Autant en emporte le vent - Free

G.SamblancatAutant enemporte le venttout en unVoici un montage original qui intéressera plusparticulièrement les « voileux » (passionnés devoile) et autres amateurs de phénomènesmétéorologiques. Il présente l’originalité de fournirà la fois la vitesse et la direction du vent grâce à unseul dispositif tournant (capteur à 3 godets).44elektor - 5/2004

Ralentissement(ailette face au vent)Accélération(vent arrière)0° 360°030371 - 12Figure 1 : La déformation des signaux ci après n’est pas réellement représentative,et peut varier en fonction du montage du capteur. De plus la déformation due auvent est pratiquement invisible à l’oscilloscope.L’approche choisie présente l’avantage,de réduire sensiblement la mécanique,ainsi que l’usure et les risquesde panne qui en découlent forcément àplus ou moins long terme. La lecturedes résultats de la mesure, la vitesseet la direction du vent, pourra se fairesur un écran LCD, sur un PC ou sur uninstrument de navigation (compatibleNMEA) via la sortie série.Les anémomètres et girouettes, mêmemontés sur un seul et unique support,utilisent en général deux capteurs biendistincts. En ce qui concerne les anémomètres,de nombreuses solutionsont été essayées, capteurs optiques,aéro-générateurs, ou encore contactsILS. Mais celle qui présente le moinsd’inconvénients est certainement, l’utilisationd’une roue à 3 godets faisanttourner un petit aimant devant un capteurà effet Hall. Dans ce montage nousutiliserons deux capteurs UGN 3503,qui délivrent une tension proportionnelleau champ magnétique (de l’ordrede 1 mV par Gauss). Ces capteurs,auxquels nous consacrons un petitencadré, sont peu sensibles aux salissures,et peuvent être complètementnoyés dans la résine, consomment peuet ne créent pas de rayonnementsparasites comme les ILS (Interrupteur àLame Souple)...Pour les girouettes, il y a eu des montagespotentiométriques, des capteursoptiques à code Gray, et autres, maisencore une fois les capteurs à effetHall à réponse linéaire restent unevaleur sûre. Le montage proposé ici,est une adaptation simplifiée du systèmeRotavecta, qui présente l’énormeavantage de se passer complètementde la mécanique réservée à lagirouette. Seule reste la roue à3 godets de l’anémomètre...Le principeL’originalité de ce système, réside dansla petite ailette ajoutée sur l’un destrois godets. C’est elle qui va créersoit, une très légère accélération, soitun ralentissement de la partie mobile,et ce, en fonction de son orientationpar rapport au vent. Si l’on prend alorsun point de référence angulaire parrapport au vent (sur la partie fixe), ondoit pouvoir, en utilisant au moinsdeux capteurs disposés à 90 ° l’un del’autre, connaître la direction du vent.Pour cela la méthode retenue, est demesurer la valeur moyenne (pourchaque capteur) sur un nombre précisde rotations. Chaque variation de ladirection du vent entraînera une légèrevariation de ces deux valeurs moyennes.Une table de référence angulaireà deux entrées, permet ensuite aumicrocontrôleur de fournir une directionangulaire [en degrés]. Notre anémomètre,utilisera uniquement deuxcapteurs à effet Hall à réponse linéaire,délivrant une tension proportionnelleau champ magnétique. On obtientainsi pour chaque capteur une tensionproche d’une sinusoïde (voir figure 1)dont la fréquence est fonction de lavitesse du vent et de la valeurmoyenne liée à sa direction.SynoptiqueLe synoptique de la figure 2 ne réservepas de grosse surprise. On y reconnaîtles 2 capteurs à effet de Hall disposés à90 ° l’un de l’autre.Une paire d’amplificateurs de mise enforme, un par capteur, donne auxsignaux produits par ceux-ci une formeque le CAN (Convertisseur Analogique/Numérique)intégré dans le PICpeut traiter. Le bloc écrêteur évite unesurcharge de l’entrée de capture/comparaisondu 16F876. Ce dernier pilotel’affichage LCD et, parallèlement, fournitun signal de sortie série de formatNMEA (Marine) pouvant égalementêtre décodé par le biais d’un PC.Ceci nous amène à la version électroniquedu synoptique…Le schémaLe schéma (figure 3) n’est pas des pluscompliqués, il est essentiellementconstitué par le microcontrôleur, IC2,un PIC16F876 de chez Microchip (onpourra en télécharger la fiche de caractéristiques,pas moins de 218 pagespour toute la famille, à l’adresse donnéeen fin d’article), et par un double ampliopérationnel de mise en forme dessignaux issus des capteurs. Ce microcontrôleurd’un type bien connu, peutêtre facilement programmé grâce à samémoire Flash et son mode de liaisonsérie. Il intègre un CAN 10 bits, dont onutilisera 2 entrées, ainsi qu’un module« capture/compare », dont on utiliseune entrée, pour mesurer la période dusignal de référence. L’ampli opérationnelLM358, IC1, permet d’ajuster l’amplitudedes signaux, afin de profiterpleinement de l’échelle du CAN du PIC.Les 2 capteurs UGN3503, IC5 et IC6,sont reliés à la platine principale par lebiais de l’embase à 4 contacts K3 dontles contacts servent respectivement àune alimentation +5 V et à une masse5/2004 - elektor 45

G.Samblancatg.samblancat@free.frL’auteur est né en 1968. Titulaire d’un BTS électronique, il poursuitactuellement des études d’ingénieur réseaux au CNAM. L’une de sesréalisations a déjà été publiée dans un autre magazine consacré à l’électronique.Après une petite expérience de bureau d’études il estpassé dans l’enseignement.Amplide miseen formeCapteurs effetHall à 90°Entrées CANAmplide miseen formeMicrocontrôleurPIC16F876Bus NMEA(Marine) ou PCEcrêteurEntrée Capture / CompareAfficheur LCD030371 - 13Figure 2 : Synoptique de l’anémomètre-girouette « tout en un ».communes et aux 2 signaux de sortiedes capteurs à effet Hall, H1 et H2.Le quartz X1, épaulé par une paire decondensateurs, fournit la fréquenced’horloge de 16 MHz.Le connecteur K1 permet de relier lemontage à l’interface sérielle d’un PC.L’affichage LCD est relié au connecteurK2 qui véhicule les signaux delecture/écriture (R/W), de validation(EN = ENable) et RS.4 lignes de données seulement, D4 àD7, sont utilisées pour le transfert desinformations vers l’affichage vu quel’on travaille en mode 4 bits. Les cavaliersJP1 et JP2 permettent d’activerun mode spécifique, NMEA pour JP1et CAL (calibration) pour JP2.L’alimentation que l’on trouve dans lapartie supérieure gauche du schématire son énergie d’un adaptateur secteurfournissant une tension régulée de12 V. On pourrait également envisagerd’alimenter le montage directementpar le biais d’une pile compacte de 9 Vauquel cas il faudra supprimer le régulateurIC3 et le remplacer par un pontde câblage pris entre l’entrée et la sortie(broches 1 et 3) de ce composant etne pas implanter le condensateur C7.La réalisation46Le circuit imprimé, dont la sérigraphiede l’implantation des composants estreprésentée en figure 4 (le dessin desplatines est donné sur une page spécialeles rassemblant tous), comporteen fait 2 parties, la platine principaleet la platine des capteurs. Il a été dessinétout en longueur, de façon à pouvoirêtre logé dans un tube PVC de32 mm de diamètre, juste en dessousdu module capteur. À noter que lespotentiomètres ajustables P1 à P4 sontdu type vertical à réglage par le dessus.La mise en place des composantsn’appelle guère de remarque. On comelektor- 5/2004

IC378L08+8VIC4LM78L05+5V+5V10kR910kR10BT112VC71µ25VC1 8IC11µ 416VC5100nJP1NMEAJP2ETAL+5V1kR7+5VP1D2 D32x 1N4148C4R810k+5VBC547T1IC5UGN3503U121233IC6UGN3503UK4H1H2K5C61µ16VK3H1H2R45k6+5VP2R55k6+5VP350k67IC1.B5IC1 = LM3584k7P450k21IC1.A34k7C215p100n20111RC0MCLR12R11IC2 RC113RC2RC314RC4152RA0/AN0RC5163RA1/AN1 RC6/TX174RA2/AN2 RC7/RX185RA3/VREF6RA4/T07RA5/AN4 RB0/INT2122RB1PIC16F876 23RB2RB3/PGM249OSC1RB425RB526X1RB62710OSC2RB72816MHz8 19C310k15p10kR6RSR/WEND7D6D5D4R21k5R11k8K2+5VD11N4148R31k5LCD2 x 16162738495K1030371 - 11SUB D9Figure 3 : Le schéma de notre girouette se résume à peu de choses, un PIC se chargeant de la majeure partie du travail.mencera par la mise en place des composantsde petite taille, les composantsà « développement vertical »étant montés ensuite. Le quartz X1 estun modèle à boîtier miniature. Le PICsera monté sur un support de bonnequalité assurant un bon contact et unebonne stabilité mécanique.La fabricationdu capteurLe minuscule circuit imprimé rond quel’on retrouve accolé à la platine principalesert de support aux capteurs àeffet Hall qui seront soudés à la mêmehauteur. Il peut être logé dans l’extrémitédu tube PVC et bloqué grâce à dela pâte époxy par exemple (pratique etrésistant). L’axe sera fabriqué avec unaxe métallique (que l’on pourra éventuellementdériver d’une vis) de ∅ 3,traversant le roulement à bille (oupalier en Téflon…). Sur le prototype,l’aimant tournant a été collé sur l’axe(la vis) à la colle époxy, et le roulementa été bloqué dans la pâte époxy. Laroue à godets sera fermement visséesur l’axe. (Cette roue à godets estdisponible sous forme de pièce détachéeauprès des revendeurs de lamarque AUTOHELM).Il est quasiment exclu de fabriquer sapropre roue à godet à l’aide, par exemple,de demi-balles de ping-pong. Il esten effet indispensable, pour un fonctionnementcorrect du montage, que cetteroue à godets soit parfaitement équilibrée,ce qui est loin d’être évident vul’ailette dont est doté l’un des godets.Les programmesLe programme VEC16MPU.hex (au formatINHX8M) est prêt à être implantédans le PIC via un programmateurcompatible.Les logiciels TUNE et ANEMO, écrits enDelphi, permettent, respectivement, demodifier les réglages de l’anémomètreet de la girouette et d’afficher les donnéessur le PC. Nous y reviendrons dansle paragraphe consacré à l’étalonnage.Le fichier de programmation duPIC16F876 est disponible au téléchargementsur notre site Internet sous ladénomination EPS030371-11 ; il existeégalement sous la forme d’une disquettepour ceux d’entre nos lecteursqui n’auraient pas accès à la Toile. S’ilvous est impossible de programmervous même le PIC, il existe en versionprogrammée, auprès des adresseshabituelles, sous la dénominationEPS030371-41.Réglage des amplisLa première des choses à faire, aprèsmise sous tension, est de régler lesrésistances ajustables multitours P1 àP4, afin que les 2 signaux issus des5/2004 - elektor 47

H1H2Liste des composants :Résistances :R1 = 1kΩ8R2,R3 = 1kΩ5R4,R5 = 5kΩ6R6,R8 à R11 = 10 kΩR7 = 1 kΩP1,P4 = ajustable multitour vertical 47 kΩréglage dessus (Selectronic par exemple)P2,P3 = ajustable multitour vertical 4kΩ7réglage dessus (Selectronic par exemple)Condensateurs :C1,C6 = 1 µF/16 VC2,C3 = 15 pFC4,C5 = 100 nFC7 = 1 µF/25 VSemi-conducteurs :D1,D2 = 1N4148T1 = BC547IC1 = LM 358IC2 = PIC16F876 (programméEPS030371-41)IC3 = 78L08IC4 = LM78L05IC5,IC6 = UGN 3503 (Allegro)Divers :X1 = quartz 16 MHz boîtier miniatureK1 = embase sub-D 9 voies femelle enéquerreK2 = embase autosécable à 3 contactsK3 = embase autosécable à 4 contactsJP1,JP2 = embase autosécable à2 contacts + cavalieraffichage LCD à 2 lignes de 16 caractèresmorceau de tube PVC de 32 mm desection et de 20 cm de long environK5IC6IC5K4D2C6R4P1P2K3030371-1D3IC1R5R7R8P3P4T1C3X1(C) ELEKTORC2IC2R11JP2JP1K2R10R9R6C1C4IC4C5R2D1R3R1- +030371-1K1IC3C7Figure 4 : Sérigraphie de l’implantation des composants de cette platine toute en longueur.ampli-op balaient parfaitement uneplage de tension de 0,5 à 4,5 V. Ilexiste pour cette opération, uneapproche soit matérielle, avec oscilloscope,soit logicielle, la fonctionMin/Max du logiciel TUNE. Dans lepremier cas, on visualise les signaux(pattes 1 et 7 de IC1, le LM358) à l’oscilloscopetout en faisant tourner laroue à godets (au sèche-cheveux enposition 1 (pas trop chaud) par exemple).Régler au mieux les ajustablesP1, P4 (pour le gain) et P2, P3 (pour ledécalage) de façon à ce que lessignaux sinusoïdaux balaient la plagede 0,5 à 4,5 V en veillant à ce qu’ils nesoient surtout pas écrêtées. C’est cequ’illustre l’oscillographe de lafigure 2. Ceux qui ne disposent pasd’un oscilloscope n’ont pas étéoubliés, le programme de réglage(dont nous allons parler ci-dessous)comporte une fonction « Mim/max »qui « trace » les niveaux des deux capteurssur l’écran du PC.Cette solution implique que le montagefonctionnel soit connecté au PC.Une fois le programme démarré, unclic sur le bouton « Min/max » se traduitpar l’apparition, au bout dequelques secondes, du message« ‘*** Min/max ***’ ».Etalonnagede l’anémomètreL’anémomètre mesure en fait unepériode de rotation et effectue le traitementVitesse = Kanemo/période. Lavitesse affichée est proportionnelle à lavaleur K (35500 par défaut), le logicielde réglage, TUNE, recalcule cette constanteen fonction de la vitesse lue et dela vitesse réelle (obtenue par lecturedu compteur de vitesse d’une voiturepar exemple).Le réglage (modification éventuelle dela valeur initiale du fichier .hex) du facteurde vitesse (Kanemo) consiste à faireun rapport entre la vitesse affichée lel’affichage LCD, la vitesse réelle et lefacteur de vitesse se trouvant déjà enmémoire. Il faut en tous cas commencerpar lire le PIC. Le programme TUNE affiche« x.y (z) » où en fait z = facteur devitesse = y + 256*x.ÉtalonnageangulaireChaque capteur étant différent, (forceet orientation de l’aimant, etc.), il estindispensable de recalculer la courbed’étalonnage de chaque réalisation.C’est là que les choses se compliquent,d’autant plus que la « qualité » du ventest alors essentielle ! Par exemple, lejet d’air d’un sèche-cheveux est bientrop concentré pour permettre unebonne détermination de la direction.Rien ne vaut alors un vrai courant d’air.C’est là qu’il est fait appel au réglagelogiciel de la girouette. Pour le calculde la direction du vent, chaque capteura une lookup table de 72 valeurs (pourun pas de 5 °). Pour cela le logiciel deréglage se base alors sur 8 points pourinterpoler chaque courbe, ce quirequiert de relever un total de16 valeurs. Il est donc nécessaire demesurer 2 valeurs tous les 45 ° d’angle.Cette opération d’étalonnage peut êtrelongue... Il faut faire tourner lagirouette de 45 ° entre chaque lectureet prendre des valeurs bien stables48elektor - 5/2004

Le capteur UGN3503CaractéristiquesLes capteurs à effet Hall UGN3503 (modèles LT, U et UA) sont en mesure de détecter des variations très faibles dedensité de flux magnétique, variations qui sont en règle générale trop faibles pour activer des interrupteurs Hall.Chaque capteur comprend un élément de détection à effet Hall , un amplificateur linéaire, et un étage de sortieà émetteur-ouvert. Le champ magnétique perpendiculaire à la cellule provoque une déviation du courant y circulant,et ainsi une différence de potentiel appelée tension de Hall, qui est, en autres facteurs, proportionnelle àl ’intensité du champ.FonctionnementLa tension de sortie zéro (B = 0 G) est normalement égale à la moitié de la tension d’alimentation. Un pôle magnétique Sud présenté à la faceactive du capteur se traduira par une tension supérieure au niveau zéro, un pôle Nord par une tension inférieure au niveau zéro.Le fabricant déconseille l’utilisation du modèle U pour de futurs projets.SUPPLYGROUNDOUTPUT123UGN3503UVCC030371 - 16Figure 5 : Une fois leprogramme de réglageTUNE lancé, on pourraprocéder à la saisie desinformationsd’étalonnage.Figure 6. Voici unexemple de ce que l’onobtient à l’aide duprogramme ANEMOtournant sous PC.Les valeurs sontégalement visualiséespar l’affichage LCD.(attention au vent !). Ces valeurs sontaffichées en continu (après la commande« Lit anémo ») sur l’afficheurLCD, et sur le port COM. Elles devrontêtre rentrées sur le tableau dont onretrouve un exemple sur la recopie d’écrande la figure 5. Une fois le tableaurempli, la fonction CurveFit calcule les72 valeurs requises en faisant un lissageà partir des 2*8 valeurs réellementmesurées pendant l’étalonnageet trace les courbes les plus proches encalculant les 2 x 72 références.Une fois tous les réglages terminés, ilsuffit de cliquer sur « Prog pic » pourreprogrammer le PIC.Mode d’utilisationnormalAprès une période de démarrage,nécessaire au système pour ses calculsde moyennes , l’anémomètre sort sesdonnées à la fois sur la sortie série (auformat NMEA), et sur l’afficheur LCD.Le standard NMEA183 bien qu’ancien,a l’avantage d’être encore utilisé dansle monde de l’électronique maritime.Dans notre cas, on a une phrase dutype $WIVWR,dir,L,vit,K, chaîne danslaquelle $WI signifie « instrumentmétéo », et VWR est le préfixe standardpour les informations « anémomètre», dir est la direction en degrés, etvit la vitesse en km/h. Le programmeANEMO vous permettra d’afficher toutcela en direct sur votre PC. Ce montagerequiert un minimum de soin lorsde sa réalisation, mais une fois correctementétalonné il ne manquera pas devous surprendre par son efficacité.(030371-1)Liens InternetFiche de caractéristiques de la famille duPIC16F876www.microchip.com/download/lit/pline/picmicro/families/16f87x/30292c.pdfÉchelle de Beaufortwww.permis-bateau.org/permis-bateau-beaufort.aspwww.meteo.fr/meteonet/boutique/period/images/echelle-beaufort.pdfPour tout savoirwww.voilelec.comÉchelle anémométrique deBeaufort0 Calme