RUNION DINFORMATION Nouveau programme de seconde Pascal Loos

RÉUNION D’INFORMATION Nouveau programme de seconde Pascal Loos IA-IPR Physique-chimie

Partie « ONDES ET SIGNAUX » Quelques exemples d’activités expérimentales avec et sans microcontrôleur Pascal Loos IA-IPR Physique-chimie

Les parties du programme traitées : • Utiliser une chaîne de mesure pour obtenir des informations sur les vibrations d’un objet émettant un signal sonore.

Sons et vibrations Intérêt de cette partie : • Relier la production des sons aux vibrations mécaniques. • Visualisation des caractéristiques d'un son • Applications : instruments de musique, lutte contre le bruit, . .

Sons et vibrations Utiliser une chaîne de mesure pour obtenir des informations sur les vibrations d’un objet émettant un signal sonore. Une solution simple consiste à utiliser le même dispositif que celui mis en œuvre dans les guitares électriques : le micro à réluctance variable. https: //en. wikipedia. org/wiki/Variable_reluctance_sensor https: //en. wikipedia. org/wiki/Pickup_(music_technology)

Sons et vibrations Achat d'un "capteur" pour 6 cordes (existe en 4 cordes) Micro simple bobinage guitare noir, Référence GUI-PUECO 2 -N : 8 €. https: //euro-makers. com/247 composants-guitares-amplis

Sons et vibrations On peut aussi utiliser la bobine d’un relais 12 V (1 à 2 €) associée à un aimant puissant. Un fil de fer (matériau ferromagnétique indispensable) est tendu ; la bobine est placée sous le fil de fer et reliée à l’oscilloscope à mémoire.

Sons et vibrations Lorsque le fil de fer se déplace à gauche ou à droite, la réluctance du circuit magnétique qui entoure la bobine diminue. Il en résulte une modification du champ magnétique à l’intérieur de la bobine donc une tension induite à ses bornes. Bobinage en cuivre Noyau ferromagnétique fil en matériau ferromagnétique position idéale Carcasse ferromagnétique Aimant Fe-Nd-B pour créer le champ magnétique

Sons et vibrations Pastille Aimant Fer Néodyme Bore

Sons et vibrations

Les microcontrôleurs Ceci est un microcontrôleur modèle Arduino Uno Ceci est un nano-ordinateur modèle Raspberry pi 3 B+

Les microcontrôleurs Un microcontrôleur est une carte programmable simple sur laquelle on branche des composants électroniques, il possède un grand nombre d'entrées/sorties ce qui permet de brancher beaucoup de composants. Il est principalement utilisé pour réaliser des interfaces électroniques avec des capteurs et des actionneurs (qui nécessitent parfois un module d'adaptation de puissance). Une fois que le programme est chargé, le microcontrôleur l’exécute en boucle de manière autonome.

Sons et vibrations Utiliser un dispositif comportant un microcontrôleur pour produire un signal sonore. On peut utiliser les fonctions musicales sur Arduino la fonction tone() Cette fonction permet d'envoyer un signal périodique qui peut jouer des notes de musique si on l'envoie sur un hautparleur. La syntaxe est tone (broche, fréquence, durée) ou tone (broche, fréquence). Remarque la fréquence déclarée doit être strictement supérieure à 30 (Hertz).

Sons et vibrations la fonction notone() Cette fonction est nécessaire pour libérer la broche qui vient de jouer si la durée n’est pas spécifiée. Tant qu'elle n'est pas appelée, on ne peut pas jouer de note sur une autre broche. Utile : la fonction delay() On l'appelle entre chaque note pour que les notes ne soient pas "collées". Par exemple la valeur 500 pour une demi seconde.

Sons et vibrations Limitation de la méthode : le microcontrôleur produit des signaux "carrés" donc pour des fréquences inférieures à deux ou trois k. Hz, on est très loin des sons purs car les harmoniques 3, 5, 7 sont bien perçues par l’oreille, ce qui donne un son métallique. Il faut y adjoindre un amplificateur si on alimente autre chose qu’un micro piézo-électrique. On retire peu de plus value à utiliser un microcontrôleur.

Intérêt du microcontrôleur Nous éviter ça !

Intérêt du microcontrôleur On mesure une grandeur pour informer (un consommateur, un chercheur, . . . ). Mais aussi, dans de nombreux dispositifs, de manière à produire une action en fonction de cette grandeur, (de son niveau ou de traitements temporels de ce niveau : variation, dérivée, dérivée seconde, intégrale, . . . ) Où est la physique dans tout cela ?

Intérêt du microcontrôleur La physique se trouve dans l'étude du capteur : dispositif de conversion d'une grandeur en une autre (transducteur) et une mise en forme (adaptation). GRANDEUR A MESURER TRANSDUCTEUR ADAPTATION AFFICHAGE

Intérêt du microcontrôleur La physique se trouve aussi dans l'étude de quelques paramètres importants pour les capteurs : L'étendue de mesure, la résolution, la dynamique, la justesse, les grandeurs d'influence (humidité, température, champ magnétique, …) La physique, principalement l'électrocinétique, se trouvait autrefois aussi beaucoup dans les dispositifs de mise en forme. (Cf. l’image ci-avant).

Intérêt du microcontrôleur Attention aux dérives ! • On n’a ni le temps, ni la compétence et encore moins le mandat pour faire de la technologie. • Il faut profiter des savoirs des élèves. Si ces savoirs sont absents, il faut faire sans microcontrôleur ou faire autrement. • L’utilisation du microcontrôleur doit apporter une plus value pour notre enseignement.

Capteur de température à CTN https: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Wireless_thermometer_display. jpg

Les parties du programme traitées : • Représenter un nuage de points associé à la caractéristique d’un dipôle et modéliser la caractéristique de ce dipôle à l’aide d’un langage de programmation. • Mesurer une grandeur physique à l’aide d’un capteur électrique résistif. • Produire et utiliser une courbe d’étalonnage reliant la résistance d’un système avec une grandeur d’intérêt (température, etc. ). • Utiliser un dispositif avec microcontrôleur et capteur.

Intérêts de cette partie • Modéliser par une équation le comportement d’un dipôle « non linéaire » : la CTN. • Utiliser ce modèle mathématique pour remonter à la grandeur à mesurer : la température. • Applications : thermomètre, thermostat, . . . • Technique transposable à d’autres capteurs.

Caractéristique R = f(θ) de la CTN Montage https: //mathsciences. ac-versailles. fr/IMG/pdf/ctn. pdf

Capteur de température à CTN • Représenter un nuage de points associé à la caractéristique d’un dipôle et modéliser la caractéristique de ce dipôle à l’aide d’un langage de programmation. RCTN (kΩ) 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 θ (°C))

Modélisation de la caractéristique de la CTN

Modélisation de la caractéristique de la CTN L'article donne le code python qui permet de modéliser par cette relation un semi conducteur pour lequel on a fait trois mesures. https: //fr. wikipedia. org/wiki/Relation_de_Steinhart-Hart.

Capteur de température à CTN • Mesurer une grandeur physique à l’aide d’un capteur électrique résistif. • Produire et utiliser une courbe d’étalonnage reliant la résistance d’un système avec une grandeur d’intérêt (température …) • Utiliser un dispositif avec microcontrôleur et capteur.

Programmation du microcontrôleur Exemple de programme (les coefficients C 1 à C 3 dépendent de la CTN utilisée et sont à déterminer) int Thermistor. Pin = 0; int Vo; float R 1 = 10000; float log. R 2, T; float c 1 = 1. 009249522 e-03, c 2 = 2. 378405444 e-04, c 3 = 2. 019202697 e-07;

Programmation du microcontrôleur void setup() { Serial. begin(9600); } void loop() { Vo = analog. Read(Thermistor. Pin); R 2 = R 1 * (1023. 0 / (float)Vo - 1. 0); log. R 2 = log(R 2); T = (1. 0 / (c 1 + c 2*log. R 2 + c 3*log. R 2*log. R 2)); T = T - 273. 15; Serial. print("Temperature: "); Serial. print(T); Serial. println(" °C"); // En physique, un résultat sans unité, c’est zéro ! delay(2000); // une mesure toutes les deux secondes }

Programmation du microcontrôleur Nécessite un ordinateur et l’installation du logiciel (libre) qui pilote le microcontrôleur. Nécessité de programmer ou de trouver un code tout fait sur internet. Celui qui précède est une adaptation de celui qui se trouve sur le site : http: //www. circuitbasics. com/arduino-thermistor-temperature-sensortutorial/

Câblage du microcontrôleur http: //www. circuitbasics. com/arduino-thermistor-temperature-sensor-tutorial/

Câblage du microcontrôleur Analyse du montage : La CTN et la résistance sont montées en série avec une source de tension constante de 5 V. Le potentiel entre les deux résistances permet de remonter à la valeur de la résistance de la CTN RCTN = Rs (URT / URs) = Rs / [(E/URT) - 1] On voit, par la même occasion, que la résistance ne sert pas à limiter l’intensité dans un circuit mais à créer des potentiels déterminés.

Câblage du microcontrôleur Ce montage peut être réalisé rapidement. Un domino triple et 3 fils sont suffisants. On peut proposer aux élèves qui maitrisent la syntaxe de refaire le code pour le cas où on inverse la résistance et la CTN (Il faudra leur donner la nouvelle relation entre les grandeurs) ou bien d’afficher le résultat en plusieurs unités (°C, F et K).

Critique du montage Remarque : l’essai réalisé avec une CTN et une résistance de 10 KΩ met en évidence que la CTN chauffe (la puissance dissipée par le montage est de l’ordre de 25 m. W partagée entre la CTN et la résistance). On peut améliorer le montage: • En utilisant une résistance et une CTN de 100 KΩ. • En l’alimentant seulement le temps de la mesure avec une sortie commandée (la meilleure solution).

Capteur de force à FSR http: //www. ladyada. net/wiki/tutorials/learn/sensors/fsr. html

Caractéristique de la FSR Courbe exploitable pour des forces supérieures à 0, 5 N http: //www. ladyada. net/wiki/tutorials/learn/sensors/fsr. html

Modélisation de la caractéristique R = f(F)

Modélisation de la caractéristique R = f(F) Remarques : • C’est simple à mettre en œuvre • Le capteur est plus coûteux qu’une CTN • Ce n’est pas très précis. • Il ne faut pas prendre en compte des mesures réalisées avec une force trop faible.