Projet : Régulation de la température et du débit d'une cafetière

UE MU5CI823 - Optimisation, contrôle et digitalisation des procédés

Groupe 5

Composition du groupe :

• Steven Cossou
• Stéphane Hervé
• Saineyta Joof
• Sofian Pronnier

Date de début : 17 Octobre 2025

Date de fin : 30 janvier 2026

Introduction :

Dans le cadre de l’UE 5CI823, nous devons réaliser un projet expérimental portant sur la conception d’un prototype de régulation ou d’automatisation appliqué aux procédés chimiques. Le journal de bord ci-dessous retrace l’ensemble des étapes de notre travail, depuis le choix du sujet et des composants jusqu’au développement du prototype. Notre projet portera sur la régulation de la température et du débit d’une machine à café à l’aide de capteurs et d’actionneurs pilotés par une carte Arduino, afin d’assurer un fonctionnement automatisé et stable.

 

Objectif:Objectif :

Le système devra :

• Mesurer en temps réel la température de l’eau et la température du bloc chauffant,

• Comparer les valeurs mesurées aux valeurs de consigne,

• Ajuster automatiquement la puissance de chauffe,

• Assurer la sécurité (surchauffe, manque d’eau, débit anormal).

 

Composants :

• Capteurs : 1 sonde de température étanche DS18B20, 1 capteur de niveau, 1 thermistance

• Actionneurs : 1 Pompe 12V, 1 résistance chauffante 12V

• Modules complémentaires : 2 MOSFET, 1 bouton poussoir, 1 écran LCD 16x2

• Éléments de câblage : Fils dupont, 1 breadboard

• Carte de contrôle : Arduino Uno

Information complémentaire :

Nous tenons à préciser que l’ensemble des codes Arduino utilisés dans ce projet ont été générés à l’aide de l’IA Claude, spécialisée dans la programmation. Nous avons toutefois exercé notre esprit critique afin d’analyser, vérifier et valider chacun de ces codes avant leur intégration au prototype. Le code final sera détaillé et expliqué en annexe de ce wiki.

Déroulement de projet :

Semaine 17 au 24 octobre :

Après discussion au sein du groupe, nous avons choisi de consacrer notre projet à la conception et au contrôle de la température et du débit d’une machine à café. Ce sujet nous a semblé pertinent car il combine des aspects thermiques, électroniques et de régulation, tout en permettant l’intégration de capteurs, d’actionneurs et d’une commande Arduino. Il offre également un cadre clair pour tester des stratégies de contrôle et développer un prototype fonctionnel.

Les différents capteurs, actionneurs et autres composants électroniques ont été sélectionnés pour le projet.

Premier Brouillon:

Photo du premier brouillon du 17 octobre 2026.

17 novembre :

Les composants nous ont été remis en main propre, puis nous les avons transportés au Fablab où ils ont été rangés dans une boîte à notre nom pour être conservés et utilisés pendant le projet.

27 novembre : 

Aujourd’hui, nous avons réalisé le schéma de branchement sur TinkerCAD, en représentant tous les capteurs, actionneurs et connexions à l’Arduino, afin de préparer le montage physique du prototype. Nous avons également réalisé une simulation du système sur Simulink afin d’étudier le comportement de la cafetière et de déterminer le type de régulation le plus adapté. Cette simulation nous a permis de comparer les résultats d’un contrôle ON/OFF simple avec ceux d’un contrôle PID, en observant la stabilité de la température, la rapidité de réponse et la précision du système. Grâce à ces essais virtuels, nous avons pu prendre une décision éclairée sur la stratégie de régulation à mettre en œuvre sur le prototype réel.

L’étude a été faite en évaluant trois critères standards en automatique :

• temps de montée (rapidité d’atteinte de 60 °C),

• dépassement maximal (risque de surchauffe),

• erreur en régime permanent (précision du maintien de la température).

Nous avons choisi une consigne de température de 60 °C, afin d’éviter d’endommager le matériel et de rester dans une plage sûre pour les composants du prototype.

Notre pompe a un débit de 1,1 L/min soit 18,3 mL/s. Notre gobelet a un volume d’environ 150 mL. 

150 / 18,3 ≈ 8,2 s 

Premier Schéma :

Après ces étapes de modélisation et simulation, nous avons :

• soudé la pompe,

• soudé le switch de commande,

• testé le bloc chauffant sous tension nominale sur une courte durée avec lecture capteur pour valider la montée thermique attendue et l’absence de défaut électrique,

• puis testé la pompe via activation Arduino + switch pour confirmer son déclenchement stable et son fonctionnement hydraulique.

Ces tests ont confirmé que le bloc chauffant et la pompe étaient fonctionnels, validant ainsi la base matérielle du prototype de machine à café.

Soudure des fils à notre pompe :

Soudure des fils à notre switch de commande:

Branchement des fils de connexions:

Photo de notre projet le 27 novembre à 17h33.

28 novembre :

Aujourd’hui, nous avons rencontré un problème avec le code de la cafetière : l’écran affichait le message « vérifier alim », et la température mesurée était de 127 °C, valeur incohérente. Après vérification, nous avons constaté que la sonde pour mesurer la température de l’eau ne fonctionnait pas correctement. La tension mesurée au niveau de la sonde était de 4,80 V, ce qui indique un problème de détection. Nous avons testé plusieurs versions du code dans le but de résoudre l’anomalie, mais aucune n’a permis de rétablir un fonctionnement correct. Le câblage de l’alimentation a été vérifié et ne présentait pas de défaut apparent. Face à cette impasse, nous avons envisagé de remplacer la sonde, mais nous n’avons pas pu en trouver une disponible. Nous avons donc contacté le professeur par email pour l’informer du problème et demander son avis sur la marche à suivre.

                                         

Photos de notre projet le 28 novembre à 16h42.

5 décembre :

Après remplacement de la sonde obsolète par une nouvelle, la température était détectée correctement. Nous avons également commencé le montage en ajoutant une boîte de conserve en tant que réservoir. Nous avons testé un nouveau code permettant une régulation de température avec des constantes théoriques, avec une consigne à 50°C pour la température de l'eau. Lorsque la température est stable, le pompage est autorisé, la pompe s'actionne lorsque le capteur de distance détecte un verre à 2 cm. La température du bloc est également affiché par sécurité car la température de celui-ci est plus élevé que l'eau car la conduction n'est pas optimale. Malheureusement, nous avons rencontré un problème au niveau du bloc chauffant. Le chauffage ne dépassait pas 40°C au bout de quelques essais (probablement du à une surutilisation).

Schéma du montage électronique : 

 

19 décembre :

Nous entamons cette journée avec un objectif clair : réaliser le montage complet de notre cafetière sur le support mis à notre disposition.

Comme mentionné précédemment, le réservoir est symbolisé par une boîte de conserve, car il est techniquement impossible de plonger le bloc chauffant directement dans l’eau. La conserve étant peu isolante, il fallait environ 35 minutes pour chauffer un simple verre d’eau, nous avons décidé de l’isoler. Pour cela, nous avons inséré une petite conserve dans une plus grande, puis isolé la conserve interne à l’aide de feuilles d’aluminium. Par ailleurs, de la pâte thermique a été appliquée sur le bloc chauffant afin d’assurer une transmission optimale de la chaleur vers la paroi du réservoir.

Afin de positionner notre entonnoir et notre filtre en hauteur, nous avons fabriqué un support en bois découpé au laser, maintenu par deux équerres réalisées en impression 3D.

Enfin nous finissons la journée par monter l'ensemble des composants sur l'arrière de notre support pour cacher le câblage. L'ensemble de l'opération nous a pris l'après-midi et nous a fait découvrir une nouvelle passion : la menuiserie et les trous à la perceuse.

                                                                                 

Photos de notre projet le 19 décembre à 16h55.

9 janvier :

Lors de cette séance, nous avons ajouté un couvercle à notre réservoir afin d’améliorer à la fois la sécurité et l’efficacité thermique de l’ensemble. Nous avons percé ce couvercle pour permettre le passage de la sonde de température ainsi que du tuyau d’alimentation. Enfin, nous avons effectué un travail de cable management afin d’organiser proprement l’ensemble des câbles et d’assurer un montage plus fiable et plus esthétique.

                                                                          

Photos de notre projet le 9 janvier à 16h59.

16 janvier :

Cette journée étant en grande partie consacrée à un examen, nous n’avons disposé que de peu de temps pour avancer sur le projet. Nous avons néanmoins pu remplacer le tuyau d’alimentation en eau, une intervention rapide mais nécessaire pour garantir le bon fonctionnement de notre système.

23 janvier :

Lors de cette séance, nous avons conçu notre système de « douche » destiné à arroser uniformément le café. CetteCe système a étapeté utilisé à l'aide d'un évier et a permis d’améliorer la répartition de l’eau sur la mouture, élément essentiel pour obtenir une extraction plus homogène et plus efficace.

26 janvier :

Au cours de cette séance, nous avons travaillé sur la régulation thermique de notre bloc chauffant en appliquant la méthode de Broida. Nous avons également utilisé Simulink afin de modéliser et simuler le comportement du système. Cette étape nous a permis d’ajuster plus précisément les paramètres de régulation pour garantir une montée en température stable et efficace.

Nous avons également constaté que notre système de douche était inefficace en raison de la faible pression générée par la pompe dans le tuyau d’alimentation en eau, insuffisante pour assurer son fonctionnement. Le même problème se posait pour le filtre à café, qui nécessite lui aussi une pression minimale pour être utilisé correctement. Nous avons donc décidé d’abandonner la douche dispersive et d’opter pour un filtre papier, poursuivant ainsi notre projet avec un système plus simple et mieux adapté aux contraintes de pression.

Décision :

• abandon de la douche dispersive
• utilisation d'un filtre papier classique

 

28 janvier :

La pompe étant actuellement en panne, les tests sont temporairement mis en stand-by.
Cependant, des avancées ont été réalisées sur le code et les paramètres PID suivants ont été retenus :

• Kp : 55.5334264861778
• Ki : 0.00154317459591687
• Kd : 0.00567191318636405

29 janvier :

Le changement de la pompe a été effectué et son bon fonctionnement vérifié. Le montage complet de la cafetière a ensuite été finalisé, comprenant l’intégration et la stabilisation de l’ensemble des composants mécaniques et électroniques. Le code a également été finalisé, incluant l’implémentation des paramètres PID retenus (Voir Annexe). Des tests finaux ont été réalisés sur la cafetière afin de vérifier les débits, la pression, la calibration des capteurs, les temps de chauffe et la stabilité du système sur plusieurs cycles.

Photos de notre projet le 29 janvier à 17h28.

30 janvier :

Jour de présentation à Mr Pulpytel.

 

Conclusion : 

Ce projet nous a permis d’explorer l’ensemble des étapes de conception d’un système automatisé : choix du matériel, modélisation, simulations, montage, programmation, tests et validation.
Malgré plusieurs contraintes (sonde défectueuse, bloc chauffant affaibli, pompe en panne), le prototype final est fonctionnel et démontre une régulation PID de la température.

 

Annexe : 

Code utilisé pour faire fonctionner l'ensemble de la cafetière généré par IA Claude :