Electronique > Réalisations > Interfaces > Interface pression tension 001 - Pro
Dernière mise à jour : 10/11/2024Présentation
Cette interface permet de transformer une variation de pression en une variation de tension électrique.
Elle possède 1 entrée pour capteur de pression (pressure sensor) et une sortie en tension couvrant la plage 0-5V. Basée sur un microcontrôleur PIC 18F26K22, elle dispose de plusieurs réglages permettant de s'adapter à différents types de capteurs.
Préambule
Quelle peut donc bien être la particularité de cette interface, vu que le capteur de pression utilisé possède déjà une sortie en tension ? La réponse est simple : le capteur délivre une tension positive "médiane" correspondant à la pression atmosphérique en cours, et cette tension médiane (de repos) augmente lors d'une surpression ou chute lors d'une dépression. Le but de l'interface est de disposer en sortie d'une tension qui évolue toujours vers le haut, aussi bien pour une pression que pour une dépression. Des sorties logiques permettent de connaître le sens de variation de pression à l'entrée du capteur.
Schéma
Le microcontrôleur PIC18F26K22 (U1) porte la quasi totalité de la charge de travail.
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Fonctionnement général
La tension issue du capteur de pression U2 est directement injectée sur la ligne RA0/AN0 du PIC pour être convertie en numérique par le module ADC interne au PIC, avec une résolution de 10 bits. Le logiciel du PIC détermine si les variations de la tension appliquée sur RA0/AN0 correspondent à une pression ou à une dépression, et par le biais d'une liaison I2C et d'un convertisseur numérique/analogique externe (U3) une nouvelle tension est mise à disposition, avec indication "pression ou dépression". Un DAC 8 bit a été adopté ici, car pour la demande cette résolution était suffisante, mais un modèle de résolution 10 bits pourrait également être utilisé.
Signalisations
Les
voyants LED1 à LED3 permettent de voir en un coup d'oeil si le capteur
de pression est au repos ou s'il est soumis à une pression ou à une
dépression d'air :
- LED1 : s'allume quand le capteur de pression est soumis à une pression d'air (tension de sortie supérieure à la tension de repos)
- LED3 : s'allume quand le capteur de pression est soumis à une dépression d'air (tension de sortie inférieure à la tension de repos)
- LED2 : s'allume quand le capteur de pression est au repos
Le voyant LED4 s'allume pour signaler une action en cours, par exemple sauvegarde d'un paramètre modifié par l'utilisateur ou reset général des paramètres ajustables par l'utilisateur.
La sortie Tx (UART 57600 bauds) délivre des messages liés à la configuration du système. Au démarrage, les divers paramètres éventuellement ajustés par l'utilisateur sont listés au format texte (ASCII) :
Remarque : sortie Tx/UART non activée dans le logiciel de base (fonction non spécifiée dans le cahier des charges).
Réglages
Plusieurs paramètres peuvent être ajustés pour répondre à une grande quantité de besoins.- JP1/LinLog
- Transposition In/Out avec courbe Lin ou Log
JP1 en position [A] 0V (GND) : courbe linéaire
JP1 en position [B] +V (VDD) : courbe logarithmique - JP2/IOO
- Sélection offset AdcIn / DacOut
JP2 en position [A] 0V (GND) : réglage offset d'entrée (AdcIn) avec SW5/SW6
JP2 en position [B] +V (VDD) : réglage offset de sortie (DacOut) avec SW5/SW6 - RV1/VrefN - Réglage tension de référence basse (Vref-) du convertisseur d'entrée (ADC)
- RV2/VrefP - Réglage tension de référence haute (Vref+) du convertisseur d'entrée (ADC)
- SW1-SW2/PC
- Coefficient sur partie "positive" (PC = Pressure Coefficient,
tension capteur au-dessus de la tension de repos)
SW1 : décrément par pas de 0,01
SW2 : incrément par pas de 0,01
Plage de valeurs acceptées : 0,10..10,0 ; valeur par défaut : 1,00 - SW3-SW4/DC
- Coefficient sur partie "négative" (DC = Depressure Coefficient,
tension capteur en dessous de la tension de repos)
SW3 : décrément par pas de 0,01
SW4 : incrément par pas de 0,01
Plage de valeurs acceptées : 0,10..10,0 ; valeur par défaut : 1,00 - SW5-SW6/IOO
- Décalage général de la tension d'entrée AdcIn ou de sortie DacOut (IOO = Input/Output Offset)
SW5 : décrément par pas de 10 mV
SW6 : incrément par pas de 10 mV
Plage de valeurs acceptées : 0..5000 mV ; valeur par défaut : 0 mV
Remarque
: les coefficients PC sur parties positives (pression) et les
coefficient DC sur parties "négatives" (dépression) sont indépendantes
pour les courbes Lin et Log. Il y a donc en totalité huit paramètres
logiciels ajustables par l'utilisateur, en plus des trois réglages matériels. Les huit paramètres ajustés par les
boutons-poussoirs SW1 à SW6 sont sauvegardés dans la mémoire interne du
PIC et sont rappelés à chaque redémarrage.
Suppression des modifications apportées par l'utilisateur (retour aux paramètres initiaux)
Les paramètres modifiés par l'utilisateur peuvent à tout moment retrouver les valeurs d'origine. Pour cela, il suffit d'allumer l'interface en maintenant pressés les boutons-poussoirs SW1 et SW2 pendant au moins 3 secondes. Durant la phase de reset des paramètres, la LED Status clignote rapidement. Une fois le reset effectué, la LED Status clignote plus lentement, jusqu'à relâchement des boutons-poussoirs SW1 et SW2. A partir de cet instant, l'interface démarre avec les paramètres d'origine.
La plupart du temps, le réglage de RV1/VrefN se fera au minimum (0V) et le réglage de RV2/VrefP se fera au maximum (+5V). Un ajustage de ces potentiomètre ne sera requis que dans le cas où le capteur de pression est utilisé sur une petite partie de sa plage de fonctionnement nominale.Exemple de configuration
Le graphe qui suit montre une configuration pour une tension de repos de 2,0 V en sortie du capteur de pression. Le graphe de gauche correspond à la configuration courbe Lin, alors que le graphe de droite correspond à la configuration courbe Log. Quand la tension augmente en sortie du capteur (surpression visualisée par la courbe verte PS_An), la tension en sortie du DAC (courbe rouge Vout) augmente. Quand la tension chute en sortie du capteur (dépression), la tension en sortie du DAC augmente là encore. Dans tous les cas, la tension de sortie minimale correspond à la tension de repos (sauf si une tension de décalage est désirée, voir plus loin).
Dans le cas de figure où la tension de repos en sortie du capteur est très différente de la moitié de sa plage de tension de sortie, il est possible d'affectuer un coefficient d'amplification (ou d'atténuation) différente pour les deux sens de variation. Sur le graphe suivant à gauche, un coefficient plus faible a été appliqué dans le sens de la pression, alors que pour le graphe de dorite, un coefficient plus faible a été appliqué dans le sens de la dépression.
L'idée ici n'est pas de linéariser l'éventuelle non-linéarité en sortie du capteur, mais de profiter davantage d'une excursion fortement asymétrique (tension de repos en sortie capteur fortement éloignée de la moitié de la tension d'alimentation).
Il est également possible de décaler l'ensemble des courbes vers le haut ou vers le bas par pas de +/-10 mV, grâce aux boutons-poussoirs SW5-SW6/OO. Les deux graphes ci-après montrent un décalage vers le bas de -450 mV (à gauche) et de +600 mV (à droite).
Il est bien entendu impossible de dépasser les limites en tension du DAC, aussi décaler beaucoup le tout vers le haut ou vers le bas peut vite conduire à une "saturation" - qu'il serait plus judicieux ici d'appeler une "limitation".
Alimentation
Le circuit est alimenté sous une tension continue stabilisée de +5V. Un condensateur de découplage de 100 nF doit être placé au plus près des broches d'alimentation du PIC (entre broches 8/19 et 20).
Choix du capteur de pression
Le capteur de pression doit travailler sous une tension
d'alimentation de +3,3V ou de +5V. Si sa tension d'alimentation
nominale du capteur de pression est de +3,3V, alors il faut :
- ajouter un régulateur de tension LDO (Low Drop Out) délivrant une tension nominale de sortie +3V3 (juste pour le capteur)
- régler le potentiomètre ajustable RV2 pour que la tension VrefP soit égale à +3V3.
Le capteur doit pouvoir traiter une surpression ou une dépression (par ex. de -1000 Pa à +1000 Pa). Le choix du capteur dépend bien sûr de la plage de variation de pression à laquelle il sera soumis. Certains capteurs permettent de travailler sur une plage restreinte (par ex -500 Pa à +500 Pa), d'autre sur une plage bien plus étendue (par ex. -100 kPa à +100 kPa).
Il existe des capteurs dont la valeur de sortie est délivrée sous forme numérique (par un bus I2C, par ex), d'autres dont la valeur de sortie est liée à une tension analogique (par exemple entre 0V et +5V). Dans la présente application, il faut sélectionner un capteur de pression avec sortie en tension analogique (plage de sortie 0V à +5V ou plage de sortie 0V à +3V3).
Remarque : certains capteurs de pression sont donnés pour travailler dans une zone "positive" uniquement (par ex. de 0 Pa à +5000 Pa), mais acceptent toutefois de travailler dans une zone "négative" limitée. Ces capteurs se reconnaissent par le fait que la tension de sortie au repos est supérieure à +1V.
Si le capteur choisi est utilisé sur une petite portion de sa plage totale de fonctionnement, il est recommandé d'ajuster RV1 ou RV2, de sorte que la tension VrefN corresponde à la tension la plus faible observée en sortie du capteur (en condition d'utilisation normale) et que la tension VrefP corresponde à la tension la plus élevée observée en sortie du capteur (là encore en condition d'utilisation normale).Prototype
Réalisé sur plaque sans soudure (DAC MAX517 non implanté sur les photos qui suivent).
Fonctionnement conforme à celui attendu.
Logiciel du PIC
Pro - Logiciel non disponible en libre service.
Circuit imprimé (PCB)
Réalisé en double face.
Historique
10/11/2024
- Ajout photos prototype.
- Ajout infos de démarrage sur sortie UART dans la version logicielle allégée (LE).
20/10/2024
- Ajout dessin du PCB.
19/05/2024
- Première mise à disposition.