- Objectif du projet
- Philosophie du projet : Sobriété et Efficacité
- Livrables
- LTSpice
- KiCad
- Shield
- Code Arduino
- Application Android
- Datasheet
- Conclusion et Bilan Critique
Dans le cadre d'un cours dispensé lors du 2nd semestre de 4ème année de Génie Physique à l'INSA de Toulouse, il nous a été proposé de réaliser un capteur low-tech à base de graphite, puis d'en faire une analyse critique argumentée pour en cerner les potentialités mais également pour évoquer des solutions d'amélioration. Ainsi, ce projet nous a permis de balayer l'ensemble du domaine ; du capteur jusqu'à la réalisation d'une datasheet et du banc de test.
Face à l'urgence climatique et à la demande croissante de systèmes à faible empreinte carbone, ce projet s'inscrit dans une démarche de sobriété technologique. Simplifier les composants pour les rendre plus efficaces énergétiquement reste un défi majeur de l'ingénierie moderne.
Si la réalisation de capteurs à haute sensibilité possède une forte valeur ajoutée, il est primordial de questionner nos besoins réels : avons-nous systématiquement besoin d'un capteur ultra-précis s'il consomme davantage ? Ou un capteur plus simple, adapté à l'usage final, est-il suffisant ?
Le choix d'un capteur graphite "low-tech" illustre ce compromis (trade-off) entre précision et consommation. Plutôt que de viser la performance absolue au prix d'une complexité accrue, nous avons privilégié une solution optimisée, cohérente avec les ressources disponibles et les exigences réelles du cahier des charges.
L'ensemble du projet comprend les éléments suivants :
- Un shield PCB branché à une board Arduino UNO sur lequel nous retrouverons différents composants tels que :
- Un capteur graphite
- Un circuit d'amplification transimpédance
- Un module Bluetooth
- Un encodeur rotatoire
- Un potentiomètre digital (qui vient remplacer la résistance R2 du circuit d'amplification)
- Un capteur de contrainte commercial
- Une simulation LTSpice du circuit transimpédance
- Un fichier KiCad du shield avec l'ensemble des composants cités en amont
- Un code Arduino qui gère le fonctionnement et les communications des modules avec la board
- Un fichier APK Android (conçue à l'aide du site MIT APP Inventor) qui permet, à partir d'un smartphone Android, de gérer l'interface avec le shield Arduino UNO par le biais d'une communication Bluetooth
- La datasheet du capteur graphite
Tip
Conseil de lecture : Pour une compréhension optimale du projet, commencez par consulter la Datasheet qui résume les performances théoriques avant d'explorer les fichiers de conception KiCad.
Afin de valider la faisabilité du projet et d'anticiper le comportement dynamique de notre système, nous avons simulé la chaîne de conditionnement sous LTSpice. Le défi majeur réside dans l'impédance extrêmement élevée du capteur (de l'ordre du
Circuit d'amplification/atténuation
Modélisation du capteur
Ce montage se compose de trois filtres passe-bas distincts pour optimiser le rapport signal/bruit :
-
Premier étage (
$R_5, C_1, R_1$ ) : Filtre les bruits en courant sur le signal d'entrée induits par l'alimentation 5V (symbolisée par 'SINE' +$C_3$ ). -
Deuxième étage (
$C_4, R_3$ ) : Réduit spécifiquement la composante de bruit à 50 Hz induite par le réseau électrique ambiant. -
Troisième étage (
$R_6, C_2$ ) : Placé en sortie de l'amplificateur, il atténue le bruit thermique et intrinsèque du circuit.
Atténuation d'environ 46 dB à 50 Hz. Le comportement global du circuit est bel est bien passe-bas.
Pour extraire la valeur de la résistance du capteur
En considérant l'AOP comme idéal en régime linéaire (
-
Expression de
$V_+$ (Diviseur de tension)$$V_+ = \frac{R_1}{R_c + R_1 + R_5} \cdot V_{cc}$$ -
Expression de
$V_-$ (Théorème de Millman)Comme l'entrée est reliée à la masse via
$R_2$ :$$V_- = \frac{\frac{V_{out}}{R_3} + \frac{0}{R_2}}{\frac{1}{R_3} + \frac{1}{R_2}} = V_+$$ -
Équation finale de la résistance
$R_c$ En posant
$V_{out} = V_{adc}$ et en isolant$R_c$ , nous arrivons à la formule de transfert utilisée dans le code Arduino :$$R_c = R_1 \cdot \frac{V_{cc}}{V_{adc}} \cdot \left(1 + \frac{R_3}{R_2}\right) - R_1 - R_5$$
Cette équation permet au microcontrôleur de convertir en temps réel la tension lue sur la broche analogique en une valeur de résistance physique exploitable pour la datasheet.
La simulation nous a permis d'optimiser deux paramètres critiques : le filtrage du bruit secteur et la dynamique de mesure.
L'étude fréquentielle montre l'impact direct des composants sur la qualité du signal :
-
Fréquence de coupure : Plus
$C_4$ est petit, plus la fréquence de coupure$f_c = \frac{1}{2\pi R_3 C_4}$ est élevée, ce qui réduit l'efficacité du filtrage des parasites à 50 Hz. -
Gain du filtre : La résistance
$R_2$ permet d'ajuster le décalage vertical du signal pour l'adapter à la fenêtre de lecture.
Simulation de l'influence de C4 et R3 sur la stabilisation du signal.
Pour éviter la saturation de l'ADC de l'Arduino (limité à 5V), nous avons conçu un système de réglage de gain flexible :
-
Problématique : La résistance des capteurs graphite varie énormément selon le dépôt. Un courant
$I_{sens}$ trop élevé peut saturer l'amplificateur à 5V, rendant toute variation de pression invisible. - Solution Manuelle : L'utilisateur peut ajuster dynamiquement le gain via le potentiomètre numérique en utilisant l'encodeur rotatif.
- Objectif : L'utilisateur tourne l'encodeur pour ramener le signal au repos vers 2,5V (valeur brute de 512 sur l'ADC). Cela place le point de fonctionnement au milieu de l'échelle de mesure, offrant une marge de manœuvre maximale pour observer les variations sans écrêtage.
Afin de concevoir un shield PCB conforme au cahier des charges de l'UF I4PMH21, nous avons développé un prototype virtuel sous KiCad. Cette phase de conception a permis d'intégrer l'ensemble des contraintes électroniques, mécaniques et physiques liées aux composants utilisés.
La première étape a consisté à élaborer la saisie de schéma (schematic) regroupant l'intégralité des modules :
Une fois le schéma validé, nous avons procédé au routage du PCB. L'enjeu principal a été la gestion de l'intégrité du signal dans un environnement mixte (analogique/numérique) :
- Plan de masse : Mise en place d'un plan de masse continu pour minimiser l'inductance de boucle et assurer une référence stable.
- Isolation : Séparation physique des pistes à haute impédance (liées au capteur graphite) pour limiter les couplages capacitifs.
- Contraintes mécaniques : Alignement des connecteurs pour un embrochage parfait sur l'Arduino UNO.
Pour maintenir l'intégrité du plan de masse et respecter les contraintes d'espace, nous avons opté pour la mise en place d'un strap externe (jumper). Cette solution a permis de finaliser les connexions tout en garantissant une isolation optimale entre les pistes critiques.
Le design final du shield est présenté ci-dessous :
Nous avons généré un rendu 3D du PCB pour visualiser l'encombrement final et l'agencement des composants. Voici une vue de dessus du projet :
Note
Ajustement des modèles 3D : Vous remarquerez peut-être des chevauchements visuels sur le rendu. Cela s'explique par l'usage de modèles CAO (fichiers .step) standards dont l'encombrement diffère légèrement des composants réels soudés sur le banc de test. L'empreinte au sol (footprint) sur le cuivre est cependant parfaitement conforme aux composants physiques.
Une fois la conception validée, nous avons procédé à la fabrication physique du shield sur une plaque d'époxy cuivrée à l'aide de Mme. Catherine Crouzet. Le processus de prototypage rapide a suivi les étapes classiques de la photogravure :
-
Insolation : Transfert du typon (généré sous KiCad) sur la plaque photosensible via une exposition aux UV.
-
Révélation : Élimination de la résine non exposée à l'aide d'un révélateur chimique.
-
Gravure : Passage dans une solution de perchlorure de fer pour dissoudre le cuivre non protégé et révéler les pistes.
Après le nettoyage de la carte, nous avons procédé à l'assemblage. Cette étape a nécessité une grande précision, notamment pour le perçage des vias et le soudage des composants traversants (THT) et CMS, en veillant scrupuleusement au respect des contraintes de température pour ne pas endommager le capteur graphite.
Warning
Points de vigilance (Soudure) : Lors de l'assemblage, une attention extrême doit être portée à la qualité des soudures. Des micro-courts-circuits ou des contacts intermittents ("soudures sèches") ont été identifiés lors de nos tests initiaux, perturbant la stabilité du signal. Un nettoyage rigoureux et une vérification systématique au multimètre sont indispensables.
Note
Évolution du projet (Servomoteur) : Bien que prévu initialement dans la conception du shield, le servomoteur n'a finalement pas été implémenté. Ce choix s'explique par des contraintes de temps et par le fait que le banc de test s'est révélé parfaitement fonctionnel et suffisant sans le servo pour valider les mesures du capteur.
En parallèle de la partie KiCad, nous avons développé le Code Arduino permettant la communication des composants avec l'Arduino UNO, voici les fonctionnalités principales :
- Acquisition Analogique : Lecture haute impédance et conversion du signal en résistance.
- Contrôle du Gain via Encodeur : Utilisation de l'encodeur rotatif pour incrémenter ou décrémenter la valeur du potentiomètre numérique. Cette interface permet à l'utilisateur de calibrer manuellement le capteur en temps réel.
-
Gestion du Potentiomètre Digital : Communication via le bus I2C pour mettre à jour la résistance de contre-réaction (
$R_2/R_g$ ) dès qu'une rotation de l'encodeur est détectée. - Interface Bluetooth : Transmission des données vers l'application Android pour un monitoring sans fil.
Tip
Structure du code : Le code est organisé de manière non-bloquante (utilisation de millis() au lieu de delay()) pour garantir une réactivité maximale de la liaison Bluetooth et de l'encodeur.
Nous avons réalisé une application mobile à l'aide de MIT App Inventor. Ce dashboard permet non seulement de lire les valeurs du capteur graphite en temps réel, mais constitue également un outil d'acquisition de données complet.
Le code de programmation est disponibles ici : Accéder au code de l'application.
- Liaison Bluetooth : Connexion simplifiée avec le module HC-05 présent sur le shield.
- Graphique Dynamique : Visualisation temporelle de la résistance pour identifier la sensibilité du capteur à la déformation.
Interface utilisateur pour la visualisation des données en temps réel.
La rédaction de la datasheet repose sur une série de mesures expérimentales effectuées grâce à un banc de test dédié.
Le banc de test, imprimé en 3D, utilise 7 demi-disques (Ø 1cm à 5cm) pour simuler des déformations contrôlées. Nous avons testé une gamme de capteurs allant du 2H au 3B pour identifier le meilleur compromis entre conductivité initiale et sensibilité à la flexion.
Classification des nuances de graphite : de la mine dure (H) à la mine tendre (B).
Montage complet
Documentation technique : Le rapport complet des performances est disponible ici :
Note
Sélection des échantillons : Certains capteurs présentant des valeurs aberrantes ou une instabilité trop marquée ont été écartés de l'analyse finale afin de garantir la cohérence des courbes de tendance.
Warning
Limites expérimentales : La reproductibilité des mesures s'est avérée délicate. Plusieurs facteurs ont influencé les résultats :
- Variation de densité du graphite lors du dépôt manuel.
- Dégradation mécanique de la couche de graphite au fil des tests.
- Contacts électriques instables en fin de série.
Ce projet constitue une preuve de concept réussie : il démontre qu’un matériau aussi rudimentaire que le graphite déposé sur papier peut être transformé en un capteur de déformation (strain sensor) fonctionnel grâce à une chaîne de conditionnement électronique optimisée.
Nos simulations et tests physiques ont validé la réponse piézorésistive attendue : la résistance augmente en extension et diminue en compression. Le système complet (Capteur -> Shield -> Arduino -> Android) est pleinement opérationnel pour du monitoring en temps réel.
Cependant, la reproductibilité demeure le principal défi technologique. L’hétérogénéité du dépôt manuel de graphite et les aléas liés au prototypage artisanal du PCB (gravure chimique, perçage et soudures) limitent la fiabilité des mesures.
L'intérêt majeur de ce projet réside dans sa valeur pédagogique. Il prouve qu'un système d'instrumentation complet peut être conçu avec des ressources limitées. Plutôt que de complexifier le capteur, l'enjeu futur serait de rendre le processus de dépôt du graphite plus robuste et automatisé.
En conclusion, ce projet nous a permis d'appréhender l'ensemble du cycle de vie d'un produit électronique, de la physique fondamentale du capteur jusqu'à l'interface utilisateur mobile.
Nous tenons à remercier Mme. Crouzet et M. Grisolia pour leur encadrement précieux et leurs conseils techniques lors de la phase de conception et de fabrication tout au long de ce projet.
Si vous avez des questions concernant ce projet ou l'utilisation du shield, n'hésitez pas à nous contacter :
- Oscar GIL : gil-lamassou@insa-toulouse.fr
- Pau PRAT : prat-i-meler@insa-toulouse.fr