Régulation du niveau d'eau dans une cuve (Groupe E)

Informations

Membres du projet :

Jonathan LI (jonathan.li@etu.sorbonne-universite.fr)
Léa LIN (lea.lin.1@etu.sorbonne-universite.fr)
Bernard LUONG (bernard.luong@etu.sorbonne-universite.fr)
Nishta RAMKHELAWON (nishta.ramkhelawon@etu.sorbonne-universite.fr)

Formation : Master 2 Chimie parcours Ingénierie Chimique - MU5CI803 : Optimisation et contrôle des procédés

Date : 21 octobre 2024 - 29 janvier 2025

Contexte

Dans le cadre du projet de l'UE 5CI803, nous allons réaliser une étude pratique portant sur la régulation du niveau d'eau dans une cuve à l'aide d'une carte Arduino et d'un capteur à ultrason. Ce projet s'inscrit dans la première partie du cours, dédiée à la régulation et à l'automatisation, et vise à nous initier aux concepts fondamentaux de l'ingénierie chimique.

Objectifs

Le but de ce projet est de concevoir et de mettre en œuvre un système automatisé permettant de contrôler le niveau de liquide dans un réservoir se vidant dans un autre réservoir de stockage de manière continue dans un circuit fermé. Ce système repose sur l'utilisation d'un capteur à ultrason pour mesurer le niveau d'eau, d'une pompe 12V pour ajuster le niveau de liquide, et d'un programme codé sur Arduino pour assurer une régulation précise et stable. Un orifice se trouve en bas du réservoir afin que le liquide se vide sous l’action de la gravité.

Ce projet vise également à nous familiariser avec les concepts d'automatisation, la fabrication d’une maquette de A à Z, et la prise en main d'un microcontrôleur Arduino UNO.

Fig. 1 Notre régulateur de niveau d'eau prise le 27/01/2025

Matériels

Support (en bois et en PMMA)
Arduino UNO
Écran LCD (16 x 2) I2C
Breadboard
Pompe 12 V (+ adaptateur 12 V)
Capteur à ultrason (HC-SR04)
Module relais (pour contrôler la pompe en mode automatique)
Câbles électriques x 20
Verre en plastique (Réservoir)
Boite de glace (Stockage)
Tuyaux (1 m)
Equerres de renfort x 2

Machines utilisées au FabLab

Découpeuse laser Trotec Speedy 360
Pistolet à colle
Perceuse
Multimètre

Construction

Lors de notre première séance, nous avons réalisé un premier schéma du montage afin d'étudier les équipements dont nous aurions besoin pour réaliser notre projet.

Fig. 2 Schéma de notre montage de régulation du niveau d'eau dans une cuve

Le schéma ci-dessous montre le fonctionnement du capteur ultrason que nous utilisons pour mieux le comprendre. Le capteur émet des rayons et ces derniers se reflètent quand ils arrivent au niveau d'eau et le récepteur reçois les rayons reflétés. Le capteur enregistre le temps mis pour que le récepteur reçois les rayons et ensuite calcule la distance en utilisant la vitesse du son dans l'air.

Fig. 3 Fonctionnement du capteur Ultrason
(https://www.robotique.tech/tutoriel/capteur-ultrason-arduino/)

Nous avons ensuite suivi à la lettre ces 5 étapes afin de pouvoir nous organiser au mieux dans le bon déroulement du projet :

Étape 1

La première étape consiste à se renseigner sur le fonctionnement de l’Arduino UNO ainsi que le code et le montage utilisé habituellement pour l’utilisation d’un capteur à ultrason pour la lecture du niveau d’eau. Les premiers essais sont réalisés sur Tinkercad afin de visualiser le montage dans le global.

Étape 2

Le code d’Arduino est inspiré de ressources diverses sur Internet et sur Youtube. Une fois le Tinkercad effectué avec les différents composants électroniques, nous pouvons réaliser un montage simple pour faire fonctionner l'écran LCD avec le capteur à ultrason. Les tests du code sont réalisés sur le logiciel Arduino IDE afin de mettre en œuvre notre montage et de modifier le code en temps réel. Nous devons notamment faire attention aux librairies utilisées dans le code car cela nous a coûté beaucoup de temps pour trouver les bonnes librairies à nos matériels électroniques.

Étape 3

Après avoir bien vérifié que le code Arduino (Annexe) marche correctement avec les objectifs émis au début en testant avec deux verres d’eau et que tous les composants du montage (pompe, alimentation, carte Arduino UNO) fonctionnent comme il le faut, nous passons à l’étape de la construction du montage. En utilisant un support en bois et en PMMA, et divers outils dans le FabLab comme la découpeuse laser Trotec Speedy 360 et la perceuse, nous montons un support simple pour notre dispositif.

Étape 4

L’avant dernière étape consiste à assembler les dispositifs électroniques et le support afin d’obtenir la maquette finale. Les tests sont réalisés pour s’assurer que l’installation fonctionne bien qu’il n’y ait pas de problèmes inattendus.

Étape 5

La démonstration de la maquette est réalisée le 29 janvier en présence de M. Jérôme Pulpytel.

Journal de bord

07/10/2024

Nous avons fait le choix de notre projet qui est la Régulation du niveau d'eau dans une cuve. Ensuite nous avons fait un schématisation du projet pour pourvoir faire une liste des matériels que nous aurons besoin.

15/10/2024

Nous avons complété la liste du matériel nécessaire pour envoyer à notre tutrice.

21/10/2024

Récupération du matériel auprès de la tutrice et brainstorming.
Essai d'un montage sur Tinkercad.
Compréhension et recherches sur les différents composés utilisés (ultrason, LCD) pour mieux comprendre leurs utilité.

18/11/2024

Nous avons écrit dans un premier temps le code sur Tinkercad pour le capteur ultrason + l'écran LCD en utilisant la bibliothèque : Adafruit.

Cela a fonctionné parfaitement sur le Tinkercad; le capteur ultrason envoyé un signal à l'Arduino qui signalé quand la pompe doit fonctionner à travers un module relais.

Connexions :

Arduino :
Pin 5V connecté au breadboard dans la colonne positif
GND connecté au breadboard dans la colonne négatif

Le capteur ultrason :
VCC : 5V de l'Arduino
GND : GND de l'Arduino
SIG : pin n° 7 sur l'Arduino

L'écran LCD :
VCC : 5V de l'Arduino
GND : GND de l'Arduino
SCL : SCL sur l'Arduino
SDA : SDA sur l'Arduino

Module relai :
SIG : pin n° 3 sur l'Arduino
VCC : 5V de l'Arduino
GND : GND de l'Arduino

V+ : pôle positif de la pompe
V- : pôle négatif de la pompe

VIN : pôle positif de l'alimentation
GND : pôle négatif de l'alimentation

Fig. 4 Schéma de notre Tinkercad

21/11/2024

Nous avons fait en premier temps les branchement comme effectués sur le Tinkercad comprenant le breadboard, l'Arduino UNO, le capteur ultrason et l'écran LCD, avec le code correspondant. Sur Tinkercad, le code a bien marché mais lorsque nous avons testé sur le logiciel Arduino IDE, nous avons rencontré un problème de détection de port. Avec le premier ordinateur, aucun port n'est détecté. Sur le deuxième ordinateur, un port est détecté mais il ne semble pas être le bon et c'est affiché un message d'erreur sur Arduino IDE.

Nous avons changé le Arduino UNO et il n'y a plus de message d'erreur. Le code fonctionne bien pour le capteur ultrason mais il faut le modifier encore car il ne donne pas des valeurs cohérentes. Le code n'a pas fonctionné pour l'écran LCD même si nous l'avons échangé comme vous pouvez le voir sur le schéma ci-dessous.

Fig. 5 Erreur de l'écran LCD

25/11/2024

Rechercher des nouveaux bibliographies pour faire fonctionner l'écran LCD et le capteur ultrason. Nous avons installé ces 2 bibliothèques suivantes sur Arduino IDE :
1) Grove Ultrasonic Ranger
2)Grove LCD RGB Backlight

28/11/2024

Nous avons réussi à faire fonctionner les 2 équipements : le capteur ultrason et l'écran LCD comme vous pouvez le voir sur le schéma ci-dessous. (Voir le code en annexe)

Fig. 6 Affichage sur l'écran LCD

Pour la prochaine séance, nous allons tester si la pompe fonctionne bien ou pas et si nous arrivons à réguler le niveau d'eau.

29/11/2024

Lors de cette séance, nous avons découvert et utilisé Inkscape , un logiciel de dessin vectoriel open source. Ce dernier permet de concevoir et de modifier des fichiers de format SVG, souvent utilisés par l'imprimante laser 360. Inkscape est essentiel pour créer des designs précis, définir les tracés nécessaires pour les découpes et les gravures, et convertir les fichiers dans des formats compatibles avec les machines. Grâce à ses fonctionnalités, nous avons pu préparer des motifs adaptés, ajuster leurs dimensions et optimiser la découpe ainsi que la gravure sur différents matériaux. À l'issue de cette séance, nous avons réalisé deux gravures sur deux matériaux différentes, et voici les résultats obtenus :

Fig. 7 Gravure sur deux plaques différents

05/12/2024

Nous avons testé la pompe avec différentes batteries de 12 V mais cela n'a pas fonctionné.

12/12/2024

Nous avons changé d'alimentation et la pompe fonctionne bien maintenant avec le module relai.

La pompe s'arrête dès que le niveau d'eau est atteint et se rallume lorsque le niveau d'eau est inférieur au niveau souhaité. Nous avons complété la plupart des objectifs du sujet. Le montage fonctionne bien avec le code.

Pour la prochaine fois, nous allons commencer à mettre en forme le montage proposé en figure 2. Il faut d'abord trouver le bon diamètre de l'orifice du bas du réservoir qui permet le débit d'eau sortant du réservoir soit inférieur au débit d'eau entrant dans le réservoir via la pompe.

Fig. 8 Petite démonstration du montage

19/12/2024

Nous avons réussi à trouver le bon diamètre de l'orifice du bas du réservoir et cela a permis de réguler le niveau d'eau du réservoir jusqu'à 85 %.

Nous avons ensuite proposé un schéma du montage ci-dessous :

Fig. 9 Schéma de (a) l'avant et (b) de l'arrière du support en bois

20/12/2024

Pour le support du réservoir, nous avons décidé d'utiliser un support en PMMA où nous allons le couper en utilisant le laser 360. Tout d'abord, nous avons fait des tests sur un bout de PMMA pour avoir le bon diamètre des trous correspondant aux visses que nous allons utiliser et de s'affrenchir des incertitudes de la découpeuse laser. Une fois la réalisation, nous avons trouvé le diamètre correspondant au visse que nous allons utilisé pour le support.

Fig. 10 Des tests fait par le laser pour les trous

10/01/2025

Nous avons alors entrepris la réalisation du support pour le verre. Sur une plaque de PMMA, on a fait un gros rond de diamètre 7,5 cm pour loger le verre en plastique qui servira de réservoir.

Fig. 11 Support du réservoir

Nous avons aussi réalisé un couvercle du réservoir pour le support du capteur ultrason. Le couvercle du réservoir recouvre tout le haut du réservoir, tous en laissant passer le capteur à ultrason et le tuyau.

Fig. 12 Couvercle du réservoir

24/01/2025

Réalisation des encrages sur le support en bois via des trous.

À l'arrière de ce support, nous avons fait 4 petits trous de la taille des visses et disposer de façon que nous pourrions mettre en fonction de l'équerre pour l'accroché sur le support en bois à l'aide d'une perceuse à des endroits stratégiques pour que cela soit pratique et esthétique. Nous avons aussi fait des petits trous pour les encrages de la pompe, de l'écran LCD et pour connecter les équipements à l'Arduino à l'arrière du support en bois. L'encrage de la pompe et de l'écran LCD sera réalisé avec des colliers de serrage.

27/01/2025

Réalisation du montage final.

Nous avons rassemblé toutes les pièces de puzzle de notre projet : le support pour notre cuve, l'encrage de la pompe en haut à droite, le LCD en haut à gauche. Le stockage d'eau sera placé en dessous du réservoir relié par un tuyau et une pompe.

Nous avons rencontré un petit problème avec la pompe car nous l'avons placé en haut et donc elle ne pouvait pas bien pousser l'eau dans le réservoir. Pour résoudre ce problème, nous avons décidé de remplir le tuyau avec l'eau avant de démarrer la pompe. Une autre solution c'était de placer la pompe au bas près du stockage.

(arrière du montage)

Fig. 13 Montage final

Conclusion

...

Annexe

Pour mieux comprendre le code, voici un schéma pour expliquer les variables précisées dans le code.

Voici le code utilisé :

#include "Ultrasonic.h"
#include <Wire.h>
#include "rgb_lcd.h"


rgb_lcd lcd; // setting up LCD screen


const int colorR = 255;
const int colorG = 0;
const int colorB = 0;


const float water_height_needed_percentage = 80; // en %, choissisez le niveau d'eau souhaité
const float max_height = 14; // en cm, mesurer le profondeur du réservoir
float water_height; // mesure le niveau d'eau dans le réservoir
float water_height_percentage;
float distance;


bool pump;


const int relay_pin = 3; // pin n° 3 sur l'Arduino

Ultrasonic ultrasonic(7); // pin n° 7 sur l'Arduino


void setup()
{
pinMode(relay_pin, OUTPUT);
digitalWrite(relay_pin, LOW); // set up the LCD's number of columns and rows
lcd.begin(16, 2);
lcd.setRGB(colorR, colorG, colorB);


// Pour afficher sur l'écran LCD
lcd.print("Niveau d'eau % :"); 


delay(100);
Serial.begin(9600);
}



void loop()
{
distance = ultrasonic.MeasureInCentimeters(); // mesure la distance du niveau d'eau jusqu'au capteur ultrason
Serial.print(distance); //0~400cm14cm
Serial.println(" cm");
water_height = max_height - distance;
water_height_percentage = (water_height/max_height) * 100.0;


//
if (water_height_percentage >= water_height_needed_percentage) {
digitalWrite(relay_pin, LOW); // Eteint la pompe si le niveau d'eau est atteint
pump = false;
}
else //
{
digitalWrite(relay_pin, HIGH); // Allume la pompe si le niveau d'eau est inférieur à celui souhaité
pump = true;
Serial.print("PUMP ON\n");
}


// Afficher les détails sur l'écran LCD
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print(water_height_percentage);
if (pump)
{
lcd.print(" pump on");
}
else
{
lcd.print(" "); // pour effacer le "pump on" sur l'écran
}


delay(250);
}