Projets : Un tableau électronique d’affichage des scores "Le panneau d’affichage lumineux"
Posted in Projets et Problématiques
No comments
lundi 23 février 2015 By Unknown
Un tableau électronique d’affichage des scores "Le panneau d’affichage lumineux"
Dans la première partie nous vous avons invité à construire le pupitre de commande de ce tableau électronique d’affichage des scores. Dans cette seconde et dernière partie nous allons construire avec vous le panneau d’affichage à LED géantes. Nous vous rappelons que la liaison entre les deux peut se faire par câble ou par radio.
Il s’agit en effet d’un système modulaire pouvant facilement être adapté à vos propres exigences.
Pour une utilisation en tableau des scores pour volley-ball, il suffit de quatre chiffres mais, par exemple, pour le basket, six chiffres pourraient s’avérer nécessaires. Aussi, pour satisfaire le plus d’exigences possible, même si le pupitre est prévu pour le pilotage de deux chiffres et demi par équipe, notre panneau lumineux est en mesure de gérer jusqu’à huit chiffres (soit quatre par équipe). Ainsi, lorsqu’un jour ou l’autre l’envie vous prendra de réaliser un pupitre différent et capable de commander davantage de chiffres, vous ne serez pas limité par le panneau lumineux.
Mais revenons maintenant à notre tableau des scores et voyons les raisons qui nous ont conduits à certains choix et comment ceux-ci fonctionnent.
Le schéma électrique
Soyons clairs : le panneau lumineux est constitué d’une platine de contrôle (schéma électrique figure 1) et d’autant de platines afficheur qu’on souhaite de chiffres (schéma électrique de l’afficheur à un chiffre figure 4).
Commençons par le schéma électrique de la platine de contrôle (figure 1) : le microcontrôleur utilisé, un PIC 16F628-EF427, déjà programmé en usine, avec quartz de 20 MHz, s’occupe directement de la gestion des LED indiquant la possession de la balle (la balle est dans quel camp ? voir première partie de l’article) [LD1 et LD2 reliées aux broches 1 et 17] et reçoit en entrée, par la broche 2 (RA3), le flux de données provenant du pupitre de commande. La résistance R5 est nécessaire pour éviter d’éventuels dommages causés par des courts-circuits, toujours à craindre lors de l’insertion ou de l’extraction du jack de liaison portant, outre les données, l’alimentation de la platine.
Le rôle du microcontrôleur est d’interpréter le flux reçu, d’en contrôler l’exactitude en fonction du protocole de communication propriétaire (là encore, voir la première partie de l’article) et d’extraire les données présentes. Celles-ci sont ensuite utilisées pour gérer les deux LED connectées directement au microcontrôleur et pour visualiser les bons chiffres sur les platines afficheur.
Le microcontrôleur doit, par conséquent, convertir les données reçues, en commandes capables de piloter le PCF8574 présent sur chaque platine à un chiffre et de les envoyer (par le bus I2C constitué des données SDA et de l’horloge SCL) aux platines afficheur. A celles-ci arrivent, en outre, la masse et le positif d’alimentation, nécessaires au fonctionnement du PCF8574 (+5 V) et des LED (+12 V). Chaque platine afficheur dispose, par conséquent, d’un PCF8574 ou PCF8574A, nécessaire pour piloter les segments des afficheurs géants réalisés en plaçant quatre LED à haute luminosité de 10 millimètres pour chaque segment, de manière à former le chiffre 8. Ce circuit intégré n’est autre qu’un expanseur de I/O commandé par bus I2C permettant, par deux fils, de piloter huit lignes de sortie. La possibilité d’utiliser indifféremment le PCF8574 ou le PCF8574A est due à un dispositif logiciel présent dans le microcontrôleur : la seule différence notable entre les deux tient à l’adressage du dispositif. Pour le PCF8574 c’est le “header” (en-tête) 0100 qui est utilisé, alors que pour le PCF8574A c’est le 0111. Le microcontrôleur de la platine de contrôle, afin de contourner le problème, envoie deux flux égaux mais avec des en-tête différents.
Ainsi, chaque PCF reçoit le flux qui lui convient (et il est par conséquent possible de monter dans le même panneau des PCF différents).
Si nous jetons un coup d’oeil sur le schéma électrique de l’afficheur (figure 4), nous voyons que les huit sorties de U1 sont connectées à autant de transistors NPN lesquels, recevant le niveau logique haut (1) sur leur base, ferment le collecteur à la masse, ce qui permet à la file des LED associée de s’allumer. Les broches 1, 2 et 3 correspondent à l’adresse identifiant le chiffre : dans la réalisation pratique on a prévu un dip-switchs à quatre microinterrupteurs permettant de fermer à la masse (ON) ou de laisser au +5 V (à travers les résistances de “pull-up” R1, R2 et R3) ces entrées.
La convention utilisée par le microcontrôleur pour gérer les chiffres, prévoit un code de type binaire pour l’identification des chiffres. Ainsi, pour indiquer le premier chiffre, celui des unités, de l’équipe A, on utilise le code 000 (ON ON ON), pour indiquer le second chiffre, celui des dizaines, de la même équipe, le code 001, pour le troisième, celui des centaines, 010 et pour le quatrième, celui des milliers, 011. Quant à l’équipe B, le premier code (unité) sera 100, le second (dizaines) 101, le troisième (centaines) 110 et le dernier (milliers) 111 (voir Tableau 1).
Une autre remarque importante, à propos du schéma électrique de l’afficheur, a trait aux résistances R4, R7, R10, R13, R16, R19, R22 et R25 : elles déterminent la luminosité des LED et sont dimensionnées en conséquence.
Les valeurs utilisées dans notre montage ont été calculées pour bénéficier de manière optimale des LED employées.
Figure 1 : Schéma électrique de la platine de contrôle du panneau lumineux.
Figure 2 : Le pupitre de commande décrit dans la première partie de l’article.
L’utilisation du pupitre de contrôle peut se résumer en quelques mots : tout d’abord, il faut déterminer dans quel camp est la balle (possession de la balle) en pressant le poussoir TEAM A ou TEAM B. Ceci fait, les poussoirs UP et DOWN feront varier le décompte des points de l’équipe sélectionnée. Pour indiquer une manche (“set”) gagnée, il est nécessaire de maintenir pressée la touche TEAM A (ou TEAM B selon l’équipe vainqueur de la manche) et presser la touche UP. Ainsi s’allumera sur le pupitre le point décimal de l’afficheur de l’équipe A (ou B) et sur le panneau lumineux s’allumera la LED correspondant à la manche de l’équipe A. Pour remettre à zéro les points des deux équipes, il suffit de presser TEAM A + DOWN et TEAM B + DOWN. TEAM A + TEAM B produit une remise à zéro générale.
Figure 3 : Le protocole du PCF8574. Voici le détail de la différence d’adressage entre le PCF8574 et le PCF8574A.
Figure 4 : Schéma électrique d’une platine afficheur (un chiffre) du panneau lumineux qui en comporte au minimum quatre.
Figure 5 : Schéma d’implantation des composants de la platine de contrôle du panneau lumineux.
Liste des composants de la platine de contrôle
R1 = 330 Ω
R2 = 330 Ω
R3 = 4,7 kΩ
R4 = 4,7 kΩ
R5 = 10 kΩ
R6 = 4,7 kΩ
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 470 μF 25 V électrolytique
C3 = 470 μF 25 V électrolytique
C4 = 100 nF multicouche
D1 = Diode 1N4007
LD1 = LED verte 10 mm
LD2 = LED verte 10 mm
U1 = μContrôleur PIC16F628-EF427
U2 = Régulateur 7805
Q1 = Quartz 20 MHz
Divers :
1 Support 2 x 9 broches
1 Prise pour jack stéréo pour ci, Ø 6,35 mm
4 Vis 10 mm 3MA
4 Ecrous 3MA
Figure 6 : Schéma d’implantation des composants d’une platine afficheur du panneau.
Liste des composants pour une platine afficheur
R1 = 10 kΩ
R2 = 10 kΩ
R3 = 10 kΩ
R4 = 680 Ω
R5 = 4,7 kΩ
R6 = 10 kΩ
R7 = 100 Ω
R8 = 4,7 kΩ
R9 = 10 kΩ
R10 = 100 Ω
R11 = 4,7 kΩ
R12 = 10 kΩ
R13 = 100 Ω
R14 = 4,7 kΩ
R15 = 10 kΩ
R16 = 100 Ω
R17 = 4,7 kΩ
R18 = 10 kΩ
R19 = 100 Ω
R20 = 4,7 kΩ
R21 = 10 kΩ
R22 = 100 Ω
R23 = 4,7 kΩ
R24 = 10 kΩ
R25 = 100 Ω
R26 = 4,7 kΩ
R27 = 10 kΩ
T1 = NPN BC547
T2 = NPN BC547
T3 = NPN BC547
T4 = NPN BC547
T5 = NPN BC547
T6 = NPN BC547
T7 = NPN BC547
T8 = NPN BC547
LD1/LD29 = LED rouge haute luminosité 10 mm
U1 = Intégré PCF8574A ou PCF8574
DS1 = micro-interrupteur 4 voies
Divers :
1 Support 2 x 8 broches
Figure 7 : Photo d’un des prototypes du panneau lumineux avec, au centre, la platine de contrôle et, de chaque côté, deux platines afficheur à un chiffre, ce qui fait quatre platines et quatre chiffres. En médaillons grossissants on a mis en évidence les micro-interrupteurs à quatre voies (voir Tableau 1).
Même si au volley-ball deux chiffres pour chaque équipe suffisent, chaque panneau lumineux peut comporter huit chiffres au maximum car l’adressage de chaque chiffre est effectué par la combinaison de 3 micro-interrupteurs (le micro-interrupteur 1 n’est pas utilisé). La figure 7 montre la configuration standard pour réaliser le tableau des scores pour volley-ball et le Tableau ci-dessus indique toutes les combinaisons pour adresser les chiffres disponibles.
Comme les micro-interrupteurs sont paramétrés seulement au moment de l’installation, il est possible de les remplacer par des “straps” fermant les contacts correspondant à la position ON.
Tableau 1 : Le paramétrage des micro-interrupteurs (lire aussi le texte de l’article).
Figure 8 : Dessins, à l’échelle 1, des circuits imprimés du panneau lumineux.
A gauche : le circuit imprimé de la platine de contrôle. A droite : le circuit imprimé d’un afficheur (un chiffre).
Figure 9 : Les LED utilisées.
Les LED utilisées dans notre montage ont été choisies après de multiples essais et le meilleur résultat a été obtenu en prenant des LED de 10 millimètres rouges à haute luminosité (500 mcd à 20 mA) et à ouverture angulaire de 60°. Ce choix garantit, ainsi que l’adoption d’un plexiglas rouge, une visibilité optimale sous n’importe quel angle.
Figure 10 : Réalisation et montage dans le boîtier du panneau lumineux.
La construction du panneau d’affichage se divise en trois phases principales : le montage des diverses platines, leur assemblage et la construction du boîtier. Pour ce qui est du câblage des platines, il suffit de monter tous les composants (sans oublier les “straps”, lire l’article) et d’effectuer les soudures avec soin. L’assemblage des chiffres (quatre ici) doit être réalisé en plaçant côte à côte les platines et en soudant avec un gros fer à souder les pastilles de connexion comme le montrent les photos. Pour la réalisation du boîtier, nous vous conseillons d’utiliser un fond en compensé ou contre-plaqué, des cornières de bois ou de plastique coupées à onglets (à 45°) et une feuille de plexiglas rouge (nécessaire pour augmenter le contraste des LED) constituant un couvercle translucide.
Figure 11 : Schémas électriques de la liaison radio. En haut, le schéma électrique de l’émetteur ; en bas, celui du récepteur.
Figure 12 : La liaison par câble. En haut : le panneau d’affichage lumineux. En bas, à droite, la console de commande.
Outre la liaison radio, il est possible de relier le pupitre de commande et le panneau lumineux par un câble à deux conducteurs avec blindage, comme celui utilisé avec les micros symétriques : la section des conducteurs doit être de 0,75 mm. La longueur du câble ne doit pas excéder 10 m.
Figure 13 : Schéma d’implantation des composants de l’émetteur de la liaison radio.
Figure 14 : Photo d’un des prototypes de l’émetteur de la liaison radio.
Figure 15 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de l’émetteur de la liaison radio.
Liste des composants de l’émetteur liaison radio
R1 = 10 kΩ
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 10 μF 63 V électrolytique
D1 = Diode 1N4007
U1 = Module hybride TX8LAVSA05
U2 = Régulateur 7805
Divers :
1 Jack stéréo 6,35 mm
2 Vis autotaraudeuses 3MA
1 Vis 8 mm 3 MA
1 Ecrou 3 MA
1 Coupe de fil de 8 cm
1 Nappe à 3 fils de 5 cm
1 Boîtier plastique SC/703
Figure 16 : Schéma d’implantation des composants du récepteur de la liaison radio.
Figure 17 : Photo d’un des prototypes du récepteur de la liaison radio.
Figure 18 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du récepteur de la liaison radio.
Liste des composants du récepteur liaison radio
R1 = 10 kΩ
C1 = 100 nF mulicouche
C2 = 10 μF 63 V électrolytique
D1 = Diode 1N4007
U1 = Module hybride RX8L50SA70SF
U2 = Intégré 7805
Divers :
1 Jack stéréo 6,35 mm
2 Vis autotaraudeuses 3MA
1 Vis 8 mm 3MA
1 Ecrou 3MA
1 Coupe de fil de 8 cm
1 Nappe à 3 fils de 5 cm
1 Boîtier plastique SC/703
Figure 19 : Le raccordement du jack 6,35 mm sur l’émetteur et sur le récepteur.
Figure 20 : Mise en place du panneau lumineux dans le gymnase.
Bien que le panneau, grâce à l’utilisation du plexiglas rouge, offre un contraste optimal et soit bien visible sous n’importe quel angle, il est tout de même important de le placer de telle manière que les rayons du soleil passant par les fenêtres du gymnase ne rendent sa lecture impossible.
Avec une lumière artificielle il n’y a, en effet, aucun problème de ce type à redouter, mais si le panneau était utilisé en plein jour et s’il était placé de manière incorrecte, il pourrait être moins visible. Dans un très petit gymnase, le panneau peut être relié par câble et placé sur la table ou la tribune du responsable des scores. Dans le cas d’une installation fixe, en revanche, il serait judicieux de le protéger des jets de balle par une grille à larges mailles. Mieux vaut en effet que l’expression “pulvériser les scores” reste une métaphore !
La réalisation pratique
Eh bien, puisque nous avons étudié le circuit, nous pouvons maintenant nous consacrer à la réalisation pratique de ce panneau lumineux, c’est-à-dire de ses différentes platines : une platine de contrôle et au moins quatre platines afficheur (jusqu’à huit).
Partons, bien sûr, des circuits imprimés, facilement réalisables par la méthode décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?" : on trouvera figure 8, à gauche, la de contrôle et, à droite, platine afficheur à un chiffre). Tous deux sont à l’échelle 1, bien entendu.
Quand vous vous êtes procuré les circuits imprimés ou que vous les avez vous-même gravés et percés, montez les composants en commençant par ceux ayant le profil le plus bas : comme d’habitude, respectez le sens des composants polarisés (diodes, LED, transistors, circuits intégrés montés sur supports, régulateurs, condensateurs électrolytiques, dip-switchs, etc.) en vous aidant des schémas d’implantation (figures 5, 6) et de la photo du prototype (figure 7).
Pour les LED à haute luminosité, le méplat repère-détrompeur coïncide avec la patte la plus courte, la cathode – (figure 9). Elles doivent, de plus, être enfoncées à fond dans les trous du circuit imprimé et donc être toutes au même niveau.
N’oubliez pas les “straps” sur les platines afficheur (sous la LD24, à gauche de LD29 et à droite de LD6).
Après toutes les soudures, introduisez avec soin les circuits intégrés dans les supports : microcontrôleur et PCF.
Vous pouvez alors assembler les platines (la platine de contrôle et les 4, au moins, platines afficheur), comme le montrent les figures 7 et 10 et constituer le panneau lumineux : chaque platine afficheur est dotée de pastilles latérales servant aux connexions entre platines. Placez deux platines côte à côte et, en utilisant une grosse panne et un fer à souder de 50 watts au moins, soudez avec beaucoup de tinol de diamètre 1 millimètre les points de connexion. Les pastilles situées au bord supérieur des platines ne sont pas vraiment des connexions électriques, elles servent plutôt à donner de la rigidité au panneau.
Le câble de liaison
Quand vous avez créé le tableau lumineux en solidarisant quatre platines afficheur avec la platine de contrôle au centre et que vous avez paramétré les micro-interrupteurs de manière à donner l’adresse exacte à chaque platine (figure 7), vous pouvez réaliser le câble de liaison entre le pupitre de commande et le tableau lumineux (sauf si vous avez choisi la liaison radio, dans ce cas, reportez-vous à la rubrique afférente) et procéder aux essais.
Pour fabriquer la liaison filaire, un câble à deux conducteurs (plus la tresse de masse) et deux jacks 6,35 millimètres suffisent : le fil de masse (la tresse de blindage d’un câble à deux conducteurs de type audio pour micro symétrique) est à connecter à la cosse correspondant à la partie la plus longue du cylindre métallique et la plus proche du cache du jack (en bleu foncé, GND, figure 19), l’un des deux fils au centre (+12 V, en rouge, figure 19) et l’autre au troisième point (DATA, en vert, figure 19). Bien sûr, maintenez la même convention pour les deux jacks.
Quand le câble est réalisé, vous pouvez relier le pupitre et le panneau, alimenter le pupitre et essayer l’ensemble. Tout devrait fonctionner impeccablement du premier coup : le pupitre doit effectuer son test de mise en route. De même pour le panneau. Quand tout est au repos, essayez d’utiliser le pupitre comme expliqué dans la première partie de l’article… et toutes les opérations visualisées jusqu’alors seulement sur l’afficheur du pupitre le seront en grand sur le panneau lumineux.
Le montage dans le boîtier
Pour profiter de manière optimale de votre tableau des scores et pour le rendre encore plus “professionnel”, il est nécessaire de construire un boîtier adapté. Il vous suffira de prendre un fond en compensé ou contre-plaqué (pas trop épais à cause du poids mais tout de même assez pour qu’il soit rigide), des cornières de bois ou de plastique coupées à onglets (avec une scie à onglets, elle aussi, comme en utilisent les encadreurs, justement) et une feuille de plexiglas rouge. Le plexiglas rouge augmentera le contraste et l’éclat des segments constitués par les LED à haute luminosité… et protègera le montage de la poussière et de l’humidité.
N’oubliez pas le passage du jack dans la partie supérieure (figure 20) et, si vous choisissez cette solution, du petit boîtier radio (le récepteur) que nous allons maintenant présenter.
La liaison radio
En effet, nous disposons à présent d’un tableau des scores complet contrôlé par câble. Mais notre système prévoit, en outre, une liaison sans fil radio. Il suffit de substituer au câble de liaison, les deux modules d’émission et de réception radio des données.
Les schémas électriques du TX et du RX
Regardons les schémas électriques des deux modules, figure 11 : l’émetteur reçoit directement l’alimentation du pupitre de commande alors que le récepteur a besoin, lui, d’une alimentation externe 12 volts. Et ce, parce que le panneau lumineux, auquel le récepteur est connecté, ne dispose d’aucune alimentation (dans la version câble, il est alimenté via ce dernier par le pupitre).
Il la reçoit par le jack de liaison et, par conséquent, l’alimentation fournie au module de réception radio servira aussi à alimenter le panneau lumineux.
L’alimentation doit donc être en mesure de fournir un courant assez élevé (au moins 1,5 ampère).
Les résistances R1 reliées entre l’entrée (ou sortie) du module radio et le jack, ont pour rôle, là encore, de protéger l’électronique contre les risques de courts-circuits pendant l’insertion ou l’extraction dudit jack.
Les modules radio utilisés sont tous deux des AUREL, un TX8LAVSA05 et un RX8L50SA70SF. Ce sont des modules AM travaillant sur 868 MHz, garantissant un haut niveau de fiabilité et une portée de 50 à 100 mètres au moins, ce qui est plus que suffisant pour une installation dans tout gymnase.
La réalisation pratique de la liaison radio
Elle ne présente pas non plus de difficulté particulière. Procurez-vous ou réalisez les deux circuits imprimés dont la figure 15 (pour le récepteur) et la figure 18 (pour l’émetteur) donnent les dessins à l’échelle 1. On pourra les réaliser par la méthode décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?".
Montez sur les deux circuits imprimés les quelques composants externes et les modules (attention à l’orientation des composants polarisés : diodes, régulateurs et condensateurs électrolytiques) en vous aidant des figures 13, 14, 16 et 17.
Comme antenne, il suffit d’utiliser un morceau de fil de cuivre émaillé de 8,5 centimètres de longueur environ (dont on aura débarrassé l’extrémité à souder de son émail avec une lame de couteau et de la toile émeri).
Le montage du TX et du RX dans leur boîtier
Les jacks sont à fixer au boîtier plastique (modèle TEKO SC704) et à relier au circuit imprimé par deux morceaux de fil en respectant les inscriptions visibles figures 13 et 16. Prévoyez, dans le boîtier du récepteur, un trou pour la prise d’alimentation. Fixez les platines par les trous ménagés dans les circuits imprimés et fermez les boîtiers.
Vous pouvez alors substituer les modules au câble : reliez l’émetteur au pupitre et le récepteur au panneau (attention de ne pas les intervertir !) et alimentez ce dernier. Votre tableau des scores fonctionne parfaitement sans fil. Ce type de liaison permet d’installer le panneau lumineux sans avoir à tirer un câble entre pupitre et panneau. En outre, le système est ainsi aisément transportable et extensible. En effet, si l’on monte plusieurs panneaux radio, il est possible, avec un seul pupitre, de commander plusieurs points de visualisation en même temps. Cela est possible grâce au fait que l’émission est monodirectionnelle et qu’elle n’attend aucune réponse de la part du panneau : par conséquent, le signal émis par le pupitre est capté par tout récepteur calé sur la même fréquence dans l’aire de couverture de l’émetteur. Le seul inconvénient de la liaison radio consiste dans les éventuelles perturbations HF environnantes : c’est pourquoi nous avons choisi la fréquence de 868 MHz car, ayant été autorisée au public depuis peu, elle est n’est pas encore encombrée (ce qui n’est pas le cas de la fréquence 433 MHz).
Si vous aviez tout de même des difficultés de liaison, vous pourriez rapprocher le pupitre de commande du panneau lumineux ou encore optimiser les antennes, quitte à monter des directives (à 868 MHz, elles ne sont pas bien grandes !).
Quant à l’installation dans le gymnase (figure 20), nous vous conseillons d’effectuer plusieurs essais de manière à trouver la position la plus adaptée pour le panneau : il doit être installé dans un endroit bien visible par le public comme par les joueurs et, si possible, à l’abri des tirs de balles. Si une installation “à risque” ne peut être évitée, prévoyez une grille métallique à mailles larges. Lorsque le lieu d’installation optimal est trouvé, prévoyez les liaisons par câble ou par radio, allumez le système et… bon match.
Il s’agit en effet d’un système modulaire pouvant facilement être adapté à vos propres exigences.
Pour une utilisation en tableau des scores pour volley-ball, il suffit de quatre chiffres mais, par exemple, pour le basket, six chiffres pourraient s’avérer nécessaires. Aussi, pour satisfaire le plus d’exigences possible, même si le pupitre est prévu pour le pilotage de deux chiffres et demi par équipe, notre panneau lumineux est en mesure de gérer jusqu’à huit chiffres (soit quatre par équipe). Ainsi, lorsqu’un jour ou l’autre l’envie vous prendra de réaliser un pupitre différent et capable de commander davantage de chiffres, vous ne serez pas limité par le panneau lumineux.
Mais revenons maintenant à notre tableau des scores et voyons les raisons qui nous ont conduits à certains choix et comment ceux-ci fonctionnent.
Le schéma électrique
Soyons clairs : le panneau lumineux est constitué d’une platine de contrôle (schéma électrique figure 1) et d’autant de platines afficheur qu’on souhaite de chiffres (schéma électrique de l’afficheur à un chiffre figure 4).
Commençons par le schéma électrique de la platine de contrôle (figure 1) : le microcontrôleur utilisé, un PIC 16F628-EF427, déjà programmé en usine, avec quartz de 20 MHz, s’occupe directement de la gestion des LED indiquant la possession de la balle (la balle est dans quel camp ? voir première partie de l’article) [LD1 et LD2 reliées aux broches 1 et 17] et reçoit en entrée, par la broche 2 (RA3), le flux de données provenant du pupitre de commande. La résistance R5 est nécessaire pour éviter d’éventuels dommages causés par des courts-circuits, toujours à craindre lors de l’insertion ou de l’extraction du jack de liaison portant, outre les données, l’alimentation de la platine.
Le rôle du microcontrôleur est d’interpréter le flux reçu, d’en contrôler l’exactitude en fonction du protocole de communication propriétaire (là encore, voir la première partie de l’article) et d’extraire les données présentes. Celles-ci sont ensuite utilisées pour gérer les deux LED connectées directement au microcontrôleur et pour visualiser les bons chiffres sur les platines afficheur.
Le microcontrôleur doit, par conséquent, convertir les données reçues, en commandes capables de piloter le PCF8574 présent sur chaque platine à un chiffre et de les envoyer (par le bus I2C constitué des données SDA et de l’horloge SCL) aux platines afficheur. A celles-ci arrivent, en outre, la masse et le positif d’alimentation, nécessaires au fonctionnement du PCF8574 (+5 V) et des LED (+12 V). Chaque platine afficheur dispose, par conséquent, d’un PCF8574 ou PCF8574A, nécessaire pour piloter les segments des afficheurs géants réalisés en plaçant quatre LED à haute luminosité de 10 millimètres pour chaque segment, de manière à former le chiffre 8. Ce circuit intégré n’est autre qu’un expanseur de I/O commandé par bus I2C permettant, par deux fils, de piloter huit lignes de sortie. La possibilité d’utiliser indifféremment le PCF8574 ou le PCF8574A est due à un dispositif logiciel présent dans le microcontrôleur : la seule différence notable entre les deux tient à l’adressage du dispositif. Pour le PCF8574 c’est le “header” (en-tête) 0100 qui est utilisé, alors que pour le PCF8574A c’est le 0111. Le microcontrôleur de la platine de contrôle, afin de contourner le problème, envoie deux flux égaux mais avec des en-tête différents.
Ainsi, chaque PCF reçoit le flux qui lui convient (et il est par conséquent possible de monter dans le même panneau des PCF différents).
Si nous jetons un coup d’oeil sur le schéma électrique de l’afficheur (figure 4), nous voyons que les huit sorties de U1 sont connectées à autant de transistors NPN lesquels, recevant le niveau logique haut (1) sur leur base, ferment le collecteur à la masse, ce qui permet à la file des LED associée de s’allumer. Les broches 1, 2 et 3 correspondent à l’adresse identifiant le chiffre : dans la réalisation pratique on a prévu un dip-switchs à quatre microinterrupteurs permettant de fermer à la masse (ON) ou de laisser au +5 V (à travers les résistances de “pull-up” R1, R2 et R3) ces entrées.
La convention utilisée par le microcontrôleur pour gérer les chiffres, prévoit un code de type binaire pour l’identification des chiffres. Ainsi, pour indiquer le premier chiffre, celui des unités, de l’équipe A, on utilise le code 000 (ON ON ON), pour indiquer le second chiffre, celui des dizaines, de la même équipe, le code 001, pour le troisième, celui des centaines, 010 et pour le quatrième, celui des milliers, 011. Quant à l’équipe B, le premier code (unité) sera 100, le second (dizaines) 101, le troisième (centaines) 110 et le dernier (milliers) 111 (voir Tableau 1).
Une autre remarque importante, à propos du schéma électrique de l’afficheur, a trait aux résistances R4, R7, R10, R13, R16, R19, R22 et R25 : elles déterminent la luminosité des LED et sont dimensionnées en conséquence.
Les valeurs utilisées dans notre montage ont été calculées pour bénéficier de manière optimale des LED employées.
Figure 1 : Schéma électrique de la platine de contrôle du panneau lumineux.
Figure 2 : Le pupitre de commande décrit dans la première partie de l’article.L’utilisation du pupitre de contrôle peut se résumer en quelques mots : tout d’abord, il faut déterminer dans quel camp est la balle (possession de la balle) en pressant le poussoir TEAM A ou TEAM B. Ceci fait, les poussoirs UP et DOWN feront varier le décompte des points de l’équipe sélectionnée. Pour indiquer une manche (“set”) gagnée, il est nécessaire de maintenir pressée la touche TEAM A (ou TEAM B selon l’équipe vainqueur de la manche) et presser la touche UP. Ainsi s’allumera sur le pupitre le point décimal de l’afficheur de l’équipe A (ou B) et sur le panneau lumineux s’allumera la LED correspondant à la manche de l’équipe A. Pour remettre à zéro les points des deux équipes, il suffit de presser TEAM A + DOWN et TEAM B + DOWN. TEAM A + TEAM B produit une remise à zéro générale.
Figure 3 : Le protocole du PCF8574. Voici le détail de la différence d’adressage entre le PCF8574 et le PCF8574A.
Figure 4 : Schéma électrique d’une platine afficheur (un chiffre) du panneau lumineux qui en comporte au minimum quatre.
Figure 5 : Schéma d’implantation des composants de la platine de contrôle du panneau lumineux.Liste des composants de la platine de contrôle
R1 = 330 Ω
R2 = 330 Ω
R3 = 4,7 kΩ
R4 = 4,7 kΩ
R5 = 10 kΩ
R6 = 4,7 kΩ
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 470 μF 25 V électrolytique
C3 = 470 μF 25 V électrolytique
C4 = 100 nF multicouche
D1 = Diode 1N4007
LD1 = LED verte 10 mm
LD2 = LED verte 10 mm
U1 = μContrôleur PIC16F628-EF427
U2 = Régulateur 7805
Q1 = Quartz 20 MHz
Divers :
1 Support 2 x 9 broches
1 Prise pour jack stéréo pour ci, Ø 6,35 mm
4 Vis 10 mm 3MA
4 Ecrous 3MA
Figure 6 : Schéma d’implantation des composants d’une platine afficheur du panneau.Liste des composants pour une platine afficheur
R1 = 10 kΩ
R2 = 10 kΩ
R3 = 10 kΩ
R4 = 680 Ω
R5 = 4,7 kΩ
R6 = 10 kΩ
R7 = 100 Ω
R8 = 4,7 kΩ
R9 = 10 kΩ
R10 = 100 Ω
R11 = 4,7 kΩ
R12 = 10 kΩ
R13 = 100 Ω
R14 = 4,7 kΩ
R15 = 10 kΩ
R16 = 100 Ω
R17 = 4,7 kΩ
R18 = 10 kΩ
R19 = 100 Ω
R20 = 4,7 kΩ
R21 = 10 kΩ
R22 = 100 Ω
R23 = 4,7 kΩ
R24 = 10 kΩ
R25 = 100 Ω
R26 = 4,7 kΩ
R27 = 10 kΩ
T1 = NPN BC547
T2 = NPN BC547
T3 = NPN BC547
T4 = NPN BC547
T5 = NPN BC547
T6 = NPN BC547
T7 = NPN BC547
T8 = NPN BC547
LD1/LD29 = LED rouge haute luminosité 10 mm
U1 = Intégré PCF8574A ou PCF8574
DS1 = micro-interrupteur 4 voies
Divers :
1 Support 2 x 8 broches
Figure 7 : Photo d’un des prototypes du panneau lumineux avec, au centre, la platine de contrôle et, de chaque côté, deux platines afficheur à un chiffre, ce qui fait quatre platines et quatre chiffres. En médaillons grossissants on a mis en évidence les micro-interrupteurs à quatre voies (voir Tableau 1).Même si au volley-ball deux chiffres pour chaque équipe suffisent, chaque panneau lumineux peut comporter huit chiffres au maximum car l’adressage de chaque chiffre est effectué par la combinaison de 3 micro-interrupteurs (le micro-interrupteur 1 n’est pas utilisé). La figure 7 montre la configuration standard pour réaliser le tableau des scores pour volley-ball et le Tableau ci-dessus indique toutes les combinaisons pour adresser les chiffres disponibles.
Comme les micro-interrupteurs sont paramétrés seulement au moment de l’installation, il est possible de les remplacer par des “straps” fermant les contacts correspondant à la position ON.
Tableau 1 : Le paramétrage des micro-interrupteurs (lire aussi le texte de l’article).
Figure 8 : Dessins, à l’échelle 1, des circuits imprimés du panneau lumineux.A gauche : le circuit imprimé de la platine de contrôle. A droite : le circuit imprimé d’un afficheur (un chiffre).
Figure 9 : Les LED utilisées.Les LED utilisées dans notre montage ont été choisies après de multiples essais et le meilleur résultat a été obtenu en prenant des LED de 10 millimètres rouges à haute luminosité (500 mcd à 20 mA) et à ouverture angulaire de 60°. Ce choix garantit, ainsi que l’adoption d’un plexiglas rouge, une visibilité optimale sous n’importe quel angle.
Figure 10 : Réalisation et montage dans le boîtier du panneau lumineux.La construction du panneau d’affichage se divise en trois phases principales : le montage des diverses platines, leur assemblage et la construction du boîtier. Pour ce qui est du câblage des platines, il suffit de monter tous les composants (sans oublier les “straps”, lire l’article) et d’effectuer les soudures avec soin. L’assemblage des chiffres (quatre ici) doit être réalisé en plaçant côte à côte les platines et en soudant avec un gros fer à souder les pastilles de connexion comme le montrent les photos. Pour la réalisation du boîtier, nous vous conseillons d’utiliser un fond en compensé ou contre-plaqué, des cornières de bois ou de plastique coupées à onglets (à 45°) et une feuille de plexiglas rouge (nécessaire pour augmenter le contraste des LED) constituant un couvercle translucide.
Figure 11 : Schémas électriques de la liaison radio. En haut, le schéma électrique de l’émetteur ; en bas, celui du récepteur.
Figure 12 : La liaison par câble. En haut : le panneau d’affichage lumineux. En bas, à droite, la console de commande.Outre la liaison radio, il est possible de relier le pupitre de commande et le panneau lumineux par un câble à deux conducteurs avec blindage, comme celui utilisé avec les micros symétriques : la section des conducteurs doit être de 0,75 mm. La longueur du câble ne doit pas excéder 10 m.
Figure 13 : Schéma d’implantation des composants de l’émetteur de la liaison radio.
Figure 14 : Photo d’un des prototypes de l’émetteur de la liaison radio.
Figure 15 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de l’émetteur de la liaison radio.Liste des composants de l’émetteur liaison radio
R1 = 10 kΩ
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 10 μF 63 V électrolytique
D1 = Diode 1N4007
U1 = Module hybride TX8LAVSA05
U2 = Régulateur 7805
Divers :
1 Jack stéréo 6,35 mm
2 Vis autotaraudeuses 3MA
1 Vis 8 mm 3 MA
1 Ecrou 3 MA
1 Coupe de fil de 8 cm
1 Nappe à 3 fils de 5 cm
1 Boîtier plastique SC/703
Figure 16 : Schéma d’implantation des composants du récepteur de la liaison radio.
Figure 17 : Photo d’un des prototypes du récepteur de la liaison radio.
Figure 18 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du récepteur de la liaison radio.Liste des composants du récepteur liaison radio
R1 = 10 kΩ
C1 = 100 nF mulicouche
C2 = 10 μF 63 V électrolytique
D1 = Diode 1N4007
U1 = Module hybride RX8L50SA70SF
U2 = Intégré 7805
Divers :
1 Jack stéréo 6,35 mm
2 Vis autotaraudeuses 3MA
1 Vis 8 mm 3MA
1 Ecrou 3MA
1 Coupe de fil de 8 cm
1 Nappe à 3 fils de 5 cm
1 Boîtier plastique SC/703
Figure 19 : Le raccordement du jack 6,35 mm sur l’émetteur et sur le récepteur.
Figure 20 : Mise en place du panneau lumineux dans le gymnase.Bien que le panneau, grâce à l’utilisation du plexiglas rouge, offre un contraste optimal et soit bien visible sous n’importe quel angle, il est tout de même important de le placer de telle manière que les rayons du soleil passant par les fenêtres du gymnase ne rendent sa lecture impossible.
Avec une lumière artificielle il n’y a, en effet, aucun problème de ce type à redouter, mais si le panneau était utilisé en plein jour et s’il était placé de manière incorrecte, il pourrait être moins visible. Dans un très petit gymnase, le panneau peut être relié par câble et placé sur la table ou la tribune du responsable des scores. Dans le cas d’une installation fixe, en revanche, il serait judicieux de le protéger des jets de balle par une grille à larges mailles. Mieux vaut en effet que l’expression “pulvériser les scores” reste une métaphore !
La réalisation pratique
Eh bien, puisque nous avons étudié le circuit, nous pouvons maintenant nous consacrer à la réalisation pratique de ce panneau lumineux, c’est-à-dire de ses différentes platines : une platine de contrôle et au moins quatre platines afficheur (jusqu’à huit).
Partons, bien sûr, des circuits imprimés, facilement réalisables par la méthode décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?" : on trouvera figure 8, à gauche, la de contrôle et, à droite, platine afficheur à un chiffre). Tous deux sont à l’échelle 1, bien entendu.
Quand vous vous êtes procuré les circuits imprimés ou que vous les avez vous-même gravés et percés, montez les composants en commençant par ceux ayant le profil le plus bas : comme d’habitude, respectez le sens des composants polarisés (diodes, LED, transistors, circuits intégrés montés sur supports, régulateurs, condensateurs électrolytiques, dip-switchs, etc.) en vous aidant des schémas d’implantation (figures 5, 6) et de la photo du prototype (figure 7).
Pour les LED à haute luminosité, le méplat repère-détrompeur coïncide avec la patte la plus courte, la cathode – (figure 9). Elles doivent, de plus, être enfoncées à fond dans les trous du circuit imprimé et donc être toutes au même niveau.
N’oubliez pas les “straps” sur les platines afficheur (sous la LD24, à gauche de LD29 et à droite de LD6).
Après toutes les soudures, introduisez avec soin les circuits intégrés dans les supports : microcontrôleur et PCF.
Vous pouvez alors assembler les platines (la platine de contrôle et les 4, au moins, platines afficheur), comme le montrent les figures 7 et 10 et constituer le panneau lumineux : chaque platine afficheur est dotée de pastilles latérales servant aux connexions entre platines. Placez deux platines côte à côte et, en utilisant une grosse panne et un fer à souder de 50 watts au moins, soudez avec beaucoup de tinol de diamètre 1 millimètre les points de connexion. Les pastilles situées au bord supérieur des platines ne sont pas vraiment des connexions électriques, elles servent plutôt à donner de la rigidité au panneau.
Le câble de liaison
Quand vous avez créé le tableau lumineux en solidarisant quatre platines afficheur avec la platine de contrôle au centre et que vous avez paramétré les micro-interrupteurs de manière à donner l’adresse exacte à chaque platine (figure 7), vous pouvez réaliser le câble de liaison entre le pupitre de commande et le tableau lumineux (sauf si vous avez choisi la liaison radio, dans ce cas, reportez-vous à la rubrique afférente) et procéder aux essais.
Pour fabriquer la liaison filaire, un câble à deux conducteurs (plus la tresse de masse) et deux jacks 6,35 millimètres suffisent : le fil de masse (la tresse de blindage d’un câble à deux conducteurs de type audio pour micro symétrique) est à connecter à la cosse correspondant à la partie la plus longue du cylindre métallique et la plus proche du cache du jack (en bleu foncé, GND, figure 19), l’un des deux fils au centre (+12 V, en rouge, figure 19) et l’autre au troisième point (DATA, en vert, figure 19). Bien sûr, maintenez la même convention pour les deux jacks.
Quand le câble est réalisé, vous pouvez relier le pupitre et le panneau, alimenter le pupitre et essayer l’ensemble. Tout devrait fonctionner impeccablement du premier coup : le pupitre doit effectuer son test de mise en route. De même pour le panneau. Quand tout est au repos, essayez d’utiliser le pupitre comme expliqué dans la première partie de l’article… et toutes les opérations visualisées jusqu’alors seulement sur l’afficheur du pupitre le seront en grand sur le panneau lumineux.
Le montage dans le boîtier
Pour profiter de manière optimale de votre tableau des scores et pour le rendre encore plus “professionnel”, il est nécessaire de construire un boîtier adapté. Il vous suffira de prendre un fond en compensé ou contre-plaqué (pas trop épais à cause du poids mais tout de même assez pour qu’il soit rigide), des cornières de bois ou de plastique coupées à onglets (avec une scie à onglets, elle aussi, comme en utilisent les encadreurs, justement) et une feuille de plexiglas rouge. Le plexiglas rouge augmentera le contraste et l’éclat des segments constitués par les LED à haute luminosité… et protègera le montage de la poussière et de l’humidité.
N’oubliez pas le passage du jack dans la partie supérieure (figure 20) et, si vous choisissez cette solution, du petit boîtier radio (le récepteur) que nous allons maintenant présenter.
La liaison radio
En effet, nous disposons à présent d’un tableau des scores complet contrôlé par câble. Mais notre système prévoit, en outre, une liaison sans fil radio. Il suffit de substituer au câble de liaison, les deux modules d’émission et de réception radio des données.
Les schémas électriques du TX et du RX
Regardons les schémas électriques des deux modules, figure 11 : l’émetteur reçoit directement l’alimentation du pupitre de commande alors que le récepteur a besoin, lui, d’une alimentation externe 12 volts. Et ce, parce que le panneau lumineux, auquel le récepteur est connecté, ne dispose d’aucune alimentation (dans la version câble, il est alimenté via ce dernier par le pupitre).
Il la reçoit par le jack de liaison et, par conséquent, l’alimentation fournie au module de réception radio servira aussi à alimenter le panneau lumineux.
L’alimentation doit donc être en mesure de fournir un courant assez élevé (au moins 1,5 ampère).
Les résistances R1 reliées entre l’entrée (ou sortie) du module radio et le jack, ont pour rôle, là encore, de protéger l’électronique contre les risques de courts-circuits pendant l’insertion ou l’extraction dudit jack.
Les modules radio utilisés sont tous deux des AUREL, un TX8LAVSA05 et un RX8L50SA70SF. Ce sont des modules AM travaillant sur 868 MHz, garantissant un haut niveau de fiabilité et une portée de 50 à 100 mètres au moins, ce qui est plus que suffisant pour une installation dans tout gymnase.
La réalisation pratique de la liaison radio
Elle ne présente pas non plus de difficulté particulière. Procurez-vous ou réalisez les deux circuits imprimés dont la figure 15 (pour le récepteur) et la figure 18 (pour l’émetteur) donnent les dessins à l’échelle 1. On pourra les réaliser par la méthode décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?".
Montez sur les deux circuits imprimés les quelques composants externes et les modules (attention à l’orientation des composants polarisés : diodes, régulateurs et condensateurs électrolytiques) en vous aidant des figures 13, 14, 16 et 17.
Comme antenne, il suffit d’utiliser un morceau de fil de cuivre émaillé de 8,5 centimètres de longueur environ (dont on aura débarrassé l’extrémité à souder de son émail avec une lame de couteau et de la toile émeri).
Le montage du TX et du RX dans leur boîtier
Les jacks sont à fixer au boîtier plastique (modèle TEKO SC704) et à relier au circuit imprimé par deux morceaux de fil en respectant les inscriptions visibles figures 13 et 16. Prévoyez, dans le boîtier du récepteur, un trou pour la prise d’alimentation. Fixez les platines par les trous ménagés dans les circuits imprimés et fermez les boîtiers.
Vous pouvez alors substituer les modules au câble : reliez l’émetteur au pupitre et le récepteur au panneau (attention de ne pas les intervertir !) et alimentez ce dernier. Votre tableau des scores fonctionne parfaitement sans fil. Ce type de liaison permet d’installer le panneau lumineux sans avoir à tirer un câble entre pupitre et panneau. En outre, le système est ainsi aisément transportable et extensible. En effet, si l’on monte plusieurs panneaux radio, il est possible, avec un seul pupitre, de commander plusieurs points de visualisation en même temps. Cela est possible grâce au fait que l’émission est monodirectionnelle et qu’elle n’attend aucune réponse de la part du panneau : par conséquent, le signal émis par le pupitre est capté par tout récepteur calé sur la même fréquence dans l’aire de couverture de l’émetteur. Le seul inconvénient de la liaison radio consiste dans les éventuelles perturbations HF environnantes : c’est pourquoi nous avons choisi la fréquence de 868 MHz car, ayant été autorisée au public depuis peu, elle est n’est pas encore encombrée (ce qui n’est pas le cas de la fréquence 433 MHz).
Si vous aviez tout de même des difficultés de liaison, vous pourriez rapprocher le pupitre de commande du panneau lumineux ou encore optimiser les antennes, quitte à monter des directives (à 868 MHz, elles ne sont pas bien grandes !).
Quant à l’installation dans le gymnase (figure 20), nous vous conseillons d’effectuer plusieurs essais de manière à trouver la position la plus adaptée pour le panneau : il doit être installé dans un endroit bien visible par le public comme par les joueurs et, si possible, à l’abri des tirs de balles. Si une installation “à risque” ne peut être évitée, prévoyez une grille métallique à mailles larges. Lorsque le lieu d’installation optimal est trouvé, prévoyez les liaisons par câble ou par radio, allumez le système et… bon match.
Fin.
Related posts
Share this post
0 commentaires: