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 : 2107 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 ultrasonsultrason . 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 videantvidant dans un autre réservoir de stockage de manière continue dans un circuit fermé. Ce système repose sur l'utilisation d'un capteur à ultrasonsultrason 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'l’action de la gravité.

Ce projet vise également à nous rencontrerfamiliariser avec les concepts d'automatisation, la fabrication d'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 29/01/2025

Matérielriels

• Support (en bois et en PMMA)
• Arduino UNO
• Écran LCD (16 x 2) I2C
• Breadboard
• Breadboard
• Pompe 12 V  (+ adaptateur 12 V)
• Capteur à ultrasonsultrason (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)
• ÉquerresEquerres de renfort x 2

Rôles des matériels électroniques

Arduino UNO :
Arduino UNO est une plateforme électronique open-source comprenant une carte de circuit programmable facile à utiliser et un logiciel, Arduino IDE. La carte Arduino UNO sert à raccorder des capteurs et des actionneurs, et elle exécute un programme informatique. 

Breadboard :
Le breadboard sert à construire les montages électroniques sans soudure.

Capteur ultrason : 
C’est un instrument électronique qui utilise des ondes sonores ultrasonores (à travers l'air) pour mesurer la distance de l'objet cible, et le son réfléchi est converti en signal électrique. Ce capteur nous a aidé à mesurer le niveau d’eau qu’il y avait dans le réservoir.

L’écran LCD :
Un I2C LCD 16x2 est un dispositif qui peut afficher du texte et des caractères sur un écran à cristaux liquides (LCD) de 16x2 (16 colonnes et 2 lignes) en utilisant le protocole I2C. On utilise un I2C LCD16x2 pour afficher des informations provenant de notre projet Arduino, telles que des relevés de capteurs.

Pompe :
La pompe nous aide à pomper l’eau du stockage pour remplir le réservoir.

Relais Module :
Le module relais est un interrupteur commandé électriquement qui peut être activé ou désactivé pour décider de laisser passer le courant ou non. Il est conçu pour être contrôlé avec de faibles tensions, comme 5V, compatible avec votre Arduino. Notre module relais est celui qui va allumer ou éteindre la pompe quand il reçoit le signal de l’arduino. Grâce à l’alimentation de 12 V que nous avons utilisé, le relais module peut faire fonctionner la pompe puisque cette dernière a besoin de plus de 5V pour s’allumer.

Machines utilisées au FabLab

• Découpeuse laser Trotec Speedy 360
• Pistolet à colle
• Perceuse
• 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 à ultrasonsultrason que nous utilisons pour mieux le comprendre. Le capteur émet des rayons et ces derniers se transmettentreflètent lorsqu'quand ils arrivent au niveau d'eau et le récepteur reçoitois les rayons réfléchis.reflétés. Le capteur enregistre le temps mis pour que le récepteur reçoiveois les rayons et enregistreensuite ensuitecalcule 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 rechercherse renseigner sur le fonctionnement de l'l’Arduino UNO ainsi que le code et le montage utilisés habituellement pour l'l’utilisation d'd’un capteur à ultrasonsultrason pour la lecture du niveau d'd’eau. Les premiers essais sont réalisés sur Tinkercad afin de visualiser le montage dans le global.

Étape 2

Le code d'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 ultrasons.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'd’eau et que tous les composants du montage (pompe, alimentation, carte Arduino UNO) fonctionnent comme il le faut, nous passerpassons à l'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'L’avant dernière étape consiste à assembler les dispositifs électroniques et le support afin d'd’obtenir la maquette finale. Les tests sont réalisés pour s's’assurer que l'l’installation fonctionne bien qu'qu’il n'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

07/10/07/2024

Nous avons fait le choix de notre projet qui est la Régulation du niveau d'eau dans une cuve. Ensuite nous avons fait uneun schématisation du projet pour pouvoir faire une liste des matériels dontque 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 (ultrasons,ultrason, LCD) pour mieux comprendre leurleurs 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 fonctionné sur le Tinkercad ;Tinkercad; le capteur àultrason ultrasons envoieenvoyé un signal à l'Arduino qui signalesignalé lorsquequand la pompe doit fonctionner à travers un module relais.

Connexions :

Arduino :
 Pin 5V connecté au breadboard dans la colonne positivepositif
GND connecté au breadboard dans la colonne négativegatif

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 relais :
 SIG : brochepin 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 leles 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 à ultrasonsultrason 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

Nous avons recherchéRechercher des nouvellesnouveaux bibliographies pour faire fonctionner l'écran LCD et le capteur à ultrasons.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 différents,rentes, et voici les résultats obtenus :

Fig. 7 Gravure sur deux plaques différentesrents

05/12/05/2024

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 relais.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 visvisses 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 utiliserutilisé pour le support. 

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

10/01/10/2025

Nous avons ensuitealors procédé àentrepris la fabricationréalisation du support pour le verre. Pour cela, nous avons découpé un grand cercle de 7,5 cm de diamètre dansSur une plaque de PMMAPMMA, afinon d'ya insérerfait un gros rond de diamètre 7,5 cm pour loger le verre en plastique servantqui servira de réservoir. 

   

Fig. 11 Support du réservoir

Nous avons égalementaussi réalisé un couvercle du réservoir pour le support du capteur à ultrasons.ultrason. Le couvercle du réservoir recouvre tout le haut du réservoir, tous en laissant passer le capteur à ultrasonsultrason 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 percéfait quatre4 petits trous de la taille des vis,visses positionnéset disposer de manièrefaçon àque permettrenous unepourrions fixation régulièremettre en fonction de l'équerre,querre afin depour l'accrocheraccroché solidementsur aule support en bois.bois Cesà trousl'aide ont été réalisés avec d'une perceuse à des emplacementsendroits stratégiques pour allierque praticitécela soit pratique et esthétisme.tique. Nous avons égalementaussi ajoutéfait dedes petits trous pour fixerles encrages de la pompe, de l'écran LCD et pour connecter les équipements à l'Arduino à l'arrière du support en bois. L'ancrageencrage de la pompe et de l'écran LCD sera assuréréalisé àavec l'aide dedes colliers de serrage.

Fig. 13 Collier 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 placée en haut et donc elle ne pouvait pas bien pomperpousser l'eau dans le réservoir. Pour résoudre ce problème, nous avons décidé de remplir le tuyau avec l'eau manuellement avant de démarrer la pompe. Une autre solution c'était de placer la pompe au bas près du stockage.

                                                    (arrière du montage)     

Fig. 1413 Montage (presque) final

29/01/2025

Présentation du montage final.

Lors de notre dernière séance, nous avons souhaité peaufiner les derniers détails afin de rendre notre projet aussi abouti que possible. Cela inclut notamment l'impression du QR code, l'ajout d'étiquettes pour une meilleure compréhension de notre travail, ainsi que l'organisation optimisée des câbles à l'arrière du support. Ces ajustements nous ont finalement permis d'obtenir le résultat suivant :

Fig. 15 Montage final

 

Conclusion

En conclusion, ce projet nous a permis de mettre en application les concepts de régulation et d'automatisation en concevant un système de contrôle du niveau d'eau dans une cuve à l'aide d'un capteur à ultrasons et d'une carte Arduino . Grâce à une approche progressive et méthodique, nous avons pu surmonter les différentes difficultés techniques rencontrées, notamment le choix des bibliothèques logicielles, les problèmes de connexion des composants et l'optimisation du débit de l'eau dans le circuit.

L'intégration de la pompe et du module relais a permis d'assurer une régulation efficace du niveau d'eau, validant ainsi les principes de contrôle mis en œuvre. De plus, l'utilisation du FabLab et des outils de fabrication numérique nous a offert une expérience concrète de prototypage, nous initiant aux techniques de découpe laser et de modélisation.

Au-delà de l'aspect technique, ce projet nous a permis de développer des compétences essentielles en gestion de projet, en travail d'équipe et en résolution de problèmes. La démonstration finale a confirmé le bon fonctionnement de notre système, illustrant la pertinence des choix techniques réalisés...

Annexe

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

#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); //0~14cm
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);
}

Remerciements