Construire un four et sa régulation

Construire un four et sa régulation

On a récemment décidé de systématiquement tester le comportement des modules Yoctopuce lorsqu'ils sont soumis à des températures élevées. On a donc dû fabriquer une boîte capable de chauffer et maintenir une température relativement précise. Cette semaine, on montre comment on s'y est pris pour la construire.

L'idée de base est d'utiliser une boîte en aluminium chauffée par des petites ampoules halogènes et d'utiliser un Yocto-LatchedRelay et un Yocto-Thermocouple pour contrôler l'allumage des ampoules et ainsi réguler la température. On a montré dans un article précédent que des ampoules halogènes pouvaient parfaitement faire office de chauffage et qu'un simple relais contrôlé par un PID donne de bons résultats en termes de régulation. Par contre, il y a quelques petites subtilités dont il faut tenir compte:

  • On aimerait que le niveau de température dans la boîte soit relativement homogène, et non pas un gradient autour des ampoules
  • On aimerait aussi éviter que l'électronique de contrôle soit continuellement soumise à la chaleur générée par les ampoules.

Le principe

On a donc décidé d'utiliser trois boîtes distinctes

  • La première boîte est destinée à contenir les modules à tester. Elle ne contient rien à part des points de fixations et un thermocouple pour mesurer la température.
  • La deuxième boîte contient les ampoules, on a utilisé deux petites ampoules 12V 50W. Cette deuxième boîte communique avec la première boîte grâce à deux grands trous dans lesquelles se trouvent deux ventilateurs. Ces ventilateurs ont pour tâche de faire circuler l'air chaud pour homogénéiser la température dans la boîte.
  • La troisième boîte contient l'électronique de contrôle

Les boîtes sont vissées entre elles mais séparées par des entretoises afin d'éviter les transferts de chaleur non souhaités.

La structure de la boîte
La structure de la boîte


L'électronique

On aurait pu se contenter de connecter le Yocto-LatchedRelay et le Yocto-Thermocouple par USB à un PC de contrôle, mais on voulait plutôt un dispositif autonome. C'est pourquoi on a décidé de confier le contrôle à un Raspberry Pi 3 intégré à la boîte. Pour l'interface, on a choisi d'utiliser un Yocto-MaxiDisplay. En plus d'offrir un écran, ce module permet d'interfacer jusqu'à six boutons, ça tombe bien on en a besoin d'au moins 4:

  • Un bouton pour augmenter la température de consigne
  • Un bouton pour diminuer la température de consigne
  • Un bouton pour lancer l'expérience
  • Un bouton pour arrêter l'expérience

L'électronique du système
L'électronique du système


On a placé l'écran et les boutons dans un panneau de contrôle. Ce panneau de contrôle a été réalisé à l'aide d'un mélange d'impression 3D pour la structure et de panneaux de verre acrylique noir découpés au laser pour les façades. Le tout tient ensemble à l'aide de vis et d'inserts filetés.

dessus  dessus
Le panneau de contrôle



Le Raspberry Pi est alimenté par une prise micro-USB sur un côté de la boîte, on aurait pu prélever l'énergie nécessaire sur l'alimentation des ampoules et la convertir en 5V à l'aide d'un DC/DC, mais cela aurait eu deux conséquences:

  • L'alimentation aurait été polarisée
  • Une coupure de l'alimentation des ampoules aurait provoqué un arrêt brutal du Raspberry Pi, ce qui n'est jamais bien bon.

On a aussi déporté la prise UTP du RaspBerry Pi afin de pouvoir, si nécessaire, connecter la boîte à Internet et suivre son fonctionnement à distance.

L'électronique présente dans la boîte.
L'électronique présente dans la boîte.


Le problème de shutdown

S'il rend la boîte autonome, le Raspberry Pi a un inconvénient majeur, il n'est vraiment pas recommandé de l'arrêter en coupant son alimentation sans avoir fait un shutdown de l'OS au préalable, sous peine de se retrouver avec un système de fichiers corrompu et un Raspberry PI qui ne démarrera plus. C'est pourquoi on a ajouté un petit bouton qui permet de déclencher un shutdown propre.

Le software

La gestion de la boîte est assurée par un simple script Python qui démarre automatiquement en même temps que le Raspberry PI. Plutôt que d'utiliser une connexion USB pure, on a installé un VirtualHub qui démarre automatiquement lui aussi. Ainsi, une application externe pourra au besoin se connecter sur le VirtualHub de la boîte et suivre sa température. Le script de gestion du système fait moins de 200 lignes, si vous souhaitez de voir de plus près, vous pouvez le télécharger ici.

Conclusion

En quelque heures, on a construit une boîte capable de maintenir une température interne entre 25 et 100°C, avec une interface simple et efficace. On aurait probablement pu acheter une enceinte climatique toute faite, mais on soupçonne qu'elle nous aurait coûté nettement plus cher pour moins de flexibilité en termes de contrôle. Pour conclure voici quelques photos de la boîte terminée.

La boîte terminée
La connectique  On peut visualiser la température avec l'application Yocto-Visualization
La zone de test
La boîte terminée


Bon, maintenant il s'agit de faire la même chose avec du froid, et ça risque d'être un peu plus compliqué. On vous tient au courant.

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