Conception d’une Carte Capteur de Flux d’Air : De l’Analogique au Numérique
Dans le cadre de l’UE « Capteurs et interfaces analogiques – numériques » en L2 EEA à Sorbonne Université, j’ai eu l’opportunité de concevoir un système complet de détection de flux d’air avec mon binôme, Abdelhafidh Haloui.
L’objectif de ce mini-projet était simple sur le papier, mais riche en défis techniques : déterminer la direction d’un flux d’air dans un tube à l’aide de composants analogiques, traiter ce signal, puis le numériser pour l’afficher de manière lisible.
Voici une plongée dans les coulisses de notre montage, de la mesure physique jusqu’à l’affichage sur écran LCD.
1. Le Cœur du Capteur : La Mesure Physique
Pour détecter le vent, nous avons utilisé deux thermistances CTN 151-221 placées dans le tube. Le principe repose sur la variation de température : l’air dissipe la chaleur différemment sur les deux capteurs selon sa direction.
Pour exploiter cette infime variation, les CTN sont montées dans un pont de Wheatstone en demi-pont. Ce montage permet de traduire la différence de température entre les deux capteurs en une petite différence de tension exploitable.
2. Conditionnement du Signal
Le signal sortant du pont de Wheatstone est brut, faible et parasité. C’est ici qu’intervient la partie conditionnement, brillamment accompli par mon binôme :
- Amplification : Nous avons appliqué un gain en tension de 6.9 pour rendre la différence de potentiel mesurable par la suite.
- Filtrage Anti-Parasite : L’environnement électronique (notamment le secteur 230V à 50Hz) génère beaucoup de bruit. Nous avons donc intégré un filtre passe-bas du second ordre avec une fréquence de coupure fixée à 39 Hz. Cela permet de s’affranchir efficacement des perturbations du secteur.
- Comparaison : Le signal amplifié est ensuite envoyé dans des comparateurs pour afficher le sens du vent sur une des 2 leds.
L’indication du sens du flux se fait de manière très intuitive :
- Le flux allant de Gauche à Droite allume une LED rouge.
- Le flux allant de Droite à Gauche allume une LED verte.
- En l’absence de flux, les deux LED restent éteintes.
3. Numérisation de la Donnée
Une fois le signal analogique propre et amplifié, ma mission a été de le numériser. Notre cahier des charges nous imposait d’utiliser un ADC08020 (8 bits).
L’idée était d’afficher la tension convertie en binaire sur un chenillard de 4 LEDs jaunes, en utilisant les 4 bits de poids faible (LSB) ou fort selon la résolution souhaitée. La résolution de sortie de notre CAN Flash est de 4 bits.
4. Le Bonus : Intégration Arduino & Écran LCD
Pour aller plus loin, j’ai décidé de relier notre circuit à un Arduino UNO R3 ainsi qu’un écran LCD 1602. Afin d’afficher la direction du vent et la différence de température Delta T.
Traitement Logiciel et Anti-Rebond
Dans le code Arduino, j’ai mis en place une logique de « Debounce » (anti-rebond) sur les broches numériques lisant l’état des comparateurs. Le programme exige de lire 10 fois le même état avant de valider un changement de direction du vent, garantissant un affichage parfaitement stable sur le LCD.
Mathématiques et Limites du Système
La tension analogique lue par l’Arduino est convertie en température grâce à la sensibilité de notre montage, qui est de 0.346 V/ºC. La formule de transfert de notre système est la suivante :
Delta T = (Vout – 2.5) * 2.89
Pourquoi une limite à ±7.225 ºC ? L’Arduino UNO R3 ne peut lire qu’une tension maximale de 5V sur ses broches analogiques. Si nous avions un Delta T de ±20ºC, la tension de sortie théorique serait de 9.3V(0.34 * 20 + 2.5). Par conséquent, pour ne pas griller l’entrée de la carte et saturer la lecture à 5V, notre Delta T maximum mesurable est mathématiquement bridé à ±7.225 ºC.
5. Modélisation MATLAB : Visualisation de la courbe du Delta T
Pour aller plus loin dans l’analyse mathématique de notre système, j’ai également développé un script sur MATLAB afin de tracer et d’afficher la courbe d’évolution de la tension en fonction de la différence de température (ΔT). Coder cette modélisation nous a permis de mieux visualiser le comportement dynamique de notre capteur et de confirmer graphiquement nos calculs théoriques. C’est d’ailleurs cette courbe qui illustre parfaitement notre limite de détection : on y voit clairement que pour ne pas dépasser la tension maximale de 5V tolérée par les entrées analogiques de l’Arduino, notre ΔT mesurable doit impérativement se limiter à 7.225 °C.
6. Spécifications Techniques et Budget
Voici un résumé des caractéristiques de notre carte finale :
- Dimensions du circuit : 80 cm².
- Consommation DC : Entre 126 mW et 226 mW (hors résistance chauffante).
- Sensibilité : 0.346 V/ ºC.
- Plage de mesure Delta T : De ±1 ºC (détection minimale) à ±7.225 ºC (maximum).
- Incertitude sur Delta T : ±0.25 ºC (soit 0.0865 V).
- Coût total du prototype : 23.916 $.
Ce projet a été une excellente opportunité de marier l’électronique analogique de précision avec le traitement numérique par Arduino. La synergie avec mon binôme qui a été déterminant a permis d’obtenir un capteur fiable, stable et dont les données sont facilement interprétables. Il fait beaucoup d’électronique et est très passionnant n’hésitez pas à le contacter sur son Linkedin Je vous laisse ci joint la datassent du projet ! Datasheet