MESURAGE DE LA DURÉE DE TRAJECTOIRE D'UNE BALLE

   

Pour répondre à trois questions souvent posées, je ne fabrique ni ne modifie ni ne chiffre mes montages à la demande
Je ne fais pas le travail d'étudiants qui reprendraient le système à leur compte.
Les demandes de synoptique, de découpage fonctionnel, d'algorithme... seront ignorées..




C'est un système qui permet de mesurer la durée de trajectoire d'une balle entre deux capteurs
avec une précision de l'ordre du millionième de seconde.

A partir de la durée et de la longueur du parcours, on peut calculer la vitesse du projectile.
Connaissant la masse et la vitesse de la balle, on peut en déduire l'énergie développée.

Si l'énergie produite est inférieure à 2 joules, c'est un "jouet".
Si cette énergie est supérieure à 2 joules, c'est une arme.
Ce montage est intégré sur un seul circuit imprimé.
Le résultat de la mesure est reporté sur un afficheur à cristaux liquides qui est clipsé sur le circuit imprimé principal.

Pour réaliser ce projet vous aurez besoin :

schéma structurel
typon
Décocher les options d'ajustement sur Acrobat pour obtenir l'échelle 1.
schéma d'implantation des composants
plan de perçage

Nomenclature :

Résistance







Ajustable

Condensateur




Led

Diode
Diode réception
Circuit intégré



Quartz
Afficheur
Poussoir
Câble



R1
R13, R33
R14, R34
R20, R24, R40, R44
R16, R23, R36, R43
R17,R18,R22,R37,R38,R42
R19, R39
R21, R41
R2
R15, R35
C1, C4, C6
C2, C3
C5
C7,C10,C11,C12,C13,C14,C30, C31,C32,C33,C34
C8
D12, D32
D13, D33
D1
D10, D30
U1
U2
U3, U11
U10, U20
Q1
A1 ( contrôleur de type HD44780 ou compatible )
S1
LD1, LD0 - LE1, LE0
X9, X0



10 k
270 ohms
220 ohms
470 ohms
27 k
100 k
1 k
47 ohms
10 k - Réglage du contraste de l'afficheur.
470 ohms
22 µF ( 16V pour C6 )
22 pF
100 nF CMS 1206
1 µF tantale
100 µF / 6,3V
3 mm Verte
3mm Rouge
1N4004
BPW34
16F628 + support 18 broches DIL
7805 boîtier TO220 sans radiateur
LM317 boîtier TO92
LM393 + support 8 broches DIL
16 MHz taille basse
2 lignes x 16 caractères + support tulipe 14 broches
implantation 2,5 x 1,75 pas de 2,54 mm
Vers les deux lasers
Alimentation +9V et Masse

Fabrication :

Tous les perçages se feront dans un premier temps avec un forêt de diamètre 0,8 mm.
Percer ensuite à 1 mm les emplacements du régulateur, du poussoir, de la diode, des BPW34, des 6 câbles.
Percer à 1,5 mm de diamètre les emplacements des 3 résistances ajustables.
Percer à 2,5 mm de diamètre les emplacements des clips de l'afficheur.
Percer à 3,2 mm de diamètre les emplacements des 3 fixations du circuit imprimé.

Lors du câblage attention au sens d'implantation de BPW34. Respectez le positionnement de l'ergot ( photo ).
La consommation du montage est faible. Le 7805 n'a pas besoin de radiateur.
Attention à la polarié des condensateurs au tantale. La borne plus étant représentée souvent par un trait .
Le support tulipe pour l'afficheur LCD est soudé coté cuivre. Voir la photo ci-dessous :

 
Fonctionnement :

L'alimentation générale.

L'ensemble est prévu pour être alimenté par un accu de 9,6V, ce qui est courant en airsoft. La tension +VLL est donc égale à 9,6V diminuée de la tension de seuil de D1( prévention d'une inversion de polarité ).
+VLL = 9,6 - 0,6 = 9 V
La tension de sortie du régulateur est de 5V.


L'alimentation des lasers.

Le rôle de cette alimentation est de pouvoir éclairer le capteur BPW34 à la limite de la saturation. L'avantage est la diminution du temps de réponse du capteur, ce qui permet de détecter une rupture de durée très courte du faisceau.
La tension de référence du LM317 est de 1,25 V, elle se situe entre les points C et D.

La tension de sortie de l'ensemble est donnée par la formule :
VCM = 1,25 x [ 1 + ( R14 + R15 ) / R13 ]
Avec R15 maximale VCM = 4,44 V ( = trois piles de 1,5V montées en série ).
Avec R15 minimale VCM = 2,27 V.
La ddp VCM peut donc évoluer de 2,27 V à 4,44 V.
L'intensité du faisceau laser est donc variable.

A ce stade on peut effectuer les premiers tests :

- Ne sont pas implantés l'afficheur, les 3 circuits sur support, les deux lasers..
- Alimenter le montage avec une source de tension comprise entre 8 V et 12 V.
- Mesurer la tension de sortie du régulateur ( 5 V ).
- Mesurer la tension de sortie des deux LM317 ( 2,27 à 4,44 V avec l'ajustable ).



Réglage du seuil bas.

Implanter les LM 393 sur les supports.
Souder les lasers sur le circuit imprimé. Aligner chaque faisceau sur la BPW34.
Le montage ci-contre est un comparateur.
Le pont diviseur R22 / R23 est alimenté par la tension de 5 V.
VFM = VCC x [ R23 / ( R22 + R23 ) ] = 1,06 V
Lorque la tension VBM sera inférieure à la tension VFM, la tension différentielle d'entrée est négative et la tension de sortie du comparateur VGM sera proche de 0 V. La LED verte D13 sera allumée.
Ajuster R15 afin que la LED verte soit allumée.
La tension VBM est alors légèrement inférieure à 1 V .
Le capteur n'est pas saturé, son temps de réponse sera rapide.


Le pont diviseur R16 / R17 est alimenté par la tension de 5 V.
VAM = VCC x [ R17 / ( R16 + R17 ) ] = 3,94 V

Lorsque la LED est éclairée, VBM = 1,06 V et VAM = 3,94 V.
La tension d'entrée différentielle est positive et la tension de sortie du comparateur VHM proche de 5V. La LED rouge D12 est éteinte.

Lorsque le faisceau laser est coupé, le capteur n'est plus éclairé,
VBM = 5V et VAM = 3,94 V.
La tension d'entrée différentielle est négative et la tension de sortie du comparateur VHM proche de 0V. La LED rouge D12 est allumée..
  On peut vérifier le fonctionnement de l'ensemble en passant un crayon sur le chemin parcouru par la balle.
Lorsqu'un faisceau est coupé, la LED verte s'éteint et la LED rouge s'allume.
Lorsque le faisceau est coupé, un état logique 0 sera communiqué au processeur ( lorsqu'il sera implanté ).


Le circuit de Reset.


Lors de la mise sous-tension, le condensateur C1 est déchargé et produit un Reset matériel au niveau du processeur. Si les deux faisceaux ont bien été réglés, l'afficheur indique : 00 000 µs BAT 64
On peut alors tirer une bille pour mesurer la durée de la trajectoire.
Avant un nouveau tir, il faut actionner le poussoir S1 qui provoque un nouveau Reset et met le processeur en attente d'une nouvelle bille.
Le logiciel ( version sans interruption ) :

Le mesurage de la durée de parcours se fait avec le Timer1 ( registre 16 bits ).
Le quartz d'horloge est un 16 MHz, le cadencement des instructions du microcontrôleur se fait à 4 MHz.
On paramètre un diviseur ( prescaler dans le registre T1CON ) par 4 qui va donc attaquer le Timer1 avec une fréquence de 1 MHz.
Le comptage est autorisé si le bit TMR1ON ( du registre T1CON ) est à 1, bloqué si le bit TMR1ON est à 0.
La durée de parcours de la balle va donc se retrouver dans le Timer1 ( TMR1L et TMR1H ) codée en hexadécimal.
Il faudra donc convertir cette durée en BCD pour pouvoir l'afficher ( la conversion est réalisée sans bibliothèque ).
  A. A la mise sous-tension, le prescaler est initialisé et l'afficheur reste vierge.
B. Le logiciel teste si la cellule de départ est éclairée, sinon retour en B.
C. Le logiciel teste si la cellule d'arrivée est éclairée, sinon retour en B.
D. Affichage de 00 000 µs BAT 64 ( si ce n'est pas le cas, actionner le BP ), le Timer1 est forcé à 0x0000.
E. Teste de la cellule de départ. Si le faisceau de départ. est coupé, le comptage de TMR1 commence, sinon retour en E.
F. Teste de la cellule d'arrivée. Si le faisceau est coupé, le comptage de TMR1 s'arrête, sinon retour en F.
G. Transcodage de la durée ( hexa ) contenue dans le Timer1 en BCD dans les variables SE0 à SE4.
- Transcodage de l'octet de poids faible TMR1L en BCD.
- Transcodage de l'octet de poids fort TMR1H en BCD ( on rajoute la valeur 256 en décimal TMR1H fois aux variables SE0 à SE4).
H. Affichage de la durée et BAT 64
Si lors d'un tir, la durée ne s'affiche pas, c'est que l'un des deux faisceaux n'a pas été coupé par la bille.
Il ne faut pas oublier l'impulsion sur le poussoir avant le tir suivant,
en cas d'omission de l'action sur le bouton poussoir l'affichage de la durée sera erroné.
En cas de tir dans le sens arrivée vers départ, l'affichage reste à 00 000.
Pour le PIC 16F628

Le programme - ( pour flasher le PIC ) clic droit et enregistrer la cible sous.
Le source en assembleur pour ceux qui voudraient apporter des modifications ( à leur charge ), clic droit et enregistrer la cible sous.
Le schéma a été étudié pour pouvoir utiliser les interruptions sur les broches RB4 à RB7.
Utiliser cette option augmente la précision de la mesure ( inférieure à la µs ) et permet d'avoir un trajet bidirectionnel de la bille.
La gestion de l'afficheur peut être optimisée à l'aide de l'adressage indirect ( pour le fun ).
Connaissant le poids d'une bille, on peut faire calculer au processeur l'énergie developpée par l'arme ( à développer en C ).
Fin de l'implantation des composants et montage mécanique :

On peut implanter l'afficheur. L'afficheur est clipsé sur ses quatre entretoises.
Si vous avez des problèmes d'approvisionnement, on peut concevoir l'écartement avec des vis M2,5 et des écrous.
Insérer ensuite dans chaque picot tulipe une broche de résistance et souder rapidement ces broches sur l'afficheur. Si la durée de brasage est trop longue, la broche aura le temps de se souder sur le picot.
Ci-dessous l'afficheur implanté coté cuivre.


Les deux lasers sont espacés de 101,6 mm obligatoirement. C'est l'écart qui existe entre les deux capteurs. Pour mettre en place un laser, il faut qu'il éclaire sa cible. On peut verrouiller sa position à l'aide de la colle thermique ( photo ci-contre ).
Le trajet de la balle est un segment de chemin de câble métallique. Il est ajouré et permet le passage des deux faisceaux ainsi que l'accès aux réglages du montage.Il faut aussi que les faisceaux soient perpendiculaires au chemin de câble.
C'est la partie la plus délicate du montage.
Les calculs - Exemple.

La durée de parcours de la balle affichée lors d'un tir est de 879 µs.
Les deux capteurs sont espacés de 101,6 mm, ainsi que les deux lasers.
La balle a parcouru une distance de 101,6 mm.
On peut en déduire sa vitesse exprimé en mètres / seconde (et non en FPS).
Vitesse = distance (m) / durée (s)
Vitesse = 101,6 E-3 / 879 E-6 = 115,6 m / s
En connaissant la masse du projectile, on peut en déduire l'énegie développée exprimée en Joule.
La masse est exprimée en kg et la vitesse en m / s.
Énergie = ( Masse x Vitesse ² ) / 2
Si on utilise une bille de 0,2 gramme,
Énergie = ( 0,2 E-3 x 115,6 x 115,6 ) / 2 = 1,34 J

En conclusion l'énergie développée est inférieure à 2 Joules.
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