Régulation de température d'une cuve

Informations :

Noms et prénoms :

SEJDI Linda (linda.sejdi@etu.sorbonne-universite.fr)
SOSA VERGAS Luis Angel (la.sosa.vergas@gmail.com)
THAVARAJAH Roshani (roshani.thavarajah@etu.sorbonne-universite.fr)
VASANTHAN Luxcheni (luxcheni.vasanthan@etu.sorbonne-universite.fr)

Période : Octobre 2024 - Janvier 2025

Cursus : Master 2 Chimie parcours Ingénierie Chimique

Tuteur : PULPYTEL Jerome (jerome.pulpytel@sorbonne-universite.fr)

Contexte :

Ce projet, réalisé dans le cadre de l'UE 803 "Optimisation et Contrôle des Procédés", porte sur la régulation et l'automatisation de la température d'une cuve contenant un liquide. Ce projet vise à développer des compétences pratiques en régulation, automatisation et intégration électronique. 

Objectifs :

L'objectif de ce projet est de concevoir et de réaliser un système automatisé de régulation de température d'une cuve. Il s'appuie sur une carte Arduino, un module de Peltier, une sonde de température et un circuit électronique intégrant un écran LCD, une LED et un buzzer. Ces éléments permettent de mesurer, d'afficher en temps réel et de réguler automatiquement la température pour atteindre une consigne définie par l'utilisateur. Le système devra être capable d'assurer les fonctions suivantes : 

1. Imposer une température cible  :
   La température cible est fixée dans le code Arduino au démarrage. Cette consigne initiale sert de référence pour la régulation. 
   
   
2. Afficher en temps réel  :
   La température mesurée par une sonde immergée dans la cuve est affichée en temps réel sur un écran LCD. Cela permet une visualisation claire de l'évolution de la température. 
   
   
3. Réguler via le module de Peltier :
   

   Le module de Peltier est chargé de chauffer ou de refroidir la cuve pour maintenir la température souhaitée.

   Une LED RGB indique visuellement l'état de la régulation. Suivant la couleur on a des informations sur l'état de la température.

   • Rouge si la température est inférieure à la consigne
   • Bleue si la température est supérieure à la consigne
   • Vert si la température correspond à la consigne
     

    

4. Ajuster dynamiquement la température cible :
   Deux boutons poussoirs permettent à l'utilisateur de modifier la température cible en l'augmentant ou en la diminuant.
   L'écran LCD met immédiatement à jour la nouvelle consigne et le système reprend sa régulation jusqu'à ce que la nouvelle température cible soit atteinte. 

Matériel :

Connexions :

Module Peltier : 

• Pôle + : Alimentation externe
• Pôle - : Source du transistor 

Sonde DS1 : 

• VCC : Alimentation 5V
• GND : GND
• Signal : Broche D2 de l'Arduino 
• Résistance de 4,7 kΩ en série avec le signal

Transistor NMOS (IRF540N ou similaire) :

• Source : GND
• Drain : Circuit du module Peltier 
• Gate : Broche D12 de l'Arduino 
• Drain relié à une borne du module Peltier, l'autre borne reliée au +12V de l'alimentation externe
• Résistance de 220 Ω entre la Gate et le sortie D12

LED RGB : 

• Cathode : Commune à GND
• Broches rouge, verte et bleue : connectées respectivement à D10, D9 et D8 de l'Arduino, via des résistances de 220 Ω

Ecran LCD 16x2 : 

• SCL : Broche A5 de l'Arduino
• SDA : Broche A4 de l'Arduino
• VCC : +5V de l'Arduino
• GND : GND de l'Arduino

Buzzer : 

• Buzzer : Broche D13 de l'Arduino
• Résistance de 100Ω en série avec le buzzer

Bouton poussoir : 

• Une broche : +5V
• Résistance de pull-down de 10 kΩ entre la broche et GND

Construction :

Figure 1 : Schéma du système de régulation de température avec Arduino et module Peltier

Étape 1 : Conception et préparation 

La première étape consiste à bien comprendre le sujet et à établir une liste détaillée des composants nécessaires. Cette phase inclut également l'organisation des tâches au sein de l'équipe, chaque membre se voyant attribuer des responsabilités spécifiques. 

Étape 2 : Montage et assemblage 

La deuxième étape implique la réception du matériel et l'assemblage des composants. L'équipe installe le kit de refroidissement Peltier sur la cuve et relie tous les éléments électroniques sur une platine d'essai. 

Étape 3 : Programmation et test 

La troisième étape est dédiée au développement du code pour l'Arduino UNO, qui contrôle le module Peltier et régule la température de la cuve. Le programme inclut l'implémentation d'un régulateur PID pour assurer un contrôle précis de la température. 

Programme Arduino

Journal de bord :

07/10/2024 :

• Attribution du projet de régulation de la température d'une cuve.
• Visite du FabLab pour découvrir les ressources disponibles. 
• Réflexion sur la méthode de régulation à utiliser et prise de contact avec le groupe pour organiser la première réunion.

11/10/2024 :

• Première réunion Zoom entre les membres de l'équipe.
• Comparaison et validation de la liste finale de matériel.

17/10/2024 :

• Rendez-vous avec la tutrice pour valider officiellement la liste de matériel. 
• Récupération du matériel. 
• Commande du module de Peltier, dont la livraison est prévue pour mi-novembre.
• Prochaine étape : Simulation du système sur Tinkercad pour tester le concept avant la mise en oeuvre physique.

03/11/2024 :

• Deuxième réunion Zoom entre les membres de l'équipe.
• Comparaison des simulations réalisées sur Tinkercad.
  
• Demande d'avis au tuteur sur le montage et le code :
   
  Lorsque nous avons présenté notre simulation à notre tuteur, nous lui avons expliqué que nous rencontrions un problème avec les boutons poussoirs qui ne semblaient pas fonctionner. Nous lui avons demandé des remarques et suggestions pour nous aider à avancer. En réponse, il nous a précisé que les boutons fonctionnaient correctement. Lorsqu'on appuie sur le bouton, la tension passe bien de 4,17 V à 0 V. Cependant, il a souligné que le problème venait des fonctions "delay" et du temps de simulation non réel. Il est nécessaire de maintenir le bouton enfoncé pendant environ 3 à 4 secondes pour que l'incrément de température soit pris en compte. 

Figure 2 : Simulation du système sur Tinkercad

07/11/2024 :

Récupération du matériel manquant :

• Module Peltier
• Transistor MOS 
• Breadboard
• Pâte thermique
• Ecran LCD

21/11/2024 :

• Première réunion au FabLab.
• Nous avons débuté l'assemblage du montage en suivant précisément la simulation réalisée sur Tinkercard. 
• Problème de port identifié. 

12/12/2024 :

Deuxième réunion au Fablab. 
Plusieurs problèmes ont été rencontrés lors du montage et des tests. 

• Problème avec le module Peltier
  Le module Peltier ne chauffait pas. Pour vérifier si le problème venait du branchement, nous avons testé avec un moteur, et celui-ci a fonctionné correctement. Nous avons conclus que le module Peltier était défectueux et l'avons remplacé par un autre. 
• Problème avec la sonde de température
  L'écran LCD affichait des valeurs de température instables. Nous avons trempé la sonde dans de l'eau chaude pour tester son fonctionnement, mais sans succès. La sonde semblait donc défectueuse et un nouvel essai avec une sonde différente a été prévu. 
• Problème avec la carte Arduino
  La carte Arduino initiale ne fonctionnait pas correctement. Nous avons pris la décision de la remplacer par une autre, ce qui a résolu le problème et permis de continuer les tests. 
• Le premier écran LCD était défectueux et a également été remplacé.

Malgré ces remplacements, les valeurs affichées par la sonde restaient instables. Nous avons consulté notre tuteur, qui nous a conseillé d'ajouter une résistance de 4,7 Ω comme montré dans la photo ci-dessous. 

Même après l'ajout de la résistance, la température ne se stabilise pas.
Nous avons envisagé deux hypothèses possibles pour expliquer ce dysfonctionnement : 

1. La sonde pourrait être défectueuse 
2. Problème de compatibilité avec la bibliothèque Arduino utilisée : Il se pourrait qu'elle ne soit pas entièrement adaptée, ce qui pourrait entraîner des erreurs dans la lecture des données, nécisstant un ajustement du code pour résoudre ce problème. 

• Afin de valider ces hypothèses, nous avons effectué une nouvelle tentative en utilisant un capteur différent. Le problème persistait. 
• Prochaine étape : Révision approfondie du code pour identifier et résoudre le problème.

05/01/2024 :

• La connexion du capteur de température a été vérifiée, la résistance de 4,7 Ω devait être pontée entre le câble rouge 5 V et le câble jaune analogique. Une fois cela fait, le capteur est ensuite connecté au côté connexion numérique de la carte Arduino, qui dans le code révisé 2.0 est « ONE_WIRE_BUS 7 » ou connexion numérique 7 en utilisant la bibliothèque <OneWire.h>.
  
  
• Révision du code :

Le code a été révisé et modifié pour intégrer la fonctionnalité PID permettant un contrôle total des valeurs constantes. Cela signifie qu'il peut désormais être ajusté pour obtenir la meilleure réponse en fonction de nos besoins. Dans ce cas, la constante de proportionnalité a été modifiée pour avoir une augmentation rapide de la température, ce qui entraîne inévitablement un dépassement. Donc, pour garantir une performance optimale, les constantes intégrale et différentielle doivent être modifiées en conséquence.
PID Controller V2.0 permet également l'activation ou la désactivation de la pompe de mélange tout en réduisant le décalage d'entrée entre toute pression sur un bouton et le temps de réponse de l'écran.
Enfin dans cette révision, l'instruction anti-rebond a été définie pour éviter toute pression accidentelle sur un bouton.

Ainsi voici le programme qui fonctionne : 

• Optimisation des connexions et amélioration de l'ergonomie
  Dans la nouvelle révision du matériel, les connexions ont été réduites et réordonnées pour éviter les débranchements accidentels. Cette refonte simplifie également le transport du projet et améliore l'expérience de l'utilisateur en rendant le système plus accessible et facile à manipuler. 

• Evolutions futures
  De nouvelles fonctionnalités sont en cours d'élaboration, tant sur le plan logiciel que matériel. Parmi les améliorations prévues, nous avons l'ajout de boutons de déclenchement supplémentaires permettant une éventuelle modification de la constante PID en temps réel. Une autre amélioration envisagée serait l'ajout d'un ventilateur de refroidissement pour accélérer le processus de refroidissement de l'eau chauffée en cas de besoin. Enfin, il est prévu d'utiliser le côté refroidissement du module Peltier pour refroidir un dissipateur thermique à eau connecté, afin de faciliter un refroidissement plus rapide de l'eau. 

Voici une vidéo illustrant les résultats obtenus après les dernières modifications. Grâce aux ajustements effectués et au code développé, notre système de régulation fonctionne désormais de manière optimale.
Cette démonstration met en avant l'efficacité du système mis en place.

24/01/2024 :

• Au cours de nos différents tests, la pompe a cessé de fonctionner, ce qui nous a conduits à en récupérer une nouvelle. À ce jour, le seul problème identifié reste celui de la pompe.
• Nous avons fixé un rendez-vous le lundi 27 janvier afin de présenter notre expérience.
• Par ailleurs, nous avons décidé d’intégrer un QR code à notre projet, permettant aux futurs étudiants d’accéder facilement à notre page Wiki.