TP de préparation SIN : surveillance du niveau d’eau

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TP Ressources

Produit : indicateur de niveau d’eau

L’objectif de cette activité est d’améliorer le fonctionnement d’une cuve de récupération d’eau de pluie en intégrant une signalisation du niveau d’eau par LED et par buzzer.

Le système utilise un capteur à ultrasons placé en haut de la cuve. Il mesure la distance entre le capteur et la surface de l’eau. Le programme transforme ensuite cette distance en niveau d’eau.

La démarche est composée de quatre parties :

découvrir le produit et la problématique technique ;
concevoir l’amélioration du système ;
valider la solution par simulation sous Tinkercad Circuits ;
mettre en œuvre et tester le montage réel.

Principe de mesure du niveau d’eau avec un capteur ultrason HC-SR04

Figure 1 : principe de mesure du niveau d’eau avec un capteur HC-SR04.

1. Découverte du produit et de la problématique technique

À l’aide de l’onglet Ressources, découvrir le fonctionnement du capteur ultrason, du montage Arduino et du système de signalisation.

Expliquer le principe physique utilisé par le capteur ultrason HC-SR04 pour mesurer une distance.
Expliquer pourquoi une grande distance mesurée correspond ici à un faible niveau d’eau.
Expliquer ce que la signalisation par LED et buzzer peut apporter à l’utilisateur.

2. Conception

Le système actuel doit être amélioré avec une signalisation visuelle et sonore. La cuve a une hauteur utile de 30 cm. Le capteur mesure la distance entre le haut de la cuve et la surface de l’eau.

La relation à utiliser est :

niveau_eau_cm = 30 - distance_cm

Fonctionnement attendu des LED en fonction du niveau d’eau

Figure 2 : signalisation attendue en fonction du niveau d’eau calculé.

Affectation des broches

Composant	Broche composant	Broche Arduino
HC-SR04	Trig	D7
HC-SR04	Echo	D6
Buzzer piézoélectrique	+ fil rouge	D3
LED rouge	Anode	D9
LED orange	Anode	D10
LED verte	Anode	D11

En respectant l’affectation des broches, réaliser le montage dans Tinkercad Circuits.
Ajouter les trois LED avec leurs résistances de protection de 220 Ω.
Raccorder le capteur HC-SR04, le buzzer et les LED.

3. Programmation

Le fichier Arduino candidat est fourni en pièce jointe de la séance. Il doit être modifié pour activer les LED et le buzzer en fonction du niveau d’eau calculé.

Proposer la partie de l’algorithme permettant d’activer les LED et le buzzer selon le niveau d’eau.
Sur l’interface de développement, modifier le fichier programme fourni en pièce jointe.
Valider la syntaxe du programme en lançant la simulation.

Algorithme attendu

Début boucle

  mesurer la durée de l'impulsion Echo

  calculer la distance :
    distance = durée × 0,034 / 2

  calculer le niveau :
    niveau = 30 - distance

  éteindre les trois LED
  arrêter le buzzer

  si niveau < 5 alors
     LED rouge clignotante
     buzzer rapide

  sinon si niveau < 15 alors
     LED orange fixe
     buzzer lent

  sinon si niveau < 25 alors
     LED verte fixe

  sinon
     LED rouge + LED orange + LED verte fixes

Fin boucle

4. Simulation sous Tinkercad Circuits

L’objectif de cette partie est de valider le schéma et le programme proposé avec l’ajout de la fonctionnalité d’indication visuelle et sonore du niveau d’eau.

Protocole de simulation

Créer le montage dans Tinkercad Circuits.

Importer ou recopier le programme Arduino candidat.

Lancer la simulation.

Cliquer sur le capteur ultrason.

Faire varier la distance simulée.

Observer les LED et le buzzer.

À vérifier

Dans la simulation, il faut tester plusieurs valeurs de distance afin de vérifier tous les états du système. Tester une seule valeur qui marche, ce n’est pas une validation, c’est une superstition avec un câble USB.

Proposer un protocole de simulation permettant de faire varier la distance mesurée.
Mettre en œuvre ce protocole.
Conclure en vérifiant que la simulation correspond au cahier des charges.

Tableau d’essais à compléter

Distance simulée	Niveau calculé	État attendu	Résultat observé
28 cm
20 cm
10 cm
3 cm

5. Expérimentation

L’objectif de cette partie est de valider expérimentalement la solution technologique retenue. Le montage de base peut être fourni ou préparé dans Tinkercad Circuits. La partie signalisation par LED et buzzer doit être complétée en respectant le tableau d’affectation des broches.

Câblage partiel de la platine sans la fonction affichage LED

Figure 3 : exemple de câblage partiel. La partie affichage reste à compléter.

En respectant le tableau d’affectation des broches, réaliser le câblage ou vérifier le montage fourni.
Proposer un protocole d’essai permettant de vérifier que le système répond au cahier des charges.
Mettre en œuvre ce protocole.
Conclure sur la capacité de la solution à répondre à la problématique.

Consigne de sécurité : ne pas raccorder le câble USB au montage réel avant validation par l’enseignant. Les composants électroniques ont une espérance de vie réduite quand on les branche au hasard. Étonnant, mais vrai.

6. Conclusion attendue

Rédiger une conclusion courte indiquant si le système permet bien d’informer l’utilisateur sur l’état de remplissage de la cuve. La conclusion doit s’appuyer sur les résultats de simulation et sur les essais réalisés.

Ressources techniques

Attention : les documents ci-dessous servent à reconnaître le matériel, comprendre la mesure et préparer le câblage. Ils ne donnent pas directement le montage final complet.

1. Matériel à disposition

Matériel à disposition : Arduino Uno, platine de prototypage, HC-SR04, LED, buzzer, résistances 220 ohms

Document ressource : matériel utilisé pour le TP.

2. Mesure par ultrasons : signaux Trig et Echo

Chronogrammes des signaux Trig et Echo du capteur HC-SR04

Document ressource : chronogrammes Trig et Echo pour le capteur HC-SR04.

Formule de calcul de la distance

Le capteur envoie une impulsion ultrasonore, puis mesure le temps nécessaire au retour de l’écho. Comme le son effectue un aller-retour, la distance se calcule avec la relation :

distance_cm = (durée_impulsion_µs × 0,034) / 2

Dans ce TP, le niveau d’eau est ensuite obtenu avec :

niveau_eau_cm = 30 - distance_cm

3. Brochage et rôle des composants

Élément	Rôle	Broche utilisée
HC-SR04 Trig	Déclencher la mesure ultrason	D7
HC-SR04 Echo	Recevoir la durée de retour	D6
Buzzer	Produire une alerte sonore	D3
LED rouge	Signaler une cuve presque vide	D9
LED orange	Signaler un niveau faible	D10
LED verte	Signaler un niveau correct	D11

4. Fonctions Arduino utiles

Fonction	Rôle
`pinMode(broche, OUTPUT)`	Configure une broche en sortie.
`pinMode(broche, INPUT)`	Configure une broche en entrée.
`digitalWrite(broche, HIGH)`	Met une broche à l’état haut.
`digitalWrite(broche, LOW)`	Met une broche à l’état bas.
`delay(ms)`	Attend un nombre de millisecondes.
`delayMicroseconds(µs)`	Attend un nombre de microsecondes.
`pulseIn(broche, HIGH)`	Mesure la durée d’une impulsion à l’état haut.
`tone(broche, fréquence)`	Produit un son sur une broche.
`noTone(broche)`	Arrête le son produit sur une broche.

5. Aide Tinkercad Circuits

Créer la simulation

Aller dans Tinkercad puis choisir Circuits.

Cliquer sur Créer un circuit.

Ajouter une carte Arduino Uno R3.

Ajouter le composant Ultrasonic Distance Sensor.

Ajouter trois LED, trois résistances et un buzzer.

Brancher les composants selon le tableau des broches.

Ouvrir l’éditeur de code en mode Texte.

Utiliser le fichier Arduino fourni en pièce jointe.

Fichier fourni en pièce jointe

Le fichier Arduino à compléter est fourni en pièce jointe de la séance.

arduino_niveau_eau_candidat.ino : programme à compléter.

Ne recopiez pas tout à la main si le fichier est disponible. L’informatique sert parfois à éviter de perdre du temps, concept audacieux mais prometteur.