Possédant l’intégralité des préceptes qui conduisent à l’organisation d’un ensemble multiplexé, nous pouvons facilement décortiquer l’agencement du circuit électronique élaboré pour le KIT commercial qui nous sert de base à ce petit projet ludique, et analyser au passage les compromis inévitables pour garantir la fiabilité du dispositif. En particulier comment est résolu le problème des courants impulsionnels qui ne doivent jamais dépasser ceux indiqués par les fabricants des composants en silicium.
Le maillon faible de la chaîne alimentaire.
Fiable suppose « résister sans problème » dans le pire des cas, qui dans ce projet correspond à un cube entièrement éclairé. Et encore, le pire du pire correspond aux 512 LEDs allumées simultanément et en statique. Cette configuration est parfaitement possible et se produit régulièrement quand sur un RESET du microcontrôleur l’intégralité des sorties des neuf multiplexeurs est constituée d’états logiques « 1 ». Du reste, cette configuration fait partie intégrante des tests effectués initialement pour valider le bon fonctionnement de l’ensemble. Comment respecter toutes les contraintes électroniques ?
Il faut et il suffit de ne pas dépasser l’intensité acceptable par le composant « le plus faible ».
Cette assertion impose d’examiner chaque maillon de la chaîne électronique de l’ensemble du projet. Bien que ne représentant qu’un seul multiplexeur de type 74ALS573 pilotant les huit colonnes verticales le long de l’axe X, le schéma élémentaire de la Fig.10 est assez représentatif de l’ensemble. Le multiplexeur vertical sur le schéma d’origine est constitué par l’un des ports binaires disponibles sur le microcontrôleur 80C52. On se doute que ces sorties ne sont pas capables de débiter un courant notable, elles se contentent de fournir un état électrique « logique ». Quand cet état passe à « 1 » la tension disponible sur la sortie binaire ressemble à du +5Vcc. Il est alors présenté sur l’octuple amplificateur ULN2803 constitué de huit « Darlington » chacun pouvant commuter jusqu’à 500mA et à des fréquences très élevées. Dans toute la chaîne énergétique, le point le plus faible est constitué par la toute petite prise USB de la carte Arduino NANO. Car, n’oublions pas que durant le développement du programme d’exploitation, pour réduire l’encombrement sur le bureau de l’ordinateur c’est cette dernière qui alimente l’intégralité du cube. C’est donc le cube dans son ensemble qui ne devra pas consommer plus de 500mA.
Compromition nocturne.
Consultant le schéma d’origine trouvé sur Internet, (Voir la Fig.11) les résistances de limitation de courant en sortie de l’ULN2803 sont réputées faire 220Ω. Dans la pratique, celles fournies dans le KIT font 510Ω. Plusieurs raisons doivent conduire à ce choix, en particulier les caractéristiques propres aux diodes électroluminescentes de 3mm de diamètre. La plus grande intensité qui serait consommée sur l’une des sorties darlington serait de 5 / 510 = 10mA si elles étaient réunies directement à GND via R. Les huit lignes étant sollicitées, toutes les LEDs allumées, l’ensemble devrait théoriquement exiger 80mA en mode statique. Dans la pratique, la consommation est inférieure car la sortie des résistances de 510Ω n’est pas directement branchée à GND et les LEDs engendrent une chute de potentiel à leurs bornes. Du coup, l’intégralité du cube ne consomme au maximum qu’environ 60mA la tension fournie et mesurée étant de 5,13Vcc. Le test a été effectué lorsque c’est la carte du KIT qui alimentait Arduino, ceci étant précisé, dans l’autre sens les courants consommés sont pratiquement identiques. (Très légèrement plus faibles car la carte NANO délivre une tension régulée d’exactement +5Vcc.) On se doute que le courant total consommé n’alimente pas que le volume lumineux, mais également les circuits intégrés dont le microcontrôleur sans compter quelques diodes électroluminescentes dispersées sur le circuit imprimé du KIT et sur la carte Ardunino NANO. Quand le volume du cube est exploité pour construire des tableaux artistiques, brusquement on doit balayer en hauteur, et l’intensité dégringole puisque l’on passe d’une technique statique à du multiplexage. Du coup, en exploitation « standard » l’intensité moyenne devient considérablement plus faible. Comme dirait Lavoisier, il n’y a pas de miracle. Qui dit consommation réduite implique aussi luminosité réduite. Ce cube lumineux n’a pas été conçu pour rivaliser avec un soleil caniculaire. C’est dans une pénombre relative qu’il sera correctement admiré, tout particulièrement loin des sources lumineuses les plus importantes de la pièce à vivre dans laquelle il est exposé. N’oublions pas qu’à Noël, on laisse le sapin allumé quand on regarde le téléviseur, la pièce étant généralement sombre pour agrémenter le confort visuel. Vous constaterez dans ces condition que le cube 3D ne se fait pas oublier, loin s’en faut ! Un éclairage suffisant des LEDs qui le compose résulte de leur rendement étonnant, issu des progrès foudroyant qui accompagnent ces dernières années l’industrie de l’optoélectronique.
Étude du schéma électronique adopté sur le KIT de base.
Constitués de quelques extraits du schéma d’origine, celui proposé en Fig.11 contient les diverses zones dont nous pouvons avoir besoin pour comprendre les branchements que nous allons effectuer pour remplacer le 80C52 par notre petite carte Arduino NANO. Le schéma initial présente un circuit assurant une liaison RS232 sur TXD et RXD qui n’est plus d’actualité et non présent sur le KIT. Sont également représentés les huit multiplexeurs 74LS573 ce qui n’apporte rien à la compréhension, raison pour laquelle sur la Fig.11 seuls sont présents U7 en 11 et U8 en 15. Enfin j’ai changé quelques couleurs, car la masse en rouge et le +5Vcc en bleu ne me 
séduisait pas beaucoup. Suite à ces remarques, passons à l’examen du montage initial. Le microcontrôleur 80C52 possède trois ports d’E/S binaires. Le premier P0 en 1 pilote en parallèle les huit multiplexeurs, par exemple les entrées 13 pour 11 et 17 pour 15. Les cathodes des colonnes de LED sont branchées sur les connecteurs tels que 16. Notez au passage que les sorties de P0 sont forcées à l’état logique « 1 » par l’octuple résistance de 10kΩ montrée en 12. Chaque multiplexeur 74ALS573 est validé individuellement sur sa broche 11 en C par l’une des sorties 14 du port P2 repéré 3 sur le schéma. C’est le port P1 du microcontrôleur 80C52 situé en 2 qui sert d’octuple mémoire au multiplexage. Ses broches initialisées en sorties fournissent les signaux aux « muscleurs de courant » 8 par les entrés repérées 7. Par l’entremise du connecteur 10 les huit circuits Darlington intégrés à U9 alimentent les anodes des LEDs à travers les résistances de limitation de courant de 510Ω visibles en 9. En 4 se trouvent les composants de l’horloge à quartz qui cadence le 80C52, avec en 5 l’agencement du RESET automatique à la mise sous tension. Ce circuit est totalement ignoré sur notre prototype. Sur le KIT, les boutons poussoir repérés 6 n’étaient pas fournis, car le programme inclus à U10 ne les utilise pas. Pour ma part, je les ais installé, car ils ouvrent des perspectives avantageuses pour l’exploitation. Enfin en 18 se trouve la prise Jack d’alimentation avec un condensateur de 10µF en découplage, et un interrupteur Marche/Arrêt qui dans cette application restera constamment activé, sauf épisodiquement en opérations de maintenance. Une LED rouge atteste la présence de l’énergie.
Le circuit imprimé d’origine.
Provisoire si le programme animant le 80C52 vous suffit, le KIT tel qu’il se présente constitue la base sur laquelle viendra éventuellement se greffer notre complément intégrant une carte Arduino NANO. Pour mémoire, la Fig.12 propose un dessin qui situe la dispersion sur la carte des circuits intégrés qui constituent ce produit commercial. En particulier en rose est précisé l’ordre des divers multiplexeurs par rapport aux axes théoriques du cube représentés sur la Fig.4 de la fiche technique Répartition géométrique des composants qui accompagne ce didacticiel. Contrairement à la grande majorité de mes autres projets ludiques publiés sur la toile, c’est l’un des rares qui n’est pas accompagné d’un manuel d’utilisation et d’une notice technique pour la maintenance. Comme il y a vraiment peu de possibilités en exploitation, une seule fiche au format A5 est largement suffisante pour résumer les options possibles. Cette dernière est titrée Comportement du programme coté RECTO et Les trois modes de visualisation en face opposée. Les diverses fiches (Exploitation, assemblage et maintenance.) qui accompagnent ce tutoriel sont regroupées dans Fiches techniques du cube 3D.pdf dont la première page n’est pas à imprimer. Cette dernière donne quelques précisions relatives au contenu, et des conseils pas forcément inutiles. Notez que la Fig.12 est extraite de ce document. Avant de poursuivre notre cheminement vers la version « Arduino », en première étape nous allons réaliser le produit commercial. Ensuite, quand ce dernier fonctionnera correctement, il vous sera toujours possible d’y ajouter comme sur le prototype « la couche personnelle ». Comme je ne savais pas au début qu’il y aurait cette facette secondaire dans le projet, initialement c’est le KIT seul qui était envisagé. Pour ajouter la gestion personnelle, il a suffi d’ajouter sur le coffret « un étage » supplémentaire. (Qui en réalité est situé dessous !) Nous allons donc passer à la réalisation initiale, sachant qu’il peut y avoir une suite qui imposera de surélever le coffret à sa partie inférieure. Naturellement, si le complément Arduino est envisagé dès ce stade, autant réaliser le coffret directement à la bonne hauteur, facilitant ainsi sa réalisation. (Encore que la technique utilisant du polystyrène choc facilite grandement la « pièce rapportée ».)
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