Version du 22 mai 2020 à 13:07

Introduction

Le but de notre projet est de fabriquer une clé USB avec une fonctionnalité de mettre l'heure sur celle-ci, branché sur le port USB du PC, cette clé peut nous donner l'heure, pratique si votre PC est en pleine écran, pas besoin de sortir votre téléphone uniquement pour regarder l'heure. Cette clé USB est essentielle pour tous ceux qui travaille 24 heures sur 24 sur un ordinateur portable ou fixe, de jour comme de nuit.

Fonctionnalité et matériel utilisé

Micro-contrôleur AVR ATMega16u2

Image d'un quartz FA

• Capacité de la mémoire

• Vitesse de lecture (entre basse et haute vitesse)

Fonctionalités ajoutées :

• Affichage de l'heure

Matériel utilisé :

• Carte électronique USB et Horloge

• Micro-contrôleur AVR, ATMEGA328P pour l'horloge et ATMEGA16U2 pour la clé

• Une RTC (Real Time Clock)

• Mémoires

• Autre composants (résistances, condensateurs, transistor)

• Circuit de quartz FA

• Un afficheur 7 segments, 4 digits, pour l'horloge

Initiation aux logiciels

Pour nous familiariser avec les logiciels Fritzing et IDE Arduino, nous avons créé un dé, voici les composants pour la création de notre dé :

• ATtiny84 avec 14 pattes
• 7 leds vertes
• 7 résistances de 220 ohms de préférence

Schéma de notre dé

PCB de notre dé

Notre dé

• une batterie et un bouton poussoir

Dans un temps, on a créé le schéma PCB de notre dé, puis nous avons relier les composants ensemble sur le schéma "circuit imprimé" dans le logiciel Fritzing. Voici le fichier .fzz : media:De_G11.zip

Ensuite, nous avons programmer notre ATtiny84 à l'aide de l'IDE Arduino, dans un premier temps, nous avons créé ce programme :

  //Le port 0 correspond à la led 1
  //Le port 1 correspond à la led 2
  //Le port 2 correspond à la led 3
  //Le port 3 correspond à la led 4
  //Le port 4 correspond à la led 5
  //Le port 5 correspond à la led 6
  //Le port 6 correspond à la led 7
  //Le port 9 correspond au bouton
  //J'ai pris le chiffre des pattes de attiny84 non-alternative pinout comme vous avez dit
  int led[7]={0,1,2,3,4,5,6};
  int etat_btn=0;
  BTN =9
  const int etat_de[7][7]={                        //Ici, les états que peut prendre notre dé en fonction du chiffre obtenu.
    {LOW,LOW,LOW,LOW,LOW,LOW,LOW},
    {LOW,LOW,LOW,HIGH,LOW,LOW,LOW},
    {LOW,HIGH,LOW,LOW,LOW,LOW,HIGH},
    {LOW,HIGH,LOW,HIGH,LOW,LOW,HIGH},
    {HIGH,HIGH,LOW,LOW,LOW,HIGH,HIGH},
    {HIGH,HIGH,LOW,HIGH,LOW,HIGH,HIGH},
    {HIGH,HIGH,HIGH,LOW,HIGH,HIGH,HIGH},
  };
  
  void setup() {
   // put your setup code here, to run once:
   pinMode(led[0],OUTPUT); // On indique de les broches 10 à 3 peuvent recevoir du courant
   pinMode(led[1],OUTPUT);
   pinMode(led[2],OUTPUT);
   pinMode(led[3],OUTPUT);
   pinMode(led[4],OUTPUT);
   pinMode(led[5],OUTPUT);
   pinMode(led[6],OUTPUT);
   pinMode(BTN,INPUT_PULLUP);
   //randomSeed(analogRead(0)); //On initialise notre random
   //Serial.begin(9600)
 }
  
 void loop() {
   // put your main code here, to run repeatedly:
   etat_btn = digitalRead(BTN);
   if ( etat_btn == LOW ){ //On regarde si notre capteur (à la broche 3) est allumé : "low" puisque input_pullup inverse le mode input
     int chiffre_de,i;
     chiffre_de=random(1,7);
     for(i=0;i<7;i++){
       digitalWrite(led[i],etat_de[chiffre_de][i]);}} //On effectue les actions à faire pour les 7 leds
 }
 // Je n'ai pas mis de delay() puisque le programme marche seulement apres l'appui du btn

Ce code marche avec notre carte : media:Grp11de.mp4, afin d'aller plus loin, il y a certains bug à corriger dans ce code. Par exemple, lorsque qu'on appuie sans relâcher le bouton, un "6" s'affiche, le code n'est pas censé faire ça.

Création de notre clé usb

Nous avons repris la clé USB issue du fichier Media:cle_usb_bisv2.zip (On peut toujours changer si nécessaire)

Cependant, comment va t'on crée notre horloge ?

On va faire un programme, avec un microcontrôleur contrôlant un afficheur 7seg :

Schéma de base de notre circuit

Real time clock MCP79410

Afficheur 7 segments

ATMEGA328P

Voici le matériel :

• 11 résistances

• afficheur 4 chiffres 7seg HDSP_B09G

• Micro-controleur ATmega328P Nous avons choisi ce modèle puisque nous avons besoin de beaucoup de broches (4+7 pour 7seg, puis plusieurs autres pour les autres fonctionnalité)

• transistor (à voir le modèle)

• Une RTC MCP79410

Schéma de notre circuit

Or ce modèle est obsolète à l'heure actuelle, il manque énormément de composant mais ce schéma représente le début de nos travaux

Création du composant pour Fritzing

D'abord il faut crée le composant HDSP-B09G, notre afficheur 7 segments avec 12 pins, il faut recrée le schématique et le PCB à l'aide du logiciel Inkscape :

PCB : Ici, grâce au logiciel Inkscape, on a récréé le schéma pour le PCB en m'inspirant d'un composant 7 segments 4 digits de base, on a déplacé les disques de cuivres pour que celle-ci correspond avec le 7 segments 4 digit qu'on a choisi

Schématique : On ne l’a pas changé, on a gardé celui de base IC

Ensuite, on a relié les connexions, le fichier d'import du composant HDSP-B09G est disponible ici : Fichier:7seg hdsp b09g.zip

Pour les quartz, nous avons repris l'empreinte des quartz FA.

Finalement, pour notre RTC, un IC boîtier SO avec 8 pins suffit

Empreinte du quartz FA

Empreinte de notre afficheur 7seg

Création du PCB sur fritzing

Nous avons suivi le premier schéma que nous avons créé, sauf nous avons rajouté :

• Le bon micro-contrôleur et afficheur 7seg Atmega328P avec les rajouts de composants supplémentaire (capacité, circuit quartz...)
• La RTC MCP79410, nous avons ajouté le circuit supplémentaire pour le bon fonctionnement de celle-ci :

Schéma de notre pcb

Cependant il faut calculer la valeur de nos capacités aux bornes du quartz de 32.768 KHz, grâce aux données sur la datasheet fournie avec le composant, nous avons trouvé la formule afin de calculer nos deux capacités :

Formule pour calculer la Load Capacitance

Or, nous n’avons pas toutes les données nécessaires afin de calculer les valeurs, donc en recherchant AN1519, “Recommended Crystals for Microchip Stand-Alone Real-Time Clock Calendar Devices”, nous avons trouvé les valeurs optimales des capacités aux bornes de notre quartz de la RTC, c'est-à-dire, C1 = 12pF et C2 = 10pF :

Evolution de la fréquence du quartz en fonction de la tension

Nous avons aussi fait :

• L'ajout d'un ICSP pour programmer l'ATmega328P
• L'ajout d'une capacité de découplage aux bornes du Vcc et une résistance de 10Kohm pour le reset
• L'ajout d'une batterie de secours dans la RTC afin qu’elle reste active quand la clé n'est pas branchée

Pour le routage du PCB, nous avons mis des fils de taille 16mil, puis nous avons optimisé au maximum notre PCB

Au final, voici notre PCB : Fichier:HorlogeG11v2.zip (Le fichier .fzz est dans le dossier compressé, ne pas renommer le .zip)

Schéma de notre schématic

Schéma de notre pcb

Programmation de notre horloge

La dernière étape de la création de notre horloge est la création du code pour que notre horloge fonctionne, c'est pour cela que nous avons ajouté un ICSP afin de programmer notre ATmega328P.

Après réflexion, voici les principales étapes de notre programme :

1. Déclaration des variables et fonctions pour notre code

2. Initialiser la RTC

3. Récupérer l'heure de la RTC

4. Décoder les données obtenues et envoyer chaque digit un par un vers l'afficheur 7 segments

Notre programme est disponible ici : Fichier:HorlogeG11code.zip

Codage en BCD

Tout d'abord, il faut comprendre les données reçus et envoyés par la RTC.

La RTC stocke l'heure dans différente adresses sous forme de codage BCD

Voici un exemple simple pour comprendre le codage bcd : le chiffre 45 vaut "0100 0101" en codage BCD ("0100" = 4 et "0101" = 5)

Voici comment la RTC stocke les minutes et heure en BCD

Il faut donc créer ou récupérer une fonction qui permet de coder un chiffre en bcd et inversement.

Bibliothèques Arduino

Il faut également récupérer une bibliothèque Arduino afin d'utiliser la RTC.

Nous avons trouvé une bibliothèque codée en Langage C : Fichier:Mcp79140.zip

Nous allons pouvoir exporter 2 fonctions essentiel pour utiliser notre RTC :

• La fonction mcp79410_set_date_time, cette fonction ne renvoie rien, elle écrit en codage bcd, la date dans les adresses de la RTC grâce à la fonction "i2c_write"

  void mcp79410_set_date_time (uint8_t day, uint8_t mth, uint8_t year,uint8_t 
  dow,uint8_t hr, uint8_t min, uint8_t sec)
  { 
  sec &= 0x7F; 
  hr &= 0x3F; 
  //TODO: check leap year and configure reg 5
  i2c_start(); 
  i2c_write(RTC_WRITE_CONTROL);     // I2C write address 
  i2c_write(0x00);                  // Start at REG 0 - Seconds 
  i2c_write(int2bcd(sec) | 0x80);   // REG 0 
  i2c_write(int2bcd(min));          // REG 1 
  i2c_write(int2bcd(hr));           // REG 2 
  i2c_write(int2bcd(dow) | 0x38);   // REG 3 
  i2c_write(int2bcd(day));          // REG 4 
  i2c_write(int2bcd(mth));          // REG 5 
  i2c_write(int2bcd(year));         // REG 6 
  //i2c_write(0x43);                // REG 7 - 32.768 KHz Square Output
  i2c_write(0x40);
  i2c_stop(); 
  } 

• La fonction mcp_get_time, cette fonction ne renvoie rien, elle lit les données aux adresses de stockage du temps de la RTC grâce à la fonction "i2c_read" et stocke ces données dans le pointeur structure en paramètre.

  void mcp79410_get_time (rtc_t* mcp_rtc)
  { 
 
  i2c_start(); 
  i2c_write(RTC_WRITE_CONTROL); 
  i2c_write(0x00);            // Start at REG 0 - Seconds 
  i2c_start(); 
  i2c_write(RTC_READ_CONTROL); 
  mcp_rtc->sec    = bcd2int(i2c_read() & 0x7f); 
  mcp_rtc->min    = bcd2int(i2c_read() & 0x7f); 
  mcp_rtc->hour  = bcd2int(i2c_read(0) & 0x3f); 
  i2c_stop();  
  } 

On remarque que cette bibliothèque utilise des fonctions int2bcd et bcd2int permettant de faire le décodage et codage en bcd, du coup on les exporte également :

  uint8_t int2bcd(uint8_t int_value)
  {
  return ((int_value / 10) << 4) | (int_value % 10);
  }

  uint8_t bcd2int(uint8_t bcd_value)
  {
  return (bcd_value >> 4)*10 + (bcd_value & 0x0F);
  }

On remarque que ces fonctions utilisent la bibliothèque "i2cmaster.h", on avons trouvé une bibliothèque de ce genre ici : Fichier:I2cmaster.zip, cette bibliothèque permet d’utiliser notamment fonctions i2c_read et i2c_write, d'une façon générale, cette bibliothèque possèdes des fonctions permettant de communiquer avec les microcontrôleurs sur les bus I2C.

Note : Après compilation de notre programme sur Arduino IDE, il y a quelques "warning" sur les fonctions de la bibliothèque "i2cmaster.h" et quelques erreurs de code sur "mcp79410.h"

Déclaration des variables

Pins de l'atmega328P

D'abord nous avons rassembler les numéros pins de l'ATmega328P correspondant aux leds et aux digits de l'afficheur 7 segments dans 2 tableaux d'entiers :

  const int pinLed[8]={1,3,6,8,9,2,5,7}; //{A,B,C,D,E,F,G,DP}
  const int pinDigit[4]={0,14,15,4};//{dig1,dig2,dig3,dig4}

Puis nous avons défini un tableau bidimensionnel contenant soit HIGH ou LOW permettant d'allumer certaines leds ou non selon le chiffre voulu, pourquoi faire ceci ? Ceci nous permet de gagner énormément de temps d'écriture et de place de notre code, cela rend le code bien lisible, et ce système est déjà utilisé lors de la programmation du dé électronique

Numérotation des leds du 7seg

  const int afficheLed[10][8]={ //{A,B,C,D,E,F,G,DP} 
     {HIGH,HIGH,HIGH,HIGH,HIGH,HIGH,LOW,LOW},
     {LOW,HIGH,HIGH,LOW,LOW,LOW,LOW,LOW},
     {HIGH,HIGH,LOW,HIGH,HIGH,LOW,LOW,LOW},
     {HIGH,HIGH,HIGH,HIGH,LOW,LOW,HIGH,LOW},
     {LOW,HIGH,HIGH,LOW,LOW,HIGH,HIGH,LOW},
     {HIGH,LOW,HIGH,HIGH,LOW,HIGH,HIGH,LOW},
     {HIGH,LOW,HIGH,HIGH,HIGH,HIGH,HIGH,LOW},
     {HIGH,HIGH,HIGH,LOW,LOW,LOW,LOW,LOW},
     {HIGH,HIGH,HIGH,HIGH,HIGH,HIGH,HIGH,LOW},
     {HIGH,HIGH,HIGH,HIGH,LOW,HIGH,HIGH,LOW}};

Et finalement les variables des secondes, minutes... jusqu’à l'année, un tableau d'entier et un pointeur sur structure qui vont recevoir les données des minutes et des heures, puis deux variables i et j, qui sont des compteurs :

  int i,j;
  uint8_t sec,minutes,heures,JdS,jour,mois,annee;
  uint8_t valeur[4];
  rtc_t *mcp_value;

(Le type "rtc_t" est défini dans "mcp79410.h")

Dans la fonction SETUP

Dans cette fonction, nous allons initialiser l'heure manuellement (dans le code ci-dessus la date qui correspond à Mercredi 13 mai 2020, 23h18 et 23 secondes), puis nous autorisons les pins de l'ATmega328P à recevoir du courant :

  void setup() {
     // put your setup code here, to run once:
     for(i=0;i<8;i++){pinMode(pinLed[i],OUTPUT);}
     for(i=0;i<4;i++){pinMode(pinDigit[i],OUTPUT);}
     //Serial.begin(9600);
     sec = 23;
     minutes = 18;
     heures = 23;
     JdS = 3;
     jour = 13
     mois = 5;
     annee = 2020;
     mcp79410_set_date_time (day,mth,year,wd,hour,minu,sec);
  }

Dans la fonction LOOP

La fonction Loop, est la fonction qui se répète en boucle, c'est ici qu'on va programmer l'essentiel pour faire fonctionner notre horloge.

Le principe est simple, notre code consiste à allumer un digit et d'y envoyer un chiffre pendant un très court instant, ensuite on passe au deuxième, au troisième et enfin au quatrième, et on recommence l'opération en boucle tout en lisant l'heure de la RTC à chaque début de boucle. En effet, si le digit clignote avec une fréquence très élevée, notre œil ne pourra pas remarquer le clignotement de ce dernier. L'horloge apparaîtra donc fixe à nos yeux.

Dans un premier temps, on récupère l'heure actuelle grâce à la fonction "mcp79410_get_time", l'heure ainsi obtenu sera stockée dans la structure "mcp_value" définie précédemment. En réalité, mcp_value est un pointeur qui pointe vers une structure, du coup on utilise "->" afin de parcourir les différentes constantes dans cette structure. A la fin de cette étape nous avons les minutes dans "mcp_value->min" puis l'heure dans "mcp_value->hour", il faut donc décomposer ces nombres en chiffre pour les envoyer dans l'afficheur 7seg. Pour ce faire, rien de plus simple, pour avoir les dixièmes de minutes, on divise notre nombre par 10, comme on fait une division sur 2 entiers, la division va nous renvoyer une division entière. Pour avoir l'autre chiffre, on fait tout simplement le module des minutes. Même étape pour l’heure. Ces valeurs sont rangées dans le tableau "valeur" allant de 0 à 3. Pour finir, on va écrire les chiffres du tableau valeur dans l'afficheur 7seg. Pour ce faire :

• on fait une boucle à 4 répétitions nommée "i" (car 4 digits),
• on envoie du courant sur les pins de l'ATmega328P reliés aux digits de l'afficheur 7seg,
• on initialise une autre boucle à 8 répétitions nommée "j" (car 8 leds à allumer potentiellement)
• on envoie du courant (ou pas) sur les pins de l'Atmega328P reliés aux leds de l'afficheur 7seg selon le chiffre voulu (fin de la boucle j)
• on éteint le digit (fin de la boucle i) (On pourrait ajouter un très léger délai)

Voici donc le code en question, cependant le code n'est pas encore testé, il est probable que ce dernier présente une erreur non-corrigible par la compilation.

  void loop() {
     // put your main code here, to run repeatedly:
     mcp79410_get_time (mcp_value);
     valeur[0] = (mcp_value->min)%10;
     valeur[1] = (mcp_value->min)/10;
     valeur[2] = (mcp_value->hour)%10;
     valeur[3] = (mcp_value->hour)/10; //On décompose nos valeur obtenu pour avoir des chiffres
     for(i=0;i<4;i++)
     {
       digitalWrite(pinDigit[i],HIGH); //Le digit i est allumé
       for(j=0;j<9;j++)
       {
         digitalWrite(pinLed[i],afficheLed[valeur[0]][i]);
       }
       digitalWrite(pinDigit[i],LOW); //On éteint le digit i
     }

Conclusion

En vue des conditions exceptionnelles cette année, nous n’avons pas fini concrètement notre clé USB + horloge intégrée, mais cependant à la rentrée, nous pouvons tester si notre carte marche ou non.

Dans la partie "PCB" de notre horloge, nous pouvons améliorer notre horloge en implantant un biper qui bipe à chaque heure, or nous manquons de place dans notre PCB et microcontrôleur. Notre carte électronique fait à peu près la taille de notre afficheur 7seg (5.08 x 3.81 cm pour être plus précis) avec une peu plus d'optimisation nous pouvons atteindre la taille exacte de notre afficheur 7seg, mais pourquoi une telle optimisation ?

• Cela nous permet de réduire au maximum le coût de la carte électronique et d'économiser le composant dans lequel nous gravons la carte. Pour seule carte, cela semble être de trop mais dans un point de vue commercial, en production en chaîne, cela permet d'économiser beaucoup d'argent !
• De plus cette optimisation permet de rendre la carte un peu plus commercialisable, en créant un support boîtier pour notre clé USB, cela permet de rendre notre clé beaucoup plus esthétique (Il faut trouver un afficheur 7seg blanc au lieu de vert pour l’esthétique aussi !!)

Nous avons hâte de découvrir le résultat final de notre horloge !

Dans la partie programmation de notre ATMega328P, le code doit être impérativement tester sur notre carte, et actuellement ce code ne marche probablement pas. Dans l'avenir, nous devons optimiser notre code pour que tout marche, voici déjà quelques optimisations à apporter :

• Envoyer du courant au leds avant d'allumer le digit pour éviter les bugs et tout remettre à zéro pour être sûr.
• Régler les problèmes de warning et d'erreurs des bibliothèques.
• Essayer d'utiliser la fonction switch, case, break, que nous n'avons pas utilisé.
• Il peut avoir quelques problèmes sur la nomination des pins de l'ATmega328P et sur la déclaration des variables.

En effet, ce n'est pas évident (même impossible) de créer un programme sans le tester, cependant nous avons fait un code qui théoriquement marche.

Au final, nous avons utilisé la deuxième version de la clé USB sans changer la Bibliothèque LUFA car nous avons eu très peu temps pour le faire, et nous manquons de connaissance pour changer cette bibliothèque, il faudra peut-être basculer vers la clé à 16Mo de capacité