MINI CENTRALE SANS
FIL
Présentation
Introduction:
Piloter des trains avec un bon transformateur et un variateur fait
partie des grands classiques du modélisme ferroviaire. Cette sensation tactile
avec le bouton du variateur est agréable et au combien ludique. Les systèmes de
commande actuels favorisent beaucoup les interfaces informatiques de type
clavier et souris voire smart phone. Le concept de la mini-centrale est
d’allier la commande manuelle et la puissance de l’électronique numérique.
Les
fonctionnalités:
La fonctionnalité principale de la mini-centrale est de commander 2
trains en mode analogique ou en mode numérique (digital DCC) avec une commande
sans-fil. Cette télécommande a l’avantage de ne nécessiter aucun réglage et
elle s’appaire automatiquement avec la mini-centrale. Vous pouvez donc suivre
au plus près la circulation de votre train sur le réseau.
Deux sorties indépendantes permettent de commander les locomotives sur
deux voies distinctes (par exemple : sortie 1 pour la voie 1 et
sortie 2 pour la voie 2).
Par défaut la mini-centrale est en mode analogique. Pour passer en mode
numérique (standard DCC) il est nécessaire de charger le programme dédié.
Le cœur numérique :
Le cœur numérique est un petit circuit programmable nommé Arduino Nano dont les spécifications sont les suivantes :
Microcontrôleur
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Atmel ATmega168 or ATmega328
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Voltage en fonctionnement (Niveau logique)
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5 V
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Voltage d’entrée (recommandé)
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7-12 V
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Limites Voltage d’entrée
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6-20 V
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Entrée/Sortie numériques
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14 broches (dont 6 fournissent du PWM)
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Entrée analogique
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8
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Courant continu par E/S
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40 mA
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Mémoire Flash
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16 KB (ATmega168) ou 32 KB (ATmega328) dont
2 KB utilise par le bootloader
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SRAM
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1 KB (ATmega168) ou 2 KB
(ATmega328)
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EEPROM
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512 bytes (ATmega168) ou 1
KB (ATmega328)
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Vitesse d’horloge
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16 MHz
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Dimensions
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18 x 43 mm
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La programmation se
fait avec un langage évolué et le chargement du programme se fait via une
liaison USB.
Le principe du microcontrôleur
est de pouvoir gérer des entrées et sorties analogique ou numérique très
rapidement et simplement.
Le booster :
Bien souvent les booster du commerce sont volumineux. Heureusement, il y
a des exceptions grâce à l’intégration de l’électronique. Nous avons une petite
merveille qu’est le module de contrôleur de moteur (merci à la robotique). Non
seulement il est petit mais il est capable de délivrer 2A.
Ce module basé sur le L298N (ST) permet de piloter deux sorties avec une tension d'alimentation de 4,8V à 46V et un courant maximum de 2A par sortie. Le L298 est équipé d'un radiateur pour dissiper la chaleur.
La carte possède un connecteur d'alimentation avec une alimentation pour la logique, une autre pour les moteurs et une masse commune.
Les caractéristiques sont les suivantes :
Alimentation de la partie
logique
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6 à 12 V (régulateur +5V sur
la carte)
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Alimentation de puissance
moteur
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4,8V à 46V.
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Consommation de la partie
logique Iss
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36mA.
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Courant maximum pour les
moteurs
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2A.
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Dissipation maximale (T =
75°)
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25W
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Dimensions
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47 x 53 x 30 mm
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Poids
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29 grammes
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Les sorties sont commandées
par Modulation par impulsion codée (PWM). Ceci est tout a fait compatible du
DCC pour le digital (Impulsions courtes et longues) et aussi pour l’analogique
si la fréquence des impulsions est suffisamment faible (pour éviter les
résonances des bobinages des moteurs qui peuvent être destructrices à basse
vitesse).
La radio :
Plus petit serait difficile à trouver. Il s’agit d’un émetteur/récepteur
dans la bande des 2.4 GHz.
Ce tout petit circuit se nomme NRF24L01, il est très
intégré, et fonctionne avec très peu de puissance et supporte un débit maximum de
2Mbps. Il est utilisé dans l’industrie,
les domaines scientifiques et le médical. Grâce à sa très faible consommation
(moins de 14mA en émission/réception, et de l’ordre du μA en mode repos, gestion
de la puissance optimisée, le NRF24L01 est vraiment une solution ultra basse
puissance qui permet de fonctionner pendant des mois (voire une année) avec des
piles boutons ou des piles AA/AAA. Le protocole de communication matériel permet
de fonctionner très rapidement avec des applications gérées par un microcontrôleur.
Les caractéristiques sont les suivantes :
Alimentation
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3-3.6V (3.3 recommandé)
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Puissance de sortie maximum
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+20dBm
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Courant (crête) en émission
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115mA
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Courant (crête) en réception
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45mA
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Courant en mode repos
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4.2uA
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Dimensions
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34 x 14 x 11 mm
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Poids
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2 grammes
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L’architecture de
la centrale:
Avec tous ces éléments la conception de notre centrale est quasiment
faite. Nous avons le microcontrôleur Arduino Nano pour la gestion des sorties
pour le mode analogique ou digital et le traitement de la commande reçue de
l’interface radio. Lors du fonctionnement, une LED s’allume pour indiquer que
la centrale est opérationnelle.
Les deux sorties sont amplifiées et protégées par le booster L298N.
La partie radio est assurée par le NRF24L01.
Pour l’alimentation nous proposons d’utiliser une alimentation de PC
portable qui peut délivrer 19/20V 3 ou 4A. L’avantage de ce type d’alimentation
est que c’est protégé (côté secteur et basse tension) et puissant. Cependant,
nos circuits de commande ne fonctionnent bien qu’en 3.3V. Ceci nous oblige donc
à utiliser un petit régulateur de tension.
L’architecture de
la radiocommande:
C’est simplissime car c’est le Arduino Pro mini qui réalise la
transformation des commandes des potentiomètres en messages à transmettre par
le module radio.
Le choix du Arduino Pro mini est lié à l’optimisation du coût et surtout
de la place pour que cela tienne dans un petit boîtier de commande du commerce.
De plus, le programme est chargé une seule fois dans la commande sans fil et
ceci quelque soit le mode d’utilisation de la centrale (analogique ou
digitale).
Exemples de réalisations:
La mini-centrale est conçue pour tenir dans des boîtiers standards du commerce. Ci-dessous, deux exemples. Les composants sont strictement identiques. Seuls leur disposition change en fonction de la place disponible.
Ci-dessous, une mini-centrale et une mini-commande (pour commander deux trains).
