[PDF] Mise en œuvre des capteurs Etalonnage et vérification de

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Ballon sonde 2009

BTS Systèmes Electroniques

Lycée Edouard Branly

Amiens

La chaîne de vol

Ballon gonflé

l'héliumParachuteRéflecteur radarNacelle principaleParachuteRéflecteur radarNacelle secondaire

Mise en oeuvre de la nacelle principale

• Elle extrait et retransmet la trame GPGGA du GPS (heure, fix, altitude, latitude, longitude...). • Elle transmet les informations de pression, températures intérieure et extérieure, humidité relative et intensité lumineuse.

• L'émetteur est un modulateur FM de porteuse 139,5 MHZ. Il est fourni par le CNES et porte le

nom de Kiwi. Le signal modulant est une modulation FSK où un bit 0 est codé par un signal de fréquence 900 Hz et un bit 1 par un signal de fréquence 1500 Hz. Le débit de la communication est de 600 bauds.

Etalonnage des capteurs et

vérification de conformité avec la documentation constructeur

Capteur de pression (MPX4115)

lineairey = 0,0044x - 0,4603 0

0,511,522,533,544,55

0 200 400 600 800 1000 1200

P en hPa

Vc en V

Série1Linéaire (Série1)

Carte test

Capteur de

pressionCapteur de pression étalon

Capteur d'hygrométrie (HIH4000)

Capteur

d'humidité relative

Hygromètre

étalon

Solutions salines saturées dont

l'atmosphère présente un taux d'humidité connu et constant

Capteur d'intensité lumineuse

(BPW21R)

I=f(E)

y = 2E-06x + 0,0001 0

0,0050,010,0150,020,0250,03

0 5000 10000 15000 20000

E en lx

I en mA

Série1Linéaire (Série1)

Capteur de lumière

Source de

lumière

Luxmètre étalon

Capteur de température (thermocouple

type K, conditionneur AD595)

Sortie de la carte Capteur de température

VS=f(Temp)

00,511,522,533,544,55

-60-40 -20020

Thermocouple

Carte de conditionnement

Solution "antigel»

28 °C

Thermomètre étalon

GPS (EM-406)

GPS

Carte test

Mise en oeuvre de la nacelle secondaire

Elle extrait et retransmet la trame GPGGA du GPS (heure, fix, altitude, latitude, longitude...). Elle transmet les informations de son accélération suivant 3 axes. Elle possède un système d'auto-largage, soit automatique à une altitude de 500 m, soit forcé par une télécommande au sol.

Elle possède un système de prise de photos cyclique ou forcée par une télécommande au sol.

Elle possède un émetteur sonore déclenché automatiquement à une altitude de 200 m lors de la phase descendante. L'émission et la réception sont effectuées par un module Xbe e- pro à

2,4 GHz (modulation DSSS identique au Wi-Fi). Le débit de la communication est de 4800 bauds.

Système d'auto-largage de la nacelle

secondaire par servo-moteur

Capteur d'accélération (ADXL330)

-3 -2 -1 0 1 2 3

0,60,8

1

1,21,41,61,8

2

2,22,42,62,8

CARACTERISTIQUE CAPTEUR : Vout = f(G)

Colonne B

G

Tension de sortie (Volt)

Capteur d'accélération 3 axes

Carte de conditionnement

Télécommande de la nacelle

secondaire

Ecran de

contrôle

Antenne

d'émissionEmetteur 2,4 GHz

Commande

départ cycle photosCommande forçage d'une photoCommande d'auto-largage de la nacelle secondaire

Bouton de

validation de la commande

Choix des piles de la nacelle

principale par un test de capacité

Les contraintes sont :

• Durée du vol de 3 h environ. • Température minimale de l'atmosphère de - 70 °C. • Consommation des cartes électroniques d'environ 300 mA. Décharge à courant constant à + 20°C et à - 20 °C

Décharge pile 4,5 V à 400 mA à -20 °C

-2-1012345

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Temps (s)

U (V)

Décharge pile 4,5 V à 400 mA à 20 °C

00,511,522,533,544,5

0500010000150002000025000

Temps (s)

U (V)

La nacelle principale

Emetteur Kiwi

139,5 MHz

Antenne

d'émission

Capteur de

lumière

Processeur

Capteur de

pression

Capteur de

température

Hygromètre

Connecteur

du GPS

Modulateur FSK

Blindage obligatoire contre le rayonnement de l'émetteur

Cartes électroniques nacelle principale

Appareil

photos

Fils de

connexion des capteurs fixés à l'extérieur de la nacelle, blindage

Piles 4,5 V

Cartes

électroniques

blindées

Isolation thermique

pour l'électronique ainsi que pour les piles

Interrupteurs avec blindage

Nacelle principale

La nacelle secondaire

Télécommande 2,4 GHz

Appareil photos

GPS

Antennes

Emetteur/récepteur 2,4 GHz

Processeur

Système d'auto-largage

de la nacelle secondaire

Système sonore

Cartes électroniques nacelle secondaire

Accéléromètre

Assemblage de la nacelle secondaire

Nacelle secondaire avant fermeture

Le lâcher du ballon sonde

Vendredi 3 avril 2009

13 h 59

Durée du vol : 3 heures

Durée du vol : 3 minutes

Le suivi du ballon en temps réel

Le trajet de la nacelle secondaire

Suivi de la nacelle principale sur grand écran

en salle de conférence et sur Internet (mise en place d'un serveur web)

Affichage des mesures de la nacelle principale

sur grand écran et sur Internet

Les résultats

Altitude en fonction du temps

Point culminant : 28 800 mètres au

bout de 90 minutes

Vitesse ascensionnelle de 5 m/s

Vitesse pendant la chute de

l'ordre de 20 m/s

Au-delà

de 24000 m le GPS n'indique plus son altitude

Évolution de l'hygrométrie

010203040506070

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

Altitude (m)

Taux d'humidité (%)

A 5000 m la température est inférieure à

40°C :

Le capteur est en dehors de sa plage de fonctionnement

Au-delà

de 5000 mètres, la mesure n'est pas significative Évolution de la température à l'intérieur de la nacelle -40-30-20-1001020

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

Altitude (m)

Température du

microprocesseur (°C) Entre 0 et 10 km d'altitude, le ballon traverse la troposphère : la température y décroît

Au delà

de 10 km d'altitude le ballon évolue dans la stratosphère : la température y est constante (environ

60°C) puis augmente jusqu'à

environ 0°C

L'isolation de la nacelle retarde la chute de la

température. On peut voir l'augmentation de température en fin d'ascension.

Évolution de la pression

atmosphérique

020040060080010001200

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

Altitude (m)

Pression (hPa)

La pression atmosphérique décroît

exponentiellement avec l'altitude

Le capteur a atteint sa limite

basse de fonctionnement

Conclusion

Le travail sous forme de projet permet d'aborder de manière concrète des parties du programme. Pour les élèves projet est ludique, tout en ayant un contenu scientifique dense.

Les points forts de ce projet sont

Acquisition de savoirs techniques et scientifiques de niveau BTS (GPS, accéléromètres, transmissions radios etc.).

Initiation à

la conduite de projet : planification, travail en équipe.

Développement de la culture scientifique : connaissance de l'atmosphère, principes physiques relatifs au vol d'un ballon sonde.

Intérêt des élèves pour les sciences et les techniques, au sein de la section de BTS, mais aussi au sein du lycée.

Communication des travaux réalisés par les élèves par le biais d'un site internet et le lâcher en début d'après midi de semaine pour toucher un maximum d'élèves.

Communication dans la presse locale

: mise en valeur du travail des élèves, des sections scientifiques et techniques et du partenariat avec Planète Sciences et le CNES.

http://btsse.branly.amiens.free.frquotesdbs_dbs47.pdfusesText_47

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