LE SYSTEME KIWI MILLENIUM
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1. un syst me e est il gauche ou droite e est ce que l appareil photo vise le haut ou le bas e est ce que le parachute est ouvert ou ferm e etc La r ponse est binaire et peut donc le plus souvent tre transcrite par un interrupteur qui est soit ouvert soit ferm Le sch ma de base pour 5V transmettre un tel ordre sur une Pop voie du KIWI est le suivant On R sistance remarque que suivant l tat de 10 Kohms Vers une des l interrupteur la tension pr sente sur le KIWI sera de 0 V ou de 5 V Interrupteur ES e ce qui sera facile diff rencier une fois transmise au sol masse L interrupteur est r alis de maintes mani res en fonction de ce que l on souhaite analyser 9 Le logiciel Kicapt est t l chargeable sur le site web de Plan te Sciences La note technique Que peut on faire avec un ballon propose de nombreux autres exemples de capteurs pouvant tre connect s l metteur KIWI 10 Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES E 5V Un interrupteur miniature permet ainsi de d tecter la fin de course R sistance d une pi ce en mouvement 10 Kohms Vers une des voies de mesure Pi ce en mouvement masse 5 V R sistance 10 Kohms Un bilame tablissant un contact avec un plot permet de d tecter un seuil de temp rature Vers une des voies de mesure de l metteur Contact masse Une masselotte fix e2. usage des coles CNES PLANETE SCIENCES Voici un exemple de montage qui emploie ces techniques Condensateur de l ordre de 10 nF Interrupteur g n ral Piles Capteur EIFE Capteur ext rieur Condensateur de d couplage aux bornes du moteur d avance des vues quelques mF 20 aux bornes des piles Condensateur de d couplage en parall le sur l entr e du capteur Capteur ext rieur Connecteur de carte te planete 1 ence 5 N Sa o eo NS Ehture pour 125 Paires torsad es ou c ble blind Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES 9 Comment exploiter les mesures obtenues 9 1 Pendant le vol Les mesures s affichent en direct sous forme de graphiques et de valeurs num riques sur l cran de l ordinateur ainsi que l heure et la date de saisie Elles sont simultan ment stock es dans un fichier qui peut tre exploit l aide de logiciels tableurs les plus courant comme EXCEL 9 2 Apr s le vol Apr s le vol et fermeture du logiciel KICAPT un fichier DATA txt 2 sera disponible dans le r pertoire KIWI de l ordinateur Le plus pratique est de lancer EXCEL partir de Windows Une premi re tape consiste transformer le fichier txt en un fichier xls EXCEL propose des fonctions qui trient les donn es pour les ranger par colonnes dans le tableur Une fois le tri effectu les colonnes du fichier sont organis es ai
3. talonn s c est dire que la relation qui relie le param tre physique au signal lectrique doit tre connue Ces qualit s font que les capteurs sont des objets dont la r alisation n cessite de la minutie 3 2 L interface d adaptation Le signal sortant du capteur a des caract ristiques qui varient d un capteur l autre Le r le de l interface est de mettre ces signaux sous une forme adapt e l metteur Cette interface peut tre supprim e quand le capteur produit des signaux directement utilisables par l metteur KIWI Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES 3 3 L metteur KIWI Ci joint une photo de l metteur Kiwi 3 3 1 Plan et c blage de l metteur KIWI L metteur est constitu dun circuit SMITCHESDE 9 imprim sur lequel sont implant s des SONE TEREE ROSE composants Un capot les prot ge Attention ne pas l craser Au dos les connexions du circuit imprim sont visibles Attention ne pas les court circuiter L metteur doit tre install sur un mat riau isolant et non pas directement sur une surface m tallique Les 4 trous pr s des angles sont destin s sa fixation avec des vis de 3 mm Les entr es lectriques sont accessibles sur le bord du circuit par un bornier vis L utilisateur introduit directement les fils de liaison dans le bornier et serre les vis l aide d un tournevis d horloger Serrez ce qu il faut mais n exag
4. A ARR EE En ee LR 9 4 COMMENT DISPOSER DU SYSTEME KIWI nesessersesoseseososcoseseseseosossoseseseseoscseosesessseosessosesssessoses 10 5 REALISATION DES CAPTEURS 5 nsenisnrnneteseesenesrrsenesne nsetsesnee sens iees ent rO 10 5 1 EXEMPLES DE CAPTEURS DE MISE EN UVRE SIMPLE 10 DL M COPICUTS A TAT en tre cn ie einen en terres en en dt tr ne ae en E E E sata ee cest 10 DZ Capie nrs multi Etabs e nn ne nn enr een ee Ne er ae nn en ones er N een etes 11 3 1 3 Capteurs base d potentiom treS sissu uneneen laetitia per lin ane ent AEN 15 5 1 4 Capteurs dhase de photor sistancess sisi s aE EE ap NE EEE EAEE ANEN EN EE 13 S 1 5 Capteurs base de photodiodes sscssscsraiiapsessas eias rans ouied aaraa oi eaae aE a i a aie eeraa eiia ebai 15 6 ETAL ONNAGE Re ee Re S Saros SE VENNE T OTSR 15 CA A EEE E E 17 8 SAVOIR FAIRE ennemies voss ss es sssi vokos vvsd scene etes tannins etes en ens denis riens teens 18 9 COMMENT EXPLOITER LES MESURES OBTENUES nee 21 9 1 PENDANT ILE VOL mn latente ie nn te 21 9 2 APRESILE VOL dant Ron ne E Dee URI NRA nn RIRE DE tits 21 10 PANNE D UN EMETTEUR KIWI ssssssssssssessssssassnssssesensesenssnnesesenensseestensnsssnssssessesse 23 11 AUTRES PUBLICATIONS CONSACREES A L ACTIVITE BALLON se 24 Ce document a t r dig par Michel Maignan Le syst me KIWI a t mis au point par Nicolas Verdier et S bastien H mard Le
5. criture il est souvent astucieux de passer par des formes interm diaires plus faciles manipuler Les signaux lectriques ont cette qualit et pour en profiter vous allez tre amen s concevoir des appareils capables de lire des grandeurs physiques et de les transformer en grandeurs lectriques ce sont les capteurs Aux centaines de grandeurs physiques diff rentes correspondent des milliers de capteurs diff rents mais ils ont une caract ristique commune ils convertissent sous forme de signaux lectriques les informations mesur es Ceci r duit singuli rement la complexit de la transmission des informations car quel que soit le capteur vous n aurez qu un seul type de message transmettre des messages lectriques 1 Disponible sur simple demande aupr s de Plan te Sciences et sur son serveur Internet Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES 2 2 Transmettre l information Il existe de nombreuses m thodes pour changer des messages le courrier en est une la nacelle produit un document et l jecte en direction du sol Impossible et bien sachez que plusieurs s ries de satellites am ricains de surveillance les Corona 1959 1972 les Big Bird 1971 1986 taient quip s de tubes qu un syst me automatique jectait vers la Terre apr s l avoir rempli d un film photographique Un avion sp cial l attrapait en vol au cours de la descente La station MIR renvoyait parfois au s
6. de la pile e D couplez sur vos circuits les signaux allant vers le KIWI Pour cela placez un condensateur de 0 1 10 nF sur les fils qui vont vers le KIWI e Si vous employez des moteurs lectriques placez un condensateur non polaris de quelques uF ses bornes e Si possible essayez de s parer le KIWI du reste de votre lectronique dans la nacelle de l ordre de 20 cm Un metteur met des rayonnements il est fait pour cela qui peuvent perturber votre lectronique e Les mesures doivent tre fournies sur chaque voie sous forme d une tension variable entre 0 et 5 V sur deux fils torsad s entre eux l un reli la masse l autre directement sur l entr e de la voie choisie Autre mani re de le dire bien qu ils soient au m me potentiel il est pr f rable de c bler autant de fils de masse que de voies utilis es et de torsader le fil de masse avec le fil de mesure de la voie correspondante paire torsad e e Si vous placez des capteurs lectroniques l ext rieur de la nacelle reli s des circuits plac s l int rieur donc une certaine distance connectez les avec de la paire torsad e ou mieux encore avec du c ble blind e Si vous modifiez un c blage mettez jour les sch mas simultan ment e Placez un interrupteur g n ral accessible de l ext rieur de la nacelle sans avoir la d monter et indiquez en clair la position de mise sous tension 19 Le syst me Kiwi Millenium l
7. fils multibrins qui r sistent mieux au pliage e Utilisez des fils de couleur et rep rez les couleurs sur votre sch ma Traditionnellement les lectroniciens pratiquent la r gle suivante noir pour la masse rouge pour le de la pile et d autres couleurs pour les signaux C est tellement plus facile pour d panner un circuit Attachez proprement les fils entre eux Evitez de faire voler des toiles d araign es e D couplez la pile c est dire c blez deux condensateurs en parall le sur chaque s rie de piles que vous installez dans la nacelle L un est un condensateur de 10 100 uF de 25 Disponible sur le serveur Internet de Plan te Sciences 26 Quoique certains jours Connecteurs m les ou femelles souder sur carte s rie DIN ou Sub D ou quivalent 9 15 25 37 ou 50 points de connexion et connecteurs de c bles compatibles Dans toutes les boutiques et sur les catalogues sp cialis es compter 5 E par connecteurs 18 Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES type polaris l autre est un condensateur c ramique de faible valeur de 0 1 10 nF Ils ont pour r le de supprimer d ventuels signaux parasites e D couplez vos cartes lectroniques Si vous installez des composants lectroniques sur un circuit imprim ou quivalent installez alors un condensateur c ramique ou quivalent de faible valeur de 0 1 10 nF en parall le sur les fils d alimentation venant
8. logiciel Kicapt est r alis par Fr d ric Bouchar Les metteurs Kiwi sont produits par la soci t Tenum gr ce un financement du CNES Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES 1 Introduction Ce document est destin aux animateurs et aux enseignants qui souhaitent conna tre les possibilit s offertes par le syst me de t l mesure KIWI afin d encadrer les quipes de jeunes constructeurs de nacelles de ballons et utilisateurs de ce syst me Au pr alable une connaissance pratique de la mise en uvre de circuits lectroniques simples est souhaitable Ce document donne les informations de base n cessaires pour l activit Ballon l cole Kiwi utilis en mode modulation interne Une version plus compl te adapt e une utilisation en enseignement sup rieur ou par des clubs est disponible sous le titre Le syst me KIWI l usage des clubs Il est rappel que la fabrication d une nacelle doit respecter les r gles d crites dans le document RET s a 1 Les ballons exp rimentaux Mise en uvre amp Cahier des charges 2 Qu est ce qu un syst me de t l mesure Une grande part de l activit exp rimentale consiste effectuer des mesures sur des grandeurs physiques pour ensuite les interpr ter et les comparer aux hypoth ses Une nacelle de ballon est un v hicule qui permet d explorer une partie de l atmosph re si vous pouviez accompagner la nacelle v
9. s entraider le m me jour sur un m me lieu avec chacune leur ballon Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES e A aide du syst me KIWI des liaisons de plus 300 km ont d j t r alis es 3 3 3 Comment fournir les mesures l metteur KIWI e Les mesures doivent tre fournies sur chaque voie sous forme d une tension variable entre O et 5 V sur deux fils torsad s entre eux l un reli la masse et l autre sur l entr e de la voie Alimentation 5 V m V choisie Bien que d une voie l autre Entr e tension variable _____Mx les masses soient communes il est Masse m GN D pr f rable de c bler autant de fils de masse que de voies utilis es et de torsader le fil de masse avec le fil de mesure de la voie correspondante Bornier de connexion paire torsad e e Pour une meilleure r solution de la mesure les tensions de mesure doivent voluer en exploitant autant que possible toute la plage de 0 5 V e l ne faut pas d passer ces valeurs au risque de d truire l metteur e Les tensions issues des capteurs ne doivent jamais tre pr sentes sur les entr es de l metteur si celui ci n est pas aliment Il est donc recommand d utiliser un interrupteur commun pour alimenter les capteurs et l metteur Pour viter tous risques pr f rez l utilisation des sorties r gul es 5 V du Kiwi e n est pas obligatoire d utiliser les 8 voies de mesure Si une voie
10. sol II mesure des tensions bord et transmet les valeurs au sol 2 VBK Raduga Capsule de retour d chantillons depuis la station Mir Un exemplaire est expos la Cit de l Espace Toulouse 3 Ne pas confondre codage et cryptage Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES 3 La cha ne de t l mesure bord La cha ne de t l mesure regroupe l ensemble des l ments qui pr l vent l information la traitent la transmettent et la restituent Elle se d compose en plusieurs blocs fonctionnels Les capteurs traduisent en grandeur lectrique une tension la grandeur physique Ils doivent tre petits et l gers car la place et le poids sont limit s bord d une nacelle lls doivent tre solides car ils sont soumis aux contraintes du vol Ci contre le sch ma de base Emetteur Kiwi Comme l metteur Kiwi est capable de transmettre jusqu 8 informations simultan ment le sch ma complet est le suivant Emetteur Kiwi Jusqu 8 capteurs possibles 3 1 Les capteurs Ils doivent tre pr cis Sinon quel est int r t de r aliser une exp rience si les capteurs qui la surveillent transmettent des informations erron es Ils ne doivent pas tre influenc s par des param tres autres que ceux qu ils mesurent Quel cr dit apporte t on un compteur de vitesse dont les indications d pendent de la temp rature Ils doivent tre
11. un capteur L talonnage peut tre r alis e Soit exp rimentalement Ainsi pour un capteur de temp rature on rel ve la tension qu il d livre la temp rature ambiante dans un r frig rateur puis un cong lateur On prend 17 La r sistance de 8 Kohms est donn e titre d exemple dans le cas d une photodiode BPW21 15 Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES soin chaque fois de bien mesurer la temp rature l aide d un thermom tre de r f rence et on constitue la table e Soit par calcul partir des caract ristiques des l ments constitutifs du capteur Ainsi la loi d talonnage d un m me capteur de temp rature du type CTN peut tre calcul e partir des caract ristiques du composants fournies par le fabricant et de la loi de ce type 1 1 de capteur R R exp B 18 Tr z 2 z 19 Quand pour talonner un capteur de pression bas sur la d formation d une membrane on ne dispose pas de pompe vide le probl me est contournable en pla ant le r cipient en surpression l aide d une pompe v lo poids j cloche sy l vide pompe v lo membrane d form e L herm tique herm tique 1 m thode 2 m thode Connaissant la g om trie de la pompe une s rie de poids plac s dessus permet de produire une pression calibr e Exemple diam tre int rieur de la pompe D 2 cm 2 race tac sl 3 14 cm2 poids
12. va avoir une voies de mesure valeur faible et la tension produite sera proche de 5 V Par contre si le tube B est clair ce sera au masse tour de la photor sistance B d avoir une valeur faible et la tension transmise au KIWI sera 5 V 5 V proche de 0 V photor sistances Les courbes obtenues au sol ov oV permettent de conna tre le sens de rotation 16 temps temps Rotation de A vers B Rotation de B vers A 5 V Un faisceau lumineux mis par R sistances une ampoule ou une LED et masqu partiellement par une pi ce en mouvement permet de conna tre la position de cette derni re sans contact Vers une voie de mesure de l metteur Ampoule Capteur de lumi re Pi ce en mouvement 16 condition que la nacelle ne tourne pas trop vite car le syst me Kiwi transmet une mesure seulement toutes les deux secondes 14 Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES 5V Ainsi en utilisant la 7 R sistances d formation d une Vers une voie de membrane sous l action mesure de l metteur de la pression Ampoule Zal i atmosph rique on Capteur de lumi re d place un cache pour moduler un pinceau lumineux et r aliser ainsi un capteur de pression et en d duire l altitude masse membrane R cipient herm tique x a Ad Magic AE OX t x 4 Il vaut mieux disposer d une cloche vide et faire quelques essais pour entrepr
13. 56 fichier complet peutj11 03 2002 13 18 08 155 132 106 171 77 169 253 156 contenir JUSQU 4 11 03 2002 13 18 35 155 132 103 157 77 173 253 156 ooon lignes 11 03 2002 13 18 40 155 132 103 181 77 173 258 155 FH Le a UN 03 2002 13 18 50 155 132 102 192 77 173 253 155 ee ee deuxl 1 08 2002 13 19 00 155 131103 100 76 173 253 153 D pendant 3 11 03 2002 13 19 28 155 131 104 174 75 173 253 155 heures de vol A B C CC CCC D DD DDD Date Heure V1 Vien Vien C V2 V2en V2en C volt gr ce la volt gr ce la Les deux premi res loi loi colonnes du tableau d talonnag d talonnag pr c dent apr s e e traitement des 11 03 200 13 17 28 15 3 06 8 08 113 2 61 10 96 donn es sont 2 6 3 pr sent es ici 11 03 200 13 17 32 15 3 06 8 08 13 2 61 10 96 2 6 3 11 03 200 13 17 50 15 3 04 7 76 113 2 61 10 96 2 5 3 11 03 200 13 18 08 15 3 04 7 76 13 2 59 10 64 2 5 2 11 03 200 13 18 35 15 3 04 7 76 13 2 59 10 64 2 5 2 11 03 200 13 18 40 15 3 04 7 76 13 2 59 10 64 2 5 2 11 03 200 13 18 50 15 3 04 7 76 13 2 59 10 64 2 5 2 11 03 200 13 19 00 15 3 04 7 76 113 2 57 10 32 2 5 1 11 03 200 13 19 28 15 3 04 7 76 113 2 57 10 32 2 5 1 Dans l exemple pr sent les voies V1 et V2 correspondent des mesures de temp ratures ext rieures sur deux faces diff rent
14. Interrupteur 2 Interrupteur 4 Interrupteur 3 Came Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES 5 V Vers une des voies de mesure R2 de l metteur Plusieurs bilames qui se Bilame 1 d clenchent pour des seuils de temp rature diff rents permettent de ne surveiller cette derni re Contact Contact R3 Bilame 3 R4 Contact R5 Bilame 4 5 1 3 Capteurs base de potentiom tres Le potentiom tre est une r sistance variable par action m canique Ce composant est tr s r pandu en lectronique et on le trouve dans toutes les boutiques de composants ou bien en d montant de vieux quipements lectroniques Il existe des mod les rotatifs et des mod les lin aires 5 V Le sch ma de base est le suivant Vers une voie de mesure de l metteur La tension transmise l metteur d pend de la position angulaire de laxe de rotation masse Avec un potentiom tre rotatif on mesure la position angulaire d une pi ce en rotation tandis qu avec un potentiom tre lin aire on mesure un d placement En poss dant ces deux fonctions on r alise une foule de capteurs dont le nombre n est limit que par l imagination Choisir des potentiom tres lin aires dont la r sistance est dans la gamme 4 7 Kohm 47 Kohms 14 5 1 4 Capteurs base de photor sistances Une photor sistance est un 5 V composant lectronique qui se comporte comme une r s
15. LANETE SCIENCES 4 Comment disposer du syst me KIWI Si l exp rience propos e le justifie un metteur KIWI est pr t par le CNES pour la dur e de celle ci Si la nacelle est r cup r e apr s le vol l quipe s engage le rendre L metteur sera alors contr l et pr t une nouvelle quipe Le ou les capteurs doivent tre r alis s par les exp rimentateurs en fonction de l exp rience qu ils souhaitent mener La station sol ainsi que l antenne sont apport es le jour du l cher par l animateur de Plan te Sciences qui suit le projet L ordinateur peut tre pr t par Plan te Sciences si l tablissement scolaire ou le club n en poss de pas Le logiciel de d codage KICAPT est fourni 5 R alisation des capteurs i Pour s adapter l metteur KIWI les capteurs doivent transcrire la grandeur physique mesurer en une tension variable entre 0 et 5 V Pour des raisons de pr cision d crites plus en d tails au paragraphe 6 il vaut mieux r aliser des capteurs exploitant toute la gamme de tension 5 1 Exemples de capteurs de mise en uvre simple Dans cette s rie de capteurs la simplicit de r alisation est recherch e m me si elle implique quelques entorses la pr cision ou la sensibilit Ces capteurs ne n cessitent pas d interface et sont directement connect s aux entr es de l metteur KIWI 5 1 1 Capteurs d tat Certaines mesures consistent simplement conna tre l tat d
16. ci contre de l metteur KIWI Mill nium montre l emplacement de l antenne L metteur poss de 4 commutateurs qui doivent tre plac s tel qu indiqu sur une des deux figures ci dessous suivant la version La version se lit sur le capot m tallique Le connecteur gris plac c t des commutateurs n est pas utilis dans le mode de fonctionnement de base Kiwi Millenium V2 Version autrefois distribu e dont il reste quelques exemplaires en circulation Les 4 connecteurs sont plac s du m me c t vers l ext rieur du circuit Kiwi Millenium V4 On identifie aussi cette version par la pr sence d une s rigraphie au verso du circuit imprim absente en version V2 Version actuellement distribu e en remplacement progressif de la pr c dente Le 1 connecteur marqu MOD est pouss vers l int rieur du circuit les 3 autres vers l ext rieur du circuit 5 Risque de destruction car l nergie qu il produit n tant pas mise elle se dissipe dans l amplificateur de sortie au risque de le griller Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES 3 3 2 Caract ristiques de l metteur KIWI e Les dimensions hors tout de l metteur sont de 86 mm sur 57 mm et de 11 mm d paisseur e La masse de l metteur KIWI est de 50 grammes e L metteur KIWI est capable de mesurer simultan ment jusqu 8 tensions comprises entre 0 et 5 V II transmet aussi automatique
17. e A culmination une nacelle de ballon re oit ce flux 1000 watts m2 correspond peu pr s l nergie venue du Soleil et re ue par la Terre sous nos latitudes au s0 l par beau temps et par une surface perpendiculaire aux rayons lumineux aux heures chaudes de la journ e 22 0 5 amp re par watt est quivalent 0 5 milliamp re par milliwatt 23 A titre d exemple car il existe de nombreux mod les photodiode BPW 21 de Si mens revendue par RadioSpare environ 8 E 7 mm2 sensible de 400 nm 1100 nm sensibilit de 0 62 A W 850 nm Sensibilit de 0 15 A W en moyenne sur le spectre visible 24 De 0 255 cela fait bien 256 valeurs et 255 intervals 17 Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES On constate qu une variation de 970 mbars 1020 51 correspond 179 niveaux 230 51 Chaque niveau est donc quivalent une variation de pression de 5 42 mbars 970 179 On en d duit la loi d talonnage pression mbars niveau 51 5 42 50 et l on remarque qu il sera impossible d appr cier des variations de pression plus fines que 5 42 mbars A partir d une table d atmosph re standard cette incertitude sur la pression se traduit en une incertitude sur l altitude Un cart de 5 4 mbars correspond 45 m quand la nacelle est pr s du sol et 700 m quand la nacelle est vers 20 km En effet la variation d altitude n est elle m me pas directement proportionnelle la pres
18. endre ce capteur 5 1 5 Capteurs base de photodiodes Une photodiode est un composant lectronique qui fournit un courant proportionnel la quantit de lumi re qu il re oit La grandeur qui la caract rise s appelle la sensibilit et s exprime donc en amp re par watt A W II en existe de nombreux mod les sensibles dans diff rentes parties du spectre optique en fonction des mat riaux qui les composent 5V Le sch ma de base est le suivant Photodiode L avantage sur les photor sistances est la TA possibilit de r aliser des capteurs d clairement lin aires et faciles talonner puisque la sensibilit est donn e par le fabriquant 17 Vers une voie de mesure de l metteur 8 Kohms masse 6 Etalonnage Pour chacune des 8 voies de l metteur la valeur de la tension fournie en entr e est fid lement transmise l ordinateur au sol Durant le vol les valeurs affich es l cran seront donc celles des tensions fournies au KIWI variant en fonction du param tre physique tudi Si l metteur KIWI est en quelque sorte pr talonn il faut en revanche talonner les capteurs pour pouvoir interpr ter les r sultats On doit conna tre la relation entre le param tre physique observ et la tension d livr e par le capteur On constitue avant le vol une formule une table ou un graphique de correspondance D s l tape de conception on doit r fl chir sur la mani re d talonner
19. es de la nacelle Les colonnes en rouge CC et DD ont t obtenues gr ce la loi de conversion XX X 255 5 Volt partir des donn es des colonnes vertes C et D Les colonnes en bleu CCC et DDD ont t obtenues partir des colonnes rouges CC et DD gr ce aux lois d talonnage CCC CC 2 56 0 061 et DDD DD 1 93 0 0612 qui avaient t tablies exp rimentalement avant le vol 22 Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES 20 o temp rature C b i O 60 41 24 42 42 11 44 19 45 39 2 01 51 2 03 00 12 04 09 12 05 21 2 06 29 2 07 56 12 09 08 heures 36 44 11 38 42 11 39 57 46 53 48 16 11 49 26 50 51 52 13 53 34 11 54 57 56 24 57 47 59 14 12 00 37 temps heures Gr ce aux fonctions graphiques du tableur il est finalement possible de tracer les courbes compl tes du vol ici la voie V1 Pour plus de d tails se reporter au document Plan te Sciences Comment exploiter sur Excel les donn es re ues par Kicapt 10 Panne d un metteur KIWI Un metteur Kiwi est un circuit robuste si l on prend des pr cautions d utilisation et de stockage quivalentes celles que l on prend pour manipuler un CD audio N anmoins il arrive parfois qu un metteur tombe en panne Bien s r avant de d clarer un metteur en panne l utilisateur aura eu soin de v rifier que les connections des piles e
20. es les connexions de masse sont reli es entre elles e L metteur KIWI doit tre plac l int rieur de la nacelle du ballon et tre prot g du froid Les performances des piles se d gradent sous l effet du froid Il n est donc pas superflu 7 d emballer aussi les piles e Son antenne est un brin m tallique de 50 cm de long livr avec l metteur Elle doit traverser la paroi de la nacelle et se tenir en position verticale vers le bas ou vers le haut l ext rieur e La fr quence radio du KIWI est de 137 950 MHz ou 138 500 MHz Le changement de fr quence s obtient en basculant l interrupteur marqu par une fl che sur la photo de la page 7 interrupteur pouss vers l ext rieur 137 950 MHz ou interrupteur pouss vers l int rieur 138 500 MHz Avec deux fr quences d mission disponibles il est ainsi possible de faire voler simultan ment en un m me lieu deux ballons sans risque de perturbations r ciproques 8 6 Depuis 2008 le Kiwi a b n fici d une am lioration utilisation d un r gulateur de tension faible tension de d chet ermettant une r duction de la tension d alimentation L lectricit produite par une pile est le r sultat d une r action chimique qui d gage de la chaleur En emballant les piles on permet cette chaleur de maintenir la temp rature des piles En dessous de 0 C la performance des piles alcalines se d grade nettement 8 Tr s pratique quand deux coles se retrouvent pour
21. eure d un bulletin et coutez successivement des stations fran aises anglaises allemandes Si un v nement d importance mondiale occupe l actualit il est fort probable qu elles transmettront la m me information mais dans des langues vari es Les sp cialistes disent que l information a t cod e de mani res diff rentes mais c est la m me information C est notre cerveau qui l coute des messages interpr te les mots et les consid re comme des informations Les techniciens appellent cette op ration le d codage Si vous ne connaissez pas la langue c est dire si vous ne connaissez pas le code 3 vous restez ignorant des informations Le canal de transmission ici la radio se contente de passer des messages cod s auxquels vous attribuez une valeur d information Parmi tous les proc d s possibles de transmission et de codage l un d eux a t retenu par le CNES et un mat riel adapt pour la t l mesure des nacelles de ballons de jeunes a t d velopp le syst me KIWI dont la version la plus aboutie s appelle KIWI Mill nium V4 Il est constitu d un metteur KIWI et d une antenne radio plac s bord de la nacelle et au sol d un r cepteur reli un ordinateur La lecture des mesures se fait sur l cran de l ordinateur l aide d un logiciel adapt L utilisation du syst me KIWI est comparer avec celle d un simple voltm tre dont les pointes de touche seraient dans la nacelle et le cadran au
22. install s sur la pompe M 1 kg pression cr e dans la pompe M 0 318 g cm 0 32 bars On talonne un photocapteur avec un luxm tre m thode exp rimentale mais avec les photodiodes un calcul permet d avoir une id e assez pr cise de l intensit lumineuse que l on re oit puisque le courant qu elles produisent est directement proportionnel la lumi re B ERE lt 20 re ue Une photodiode est caract ris e par sa sensibilit S par sa surface de captation et par les longueurs d onde couleur auxquelles elle est sensible 5 B est fourni par le fabricant de la CTN A d faut on prend 3400 To vaut le plus souvent 295 K a et plus g n ralement tous les capteurs de pression diff rentielle Ces param tres sont g n ralement fournis par le fabricant 16 Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES IL Prenons un flux lumineux de 1350 21 Watts par m tre carr quivalent 1 35 mW par millim tre carr Une photodiode de sensibilit 0 15 amp re par watt et de 7 5 millim tre carr de surface c bl e suivant le sch ma de base du paragraphe 5 1 5 fournira donc 0 5 milliamp re Ce courant en 0 300 600 900 1200 1500 traversant la r sistance de 8 Flux lumineux watt m2 kohms produira une tension de 4 Courbe d tallonnage V On en d duit la courbe d talonnage suivante Tension du capteur aux bornes du Kiwi 7 Pr cisi
23. istance R sistance mais sa valeur d cro t quand Vers une des l clairement augmente Le Capteur de lumi re voies de mesure F 2 15 sch ma de base est le suivant masse Comme les caract ristiques d une photor sistance varient d un mod le l autre et des conditions d clairement il est impossible de conseiller la valeur d finitive de la r sistance associ e Seuls des essais permettront de la d terminer Pour un premier essai on choisira 14 En dessous de 4 7 Kohms la consommation devient trop lev e au dessus 47 Kohms l imp dance d entr e du Kiwi ne peut plus tre n glig e Photor sistance Silonex NORP 12 vendu par RadioSpare 2 E pi ce environ 13 Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES une r sistance gale la moiti de la photor sistance dans l obscurit A partir de ce sch ma de base de nombreux mod les de capteurs peuvent en tre d riv s 5V Une photor sistance plac e au fond d un tube permet de d tecter Vers une voie de la direction du soleil et d en mesure de d duire l orientation de la nacelle l metteur Le tube joue le r le de pare soleil photor sistances masse tube pare soleil gt tub soleil En doublant le syst me et en ubepare solei visant deux directions angle 5V droit dans un plan horizontal on rel ve le sens de rotation En effet si le tube A est clair la vers une des photor sistance A
24. ment la tension des piles qui l alimentent e La valeur de chaque tension est transmise au sol toutes les deux secondes e Au sol lors des d monstrations et de la mise au point l metteur KIWI doit tre aliment entre 8 et 13 5 V La connexion des piles se fait gr ce au bornier 2 points grosse taille Le sens de connexion ou est indiqu sur le circuit et d faut sur la figure L metteur est prot g contre une inversion de l alimentation e En vol l metteur Kiwi doit tre aliment sous 9 V avec 2 piles plates alcalines de 4 5 V neuves en s rie L alimenter avec une tension sup rieure 13 5 V avec 3 piles plates par exemple produit un chauffement aggrav par un mauvais refroidissement en vol d la rar faction de l air 6 e La consommation lectrique de base est de 190 mA Il fonctionne donc pr s de 5 heures avec 2 piles plates alcalines de 4 5 V neuves en s rie le vol d une nacelle n exc de pas 3 heures e Les sorties 5 V permet de disposer d une alimentation r gul e Le courant pr lev ne doit pas d passer 100 mA Ce courant augmente d autant la consommation de base Les piles doivent tre pr vues en cons quence Attention il n y a pas de protection contre les courts circuits pour les sorties 5 V r gul es Si le besoin de consommation d passe 100 mA il faut envisager d utiliser un circuit de r gulation suppl mentaire externe e L imp dance des entr es de mesure est de 100 kKOhms e Tout
25. n est pas utilis le Kiwi transmet la valeur 0 volt 3 3 4 La station au sol Antenne Ordinateur de traitement Amplificateur R cepteur D modulateur La station au sol est constitu e d un r cepteur de radio FM d un circuit de d modulation qui conditionne les signaux du r cepteur dans un format interpr table par un ordinateur et d un ordinateur qui assure le traitement des donn es Une antenne en forme de r teau Yagi am liore la r ception et doit tre grossi rement point e vers le ballon Les brins de l antenne de r ception doivent tre verticaux Un amplificateur optionnel plac sur l antenne contribue la qualit de r ception Le CNES conditionne les stations sol dans des mallettes de transport contenant un mode d emploi sp cifique pour les utiliser 3 3 5 L ordinateur L ordinateur est un P C de bureau ou un portable fonctionnant sous Windows 95 98 W2000 ou XP et qui doit tre quip du logiciel sp cifique KICAPT d velopp par Plan te Sciences CNES Il affiche les r sultats sur l cran et les Q enregistre sur le disque dur Pour permettre l exploitation apr s le vol il doit tre quip Excel ou d un tableur quivalent Avec les PC portables il ne faut pas compter sur leurs batteries dont l autonomie est le plus souvent plus courte qu un vol Toujours alimenter sur le secteur les PC portables Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES P
26. nsi N de colonne Contenu 1 3 de la tension alimentant le KIWI Le logiciel tableur permet de revivre le vol partir du fichier DATA xls d imprimer les mesures On peut galement cr er des graphiques les imprimer remettre l chelle les mesures partir des tables d talonnage etc Les donn es sont cod es sur une chelle de 256 niveaux comme d j d crit 0 correspond 0 V l entr e de la voie 255 correspond 5 V l entr e de la voie Ou bien directement en vol suivant le choix fait par l exp rimentateur lors du vol Si X est la valeur de la voie n affich e dans le fichier alors la tension lue par l metteur Kiwi l heure correspondante tait de X 255 5 Volt 28 Le nom exact sera celui que l utilisateur aura choisi au moment de l enregistrement La note technique Plan tes Sciences Station sol KIWI contient un chapitre d initiation EXCEL 21 Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES Ce tableau est un A B C D E F G H J extrait du fichier brut Date Heure V1 V2 V3 V4 V5 V6 V8 Piles produit par le logicielf1 1 03 2002 13 17 28 156 133 109 74 76 167 253 155 Kicapt et affich par 11 03 2002 13 17 32 156 133 109 149 77 167 253 157 le logiciel EXCEL Un 11 03 2002 13 17 50 155 133 107 95 75 168 253 1
27. o cnes CENTRE NATIONAL D TUDES SPATIALES Service Culture Spatiale du CNES PLANETE SCIENCES Secteur Espace 18 avenue Edouard Belin 31401 TOULOUSE CEDEX 4 16 place Jacques Brel 91130 RIS ORANGIS T l 5 61 27 31 14 Fax 5 61 28 27 67 T l 1 69 02 76 10 Fax 1 69 43 21 43 www cnes edu org www planete sciences org espace LE SYSTEME KIWI MILLENIUM T l mesure ballon l usage des coles Version 4 Juin 2008 Note technique Plan te Sciences SOMMAIRE 1 INTRODUCTION ssssssssssstssssssssosssssssossssoszssstsnsossssnsssustoosesssdasssssbsasosassp asss po nette en sen set benne sed s esse 3 2 QU EST CE QU UN SYSTEME DE TELEMESURE esesseesesesereseoseesesecoseseoreeseseoseeseoseoseseoreeeesseesesees 3 2 1 SURVEILLERL EXPERIENCE 2 entente P dei ent 3 2 2 TRANSMETTRE L INFORMATION 54545 dfrnniinitiithanmtnsennennininhiihnrinnines 4 3 LA CHAINE DE T LEMESURE A BORD semnsnennnnnnnnnesnnesnesnensee 5 3 1 LES CAPTEURS nan nine E E EE EAA ini if nn 5 3 2 L INTERFACE D ADAPTATION si ssiiieispni eiser nat SA aaie iai in anale 5 3 3 LEME TI EOR RME a a a E 6 3 3 1 Plan et c blagede l metteur KIWI 35 2urcsbbnve tricoter ennemi tenendundenetutinn ins 6 3 3 2 Caract ristiques de l metteur KIWI sn ttes tnennn tante dansent titine 6 3 3 3 Comment fournir les mesures l metteur KIWI 7 9 EIRE GSIANON AU SO EEA A E as Desntee sata te te ets enle tan eel Penn ete E EE 9 333 NT LOT
28. ol des chantillons par un proc d similaire 2 Il existe bien s r d autres proc d s comme la radio Les signaux lectriques sont bien adapt s ce type de transmission De nombreuses m thodes ont t invent es L emploi journalier de votre poste de radio vous a familiaris avec des termes aussi vari s que fr quence canal AM FM mono st r o etc Le physicien Branly avait constat que des tensions lectriques rapidement variables avaient la propri t de produire des ondes pouvant se propager dans l Espace Il suffisait de les produire l aide d une antenne Ces ondes pouvaient donc servir de support la transmission d informations puisqu un syst me appel r cepteur permettait de les recevoir grande distance Une des premi res transmissions radio fut faite par ce physicien entre le sommet de la Tour Eiffel et le parvis du Panth on Paris en 1890 Votre probl me est similaire celui de Branly vous placerez dans votre nacelle une antenne aliment e par un g n rateur de tension lectrique rapidement variable que l on appelle commun ment un metteur Au sol vous utiliserez un r cepteur de radio Vous venez de franchir une tape importante en jetant un pont immat riel capable de v hiculer de l information entre la nacelle et vous l aide d une porteuse radio lectrique L information correspond au flux de renseignements que vous souhaitez extraire de votre exp rience Allumez un poste de radio l h
29. on Les tensions pr sentent sur l entr e des voies de l metteur sont cod es sur une chelle de 256 niveaux 8 bits compatibles avec le syst me de transmission niveau 0 correspond 0 Volt l entr e de la voie niveau 255 correspond 5 Volt l entr e de la voie Pour trouver toutes les autres valeurs interm diaires on applique la r gle de trois niveau X X 5 255 Volt Une table de correspondance est donn e la fin du document Comme on ne dispose que de 256 valeurs possibles pour coder une tension entre 0 et 5 Volt la r solution du codeur est de 5 255 24 soit 20 mV environ Cela signifie qu une variation du signal inf rieure 20 mV ne sera pas mesurable La r solution des donn es transmises est limit e par le nombre fini de niveaux Ainsi un thermom tre d livrant une tension de 1 mV par n est pas adapt car il ne d c le que des variations de temp ratures par pas de 20 C Par contre si on amplifie le signal par 100 pour obtenir 100 mV par C alors la pr cision sera ramen e 0 2 C Autre exemple l talonnage l aide d une cloche vide a montr la correspondance suivante e ouverte la pression est de 1020 mbars et la tension fournie par le capteur est de 4 5 V soit le niveau 230 e apr s pompage la pression est de 50 mbars et la tension fournie par le capteur est de 1 V soit le niveau 51 21 1350 watt m2 est le flux d nergie re ue par le Terre hors de l atmosph r
30. ous seriez mont bord avec un crayon et du papier et vous auriez surveill l volution des ph nom nes que vous vous proposez d tudier Vous auriez transcrit vos observations sous forme de courbes ou de chiffres et vous auriez rapport pr cieusement le tout au sol Pour pallier votre absence bord il faut concevoir un syst me c t de votre exp rience apte rendre ce service tout en supportant les contraintes du vol un syst me capable de mesurer automatiquement et de transmettre les r sultats afin d tre lus et exploit s Il y a deux t ches distinctes remplir la prise de mesures et la transmission des informations vers le sol Le syst me doit donner l impression que vous tes intellectuellement bord tout en restant physiquement au sol et donc crire votre place sur du papier au sol les informations g n r es dans la nacelle On regroupe sous le terme de t l mesure ce proc d qui permet de mesurer et transmettre les r sultats distance Il est couramment utilis pour surveiller et suivre toutes sortes d objets fus es satellites voitures de course avion en vol animaux dans leur milieu naturel etc 2 1 Surveiller l exp rience Bien que vous ayez appr cier des param tres aussi vari s que des forces des temp ratures des pressions des vitesses des positions des couleurs vous les transcrirez finalement toujours sous la m me forme souvent une donn e crite Avant l tape de l
31. rez pas senbifojeue s p g Pour un usage en ballon le Kiwi est ANTENNE fourni avec une antenne un brin en laiton d environ 50 cm L antenne se soude l tain sur la connexion pr vue SR ATEMEERE cet effet 37 Attention de ne pas court circuiter l antenne au plan de masse par des bavures de soudure Quand l metteur est quip de cette antenne le connecteur sortie 4 antenne BNC ne doit pas tre utilis A IE 5 L metteur ne doit jamais tre mis en marche sans antenne 4 Ce connecteur est utilis quand l metteur KIWI est embarqu sur une fus e exp rimentale de jeunes Le fait de brancher 2 antennes ne fera pas mettre le KIWI Millenium plus loin et risque au contraire d tre destructeur pour l amplificateur de sortie RF Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES Faites attention aux ventuelles contraintes appliqu es l antenne car sa pastille d implantation est fragile Toute coupure de la piste associ e est ind celable lorsque l metteur est au sol en raison de sa proximit mais limitera la port e de la liaison Nous conseillons vivement de plier la pince l extr mit libre de l antenne pour limiter les risques de blessures aux yeux Le dessin montre l chelle une forme adapt e On peut compl ter la protection en plantant la boucle dans un bloc de polystyr ne Connecteur BNC non utilis La photo
32. sion Pour am liorer la r solution il est donc pr f rable de mettre au point bord de la nacelle des capteurs qui produisent la plus grande variation possible entre 0 et 5 V 8 Savoir faire L lectronique est pour certains une science exacte et pour d autres le royaume de l empirisme Les auteurs pensent appartenir au premier 26 groupe Ils reconnaissent n anmoins que des circuits pr cis ment calcul s refusent parfois de fonctionner et que pour changer cette situation il faut utiliser des tours de main difficiles mettre en quation Alors voici en vrac quelques conseils qui ne sont pas toujours crits dans les livres d lectronique et qui pourtant comptent beaucoup dans le succ s e Lisez les documentations fournies par les fabricants de composants et faites prendre cette habitude aux jeunes Une occasion souvent pour faire un peu d anglais e R fl chissez avec les jeunes sur la mani re d agencer l lectronique dans la nacelle S il faut d c bler les circuits pour acc der la pellicule de l appareil photo votre r putation va en prendre un coup le jour du l cher L lectronique s accommode mal du transport en vrac e Evitez de c bler des fils d entr e et de sortie directement sur les cartes lectroniques Re 27 i Utilisez syst matiquement des connecteurs Ils permettent un d montage rapide des cartes sans blesser les c bles e C blez les liens entre les circuits avec des
33. t des capteurs sont sans erreur les piles en bon tat etc Un metteur KIWI ne doit pas tre d pann par l utilisateur Quand on soup onne qu un metteur ne fonctionne pas on le signale Plan te Sciences qui effectuera le plus souvent un change Le CNES met disposition dans les mallettes qui transportent les stations sol un outil de diagnostique qui permet de v rifier les metteurs L animateur pr sent le jour du l cher pourra donc v rifier si l metteur est effectivement en panne Un mode d emploi est disponible Les metteurs en panne doivent tre retourn s Plan te Sciences 23 Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES 11 Autres publications consacr es l activit Ballon 30 Les ballons exp rimentaux Mise en uvre amp Cahier des charges Pr sentation de l op ration Un ballon pour l cole Le jour du l cher La gestion d un projet ballon Que peut on faire avec un ballon M canique du vol Caract ristiques de l atmosph re Comment exploiter sur Excel les donn es re ue par Kicapt Historique des ballons H lium un peu de culture Pr vision de la trajectoire d un ballon D modulateur Kiwi Notice de fabrication r glages tests et utilisation 30 La plupart des publications de Plan te Sciences sont disponibles sur son serveur Internet www planete sciences org espace 24
34. une 11 lame souple touche un contact 5 V quand un mouvement brusque secoue la nacelle Ce Bilame mouvement peut tre l ouverture massellotte du parachute lame sou ad 2 Le condensateur et la P vers l metteur a 12 r sistance en parall le contact stockent l information du choc pendant le temps n cessaire condensateur pour que l metteur la transmette 2 secondes 5 1 2 Capteurs multi tats Comme l metteur KIWI poss de 8 voies de mesure le proc d pr c dent surveille au maximum 8 tats N anmoins il est possible de transmettre plusieurs tats diff rents sur une m me voie 5 V On g n ralise le principe du paragraphe pr c dent en utilisant plusieurs interrupteurs en s rie Vers une des voies de mesure Interrupteur 1 R2 del metteur Le sch ma de base pour quatre interrupteurs est alors le suivant Interrupteur 2 B Si les r sistances sont de m me 13 ee valeur on diff rencie les tats comme indiqu dans la table suivante Interrupteur 3 R4 Interrupteur 4 R5 11 i Fragment de lame de scie m taux usag e Condensateur de 100 uF et r sistance de 10 Kohms On choisira la valeur des r sistances de fa on ce que la somme des r sistances soit de 10 kohms environ 11 Le syst me Kiwi Millenium l usage des coles CNES PLANETE SCIENCES Description des tats tous les interrupteurs ferm s un interrupteur ouvert deux interrupteurs ou
35. verts trois interrupteurs ouverts tous les interrupteurs ouverts Si l on veut conna tre lequel des interrupteurs a bascul il faut alors diff rencier les valeurs des r sistances Ainsi en utilisant une s rie de r sistances telles que R1 7 KQ R2 1 KQ R3 2 KQ R4 4 KQ R5 8 KQ on calcule une table qui partir de la tension transmise permet de retrouver l tat des interrupteurs individuellement et de s initier l occasion l alg bre bool enne Interrupteurs 14 13 12 ferm ferm ferm ferm ferm ferm ouvert 5V 1 8 0 625 V ferm ferm ouvert ferm ferm ferm ouvert ouver ferm ouvert ferm ferm ferm ouvert ferm uver ferm ouvert ouvert ferm ferm ouvert ouvert ouver ouvert ferm ferm ferm ouvert ferm ferm ouver ouvert ferm ouvert ferm DV 29 f 5V 3 10 1 5V 5V 4 11 18V 5V 5 12 2 1 V 5 V 6 13 2 3 V 5V 7 14 2 5V 5V 8 15 26 V 5 V 9 16 2 8 V 5 V 10 17 2 94 V En lt ouvert ferm ouvert ouvert 5V 11 18 3V ouvert __ ouvert _ ferm ouvert ouvert ferm 5 V 13 20 3 25 V ouvert ouvert ouvert 5 V 14 21 3 33 V ouvert ouvert ouvert Voici quelques exemples d application de ce proc d Plusieurs interrupteurs miniatures permettent de d tecter la position d une pi ce en rotation 5 V Pi ce en Interrupteur 1 Vers une des rotation voies de mesure
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