2024 2025 4GP cookingmae MaouLidaDev

# 2024-2025-4GP-cookingmae-MaouLidaDev

# SOMMAIRE
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- [2024-2025-4GP-cookingmae-MaouLidaDev](#2024-2025-4gp-cookingmae-maoulidadev)
- [SOMMAIRE](#sommaire)
    - [But du projet](#but-du-projet)
    - [Livrables](#livrables)
    - [Matériel donnée](#matériel-donnée)
    - [Simulation du circuit sous Ltspice](#simulation-du-circuit-sous-ltspice)
    - [Création du Shield sous Kicad](#création-du-shield-sous-kicad)
    - [Code Arduino](#code-arduino)
    - [Application Android sous MIT App Inventor](#application-android-sous-mit-app-inventor)
    - [Banc de test](#banc-de-test)
    - [Datasheet](#datasheet)
    - [Conclusion](#conclusion)
    - [Contact](#contact)
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### But du projet

Le but du projet est de pouvoir venir comparer deux technologies de jauge de contrainte.
* Une jauge provenant du commerce : Un "flex sensor" ayant une résistance à plat d'environ 28KOhms
* Une jauge de contrainte en graphite faite par nos soins s'inscrivant dans le cadre des technologies low tech

Pour fabriquer notre jauge de contrainte low tech et low cost, nous nous basons sur un article scientifique intitulé: "Pencil Drawn Strain Gauges and Chemiresistors on Paper" publié par Cheng-Wei Lin, Zhibo Zhao, Jaemyung Kim et Jiaxing Huang dans lequel il a été prouvé que l'on puisse créer une jauge de contraite à partir d'une piste de graphite. Cette piste de graphite peut être dessiner à l'aide d'un crayon à papier sur une feuille de papier tout deux disponibles dans le commerce. En effet, en se basant sur les phénomènes de transport dans les systèmes granulaires, on peut observer une modification de la resistance de la piste en fonction de la flexion de cette dernière. Nous souhaitons observer ce phénomène pour differentes pistes de graphite plus au moins chargées en particles de graphite. Ainsi, nous pourrons étudier la variation de résistance de la piste en fonction de la déformation et ce pour chaque piste obtenue par dépot de crayon à papier differents.

Afin de pouvoir observer ce phénomène, nous avons débuté ce projet et proposons de répondre à la question suivante: "Est ce que la sensibilité d'une jauge de contrainte en graphite peut être comparable à celle d'une jauge dans le commerce et si oui est-il possible de commercialiser cette jauge low cost et low tech à grande echelle?"

Pour repondre à cette question, nous mettons en place un protocole constituer de phase de design, création, programmation et test pour notre jauge de contrainte en graphite.
Voici  un récapitulatif des étapes:
* Designer et créer un montage d'amplifaction nous permettant d'exploiter notre jauge en graphite et de relier sa sortie à une carte arduino
* Intégrer un potentiomètre digitale en entrée de notre montage d'amplifaction pour calibrer les mesures
* Créer un shield sous Kicad permettant d'y intégrer notre montage amplificateur, notre potentiomètre, nos 2 capteurs à comparer, un écran OLED pour voir la mesure que nous effectuons, un module Bluetooth pour exporter les datas vers un téléphone android et un encodeur rotatoire
* Préparer le PCB et y integrer tous les composants 
* Créer un code Arduino nous permettant de contrôler tous les éléments dont nous disposons sur notre PCB
* Tester notre code ainsi que notre montage physique 
* Tester les deux capteurs et recenser dans une datasheet les caractéristiques de notre jauge de contrainte low cost
* Répondre à la problèmatique concernant notre jauge de contrainte 
* Préparer nos splendides résultats durant une soutenance fin Mai


### Livrables

* Un shield PCB conçu sous Kicad pouvant se fixer à une carte Arduino UNO avec au-dessus un amplificateur transimpédance, un module Bluetooth, un écran OLED, un potentiomètre digital, un encodeur rotatoire, un Flex Sensor et notre capteur.
* Un code Arduino gérant la mesure de résistance d'une jauge de contrainte faite en graphite, la communication avec un module Bluetooth pour réceptionner les valeurs de la mesure sur un portable Android, l'affichage sur l'écran OLED d'actions possibles et la gestion du potentiomètre digital permettant la calibration de notre capteur.
* Un code Android APK qui gère l'interfaçage du système de mesure sur un téléphone Android.
* La datasheet du capteur de contrainte en graphite.

### Matériel donnée 

* 1 carte Arduino Uno
* 2 Résistance de 100kΩ
* 1 Résistance de 1kΩ
* 1 Potentiomètre digital MCP-41050
* 2 Condensateurs 100nF
* 1 Condensateurs 1µF
* 1 AOP LTC1050
* 1 Écran OLED01
* 1 Module Bluetooth HC-05

### Simulation du circuit sous Ltspice

Nous souhaitons pouvoir récupérer la resistance de notre capteur de Graphite. Ce dernier, lorsqu'une de ses pins est connectée à une source de tension d'environ 5V, délivre sur sa deuxième pin un très faible courant (de l'ordre du nanoampère). En effet, la résistance de notre jauge de contrainte en graphite est de l'ordre du gigaohm ce qui pour la gamme de tension d'alimentation dont nous disposons pour nos tests se traduit par un courant très faible à exploiter. 

Pour pouvoir tout de même récupérer la variation de resistance de notre capteur, nous proposon un montage d'amplification transimpédence composé de 3 filtres passe bas et d'un AOP. L'AOP amplifie notre signal pour atteindre une tension qui pourra ensuite être lue par une carte Arduino UNO. Nous avons choisi le LTC 1050.
En plus de l'AOP, nous rajoutons 3 filtres: 
  - Un filtre passe bas passif composé de R1 et C1 de fréquence de coupure de 16Hz pour filtrer les bruits en courant sur le signal d'entrée
  - Une filtre passe bas actif composé de R3 et C4 de fréquence de coupure de 1.6Hz permettane de filtre la composante de bruit à 50Hz provenant du couplage avec le réseau éléctrique 
  - Un filtre passe bas standard composé de R6 et C2 de fréquence de coupure de 1.6kHz qui permet de s'affranchir des bruit crées par l'environnement de l'observation
 Il est possible de venir rajouter une resistance variable R2 de sorte à pouvoir garantir la non saturation de l'entrée analogique de la carte Arduino UNO récupérant le signal de sortie de l'amplificateur transimpédance. En effet, comme la resistance de la piste varie en fonction de sa teneur en particule de graphite, il sera possible de venir faire varier R2 pour modifier le gain de notre amplification. 
 
 Nous avons testé ce montage sur le logiciel LTspice basé sur [ce schéma](https://github.com/MOSH-Insa-Toulouse/2024-2025-4GP-cookingmae-MaouLidaDev/blob/main/Images/SchemaLTSpice.png) 

Grâce à notre simulation, nous avons pu valider que nos filtres sont bien dimensionnés pour atténuer les bruits (par exemple, dans le cas des simulations en courant alternatif, on constate que notre atténuation est de l'orde 40dB pour la composante à 50Hz).


### Création du Shield sous Kicad

Voici ci-dessous des images des schéma de notre PCB sous Kicad: 
![schematique_kicad](https://github.com/MOSH-Insa-Toulouse/2024-2025-4GP-cookingmae-MaouLidaDev/blob/main/Images/Sch%C3%A9matique%20Kicak.png)
![routage_kicad](https://github.com/MOSH-Insa-Toulouse/2024-2025-4GP-cookingmae-MaouLidaDev/blob/main/Images/SHIELD%20.png)
![troisd_kicad](https://github.com/MOSH-Insa-Toulouse/2024-2025-4GP-cookingmae-MaouLidaDev/blob/main/Images/3D%20du%20SHIELD.png)



Le PCB a été entierement designé sous le logiciel Kicad et imprimé au sein de deux départements de l’INSA Toulouse, le Génie Électrique et Informatique et le Génie Physique. Il a été fabriqué avec une plaquette d’époxy recouverte d’une couche de cuivre d’environ 60𝝻m sur laquelle nous avons imprimé le circuit. Pour imprimé le circuit, nous utilisons un calque nous permettant d'isoler les pistes des UVs et de venir graver à l'aide d'un bain de percholorure de fer les parties en cuivre non désirées. 

Une fois le PCB tiré, nous sommes passé à la soudure des composants nécéssaires pour pouvoir analyser la réponse de notre capteur graphite. 
Voici ci-dessous une image de notre carte une fois imprimée et une fois tous les composants ajoutés: 

![carte_fini](https://github.com/MOSH-Insa-Toulouse/2024-2025-4GP-cookingmae-MaouLidaDev/blob/main/Images/carte_montage_final.jpg)



### Code Arduino 

Pour pouvez retrouver le code commenté permettant d'avoir la variation de résistance relative en fonction de la déformation [ici](https://github.com/MOSH-Insa-Toulouse/2024-2025-4GP-cookingmae-MaouLidaDev/blob/main/Arduino/Code_Arduino.ino)

Le but de ce code est de gérer l'acquisition des tensions en sortie de l'amplificateur et du Flex Sensor, ainsi que la calibration automatique du potentiomètre digital.

Lorsque le code est téléversé sur la carte Arduino, le programme attend que le début de l'acquisition soit enclenché par l'utilisateur sur l'application Android (mentionnée plus tard). Après cette première étape, il est possible de sélectionner plusieurs actions en tournant et en appuyant sur l'encodeur rotatoire :\
-Pause qui force le programme à ne rien faire;\
-Calibre A qui calibre le potentiomètre digital pour que la tension en sortie de l'AOP ne sature pas à 5V ou à 0V;\
-Mesure Flex qui récupère la valeur de la tension sur le Flex Sensor et la convertit en résistance, mesure envoyée à l'application Android sous forme de byte;\
-Mesure Capteur qui récupère la valeur de la tension en sortie de l'AOP et envoie la donnée à l'application Android sous forme de byte;

La fréquence d'échantillonage est de 2Hz (pour Mesure Flex et Capteur). Lors que l'action Calibre A est sélectionnée, le programme n'effectue que cette tâche et aucune autre fonction est activée. Cette calibration prend entre 5 et 10s.

### Application Android sous MIT App Inventor

Pour pouvoir récupérer la variation de la résistance en fonction de la déformation, nous avont créer une application pouvant communiquer avec le module Bluetooth présent sur notre PCB. Nous avons utilisé le site MIP App Inventor. 
Vous retrouverez notre application dans la séction dédiée. Nous avons : 
![Android](https://github.com/MOSH-Insa-Toulouse/2024-2025-4GP-cookingmae-MaouLidaDev/blob/main/Android/Face_arri%C3%A8re.png)

Le but de ce code est de gérer la réception des données et de leur affichage, ainsi que la calibration manuelle pour initialiser la résistance variable R2.

Lorsqu'on se connecte au module Bluetooth présent sur la PCB, on peut commencer l'acquisition des données. En fonction de l'action sélectionnée, on affiche sur la face-avant de l'application différentes informations. Si l'action sélectionée est :\
    -Pause, rien de nouveau s'affiche;\
    -Calibre A, il est nécéssaire d'appuyer sur le bouton "Calibration Automatique" pour récupérer la valeur de la résistance du potentiomètre digital. L'application reste figé et attend de recevoir de l'Arduino le byte associé au potentiomètre digital et affiche la valeur de la résistance et précise aussi que la calibration a été faite automatiquement;\
    -Mesure Flex, la valeur de la résistance est affiché dans un indicateur et sur un graphe pour suivre l'évolution de cette résistance. Il est nécessaire de placer le Switch du côté "Flex Sensor" pour avoir la bonne résistance du Flex Sensor;\
    -Mesure Capteur, la valeur de la résistance est affiché dans un indicateur et sur un graphe pour suivre l'évolution de cette résistance. Il est nécessaire de placer le Switch du côté "Capteur" pour avoir la bonne résistance du Capteur;

De plus, il est possible de rentrer manuellement la valeur de la résistance R2 si : la calibration automatique ne renvoie pas la bonne valeur mesurée sur le potentiomètre digital à l'aide d'un multimètre OU si on n'utilise pas de potentiomètre digital et qu'on le remplace simplement par une résistance. Enfin, il est possible d'arrêter l'acquisition des mesures et de la relancer, effaçant toutes les informations présentes sur le graphe et les indicateurs.

(Remarque : la fréquence du code Android est de 10Hz pour récupérer le byte de données associé aux résistances du Capteur et du Flex Sensor).

### Banc de test

Pour pouvoir compléter notre datasheet, nous devons évaluer les performances de notre capteur à travers un banc de test. Pour cela, nous utiliserons un demi cylindre à rayon variable dont nous connaissons préalablement le rayon de courbure: ![banc_test](https://github.com/MOSH-Insa-Toulouse/2024-2025-4GP-cookingmae-MaouLidaDev/blob/main/Images/banc_de_test.jpg)

Ce banc de test a été imprimé en 3D et dispose de demis-cercles de rayons variant de 2cm à 4,5cm avec un pas de 0,5cm par demi cercle.  

Pour évaluer notre capteur en graphite, on veut pouvoir connaître la variation de résistance relative du capteur en fonction de la déformation subie. Nous notons la variation de résistance relative: $\frac{\Delta R}{R_0}$  et la déformation:  $\epsilon=\frac{e}{D}$ avec ${e}$ l'épaisseur de notre papier que l'on a mesurée à e=0.2mm et ${D}$ le diamètre du cercle choisit. Il est ainsi aisé de determiner la déformation associée à chaque demi-cercle et il ne reste plus que à mesurer la résistance ${R_0}$ de notre capteur au repos et la variation de résistance de ce dernier lorsqu'on vient le plaquer contre les différents demis-cercles. 

Nous souhaitions originalement utiliser cette méthode qui nous a été suggerée en cours mais il a été compliqué pour nous de la mettre en oeuvre. En effet, nous n'avions pas assez de variation en résistance pour les différents diamétres testés. Cela est peut être dû à un mauvais réglage du potentiomètre digitale ne nous permettant pas d'exploiter la sensibilité de la jauge. Nous passons à un test plus "rudimentaire" se basant sur le même principe mais sur lequel nous contrôlons cette fois l'angle d'inflexion (en rad) de la jauge. On a donc  $R=\frac{D}{2}=\frac{L}{\theta}$ avec L la longueur de notre jauge mesurée à L=3.8cm
Au final on peut écrire la déformation:  $\epsilon=\frac{e\theta}{2L}$

On obtient ainsi la courbe de la variation de résistance en fonction de la déformation. Nous testons notre capteur pour differentes compositions en particule de graphite en compression et aussi en tension. On note que lorsque la déformation est positive c'est que nous étudions la compression (l'angle de courbure est compté positif) alors que lorsqu'elle est négative c'est que nous étudions la tension (l'angle de courbure est compté négatif). 
Nous obtenons: 

![var_R/RO_crayons](https://github.com/MOSH-Insa-Toulouse/2024-2025-4GP-cookingmae-MaouLidaDev/blob/main/Images/Evolution_variation_resistance_relative_en_fonction_de_la_deformation.jpg)


De même, nous pouvons établir uniquement en tension cette fois ($\epsilon$ < 0), la courbe de variation de resistance du capteur commercial : "le flex sensor". Nous obtenons: 
![var_R/RO_Flex](https://github.com/MOSH-Insa-Toulouse/2024-2025-4GP-cookingmae-MaouLidaDev/blob/main/Images/Evolution_variation_resistance_relative_en_fonction_de_la_deformation_Flex_Sensor.jpg)


De nos observations, on constate que la résistance diminue lorsque nous sommes en compression, ce qui est normal car les particules de graphites se rapprochent les unes des autres et permettent une meilleure conductivité. Logiquement, en tension, la résistance augmente puisque qu'on rend la distance entre chaque particule de graphite beaucoup plus grande. 
On constate aussi que ces variations de résistance dépendent beaucoup du niveau de gras du grain en graphite que nous avons utilisé pour notre jauge. Lorsque notre crayon comporte beaucoup de graphite (2B ou B), la variation relative de resistance est plus importante. Lorsque notre crayon est plus dur (HB 2H avec beaucoup d'argile et moins de graphite) la resistance à plat est plus importante et nous avons une variation relative de resistance moins importante.  

NB: Il y'a certaines zones d'incertitudes à prendre en compte lors de l'analyses des performances de nos capteurs. En effet, entre chaque capteur testé, il est impossible d'estimer réellement la quantité de graphite déposée. De plus, il est difficile d'estimer si le banc de test élaboré permet de tester sans dégrader la qualité de nos capteurs. Il serait ainsi intéressant d'élaborer un nouveau banc de test utilisant un servo-moteur. 

### Datasheet 

Pour pouvez retrouver la datasheet [ici](https://github.com/MOSH-Insa-Toulouse/2024-2025-4GP-cookingmae-MaouLidaDev/blob/main/Datasheet/Datasheet_capteur_2025.pptx)

### Conclusion

Le but de ce projet était de venir comparer une technologie de jauge de contrainte commerciale: "Flex sensor" avec une jauge de contrainte facilement reproductible et low cost en graphite se basant sur l'article : "Pencil Drawn Strain Gauges and Chemiresistors on Paper" publié par Cheng-Wei Lin, Zhibo Zhao, Jaemyung Kim et Jiaxing Huang.  

Notre problématique était la suivante: "Est ce que la sensibilité d'une jauge de contrainte en graphite peut être comparable à celle d'une jauge dans le commerce et si oui est-il possible de commercialiser cette jauge low cost et low tech à grande échelle?"

--> Notre jauge de contrainte en graphite permet en effet d'observer une variation de résistance en fonction de la déformation et assure donc sa mission de base. On peut appliquer sur nos jauges des tensions mais aussi des compressions ce qui n'est pas possible pour le capteur commercial Flex sensor dont nous disposons. Nos jauges en graphite permettent de plus grande variations de résistance que le flex sensor mais elles restent tout de même moins sensibles. Nous avons du mal à évaluer la flexion maximale que nous pouvons appliquer sur nos jauges donc nous ne pouvons pas déterminer si nous les cassons en cours d'expérimentation. Le flex sensor semble alors plus robuste et plus précis. 
Pour conclure, nos jauges en graphite low tech permettent d'avoir une idée sur la déformation grâce à une variation relative, ils sont faciles à produire et permettent d'exploiter le phénomène de conduction dans les systèmes granulaires et c'est assez cool! En revanche, ses performances sont limitées et sa sensibilité ne permet pas d'avoir des résultats similaires à ce qui se fait sur le marché. 

--> En ce qui concerne la commercialisation de notre capteur, nous venons de voir que les performances de notre jauges ne sont pas comparables à ce qui se fait sur le marché actuellement mais peut tout de même dépané et permettre de se faire une idée de la déformation. Malheureusement, nos conditions de test étant assez rudimentaires, nous ne pouvons pas attester de la qualité de notre produit. Afin de pouvoir pleinement répondre à cette question, il faudrait mener des tests plus reproductibles, plus en profondeur pour pouvoir atteindre de meilleures performances. 

### Contact

-Hamadi Maoulida: [email protected]  
-Tartera Maëlys : [email protected]