L’électronique de PICOLAB.

Le schéma électronique principal du PICOLAB.

Donné sur la Fig.3 (Sans celui des l’adaptateurs.) il tient plus d’un clone du circuit du mini laboratoire que d’une copie, tout en présentant quelques petites différences. La plus flagrante consiste dans l’abandon du calibre 100Ω pour la mesure des résistances. L’entrée A3 reste par contre disponible sur le connecteur latéral en vue de développements futurs. Pour simplifier la réalisation des petits circuits imprimés, la résistance de 330kΩ créant le diviseur de tension pour le calibre +50V est placée directement entre E et GND en amont de la 1kΩ de limitation du courant en cas de surcharge. Le potentiomètre P utilisé pour générer du courant continu présente une valeur de 10kΩ. C’est uniquement pour des raisons de disponibilité que ce modèle a été intégré sur l’adaptateur extérieur. C’est un modèle miniature de dimensions plus réduites que celles des composants ordinaires. La résistance de protection R a été augmentée à 10kΩ par raison de sécurité, car elle ne dispose pas des LED de limitation de tension D1 et D2.  Il est donc préférable d’augmenter sa résistance. Pour des raisons complémentaires de sécurité, cette résistance de protection R  est résidente en interne sur le circuit imprimé principal. Les deux entrées A4 et A5 affectées à la mesure des courants ont été inversées. Il était ainsi plus aisé d’écarter les prises pour fiches bananes sur l’adaptateur extérieur. Noter au passage que pour répartir le courant sur le petit connecteur HE14, les broches de masse et du calibre 500mA sont doublées. Le point e sur le schéma est le nœud de liaison électrique entre les deux petits modules supportant les connecteurs d’entrée. Il représente la liaison filaire entre ces deux petits circuits imprimés. Toujours dans le but de faciliter l’étude des circuits imprimés, la LED jaune branchée sur la sortie D13 fonctionne maintenant en logique négative. Pour l’allumer il faut imposer à la sortie binaire un état « 0 ».  Sa résistance de limitation de courant a été légèrement augmentée à 270Ω. Pour des raisons d’encombrement les trois LED sont des petits modèles de 3mm de diamètre.

Les circuits imprimés internes au PICOLAB.

Technique désormais éprouvée, l’appareil d’évaluation est réalisé avec des circuits imprimés de développement prépercés et cuivrés par bandes. Comme pour le mini laboratoire nous allons empiler trois circuits, enchevêtrés très proches les uns des autres, la priorité étant une compacité maximale, quitte à aboutir à un assemblage final un peu délicat. Le MINILAB ne totalisait que 691 cm3 environ ce qui n’est assurément pas dramatique. Son petit frère PICOLAB reste en dessous de 213 cm3. Il est donc plus de trois fois moins volumineux. Autant dire que l’intégration dans le minuscule coffret relève un peu de la chirurgie. Nerveux s’abstenir.
Quand au câblage, sans se montrer spécifiquement délicat, il ne me semble pas spécialement adapté à des débutants en soudures.
La Fig.4 présente l’ensemble terminé avant son intégration dans le coffret. L’afficheur OLED n’a pas été enfiché sur son connecteur 4. On retrouve en 3 le petit module ATmega328 avec en 6 son bouton de RESET et en 2 la mini prise USB qui servira à alimenter l’ensemble en +5Vcc. En 5 on trouve notre circuit principal servant de support à tout le reste. En 10 le petit circuit imprimé supportant le connecteur 9 sera écarté suffisamment pour ne pas que ses soudures sur le dessous ne touchent la résistance de « puissance » de 10Ω. Séparé par les entretoises 7 (Et solidarisé également par les vis 7.) qui ont été enlevées à droite pour mieux visualiser les divers éléments, on trouve en 8 le troisième circuit imprimé supportant les deux boutons poussoir et les trois LED. Sur le circuit principal 5 on observe en 1 le connecteur allant au module potentiomètre supportant également un petit buzzer. Enfin en 11 se trouve le connecteur de l’adaptateur externe qui permet la mesure des fortes intensités.

Le circuit imprimé principal.      (Repéré 5 sur la Fig.4)

Montré sur la photographie de la Fig.5, il sert autant de support général pour les divers modules que de circuit pour interconnecter des composants élémentaires. Sur cette image, les liaisons filaires vers les autres éléments ne sont pas en place. On retrouve les connecteurs HE14 repérés 1 et 11 pour brancher les adaptateurs externes. En 4 on localise le connecteur qui recevra l’afficheur OLED. C’est un type HE14 à broches longues pour pouvoir placer l’afficheur au dessus du circuit intégré microcontrôleur. En A la résistance de 10Ω servant à mesurer les
intensités jusqu’à 500mA a été enlevée du prototype et se trouve actuellement « déportée » sur un petit adaptateur extérieur. Ainsi elle est mieux refroidie et n’apporte plus de chaleur dans PICOLAB. La place disponible reçoit la résistance de 22kΩ qui force un état « 1 » sur l’entrée disponible A3. Dans la zone B, il y aura un petit connecteur coudé HE14 analogue à ceux situés en 1 et 11 permettant depuis l’extérieur de pouvoir se brancher sur les sorties binaires D0 à D4 non encore exploitées. Enfin en C, D et E on trouve les connecteurs femelles sur lesquels vient s’enficher la petite platine électronique Arduino repère 3.
La photographie de la Fig.6 nous présente l’ensemble des trois circuits entièrement interconnectés. On retrouve les divers éléments qui sont repérés avec les mêmes références. Observez au passage que le connecteur B qui se trouve au bord du circuit 5 présente des broches courtes contrairement à 1 et 11.  Ces derniers ont des broches plus longues mais sont en retrait de « trois trous ». Le petit circuit du clavier 8 n’étant plus soutenu à droite est incliné, mais évidemment au moment de l’assemblage final toutes les entretoises seront en place. Sur cette image les fils de liaison prennent leurs aises. Mais au moment de mettre en place la platine 3 il vont forcément se rassembler. Un carton en « U » de protection les recouvre pour les maintenir bien au centre entre les connecteurs C, D et E . En observant avec attention vous constaterez que les fils rouges et noir de la masse et de l’alimentation en +5Vcc sont de section plus importantes que tous les autres qui ne véhiculent que du signal. À ce stade de la réalisation on peut déjà procéder à la vérification complète du système. Il faut impérativement procéder à une validation systématique, car l’intégration dans le boitier est assez délicate et exige de la méthode. Alors n’y procéder que lorsque l’électronique est totalement correcte. Un petit programme de vérification nommé Test_du_materiel.ino est prévu à cet effet. La Fig.7 propose une photographie

Figure7de l’ensemble terminé. On peut constater que les fils de liaison sont volontairement longs et forment une boucle pour pouvoir écarter les petits circuits imprimés les uns des autres. C’est un impératif si l’on désire pour une quelconque raison déssouder un fil, un composant ou en ajouter un nouveau. La Fig.8 présente le circuit imprimé vu coté composants comme s’il était transparent, dévoilant ainsi les pistes cuivrées du dessous. Ce dessin résume les fonctions des broches des divers connecteurs. D6 et D7 n’ont pas de picots car le connecteur utilisé ne disposait que de six broches. Le coté cuivre est représenté sur la Fig.9 très agrandi. On peut ainsi facilement déterminer les coupures à effectuer sur les pistes de cuivre. Ne pas tenir compte du trou repéré α. Il était initialement prévu pour immobiliser le circuit 3, mais ce dernier une fois embroché sur les connecteurs n’a vraiment pas besoin de cette liaison mécanique. La résistance de 10Ω qui peut chauffer notablement est actuellement placée sur l’adaptateur extérieur. (Voir détail plus avant.)

Le petit circuit complémentaire des entrées.      (Repéré 10 sur la Fig.4)

Séparé par des entretoises de la plaque principale 5, l’écart doit rester le plus faible possible, mais initialement il ne fallait pas que la résistance de 10Ω ne touche aux extrémités soudées des composants du dessus. Maintenant ce problème ne se pose plus, mais la hauteur totale du dispositif était définie quand passer la résistance de 10Ω à l’extérieur à été prise. (On conserve les cotes initiales, car on en est pas à quelques mm près pour la hauteur. De plus, il y aura ainsi un tout petit peu plus de place pour passer les fils.) C’est en effet l’empilage des trois éléments 5, 10 et 8 qui conditionne directement la hauteur de PICOLAB, donc de son volume définitif. La Fig.10 permet d’analyser l’agencement de ce circuit supportant les résistances des entrées et sorties  « les plus utilisées ». Sa représentation est toujours supposée comme une plaque transparente laissant entrevoir les pistes cuivrées. Le dessin vue coté composants laisse supposer que les quatre trous dans les angles sont en contact avec des têtes de vis, mais ce n’est qu’une symbolique, car dans la pratique ce sont les entretoises isolantes qui supportent le clavier qui portent à ces endroits. Coté connecteur nous avons les informations « utilisateur », alors que coté gauche sont portées les indications pour effectuer le câblage filaire des liaisons électriques entre les trois circuits imprimés. La Fig.11 montre la petite plaque cuivrée coté pistes avec les coupures qu’il faut pratiquer sur les bandes imprimées. Tous ces dessins sont fortement agrandis pour bien voir, mais dans la réalité ces circuits sont bien plus petits. Par exemple la plaque de la Fig.11 ne fait que 32mm par 26 mm.

Le petit circuit du clavier.

Repéré 8 sur la Fig.4 il n’appelle que peu de commentaires. Conservant le mode de représentation des autres dessins, et toujours à l’échelle 2, la Fig.12 présente le clavier élémentaire vu coté composants. Le circuit 8, présente des dimensions identiques à celle de la petite plaque 10, puisque les deux sont traversés par des longues vis communes. Les trous de passages doivent se correspondre, et s’aligner avec les quatre orifices de la plaque principale. La Fig.13 est représentative du circuit imprimé représenté coté pistes tel qu’on le voit quand on soude ou quand on doit pratiquer les coupures entre certains trous. Des diodes LED de trois millimètre de diamètre ont été adoptées, car la verte et la rouge sont proches. Des 5mm de diamètres ne permettraient pas un tel rapprochement imposé par la conception du circuit imprimé. La résistance de

10kΩ située à droite est représentée en mode filaire pour laisser visible les deux petits ponts situés en dessous qui relient des pistes voisines. Ne vous trompez pas en soudant les boutons poussoir, il faut que les méplats soient situés à droite ou à gauche mais surtout pas vers le haut ou vers le bas. Notez que les deux résistances situées de part et d’autre de la liaison bleue sont légèrement écartées de la plaque cuivrée pour ne pas toucher ce fil qui n’est pas isolé. Les liaisons filaires sont réalisées sur le dessous coté cuivre. Ne pas vous tromper non plus dans l’orientation des LED. Les deux du haut ont leur cathode orientée vers le bas. La jaune par contre voit sa cathode placée vers le haut.
NOTES : Sur la Fig.12 les deux petits ponts de câblage tracé en filaire rouge sont bien placés sur le dessus et ne gênent pas l’enfoncement des boutons poussoir. Pour mémoire, l’indication C.I. signifie « Câblage Interdit », il ne faut rien brancher de plus sur ces pistes. L’indication N.C. par contre précise « Non Câblée ». La piste n’est alors pas utilisée actuellement et pourra éventuellement servir à des extensions lors de développements futurs.

Interconnections entre les trois circuits imprimés.

C’est surtout le peu de place disponible qui rend l’opération minutieuse, car tout comptes faits il n’y a que quelques lignes à souder par plaques. La Fig.14 sur laquelle les trois plaques sont représentées en « clair » décrit l’intégralité des liaisons à assurer. Il n’y a en tout et pour tout que douze liaisons à établir. N’oubliez pas que les fils pliés en boucles doivent présenter des longueurs suffisantes pour pouvoir écarter les circuits les uns des autres. Il importe de souder les fils de la plaque 10 coté composants sur le dessus. Par contre, pour le circuit 8 les liaisons sont établies sur le dessous coté pistes. Seule la ligne e est soudée directement sur la résistance de 1kΩ car sur la plaque elle serait trop près de l’angle et l’entretoise ne porterait pas correctement. La Fig.15 présente une vue de dessus de l’empilage réalisé. On observe que la platine 3 dépasse à gauche du circuit 5. La raison est fort simple : La plaque cuivrée et prépercée utilisée pour réaliser le circuit principal 5 ne dispose que de trente huit trous dans le sens correspondant à l’orientation correcte des pistes. (Observez également les Fig.16 et 17.)

Les modules extérieurs de complément.

Constituant l’électronique de base de notre appareil de mesures, ils sont placés hors du coffret pour optimiser à outrance la miniaturisation du PICOLAB. Ce choix est principalement justifié par le fait que la mesure des intensités dépassant les 50mA est estimée comme peu fréquente en environnement Arduino. Le potentiomètre permettant de superposer à E une tension continue sera probablement plus mis à contribution. Vous pouvez éventuellement le placer sur le couvercle entre l’afficheur OLED et le clavier, mais, y compris avec un modèle miniature, cette approche conduit à un appareil plus volumineux en hauteur, sans compter que le bouton de RESET deviendrait difficilement accessible. C’est une question de choix. Placé à l’extérieur, vous pouvez utiliser un modèle aux dimensions standard. J’ai personnellement opté pour un type plus petit que ne le sont les modèles courants, car pour les valeurs de résistances désirées c’était le seul de disponible.

L’adaptateur de mesure des courants.

Parfaitement visible sur les photographies de la Fig.18 il n’est pas du tout utile d’ajouter des dessins du circuit imprimé. C’est une simple plaque dont les bandes cuivrées sont orientées dans le bon sens. Ses dimensions sont limitées à huit trous sur 11 trous au pas de 2,54mm. (Dans la version prototype il n’y a que 10 trous pour la longueur, mais le morceau est taillé sur un bord large.) La largeur est suffisante avec neuf trous pour avoir un écart suffisant entre les deux douilles pour fiches bananes de 2mm de diamètre. Au début de la conception de l’ensemble, cet adaptateur n’avait pas été envisagé. Avec le recul, il est bien plus judicieux de placer la résistance de 10Ω à l’extérieur. On gagne de la place à l’intérieur de l’appareil et surtout la chaleur dégagée par le shunt sera bien mieux évacuée. De plus le connecteur HE14 ne sera plus soumis au

courant mesuré. Pour éviter tout court circuit entre les écrous de fixation des douilles et les pistes centrales, des rondelles isolantes sont interposées entre ces derniers et le circuit imprimé. Comme vous l’avez déjà vu dans le descriptif sur le SHIELD les douilles et leurs écrous sont freinées par du vernis à ongles. Entièrement barbouillées on ajoute une isolation électrique ce qui ne peut qu’être favorable à la sécurité de l’ensemble. Deux pistes sont utilisées pour chaque douille, répartissant ainsi le courant sur deux broches du petit connecteur HE14. Cette précaution ne sera plus indispensable si le SHUNT est placé à l’extérieur. Le petit connecteur placé sur le dessus autorise l’accès à l’entrée A3 sans avoir à retirer ce petit module. C’est un « petit plus » qui n’a strictement rien d’indispensable, vous pouvez allègrement en faire l’impasse et brancher l’éventuel dispositif sur le connecteur HE14.

L’adaptateur extérieur pour le bouton rotatif.

Présenté sur la Fig19 sous sa forme la plus dépouillée, vous serez peut être dans l’obligation de prendre un circuit imprimé légèrement plus large si le potentiomètre approvisionné est un modèle plus conventionnel, donc plus volumineux. Si c’était à refaire, de toute façon nous opterions pour un circuit plus large, ce qui éviterait au buzzer de dépasser sur le coté, ce qui n’est pas très rationnel. Mais sachez que l’idée d’ajouter ce petit bruiteur n’est venue que par la suite. C’est l’expérience qui a poussé à perfectionner un peu partout la conception globale. Vous avez de la chance d’en bénéficier, raison pour laquelle le dessin que je vous propose pour le circuit imprimé tient compte des dernières évolutions. Sur la Fig.19 le petit « strap » repéré S sur la Fig.3 est en place et masque les deux broches du connecteur HE14. ATTENTION : La photographie de la Fig.19 est trompeuse, car elle fait croire que le potentiomètre est un modèle standard, du coup le circuit semble plus grand que dans la réalité. Il n’en est rien, c’est une illusion d’optique. Du reste, l’axe cylindrique de ce composant ne fait pas le classique 6 mm de diamètre. Mais sa tige ne mesure que Φ4 mm. J’en ai pour preuve la Fig.20 de l’ensemble complet sur lequel le petit cabochon jaune qui ferme le bouton flèche n’est volontairement pas mis en place. On constate que le serrage du manchon conique se fait par une vis axiale et non pas par un petit écrou six pans comme sur les modèles ordinaires. Au passage cette vue montre clairement que le cadran présente un méplat pour ne pas talonner sur le strap qui permet d’ouvrir la ligne qui achemine la tension variable vers E. La Fig.21 représente le circuit (À l’échelle deux sur le document.pdf) vu coté composants, et la Fig 22 le coté pistes avec le pont de masse réalisé par un fil rigide. Enfin, si vous le désirez, vous trouverez en Fig.23 le dessin (À l’échelle un sur le document.pdf) du cadran circulaire pour le potentiomètre. En A la version miniature, en B celle pour un potentiomètre et un bouton aux dimensions standard. Il saute aux yeux le fait que le cadran du potentiomètre utilisé sur le prototype est bien plus petit.

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