Version actuelle datée du 14 septembre 2022 à 18:55

Introduction

L'objectif de ce bureau d'étude est de concevoir entièrement une clé USB personnalisée.

Pour personnaliser notre clé USB, nous allons intégrer une lampe actionnable indépendemment de la clé USB (activable par un bouton). La clé devra donc comporter une batterie rechargeable lorsqu'elle est branchée sur un ordinateur (ou des piles si c'est trop dur).

Pour faire la lampe, nous utiliserons une LED Blanche (+ compacte)

I/ Notre fonctionnalité spéciale

1ère séance (17 janvier)

Lors de cette première séance, nous avons reçu les consignes attendues pour la réalisation de notre clé USB.

Nous avons également formé notre binôme et avons réfléchi à la fonction supplémentaire que nous voudrions rajouter pour personnaliser notre clé. Nous avons opté pour une lampe torche activable lorsque la clé USB est débranché à l'aide d'une batterie ou de piles, comme expliqué dans l'introduction.

2ème séance (20 janvier)

Pendant cette deuxième séance, nous nous sommes d'abord renseignés sur les composants nécessaire à la réalisation de notre lampe torche rechargeable.

Au début, nous avons essayé de recréer un système permettant à notre batterie de se recharger. (voir photo ci dessous)

Fichier:Tanguy louis fritzingz.zip

Circuit ayant pour but de recharger la batterie

Cependant après avoir échangé avec Mr.Boé et Mr Redon, nous avons convenu qu'il était préférable d'utiliser un chargeur de batterie du commerce que l'on soudera sur notre clé USB.

Enfin, nous avons choisi les composants que nous utiliseront:

• une LED blanche, 2.7V : https://fr.farnell.com/osram-opto-semiconductors/kw-dclms2-ec-cxcz-4a7d-1-20/led-4-5cd-white-8000k-smd/dp/3625387
• une batterie rechargeable NIMH, 3.6V composée de 3 piles en série : https://fr.rs-online.com/web/p/piles-bouton-rechargeables/0525843
• un chargeur NIMH adapté à la batterie choisie: https://fr.farnell.com/maxim-integrated-products/ds2715bz/chargeur-de-batterie-nimh-nsoic/dp/2798757?st=nimh

Et voici les différents liens vers les sites en rapport avec nos éléments :

• site circuit1 : https://electro-niques.blogspot.com/2013/04/chargeur-de-batterie-automatique.html
• site chargeur : https://www.maximintegrated.com/en/products/power/battery-management/DS2715.html?intcid=para

3ème séance (31 janvier)

Lors de cette 3ème séance, nous avons reproduit le schéma électronique nécessaire au branchement du chargeur de batterie à l'aide de son DataSheet.

Nous avons également fait des recherches concernant les branchements à effectuer pour mettre en relation la partie batterie-chargeur et la partie microcontroleur-led.

Fichier:Tanguylouiszip.zip

Circuit ayant pour but de recharger la batterie

4ème séance (7 février)

Fichier:Tanguylouiszip.zip

Après discussion avec M Boé, nous avons continué d'améliorer le schematic de notre circuit:

• Rename des pins de notre microcontrôleur
• Liaisons entre les différents points non liés à l'aide de Net Label
• Ajout d'un circuit en série à droite de la batterie intégrant notre lampe (interrupteur, résistance, led)

Evolution du schematic pour notre circuit.

Nous avons également commencé le routing de notre circuit.

Début du routing du circuit.

5ème séance (21 février)

Fichier:Tanguylouis bisAlex.zip

Deuxième essai pour le routage de notre circuit.

• routing beaucoup plus compact
• nous avons tenté de minimiser le nombre de via (passage par le dessous de la carte), mais nous avons tout de même dû en inclure 4, principalement pour relier deux ports éloignés du microprocesseur.
• suppression des angles droits

Routing final du circuit (face avant).

Routing final du circuit (face arrière).

6ème séance (24 février)

Amélioration et finalisation du routing (optimisation de la place et de la position des composants) + validation par les professeurs et envoi de la carte à l'impression.

Nous avons rajouté un connecteur (J2) afin de délivrer les 5V nécessaires au circuit.

Nous avons également ajouté la masse.

Voici le fichier Fritzing final:

Fichier:Tanguylouis bisAlex.zip

Routing final du circuit

En attendant le tirage de la carte, nous nous sommes renseignés sur la création de la clé USB en elle même.

Idée de design de boitier : en plastique transparente (en utilisant du PC/PMMA ou tout autre matériau similaire) afin de voir tous les composants de l'extérieur.

7ème séance (28 février)

Nous avons reçu notre carte imprimée ainsi que les premiers composants.

Carte vide

Nous avons également commandé les éléments manquants avec M Boé (résistance 0.25 ohm, 86K Ohm, thermistor, led, etc...) et débuté le soudage des premiers éléments.

Le fait d'avoir appris à souder au cours du semestre dernier nous a bien aidé.

Soudure classique (avec le fil et le fer)

8ème séance (03 mars)

Aujourd hui, on continue la soudure de nos composants.

Nous avons utilisé une nouvelle technique de soudure, la pâte à braiser.

Soudure avec la pâte à braiser

Notre soudure est quasiment finie, il ne nous reste que quelques leds à souder, puis à attendre l'arrivée de notre commande de composants.

Soudure intermédiaire

En fin de séance, nous avons décidé de tester si nos composants fonctionnaient en utilisant un multimètre. Nous avons bien fait car une résistance était cassée (probablement pendant notre soudage).

Nous avons donc retiré cette résistance, ce qui à également arraché une partie de la piste de cuivre. Avec à l'aide de M.Redon nous avons rajouté du cuivre et pu resouder notre résidence.

II/ Clé USB volume 1

Nous avons fini la première partie de la soudure.

En attendant de recevoir la totalité des composants commandés, nous avons entamé nos recherches pour connecter et incorporer notre fonction particulière à la clé USB.

9ème séance (07 mars)

Nous avons pensé à simplement ajouter des pins header entre notre carte contenant notre lampe, et celle contenant la partie USB.

En effet, en travaillant sur notre premier projet, nous avions prévu un pin header femelle, relié à une tension et à une masse.

Nous allons donc ajouter un pin header male sur la partie USB afin de relier les deux parties entre elles.

Schematic de notre partie USB

Par ailleurs, nous avons également commencé à travailler sur le PCB de la clé USB, mais nous nous somme rendu compte qu'il faudrait refaire le "support" de la clé USB via Inkscape.

10ème séance (10 mars)

Nous sommes toujours en attente de nos composants en commande...

Donc aujourd'hui, on continue de travailler sur la partie USB, et en particulier sur le PCB:

• ajout des éléments manquants pour la réalisation de notre PCB (pin header femelle)

• création sur inkscape d'une forme particulière de PCB permettant de répondre à nos besoins (légère augmentation de la taille + port USb décalé afin de faire correspondre le mieux possible les deux pins header (pour donner un rendu final centré + redimensionnement de l'échelle afin de garder la même taille au niveau de la partie s'insérant dans l'ordinateur)

• finalisation du routing

Routing de notre partie USB

Fichier:Cleusb v2tl.zip

III/ Plan B...

Après 3 semaines d'attente, nous n'avons toujours pas reçu nos composants commandés. C'est très gênant pour notre projet car nous ne pouvons pas savoir si notre première carte est fonctionnelle ou non. Et donc impossible d'aller plus loin dans la conception de notre clé USB (car schematic et routing fini).

Après discussions avec M Redon, nous avons donc décidé de travailler sur un plan B.

11ème séance (14 mars)

Nous reprenons donc le même principe, mais nous remplaçons notre chargeur de batterie NIMH par un chargeur de batterie Li-On (déjà en stock) qui chargera donc une batterie au lithium.

Ce n'est évidement pas optimal pour une clé USB puisque les batteries lithium sont beaucoup plus grosses qu'une simple clé USB mais nous n'avons pas le choix...

Référence de la batterie: MCP73831/2 (marque: Microship)

DataSheet du chargeur qui sera utilisé: https://www.gotronic.fr/pj-1100.

On a donc (re)commencé la partie schematic + routing sur Fritzing.

Schematic de notre deuxième carte

Fichier:Chargeurnum2tl.zip

Première version du routage de notre deuxième carte

12ème séance partie 1 (17 mars)

Au tout début de la séance, nous avons modifié la seconde version de notre carte pour qu'elle corresponde à ce que l'on avait prévu pour la clé USB. Pour ce faire, on a déplacé notre broche J3 en bas à gauche pour qu'elle corresponde au connecteur en bas à gauche de la clé USB.

Deuxième version du routage de notre deuxième carte

Fichier:Chargeurnum2tlseance12.zip

IV/ Comme au bon vieux temps !

Nous avons finalement reçu notre commande passée le 28 février avec les composants manquants pour la première carte !!!

12ème séance partie 2 (17 mars)

Après avoir récupéré les composants manquants (LED, résistances particulières, transistor, thermistor, diodes et surtout le chargeur de batterie), on a pu continuer le soudage de ces derniers.

Nous avons pu installer le chargeur de batterie (pièce centrale), les deux diodes, et quelques résistances.

Voici une photo de notre avancée:

Soudure 12e seance

13ème séance (21 mars)

On continue la soudure de tous nos composants (leds, résistances restantes, bouton en suspension, transistors...)

Pour la prochaine séance, il nous restera à connecter les vias et le thermistor.

Soudure intermédiaire

Nous nous sommes aperçu en testant notre bouton qu'il était inversé. En effet, la led est allumée "par défaut" et s'éteint lorsque l'on appuie sur le bouton. Elle se rallume lorsque l'on enlève la pression du bouton.

Nous avons donc réfléchi à une possibilité de résoudre ce problème:

• se renseigner sur la possibilité que le bouton reste activé meme après avoir enlevé la pression, et ne se désactive qu'après une deuxième pression
• en dernier recours, remplacer le bouton par un interrupteur.

14ème séance (24 mars)

Nous avons finalement terminé la soudure des derniers composants et des 4 vias !

Cependant, nous avions choisi les mauvaises pattes sur Fritzing pour le bouton S1 et le transistor Q1, qui était un transistor spécial fourni par le constructeur du chargeur de batterie.

La prochaine étape consistera à brancher les batteries et à voir si elle se rechargent et si la LED blanche s'allume lorsque ces dernières sont chargées (ce que nous feront à la prochaine séance) !

Voici les photos de notre soudure finie !

Soudure finale dessus

On peut notamment voir sur cette photo la technique utilisée pour connecter les composants à leur pattes même si ces dernières ne sont pas conformes. Nous avons donc, avec l'aide de Mr BOE, utilisé cette technique afin de relier les composants et la piste par l'intermédiaire d'un fil. Ce fut le cas pour le transistor Q1 et le bouton S1. cette technique a également été utilisé pour le thermistor R11 car ce dernier doit être collé à la batterie pour capter sa température (c'est une sorte de capteur régulant le courant en cas de trop grosse augmentation de température).

Soudure finale dessous

Ici, nous pouvons voir notre PCB vu du dessous. Plus précisément, on voit les vias que nous avons installé pour éviter de potentiels courts circuits si deux pistes différentes se croisent sur le dessus du PCB.

15ème séance (28 mars)

Aujourd'hui, nous espérons enfin pouvoir tester notre carte.

Il nous reste à ajouter les deux connecteurs et la batterie, ce que nous avons fait. On a connecté un support pour trois piles NIMH et nous avons appuyé sur le bouton et... ça a marché ! Notre LED s'allume bien avec des piles chargées. La deuxième partie à vérifier est la charge des batteries (plus complexe...). Pour ce faire, nous avons comparé la documentation du constructeur de batterie (https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS2715.pdf) en deux points :

• Premièrement, nous allons vérifier la tension au bornes de R9, qui correspond à la tension Vsns sur la doc.
• Deuxièmement, on vérifie la tension aux bornes de C1, qui correspond à la tension Vch

Tensions théoriques

En théorie, ces tensions sont censés être respectivement triangulaire et rectangulaire. C'est ce que nous allons vérifier avec un oscilloscope à la prochaine séance. Nous avons également vérifié la tension aux bornes de la batterie, de la même manière.

On valide également avec les professeurs le routage de notre clé USB afin de pouvoir commencer à la souder à la prochaine séance + envoi de la carte par mail.

16ème séance (31 mars)

Lors de cette séance, nous avons approfondis nos tests sur notre clé. L'objectif étant de voir si les piles se rechargent ou non.

Tout d'abord, nous avons utilisé des piles partiellements rechargés afin de voir le comportement de nos éléments (transistor, piles etc).

Pour cela, nous avons utilisé:

• un générateur pouvant faire varier la tension et l'intensité du courant.

• un multimètre afin de tester les valeurs de tensions. Nous en avons également profité pour vérifier que chaque résistances était fonctionnelle.

• un oscilloscope afin de comparer les allures des tensions avec celles du constructeur.

Voici un schéma de notre montage effectué.

Montage

• Nous avons tout d'abord testé notre tension aux bornes de Vsns

En branchant l'oscilloscope aux bornes de R9, nous obtenons le signal triangulaire ci-dessous. On a observé que le signal obtenu étais ressemblant à celui de la documentation, bien que moins "propre". Au niveau des valeurs, elles sont également similaire au tableau de valeurs de la documentation.

Allure de la tension Vsns avec l'oscilloscope

Allure de la tension Vsns en théorie

• Nous avons ensuite testé notre tension aux bornes de Vch

Ici, on a branché l'oscillo aux bornes de C1, et on retrouve également un signal semblable à celui théorique. On observe en effet un signal rectangulaire (même si il est très moche) et nos valeurs sont cohérentes.

Allure de la tension aux bornes de Vch avec l'oscilloscope

Allure de la tension Vch en théorie

Nous avons ensuite décidé de tester notre circuit avec des piles non chargées (bien sûr on a regardé si elles pouvaient se charger). Puis nous les avons branchés sur notre circuit avec un générateur de 5V en espérant que les piles se rechargent.

Photo de l'allure de la tension aux bornes de la batterie

Au cours de nos tests, nous avons cassé notre bouton (il s'est déssoudé). C'est la 2eme fois en 3 séance que ça arrive et c'est assez génant. En effet, laisser notre bouton en suspension alors qu'il est souvent soumis à une pression de notre part n'es pas génial.

Nous avons donc pensé à une autre solution (qui résoudrait également notre problème de bouton posé à la 13e séance). On remplacerait notre bouton par deux fils soudés au niveau des pates du bouton.

Ainsi, ces deux fils fonctionneraient comme un interrupteur (ouvert lorsque les deux fils ne se touchent pas, et fermé lorsque l'on mets les deux fils en contact).

V/ Clé USB volume 2

En continuant sur nos travaux des séances 9 et 10, nous allons maintenant entamer la dernière étape de ce projet, notre clé USB.

17ème séance (4 Avril)

Après avoir laissé nos piles charger sur notre circuit pendant 1h la semaine derniere, elles affichaient davantage de batterie (on a comparé sur le chargeur permettant de voir le niveau de batterie).

Notre système à donc l'air de fonctionner.

• En attendant de recevoir le PCB de notre clé USB, nous avons remis à charger nos piles afin de vérifier notre système une seconde fois.

• Nous nous sommes renseigné sur le codage de notre clé USB, même si nous ne pensons malheureusement pas avoir le temps d'arriver à ce stade (ça sera pour notre culture générale).

• Nous avons également commencé à souder la clé USB en utilisant le modèle d'une clé déjà imprimée (celle du groupe 1, qui comme nous a utilisé un connecteur pour poser sa carte sur la clé USB), et en suivant le schematic que nous avions modifié et finalisé à la séance 9.

Schematic de notre partie USB

Nous nous sommes donc rendus en C202, ou nous avons soudés en utilisant de la pâte à braiser et les caméras mises à disposition (c'est super pratique).

Voici l'avancée de notre soudage: des résistances et des condensateurs.

Clé à la 17èmè séance

• Enfin, nous avons également complété et corrigé quelques erreurs sur le wiki (fautes, formulations, oublis...)

18ème séance (7 Avril)

Mr REDON a commencé a corriger et débuguer notre carte.

En faisant ceci, il a remarqué plusieurs courts-circuits sur notre PCB, qui étaient des erreurs lors de la conception de la carte en usine.

Nous avons donc commencé notre séance en déssoudant C3, C6 et R37, comprenant des courts circuits afin que M REDON puisse "arranger" la carte.

En attendant cela, nous nous somme renseigné sur la partie codage de la clé USB (même si nous n'aurons probablement pas le temps de finaliser le codage de notre clé au vu des séances restantes).

On a ensuite pu souder quelques résistances, condensateurs et LEDs, le quartz, le microcontrôleur.

Clé à la 18ème séance

19ème séance (25 Avril)

Aujourd'hui, poursuite du soudage.

Nous avons soudé en salle C202 le reste des composants nécessaires afin d'effectuer nos premiers tests.

• 2 résistances

• 4 condensateurs

• un régulateur

Clé à la 19ème séance

Nous avons décidé de réaliser tout d'abord le test de reconnaissance de la clé USB avec les leds avant de souder les mémoires, afin de nous assurer du bon fonctionnement de la clé et de notre soudage.

Et nous avons bien fait. En effet, après avoir testé notre carte dans le port USB d'un PC, nous nous sommes rendu compte que la carte surchauffait signifiant qu'il y a un court circuit.

En parlant de notre problème avec les professeurs. Nous avons essayé de dessouder une résistance (R39) cependant sans succès, le court circuit était toujours là.

Cependant, lors du 2e test avec les professeurs, nous nous sommes rendu compte que seul le microcontrôleur surchauffait, et qu'il n'y avait pas de court circuit entre le courant et la masse.

Nous avons poursuivi nos recherches pour trouver ce qui court-circuitait le circuit

Nous avons alors dessoudé notre régulateur sur demande des professeurs (ce qui n'a pas été facile), mais la carte été toujours en court circuit.

Puis, toujours avec nos professeurs, nous avons remarqué qu'il y avait un court circuit entre certaines pattes de notre microcontrôleur, qui n'aurait pas du arriver.

Nous avons finalement dessoudé C5, et nous nous somme rendu compte que les deux pattes étaient reliées. C'était donc une erreur de conception que nous n'avons pas vu au moment de souder...

M.Redon a donc utilisé sa disqueuse pour enlever ce court circuit.

Au cours de la dernière séance, il nous faudra donc:

• ressouder les éléments manquants

• vérifier que la clé USB ne surchauffe plus

• effectuer le test des leds

• souder les mémoires

• tester les mémoires

20ème séance (28 Avril)

Dernière séance. Nous sommes arrivés 20 minutes avant afin de ressouder nos composants: régulateur, condensateur, micro controleur.

Nous avons également du créer un via puisqu'une piste avait été cassée (voir photo).

Nous avons ensuite testé notre clé USB et MIRACLE: on ne se brule plus les mains quand on la touche.

Cependant, elle n'est pas reconnue lorsque l'on fait une recherche USB dans le terminal.

Ce problème était peut être lié au fait que les pattes du milieu de l'USB (usb +, usb -), nous avons donc avec M Boé limé une partie de notre clé en C202.

Cependant, en testant à nouveau, notre clé n'est toujours pas reconnue.

Un autre test réalisé fut celui de tester le bon fonctionnement des alimentations et des masses. Ce dernier fut concluant et le problème ne venait donc pas de là.

Après ces nombreux tests, une observation à la loupe nous a permis de voir un court-circuit au niveau de quartz.

Une fois ressoudé correctement, notre clé est enfin détecté par l'ordinateur ! (ici à la ligne "Bus 003 Device 006").

Commande lsusb

Media:test_led.mp4

Notre dernier pas dans ce projet fût le soudage des deux mémoires à l'arrière. A cause d'un manque de temps, nous n'avons malheureusement pas pu programmer ces dernières.

Commande lsusb

Conclusion

Voici tout de même quelques photos de nos réalisations après 20 séances de travail :

Il nous a manqué quelques séances pour mener à bien notre projet et pouvoir tester les deux parties (fonctionnalité et clé USB) ensembles. Malheureusement nous avons perdu quelques séances en attendant notre commande de composant, et nous avons eu pas mal de soucis techniques au moment du soudage de notre clé USB (courts circuits du fabriquant). Et c'est probablement à cause de ça que nous n'avons pas pu finir entièrement notre clé USB.

Cependant, malgré le fait que nous ne sommes pas parvenu à bout de ce projet, nous avons pu découvrir énormément d'aspect théorique et pratique de la spécialité Systèmes Embarqués de Polytech Lille, et nous tenons à remercier Mr REDON et Mr BOE pour cet apprentissage. De la conception à la programmation en passant par le soudage, c'était très intéressant et plaisant de voir notre lampe torche et notre clé USB évoluer au fil des séances !

Merci beaucoup !!!

Tanguy & Louis