Dernière modification le 09/06/2019
Difficulté
Moyen
Durée
2 jour(s)
Coût
80 EUR (€)
Description
Ce tutoriel permet le pilotage d'une plantation hydroponique via un petit système électronique contrôlé par une carte Arduino, de l'assemblage des composants à l'écriture du programme de guidage. Cette installation a été étudiée et documentée lors d'une escale du Nomade des Mers à Taipei (Taïwan) grâce à l'atelier collaboratif OpenLab et est dorénavant utilisée pour gérer le système hydroponique du bateau.
Introduction
Ce système permet de contrôler une plantation hydroponique présenté dans le tutoriel prérequis. Le tout sera alors capable de fonctionner automatiquement pendant une durée déterminée par l'usure des composants, ce qui reste assez conséquent.
Plus généralement, cette installation est utile lorsque pour n'importe quel système électrique si l'on dispose d'une source d'énergie limitée ou inconstante (solaire, éolienne, hydraulique), car elle permet de répartir l'énergie entre les différents composants en réduisant au maximum les pertes.
On peut ainsi grâce à un fonctionnement en alternance:
- Contrôler la température de la pièce grâce au déclenchement ou pas d'un petit ventilateur d’appoint
- Contrôler le fonctionnement des différentes pompes à eau
- Contrôler la mise en marche du bulleur qui oxygène l'eau
- Contrôler la charge des batteries afin de stocker l'énergie non utilisée
En bonus, l'énergie restante peut être utilisée pour charger n'importe quel appareil en USB grâce à un petit convertisseur.
Les panneaux solaire utilisés produisent en 12V environ 30 W. Pour savoir la puissance nécessaire au système, prendre la puissance demandée par le composant le plus énergivore (ici le bulleur).
Matériaux
- une carte Arduino UNO REV3 A000066
- un régulateur de charge et de décharge (ex : 4-8V 1A Module de Chargeur Charge Batterie Mini Li-ion USB Arduino TP4056
- un convertisseur de tension : DC/DC booster MT3608 (composant électrique qui va transformer le 3,7 V des batteries en 5V pour la sortie USB)
- un module de 4 relais 5V pour Arduino
- un domino à 6 connecteurs
- des fils
- un module régulateur de voltage DC-DC LM2596, 3.0-40V vers 1.5-35V
- 2 batteries 18650, 3.6V
- 2 supports de batteries 18650
- un capteur de température, Transistors Bipolaire NPN BC547B
Outils
Pour le circuit électronique:
- un fer à souder
- du fil d'étain
- un multimètre ou ohmmètre
- un petit tournevis
Pour la programmation:
-le programme Arduino, facilement téléchargeable gratuitement sur le site Arduino (https://www.arduino.cc/en/Main/Software#)
Étape 1 - Conception du circuit électrique - Première Partie
Court résumé du circuit
Le circuit est composé d'une carte Arduino permettant de piloter une carte de 4 relais contrôlant 4 composants: le bulleur, la pompe, le ventilateur et les batteries. Les relais sont alimentés par des panneau solaires 12V. Est branché à la carte Arduino un petit capteur de température.
Pour alimenter les batteries, il faut un régulateur de charge décharge qui transforme du 5V en 3,7V pour les batteries. A donc été ajouté un convertisseur DC-DC (courant continu) qui transformera les 12V du panneau solaire en 5V pour le contrôleur de charge/décharge. Enfin un petit convertisseur muni d'une sortie USB transforme les 3,7V des batteries en 5V pour la charge de téléphones portable et pour l'alimentation de la carte Arduino.
Pour faciliter la compréhension, le circuit général sera divisé en deux modules, puis il suffira de les connecter entre eux puis de connecter les différents appareils aux relais.
Module 1
Ce module contient les batteries, les contrôleur de charge, le convertisseur 12V -5V ainsi que la sortie USB.
Connecter d'abord les bornes + et - des batteries en parallèles aux bornes + et - de la sortie du contrôleur de charge (OUT+ et OUT-). De même, connecter la sortie du contrôleur de charge (OUT+ et OUT-) aux bornes de la sortie USB.
A l'entrée du contrôleur de charge (IN+ et IN-), connecter la sortie du convertisseur DC-DC (OUT+ et OUT-).
Module 2
Ce module contient l'Arduino, sont capteur de température et les relais qui permettront de gérer chaque composant indépendamment.
Il s'agit donc de faire:
- les branchements entre les différentes sorties de l'Arduino et les entrée du relais
Pour cela, connecter les sorties 2, 3, 4 et 5 de la carte Arduino aux entrées 1, 2, 3, 4 de la carte relais.
- les branchements pour gérer l'alimentation de la carte relais
Pour cela, connecter une sortie 5V de l'Arduino à la vcc (tension d'alimentation positive) de la carte relais puis connecter la terre (GND) de l'Arduino à la terre de la carte relais.
- les branchements du capteur de température
Pour cela, connecter l'Analog in A0 de l'Arduino à la "Base (B)" du capteur, une sortie 5V au "Collecteur (C)" et une terre (GND) à "l'Emetteur (E)". Les différentes branches du capteur sont indiqués soit par les lettres B,C,E, soit par les chiffres 1, 2, 3 (voir schéma ci-contre).
Étape 2 - Conception du circuit électrique - Deuxième Partie
Connections aux relais
Cette partie a pour but l'alimentation de la carte relais via la source d'énergie (ici panneaux solaires) ainsi que de relier les relais aux éléments du système hydroponique grâce aux dominos.
Le relais agit comme un interrupteur commandé par une tension.
Il y a 3 bornes par relais : La borne centrale sert à alimenter le relais en courant. Les deux bornes extérieures servent à connecter des composants (bulleur, pompe...).
Lorsqu'il est éteint, le relais se positionne sur une des borne extérieure puis, lorsque l'Arduino envoie une commande en tension, le relais change de position et alimente l'autre borne.
Pour déterminer la position du relais lorsqu’il est éteint, utiliser un multimètre ou un ohmètre en mode test de continuité (ce mode émet un son (bip) lorsque les deux électrodes sont connectées).
Tester sur un des relais:
-la borne centrale avec une borne extérieur
-la vis centrale avec l'autre borne.
Le côté qui sonne donne la position lorsque la carte relais est éteinte, il faudra donc brancher le composant sur l'autre.
Commencer par brancher tous les fils "moins" du système via un domino de référence (nommé "TERRE" sur le schéma).
On aura donc connecté à ce domino les pôles négatifs: du bulleur, de la pompe, de la batterie (par l'entrée du convertisseur 12V-5V, INT-), du ventilateur et du panneau solaire.
Puis brancher la borne positive du panneau solaire (via un domino) à la borne centrale de chaque relais.
Enfin brancher la borne positive de chaque composant (bulleur, pompe, batterie et ventilateur) à la borne de chaque relais (côté choisi précédemment) en suivant la liste suivante:
- relais 1 : ventilateur
- relais 2 : bulleur
- relais 3 : pompes
- relais 4 : batterie (via convertisseur 12V-5V)
Les numéros des relais sont en général notés devant les connecteurs.
Une fois les relais branchés, il reste à alimenter la carte Arduino.
Deux options s'offrent alors:
- Sans possibilité de charge d'un appareil extérieur (téléphone, batterie externe...) : grâce au câble fourni avec la carte: brancher l'USB (type A) au petit convertisseur en sortie des batteries et l'autre USB (type B) sur l'alimentation de la carte Arduino (voir image).
- Avec possibilité de charger unappareil extérieur : Retourner la carte arduino et à l'aide d'un multimètre en mode "voltage" mesurer la tension entre les petits pics de métal. Lorsque une tension de 5V apparaît, souder un fil sur le pôle négatif (noir) et un sur le positif (rouge). Connecter ces fils sur le petit convertisseur en procédant de la même manière
Étape 3 - Ecriture du programme
Partie 1: Définition des variables
Cette partie consiste à définir les constantes (les valeurs qui seront utilisées plus tard) et à nommer les relais.
La fonction "const int" permet de créer une constante qui sera la valeur lue par le capteur en A0, cette valeur ne peut pas être modifiée.
La fonction "int" permet juste de nommer une sortie du relais (par exemple la sortie 2 correspond au ventilateur).
Partie 2: Initialisation du programme
Pour lancer cette partie on utilise la fonction "void setup()" qui sert à initialiser et à définir les valeurs initiales, elle ne sera lu qu'une fois lors de la mise en route du programme.
La fonction "Serial.begin" donne le débit de transfert de donnée en caractère par seconde (baud). 9600 est une valeur standard et est largement suffisante pour ce type de programme.
La fonction "pinMode" configure la broche choisi pour un certain comportement en entrée "INPUT" ou en sortie "OUTPUT" (ici en sortie).
(La fonction "digitalWrite" permet commander le relais choisi avec le "pinMode". Elle mettra donc 5V de tension pour "LOW" et 0V pour "HIGH" .)
Par exemple:
pinMode(batterie,OUTPUT);
digitalWrite(batterie, HIGH);
veut dire: "sur la sortie de la broche nommée "batterie", mettre une tension de 5V"
Cette parti sert à
Partie 3: Ecriture de la boucle
Une boucle se démarre avec la fonction "void loop()" qui indique au programme de lire en boucle les instructions qui vont suivre jusqu'à que certaines conditions soient remplies voir indéfiniment.
Le début est assez basique, il s'agit de mettre de la tension alternativement aux bornes de la batterie, des pompes puis du bulleur. Comme dans l'étape précédente ceci se contrôle grâce à la fonction "digitalWrite" en position basse ou haute.
La fonction "delay" quand à elle donne le temps en milliseconde pendant lequel le programme restera sur l'indication précédente et donc par extension le temps d'allumage de chaque composant.
Les 3 premiers paragraphes reviennent donc à ceci: "charger la batterie 5min, puis mettre en marche les pompes à eau 10 min, puis allumer le bulleur 20min".
"int sensorVal = analogRead(sensorPin);" demande au programme de lire la valeur "sensorPin" définie au début et de la nommer sensorVal.
S'ensuit deux lignes de calcul permettant de passer de la valeur lue par le capteur à une température en degrés Celsius (°C). La fonction "float" étant simplement un moyen d'obtenir un nombre décimal.
"Serial.print" sert à afficher des données sur l'écran.
Soit:
Serial.print("temperature: ");
Serial.print(temperature);
Reviens à afficher le mot "température: " puis la valeur mesurée par le capteur.
Enfin grâce à la fonction "if", on peut donner une condition au programme, si elle est respectée, il exécutera ce qui suit, sinon il recommencera la boucle.
La fin signifie donc : "Si la température captée est supérieur à 25°C, allumer le ventilateur pendant 10 minutes, sinon, recommencer la boucle"
Code complet
const int sensorPin = A0;
int batterie = 5;
int hydro = 4;
int bulleur = 3;
int ventilateur = 2;
void setup(){
Serial.begin(9600);
pinMode(batterie,OUTPUT);
digitalWrite(batterie, HIGH);
pinMode(hydro,OUTPUT);
digitalWrite(hydro, HIGH);
pinMode(bulleur,OUTPUT);
digitalWrite(bulleur, HIGH);
pinMode(ventilateur,OUTPUT);
digitalWrite(ventilateur, HIGH);
}
void loop(){
digitalWrite(batterie, LOW);
delay(300000);
digitalWrite(batterie, HIGH);
digitalWrite(hydro, LOW);
delay(600000);
digitalWrite(hydro, HIGH);
digitalWrite(bulleur, LOW);
delay(1200000);
digitalWrite(bulleur, HIGH);
int sensorVal = analogRead(sensorPin);
float voltage = (sensorVal/1024.0)*5.0;
float temperature = (voltage - .5) * 100+35;
Serial.print("temperature: ");
Serial.print(temperature);
if(temperature > 25){
digitalWrite(ventilateur, LOW);
delay(600000);
digitalWrite(ventilateur, HIGH);
}
}
Étape 4 - Packaging
Pour le packaging il existe beaucoup de possibilités mais il est important de fixer tous les composants sur une même surface. En effet certaines connexions sont fragiles il est donc préférable de les soulager.
Sur le bateau c'est une planche en bois qui a été utilisée pour visser tous les composants.
Ensuite un grand tuperwear permet d'avoir unebonne étanchéité et d'accéder au système. Une boite en bois ou autre fait amplement l'affaire sinon.
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