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Fonctionnement générale
Pour le système régulateur de la vitesse associé au détecteur d’alcool, le fonctionnement est :
– d’abord de gérer l’accélération, c’est-à-dire prendre le contrôle du système d’accélération du véhicule en la bloquant et en la décélérant si celle-ci est trop importante. Il s’en suit que la vitesse de déplacement du véhicule subit aussi un changement. Cette action se produit dans le cas où la vitesse est trop importante et qu’on a atteint la limite de vitesse.
– de gérer le freinage si celui-ci est nécessaire: Ceci se produit dans le cas où la décélération met du temps à agir, ou bien le taux d’alcool détecté dans la respiration du conducteur – ou dans le véhicule) a une valeur non acceptable.
– de gérer le démarrage du véhicule. Si le véhicule est hors tension et si le taux d’alcool n’est pas acceptable, alors le véhicule ne peut pas démarrer.
Le système comporte deux microcontrôleurs à microprocesseur monotâche qui fonctionnent tous les deux en mode scrutation (mode polling) [16].
Le second système est conçu pour détecter une fuite du liquide de frein au cours du fonctionnement du véhicule et envoyer un signal d’avertissement au conducteur en cas d’un début de défaillance du freinage.
Système de gestion de la vitesse et de détection d’alcool
Pour gérer la vitesse de pointe du véhicule, on doit contrôler son freinage et son accélération. Comme beaucoup de paramètres entrent en jeu tels :
– le taux d’accélération
– la situation géographique : en ville ou sur une route nationale
– la vitesse proprement dite
– et certains critères de sécurité tel le taux d’alcool détecté dans le véhicule, une description détaillée des sous systèmes constitutifs s’avère nécessaire.
Régulation de l’accélération et du freinage
Système régulateur de l’accélération
Le système régulation de l’accélération comporte un mécanisme de pédale électrique, un CAN, un microprocesseur nommé μP1, un circuit de puissance, et une partie opérative qui est le moteur pas à pas. Son schéma synoptique est montré à la Fig. 2.3.
– Caractéristiques du système de pédale
La pédale comporte en entrée une tension analogique dont la variation est régie par le positionnement, et donc la variation d’une résistance. Cette tension analogique sera numérisée via un CAN à 8 bits, l’ADC 0804 de Philips. Le signal numérique issu de ce CAN attaque le microcontrôleur μP1.
Le coût de l’ADC 0804 est abordable, et ce circuit s’accorde parfaitement au microcontrôleur.
La quantification des données du CAN est la suivante:
Pour l’accélérateur à l’état initial, sa position correspond aux bits : 00000000 soit en hexa 0x00.
Pour l’accélérateur à l’autre position extrême (c’est-à-dire accélération maximale) sa position correspond aux bits : 11111111 soit en hexa 0xFF
– Caractéristiques du μP1
Le microprocesseur choisi est le PIC 16F84(A) de MICROCHIP, il comporte 13 broches d’entrées/sortie dont :
8 broches utilisées en entrée, venant du CAN.
1 broche utilisée en entrée, venant du microprocesseur 2 indiquant en temps réel s’il faut actionner la fonction « limitation de vitesse » ou non.
4 broches utilisées en sortie, pour commander le positionnement du moteur pas à pas, relié à l’alimentation en carburant du moteur (ex : le carburateur pour un moteur à essence).
Ses caractéristiques techniques sont les suivantes: Processeur : 8 bits
Mémoire Flash : 1 k * 14 bits (1024 instructions/mot de 14 bits)
Mémoire RAM : 68 * 8 bits (68 octets)
Mémoire EEPROM : 64 * 8 bits (64 octets)
On a choisi d’utiliser ce microcontrôleur: (1) pour son coût, (2) pour son faible encombrement et (3) parce que ce circuit suffit pour le système.
– Caractéristiques du système actif (circuit de puissance et moteur pas à pas)
Le moteur pas à pas choisi comporte 4 entrées mais ne sera pas piloté directement par μP1. La commande passe d’abord par un étage de puissance. Pour la facilitation de l’utilisation du système conçu, le moteur pas à pas proposé est de type unipolaire à aimant permanent, et dont les caractéristiques techniques sont les suivantes :
Tension d’alimentation : 5V à 12V
Référence : PN55L-048-HPG9
Résistance interne : 10
Nombre de pas : 48 pas par tour
Ce moteur pas à pas est suffisamment puissant pour entraîner les mécanismes de carburation d’un véhicule.
Le choix s’est porté sur un moteur pas à pas unipolaire car avec un tel moteur, on peut obtenir un fonctionnement à demi pas. Le système est donc plus précis mais sa commande plus compliquée.
– Description de la consigne venant de μP2
Cette consigne active ou non la fonction « limitation de la vitesse ».
Elle est codée sur 1 bit :
Niveau 0, l’accélérateur fonctionne normalement, c’est-à-dire l’accélération et la décélération sont autorisées.
Niveau 1, le taux d’alcool n’est plus acceptable, μP1 appelle la fonction « limitation de la vitesse ».
– Algorithme de fonctionnement de μP1
L’algorithme général de μP1 est expliqué par le schéma de la Fig. 2.4.
Il présente deux grandes fonctions :
– (A) La fonction « Décélérer »
Cette fonction « Décélérer » manipule la variable nommé position_pas_à_pas qui va stocker la position actuelle du moteur pas à pas par rapport à sa position initiale. L’unité de cette variable sera en nombre de pas
L’accélération et la décélération ne seront pas solidaires à la position en temps réel de la pédale étant donné qu’à cause des contraintes mécaniques, le moteur pas à pas n’arrivera pas à suivre. Le système corrige donc cette contrainte.
Il est à noter que des données de positionnement seront perdues mais cette perte sera compensée automatiquement grâce à l’algorithme de la fonction « décélérer ».
– (B) La fonction « Traiter partie opérative »
Puisque la position de la pédale est quantifiable (avec une valeur allant d’une valeur de 0x00 à OxFF en hexa), on stocke sa valeur dans la variable position_pédale.
L’algorithme de la fonction utilise des comparaisons, mais une mise à l’échelle est nécessaire. Ceci pour mettre les variables position_pédale et position_pas_à_pas à l’échelle, en vue d’un comparaison.
Système régulateur de freinage
Le système comporte le microprocesseur μP2, une électro-vanne à air (la relation entre électro-vanne et le freinage du véhicule est expliquée dans le chapitre 3), un circuit de puissance qui va piloter l’électro-vanne, un timer, un compte tour (contrôleur de rotation) pour détecter la vitesse du véhicule.
Système de détection d’alcool
Les systèmes de mesures du taux d’alcool s’appellent des « éthylomètres ». Dans notre système, on ne parle pas d’éthylomètre car notre but premier n’est pas de mesurer le taux d’alcool dans l’air mais seulement d’indiquer si le taux d’alcool est tolérable ou non. Le fonctionnement ce Système 3, est illustré par le schéma synoptique de la Fig. 2.9.
Système détecteur d’alcool
Description du système
Le capteur d’alcool génère une tension (qui est fonction du taux d’alcool).Cette tension sera comparée à une tension de référence.
Le rôle du sélecteur est d’interpréter la différence de tension et de choisir qui, parmi μP2 et le relais, doit être piloté. Si le véhicule est déjà en marche (contact allumé), le sélecteur envoi la commande (taux d’alcool non acceptable) vers le microprocesseur 2, sinon il envoi la commande vers le relais. En recevant la commande du sélecteur, le microprocesseur 2 ordonne le freinage jusqu’à l’arrêt. Tandis que le relais coupe l’allumage du véhicule de façon à ce que le véhicule ne puisse pas démarrer.
Il est à noter que seul le circuit d’allumage reste ouvert, les autres circuits électriques fonctionnent normalement.
Le principe du capteur
C’est une capsule avec un substrat en silicium avec des oxydes métalliques qui voit sa résistance varier en fonction du nombre de ppm (Annexe 5) de molécules d’éthanol.
La fiabilité n’est pas de 100% pour plusieurs raisons :
Le capteur sensible à des molécules autres que ceux de l’éthanol, notamment, le méthane et le CO.
La variation de la résistance est connue. Mais sa valeur pour une quantité d’alcool nulle varie d’une capsule à l’autre. Cela implique une calibration pour chaque éthylomètre.
La variation est logarithmique. Ce qui fait qu’on est précis sur les variations de faibles amplitudes, et beaucoup moins sur les grandes valeurs.
Un tel capteur existe sur le marché. On se propose d’utiliser le TGS 2620 de Figaro Sensor [8]. Les détails sur le schéma conçu sont donnés au chapitre 3.
Principe de détection de la fuite du liquide de frein
Le but ici est de détecter une fuite du fluide de frein pendant l’utilisation du véhicule. Le Système 4, est illustré par le schéma synoptique de la Fig. 2.2.
Le système se compose de deux capteurs de pressions de même type et caractéristiques. La différence de pression détectée par ces capteurs déclenche la commande qui pilotera un avertisseur.
Principe
On utilise deux capteurs de pression dont l’un est placé dans la tuyauterie du maître cylindre du circuit de freinage. Ce capteur est le capteur primaire et nous sert de référence de mesure. Le second, appelé capteur secondaire, est placé dans la tuyauterie du cylindre des roues du système de freinage. Ces capteurs sont alimentés électriquement et délivrent une tension variable en fonction de la variation de la pression du liquide qu’ils subissent.
La différence de pression entre le capteur primaire et le capteur secondaire est utilisée pour évaluer la perte de liquide de frein du véhicule.
En cas de détection de perte, un système de commande déclenche la mise en marche d’un avertisseur.
Composant
Le capteur choisi, est le P133R de TME [9]. Il mesure la pression dans la plage de variation minimale de 0 à 5 bars à une plage de variation maximale de 0 à 700 bars suivant le réglage, et la méthode de mesure de la pression est relative. Il est alimenté par une tension nominale de 15 V (mais peut accepter jusqu’à 24 V), la tension de sortie a une plage de variation de 0 V à 10 V.
Conception et montage du système
Montage du système de microprocesseur (μP1 et μP2)
Le schéma de montage du système de microprocesseur est montré à la Fig. 3.1.
Le microprocesseur est utilisé dans le montage du Système 1 et Système 2 et s’apparente à la norme utilisée par les circuits TTL. La tension d’alimentation est de +5 V et la plage de sortie des ports d’entrée/sortie s’adapte directement aux circuits TTL. Le circuit contient 2 ports utilisables : port A (dont les bits sont de RA0 à RA4) et port B (dont les bits sont de RB0 à RB7). Chaque broche de ces deux ports est programmable indépendamment en entrée comme en sortie.
Le condensateur de 1 mF sert à découpler l’alimentation du microprocesseur.
L’horloge de fonctionnement du microprocesseur est déterminé par la valeur de la résistance R (5 kΩ < R < 100 kΩ) et du condensateur C (C>20 pF), qui forme un circuit RC. Son intérêt est d’être économique (on peut aussi utiliser un horloge à quartz mais prix du montage va augmenter considérablement et le schéma de montage du microprocesseur va changer).
Le choix s’est porté sur R = 5 kΩ, et C = 20 pF.
La fréquence de l’horloge du microprocesseur est alors de 4,61 MHz. Le microprocesseur fonctionne en mode XT (XTal) qui est le mode de fonctionnement standard du microcontrôleur. La résistance de 1 kΩ et le condensateur de 10 mF servent pour le reset du circuit à l’allumage.
Montage du système de pédale
Le schéma de montage de la CAN traitant le signal venant du potentiomètre de la pédale est donné à la Fig. 3.2.
Le système de pédale est utilisé dans le système 1. Il utilise un potentiomètre (pour la pédale) et un CAN. La résistance fixe de 10 kΩ et le condensateur de 15 pF procure au CAN une fréquence d’horloge de 640 kHz (d’après la datasheet). La résistance variable de 10 kΩ sert pour fixer le MSB des données sortant sur les broches DB0 à DB7 du CAN. La valeur de 10 kΩ nous permet d’avoir le MSB sur la broche DB0 (donc le LSB sur DB7).
La pédale sera associée à la résistance variable (potentiomètre) de valeur 100 kΩ.
Il est à noter que la technologie de construction de la pédale impose qu’on doit coupler la pédale à un ressort de rappel pour la permettre de retrouver son état initial lorsqu’on relâche l’accélérateur. L’interrupteur K sert pour la remise à zéro manuelle du CAN. (La datasheet [6] [7] préconise la mise en place de cet interrupteur).
Conception du système compte-tour
Le système compte-tour utilise un générateur d’impulsion muni d’un disque métallique à dents rectangulaires (contrôleur de rotation Annexe 8), d’un régulateur (facultatif pour le cas d’un contrôleur de rotation industriel), et d’une bascule T.
Le disque métallique est placé sur la roue et le nombre de dent du disque métallique est calculé de façon à ce que la bascule T puisse avoir deux basculements par tour du disque métallique. Donc le disque choisi doit avoir lui aussi deux dents. Les impulsions générées par le contrôleur de rotation seront ensuite régulées en tension par une diode Zener pour ensuite piloter l’horloge de la bascule T.
Pour le contrôleur de rotation, on a choisi le X SA-V de TELEMECANIQUE. Les détail sur le fonctionnement du contrôleur de rotation sont donnés à l’Annexe 8.
Pour le régulateur, une zener de 5 V est utilisé et comme bascule, le 74LS72. Ce circuit comporte une bascule JK à front montant. Pour la transformer en bascule T, il suffit de relier les entrées J et K [17].
On a choisi un tel système de compte-tour à cause de la durée de vie du système. Il n’y a aucun frottement mécanique et l’usure des pièces utilisées est moindre.
Circuit de commande du moteur pas à pas
L’étage de puissance pour la commande du moteur pas à pas comporte des BJT de type 2N2222 pouvant supporter jusqu’à 1 A, pour le moteur alimenté sous une tension de 5 V (si le moteur est alimenté sous 12 V, les BJT utilisés sont de type BD241A pouvant supporter jusqu’à 3 A).
Les diodes utilisées sont des 1N4004. Elles servent de diodes de roue libre lors d’un changement d’état.
Les résistances R ne servent que pour faire chuter la tension à la base du BJT (dans le cas où le moteur sera alimenté sous une tension de 12 V), mais doivent être calculées de façon à ce que les BJT travaillent en mode de saturation. Ces résistances peuvent être omis, pour des moteurs alimentés par 5 V.
Montage du système de freinage (servofrein)
Le but ici est de permettre au microprocesseur de pouvoir de piloter électriquement le mécanisme de freinage du véhicule.
On doit d’abord implanter dans le mécanisme de freinage du véhicule un servofrein ou assistance de freinage (Hydrovac). Ce servofrein sera ensuite modifié puis couplé à une électro-vanne pilotée par μP2 par le biais d’un circuit de puissance. Le schéma synoptique de ce système est expliqué au schéma de la Fig. 3.5.
Il est à noter que, contrairement à ce que l’on pense, l’électro-vanne ne sert pas directement à freiner le véhicule. L’électro-vanne utilisée n’est pas une vanne pour bloquer l’écoulement du liquide de frein mais sert pour bloquer l’écoulement d’air. L’utilisation d’une telle vanne (électro-vanne pour gaz ou air) est imposée par la technologie de conception et de fonctionnement du servofrein (hydrovac). Pour les détails sur le fonctionnement du servofrein, se référer à l’Annexe 4.
La mise en place de l’électro-vanne sur le servofrein s’explique par le schéma à la Fig. 3.5.
L’électro-vanne sert donc à faire entrer l’air, prélevé dans l’atmosphère, pour commander le freinage. Plus l’air s’engouffre dans le servofrein, plus le freinage est intense. Le volume d’air à faire entrer est fonction de la durée d’ouverture de l’électro-vanne, elle même pilotée par μP2 qui gère le freinage. Il n’est donc pas nécessaire d’avoir une électro-vanne particulière.
Conception du timer
Le schéma de montage du timer est donné à la Fig. 3.7.
Le circuit d’horloge utilise un Timer 555 monté en multivibrateur.
La fréquence de cette horloge est obtenue par l’expression : F ln 2 ln(R P).C1
La fréquence choisie est de l’ordre de 50 Hz. En prenant C1 = 10 μF et R = 100 kΩ, P sera de l’ordre de 100 kΩ. Un régulateur de type LM 7805 est utilisé pour bien s’assurer que la tension de sortie ne dépasse pas 5 V.
Technologie de construction
Système de pédale
La pédale de l’accélérateur est couplée à un potentiomètre rotatif monté sur son axe de révolution. Le schéma de montage du potentiomètre sur la pédale est montré à la Fig. 3.8.
Mise en place des capteurs de pression
Deux capteurs de pression sont placés dans le circuit de freinage. L’un, capteur primaire qui servira de référence de mesure, est placé dans tuyauterie du maître cylindre du circuit de freinage. L’autre, capteur secondaire, est placé dans la tuyauterie du cylindre des roues du système de freinage (Annexe 7).
La mise en place de ces capteurs sur la tuyauterie est établie à l’aide d’un raccord en T. Le schéma de montage du capteur sur le circuit de tuyauterie du circuit de freinage est montré à la Fig. 3.9.
Mise en place du contrôleur de rotation
Le disque cylindrique à dent composant le contrôleur de rotation est monté sur la transmission de la roue. La partie capteur du contrôleur de rotation doit être fixée sur un organe fixe, près du cylindre métallique (Annexe 8).
Le schéma de montage du contrôleur de rotation sur l’organe de transmission de la roue est montré à la Fig. 3.10.
Mise en place du moteur pas à pas sur le système de carburation
– Pour le cas du moteur à essence, le dosage du combustible (air-essence) est effectué par le carburateur lequel est piloté par le papillon. Le moteur pas à pas doit donc être couplé au papillon par l’intermédiaire d’un mécanisme d’accouplement (flasque).
– Pour le cas du moteur diesel, la variation de débit du combustible (gasoil) est effectuée par la pompe d’injection. Il existe deux types de pompes :
La pompe d’injection type en ligne
La pompe d’injection rotative
Le levier d’accélération de la pompe d’injection est remplacé par le moteur pas à pas lequel va communiquer le mouvement de rotation à l’axe du dit levier.
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 : Accidents routiers – Situation actuelle et statistiques
1.1 – Situation actuelle des accidents routiers à Madagascar
a – Généralités sur la législation à Madagascar
b – Les Rôles des agents de la sécurité routière
1.2 – Statistiques des accidents de la circulation et police de la route durant les six précédentes années (2002 à 2007)
1.3 – Analyse des données du statistiques et prévision
Chapitre 2 : Etude et mise en place de l’ordinateur de bord
2.1 – Approche synoptique
a – Description
b – Fonctionnement générale
2.2 – Système de gestion de la vitesse et de détection d’alcool
a – Régulation de l’accélération et du freinage
(i) – Système 1 : Système régulateur de l’accélération
– Caractéristiques du système de pédale
– Caractéristiques de µP1
– Caractéristiques du système actif (circuit de puissance et moteur pas à pas)
– Description de la consigne venant de µP2
– Algorithme de fonctionnement de µP1
(ii) – Système 2 : Système régulateur de freinage
– Caractéristiques de µP2
– Description de la consigne ville/urbain
– Description de la consigne venant du timer
– Description de la commande venant du compte-tour de la roue
ii- Description de la consigne du système capteur d’alcool
– Description de la commande vers µP1
– Description de la commande du système de freinage (électro-vanne)
– Algorithme de fonctionnement de µP2
b – Système de détection d’alcool
(i) – Description du système
(ii) – Le principe du capteur
2.3 – Principe de détection de la fuite du liquide de frein
a – Principe
b – Composant
Chapitre 3 : Conception et montage du système
3.1 – Montage du système de microprocesseur (µP1 et µP2)
3.2 – Montage du système de pédale
3.3 – Conception du système compte-tour
3.4 – Circuit de commande du moteur pas à pas
3.5 – Montage du système de freinage (servofrein)
3.6 – Conception du timer
3.7 – Technologie de construction
a – Système de pédale
b – Mise en place des capteurs de pression
c – Mise en place du contrôleur de rotation
d – Mise en place du moteur pas à pas sur le système de carburation
3.8 – Etude économique
Conclusion
Annexes
Références
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