :
• Coût plus élevé que les piles AAA (pour leur
remplacement par l’utilisateur final).
• Faible capacité de stockage énergétique 
Autonomie moindre.
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12. Conception
Solutions limitant la consommation.
 Choix du module de communication sans fil compatible avec un
smartphone :
 WIFI :
– consommation élevée rédhibitoire en mode balance connectée,
– protocole permettant les accusés réceptions.
 Bluetooth Low Energy :
– portée limitée à un peu plus d’une dizaine de mètres,
– consommation inférieure à une vingtaine de milliampères en fonctionnement.
 Exploitation des modes de mise en veille des composants.
 Mise en fonction pour quelques minutes uniquement après
appui sur un bouton poussoir.
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13. Conception détaillée du produit final
Choix des composants et bilan en terme d’entrées/sorties sur le microcontrôleur.
 1 module Bluetooth 4.0 dit BLE
 2 signaux de communication nécessaires.
 1 capteur de température analogique
 1 signal analogique.
 3 boutons poussoirs et 3 LEDs
 6 signaux digitaux (tout ou rien).
 1 pont de mesure de la tension délivrée par les piles
 1 signal analogique.
 1 convertisseur Analogique/Numérique dédié à l’instrumentation de jauges de
contrainte
3 signaux digitaux pour la configuration et la lecture de l’information convertie.
 1 relais
 1 signal numérique partagé avec une sortie LED.
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14. Conception détaillée du produit final
 1 liaison ICSP pour assurer la mise au point des programmes par un
module dédié Atmel ICE.
 1 dispositif d’entrée opto-isolée (destination non liée au projet exposé
dans ce document : connexion sur la sortie téléinformation Linky).
 1 connecteur I2C
 2 signaux digitaux dédiés à l’I2C utilisable également en entrées
analogiques.
 1 connecteur pour capteur externe
 2 signaux digitaux.
 1 connecteur pour une liaison série
 2 signaux numériques pour la transmission et la réception.
 1 microcontrôleur Atmel compatible Arduino : ATmega328p.
 Un bloc d’alimentation à base de 2 piles AAA ou point de connexion
pour un bloc secteur 5v.
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15. Conception détaillée du produit final
Elaboration du schéma avec un outil de CAO électronique.
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16. Conception détaillée du produit final
Liste des composants
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17. Conception détaillée du produit final
Dessin des composants avec l’outil de CAO électronique 
empreintes physiques.
 Exemple avec le microcontrôleur.
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Symbole sur le schéma
Empreinte physique en vue de
dessus sur le circuit imprimé
Composant réel
U1
ATmega328p
PCINT0/CLKO/ICP1/PB0
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OC1A/PCINT1/PB1
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SS/OC1B/PCINT2/PB2
16
MOSI/OC2A/PCINT3/PB3
17
MISO/PCINT4/PB4
18
SCK/PCINT5/PB5
19
PB6/XTAL1
9
PB7/XTAL2
10
PCINT16/RXD/PD0
2
PCINT17/TXD/PD1
3
PCINT18/INT0/PD2
4
PCINT19/OC2B/INT1/PD3
5
PCINT20/XCK/T0/PD4
6
PCINT21/OC0B/T1/PD5
11
PCINT22/OC0A/AIN0/PD6
12
PCINT23/AIN1/PD7
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ADC0/PCINT8/PC0
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ADC1/PCINT9/PC1
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ADC2/PCINT10/PC2
25
ADC3/PCINT11/PC3
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ADC4/SDA/PCINT12/PC4
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ADC5/SCL/PCINT13/PC5
28
PC6/RESET
1
AVCC
20
AREF
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18. Conception détaillée du produit final
Dessin du circuit imprimé avec l’outil de CAO correspondant.
 Importation du schéma.
18

19. Conception détaillée du produit final
Dessin du circuit imprimé.
 Placement des composants.
19

20. Conception détaillée du produit final
Dessin du circuit imprimé.
 Tracé des pistes électriques sur les couches de cuivre.
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21. Fabrication
Boitier multifonction.
Département GEII de l’IUT de l’Indre
Eric PERONNIN

22. Réalisation : fabrication du PCB1
Transmission des fichiers du dessin du circuit imprimé à un
fabricant (1,20€ le circuit imprimé pour 50 pièces produites).
Le circuit imprimé peut être vu comme un sandwich pour lequel
chaque couche est décrite par un fichier (type GERBER étendu) :
 Couches de sérigraphie représentant les composants et
précisant leurs références (peinture sur le circuit) :
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1 : PCB = Printed Circuit Board = Circuit Imprimé
Sérigraphie dessus.
Couche SST pour Silk Screen TOP.
Sérigraphie dessous.
Couche SSB pour Silk Screen BOT.

23. Réalisation : fabrication du PCB
Couches de vernis épargne :
 Protection du cuivre contre l’oxydation.
 Isolation électrique.
 Les zones cuivrées non recouvertes de vernis sont métallisées.
23
Vernis dessus.
Couche SMT pour Solder Mask TOP.
Vernis dessous.
Couche SMB pour Solder Mask BOT.
Les pastilles des CMS
placés sur le dessus
n’apparaissent que sur
le dessus.

24. Réalisation : fabrication du PCB
Couches de cuivre :
 Présentes sur le dessus et le dessous du PCB.
 Peuvent exister à l’intérieur du PCB (plus de 16 couches
possibles en interne).
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Cuivre dessus.
Couche TOP.
Cuivre dessous.
Couche BOT.

25. Réalisation : fabrication du PCB
Couche de contour du PCB
 Inexistante par défaut sur Orcad (le contour du PCB est indiqué
par un contour fermé sur une couche de cuivre) mais exigé par
certains fabricants pour la découpe du circuit.
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Contour du circuit imprimé.
Couche GKO/GML sur Altium Designer.

26. Réalisation : fabrication du PCB
Couche de perçage
 Fichier spécifiant la liste des trous de perçage (position et
diamètre; format Excellon)
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Trous de perçage.
Couche DRILL sur Orcad.
Fichier : thruhole.tap

27. Réalisation : fabrication du PCB
Couche de brasure :
 Permet la fabrication du masque de brasure pour souder les
CMS
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Masque de brasure sur le dessus et sur le dessous.
Couche SPT pour Solder Paste TOP sur Orcad et SPB en dessous.

28. Travail de soudure.
Placer le composant.
28
Le composant. Le circuit imprimé.
Nettoyer la panne du fer
à souder.
Chauffer la broche du
composant et la pastille
du circuit imprimé.
2
3
La panne du
fer à souder.
La broche du
composant.
1

29. Travail de soudure.
Apporter du fil d’étain progressivement.
Lorsqu’il y a assez d’étain, enlever-le.
Puis enlever le fer à souder
 la soudure est terminée.
29
4
Le fil d’étain.
Le fil d’étain devient liquide
quand sa température
atteint 232°C !
5
6

30. Le produit terminé
30

31. Développement Logiciel
Boitier multifonction.
Département GEII de l’IUT de l’Indre
Eric PERONNIN

32. Logiciel du boitier multifonctions
Développement logiciel ?
 Sans logiciel, le microcontrôleur ne fait rien.
 Microcontrôleur = un ordinateur complet dans un unique
circuit intégré, utilisé en informatique embarquée.
 il faut le programmer !
Comment ?
 Avec des outils de développement semblables à ceux employés
pour créer des applications sur un PC en langage C.
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33. Environnement de développement
Environnement Arduino
 Les + :
 Très grand public et donc facile d’accès.
 Nombreuses bibliothèques développées par une communauté
très active.
 Les - :
 Processus de mise au point
restreint.
 Fiabilité des bibliothèques et
documentation de qualité très
variable.
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34. Environnement de développement
Environnement Atmel Studio
 Les + :
 Outil professionnel avec de nombreuses possibilités de mise au
point, multi-langages ....
 Editeur avec coloration syntaxique gérant parfaitement
l’indentation, les versions …
 Plugin permettant le développement pour les cartes Arduino.
 Les - :
 Plus difficile d’accès.
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35. Environnement de développement
Approche « mixte » : utilisation du logiciel Arduino avec un éditeur
de texte performant
 Intérêts
 Disposer de la coloration syntaxique, des saisies prédictives
…
 Profiter des bibliothèques du monde Arduino avec toutes les
réserves déjà évoquées.
 Inconvénients
 Toujours pas professionnel.
 Mise au point temps réel impossible.
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36. Programmation dans la carte
Programmation et mise au point
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37. Logiciel sur le smartphone
Plusieurs approches possibles
 Divers environnements/langages spécifiques pour chaque cible
 Java sous Android Studio pour Android.
 Objective C pour iOS.
 Des solutions multiplateformes
 Apache Cordova et ses dérivés.
 Microsoft Visual Studio Xamarin.
Solution retenue
 Apache Cordova reposant sur le développement d’une
application Web.
 Framework : ionic et AngularJS.
 Langages : html5  html et Javascript.
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38. Modèle Powerpoint utilisé par les présentations Intel