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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.

6

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.

9

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,

10

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.

11

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.

12

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

14

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

15

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.

16

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

17

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

18

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.

19

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

21

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

22

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.

23

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

24

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.

26

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.

27

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.