Je me suis fabriqué une machine à infuser les sachets de thé. Dans cet article je fais une présentation détaillée du projet. Le code source et tous les autres documents sont disponible sur https://github.com/picatout/machineathe.
Sommaire
La machine à thé que j'ai fabriqué a pour fonction de prendre en charge le chronométrage de l'infusion du thé. Elle a un bras motorisé auquel j'attache le sachet. j'ajuste le chronomètre et pèse sur le bouton
Analyse du problème
Il faut donc un chronomètre et un bras motorisé. Il faut un bouton pour ajuster le temps et un affichage pour indiquer la durée. Il n'est pas nécessaire d'avoir une précision à la seconde. J'ai donc décidé que le temps pouvait-être incrémenté par multiple de 15 secondes. Pour l'affichage une barre de LED à 10 segments sert à indiquer le temps. Chaque segment représente un multiple de 15 secondes pour une durée maximale de 150 secondes. Un deuxième bouton sert à démarrer le chronomètre. Lorsque le temps est écoulé le sachet est retiré de la tasse, l'alarme sonne et finalement le microcontrôleur est mis en sommeil (sleep mode). L'interface utilisateur est donc simple, 2 boutons et un affichage barre de LED.
La procédure d'utilisation de l'appareil est la suivante:
- Attacher le sachet de thé au bras et placé la tasse sous le sachet.
- Peser sur le bouton MARCHE/ARRET pour sortir le MCU du mode sommeil. La mise en marche est signalée par un BEEP.
- Ajuster le temps avec le bouton TEMPS
- Peser à nouveau sur le bouton MARCHE/ARRET pour démarrer la séquence d'infusion.
- Allumer l'appareil
- démarrer la séquence d'infusion
- Annuler la séquence d'infusion
Le choix du microcontrôleur.
Rapidement dans ma réflexion j'ai choisi d'utiliser un servomoteur Hitec HS-422 que j'avais en ma possession ainsi que la barre de segments LED pour la même raison. Il me restait à choisir un microcontrôleur. le servomoteur se contrôle avec des impulsions dont la largeur varie entre 2,1 et 2,9 millisecondes. Ces impulsions doivent-être répétées 50 fois par secondes. Un périphérique PWM est tout désigné pour ce travail.
Pour l'alarme un petit haut-parleur alimenté par une tonalité ou une séquence de tonalités de fréquence différente peut-être utilisé. Encore là un périphérique PWM est tout désigné pour générer les tonalités.
Pour les 2 boutons il suffit de 2 entrées digitales.
Pour l'affichage des entrées/sorties 3 états (sortie 5 volt,sortie 0 volt, haute impédance) sont nécessaires. On peut cependant réduire le nombre nécessaire en utilisant une méthode de multiplexage appelée Charlieplexing. Le nombre de LEDs qui peuvent-être multiplexés par cette méthode est de N*(N-1). Où N est le nombre de broches utilisées. Avec 4 broches 3 états (tristate) on peut donc contrôler 12 LEDs. La barre en a 10.
On a donc besoins d'un MCU qui dispose de 2 périphériques PWM et d'au moins 8 E/S numériques et au minimum 2 minuteries, une pour les PWM et pour servir de chronomètre. Rien de plus que ça. Le plus petit PIC16F1xxx qui possède ces caractéristiques doit-être disponible dans un boitier PDIP 14 broches.
Les générations PIC 8 bits
Il y a 4 générations de PIC 8 bits. Les baseline mis en marché en 1990, les mid-range, les enhanced mid-range et finalement les extended c'est à dire les PIC18Fxxxx.
La famille enhanced mid-range est celle qui offre la plus grande variété de produits hormis les PIC18F qui sont inutilement coûteux pour ce projet. De plus il n'y a aucun PIC18F qui viens en format PDIP-14. Les enhanced mid-range ont 4 chiffres après le F, i.e. PIC1y(L)F1xxx où y est soit 2 ou 6.
En utilisant le sélecteur de MCU sur le site WEB de Microchip j'ai trouvé un bon candidat pour le rôle, le PIC16F1703. Voilà un petit MCU intéressant.
| PIC16(L)F1703 |
|---|
| mémoire flash 2048 instructions. |
| mémoire RAM 256 octets |
| 11 entrées/sorties 3 états. 1 entrée seulement RA3/~MCLR/Vpp |
| Analog-to-Digital Converter (ADC) 10 bits |
| Fixed Voltage Reference (FVR) |
| Zero-Cross Detection (ZCD), utile dans les applications de contrôle de voltage AC. i.e thermostat, atténuateur d'éclairage. |
| Temperature Indicator |
| 2 Capture/Compare/PWM (CCP/ECCP) Modules |
| Master Synchronous Serial Ports MSSP |
| 2 Op Amp |
| Timer0, 8 bits avec pré-diviseur |
| Timer1, 8 bits avec gating et clocking externe |
| Timer2, 16 bits avec pré et post diviseur. Contrôle la période des CCP |
Schématique du projet
Voici la schématique du circuit produit avec KiCAD version 4.0.3.
Assignation des ressources du MCU
| ressource | utilisation |
|---|---|
| TIMER0 | Cette minuterie 8 bits est configurée pour chronométrer les délais cours par incrément de 4msec. Lorsqu'elle est active cette minuterie génère une interruption à intervalle de 4 millisecondes. |
| TIMER1 | Cette minuterie 16 bits est configurée pour chronométrer les durées en secondes. Lorqu'elle est active cette minuterie génère une interruption à intervalle d'une seconde. C'est la minuterie utilisée pour contrôler la durée de l'infusion. |
| CCP1 (Capture/Compare/PWM) | Ce périphérique est utilisé en mode PWM pour générer des tonalité audio-fréquence. Utilisé par la routine tone. |
| CCP2 | Ce périphérique est utilisé en mode PWM pour génerer les impulsions de contrôle du servomoteur. La période est de 20 msec et la largeur des impulsions varie entre 2,1 et 2,9 msec par incrément de 32µsec. |
| PORTA |
RA5 entrée bouton MARCHE/ARRET RA4 entrée bouton TEMPS RA2 sortie PWM contrôle servomoteur RA1 sortie PWM son |
| PORTC | RC0-RC5 E/S 3 états pour le Charlieplexing des LEDS |
Le logiciel
Le code source est écris entièrement en MPASM. Les enhanced mid-range possède un jeux de 49 instructions. Cette génération représente une amélioration considérable par rapport au 2 précédentes. Voici quelques comparaisons.
| paramètre | mid range | enhanced |
|---|---|---|
| pile | 8 niveaux | 16 niveaux. Peut-être manipulée. |
| FSRx | FSR0 seulement | FSR0,FSR1 |
| interruption | sauvegarde/restauration manuel du contexte | sauvegarde/restauration automatique du contexte |
| accès RAM | segmentée seulement | segmenté ou linéaire indirecte |
| adressage indirect | pas d'auto incrément/décrément. pas d'index relatif | pour les instruction moviw et movwi pré/post incrément/décrément. index relatif. |
| branchement relatif à PC | Pas de branchement relatif. | Branchement relatif avec les instructions BRA et BRW |
ordinogramme de l'application
Voici l'ordinogramme (flowchart) de l'application.
Initialisation du MCU
Chaque MCU fourni par Microchip a un fichier *.inc qui lui est associé. La première chose à faire est d'inclure ce fichier avec la directive
include p16f1703.inc
Je définis toujours les constantes, les macros et les variables au début du fichier. Je fais un usage abondant de la directive #define. L'usage de noms symboliques spécifiques à l'application simplifie les mises à jour ultérieures.
Puisque le programme utilise moins de 16 octets de variables elles sont toutes placées dans la section udata_shr ce qui évite d'avoir à utiliser des directives banksel lorsqu'on veut accéder une variable. Il en résulte un code plus compacte et plus rapide. udata_shr correspond aux 16 dernières locations de chaque banque de la mémoire RAM. C'est 16 locations sont communes à toutes les banques. Voilà pourquoi on a pas besoin de la directive banksel pour les accédées.
Lorsqu'un PIC est réinitialisé l'exécution du code commence à l'adresse 0. le vecteur d'interruption lui est à l'adresse 4. On doit donc faire un saut au delà de la routine d'interruption pour aller à init:. J'ai commenté chaque étape de l'initialisation il ne devrait donc pas être facile de suivre le cheminement. Une des fonctions intéressante du PIC16F1703 est le PPS (Peripheral Pin Selsect). Qui permet de décider soit-même sur quelle broche on veut brancher les périphériques logiques, (ça ne s'applique pas aux analogiques, i.e. op amp, comparateurs, entrées ADC). Donc j'ai sélectionné la broche RA1 pour la sortie CCP1 (alarme) et la broche RA2 pour la sortie servomoteur CCP2.
Le TIMER0 est configuré pour générer une interruption à intervalle de 4 millisecondes et le TIMER1 est configuré pour générer une interruption à intervalle d'une seconde. J'explique la sous-routine d'interruption plus bas.
Auto test de mise sous tension
Lorsque la configuration du MCU est complétée une routine d'auto test à l'allumage est appelée. self_test: allume tous les segments de la barre de LEDs l'un après l'autre en commençant par le haut et fait entendre une tonalité différente à chaque segment. Ensuite self_test abaisse le bras et le relève. Ce test n'est effectué qu'une fois lors de la mise sous tension de l'appareil.
mise en sommeil
Après l'exécution de l'auto test le code tombe dans la routine main. Cette routine débute par une mise en sommeil du MCU pour réduire la dépense électrique lorsqu'il n'est pas utilisé. Le MCU utilise la fonction IOC (Iinterrupt On Change) pour sortir le MCU du sommeil. A chaque PORT est associé 2 registres de configuration IOCxP pour détecter les transitions positives (0 -> 5 volt) et IOCxN pour les transitions négatives (5 -> 0 volt). Cette fonction consiste à générer une interruption lorsqu'une broche configurée en entrée logique change d'état. Dans cet application on configure pour que le MCU s'éveille lorsque le bouton MARCHE/ARRET est enfoncé. Alors la broche START_PIN passe de 5 volt à 0 volt. L'interruption n'est cependant pas activée. Ce n'est pas nécessaire. Lorsque le MCU sort du mode sommeil il exécute l'instruction qui suis l'instruction sleep qui l'a fait entrer en mode sommeil.
La configuration IOCAN est désactivée et ensuite la mise en marche est annoncée par un BEEP. Après quoi la routine timeset est appelée.
Ajustement du chronomètre
L'utilisateur doit alors utiliser le bouton TEMPS pour ajuster la durée de l'infusion. Chaque pression du bouton incrémente le temps de 15 secondes. Cette routine fait donc la lecture des 2 boutons et met à jour l'affichage LED. Lorsque le bouton MARCHE/ARRET est enfoncé un branchement vers timeset_exit met fin à cette routine.
infusion
De retour dans la routine main le registre WREG est chargé avec la valeur SERVO_POS_BAS et la routine servo_pos est appelée. Cette routine est responsable du déplacement du bras. Il ne s'agit pas de simplement envoyer la nouvelle valeur de position au servomoteur car le bras descendrait trop rapidement et ça risquerait de produire des éclaboussures. Donc la valeur de la dernière position est conservée dans la variable last_pos et il s'agit de s'approcher de la nouvelle valeur étape par étape en partant de la valeur de last_pos en insérant un délais entre chaque commande. La valeur de ce délais est indiquée par la constante SERVO_DLY.
Lorsque le positionnement est terminé la routine quitte et de retour dans main la routine infusion est appelée. Cette routine est responsable de surveiller le chronomètre, d'afficher la valeur du temps restant et aussi faire la lecture du bouton MARCHE/ARRET a cas ou l'utilisateur annulerait la procédure. Lorsque le temps est expiré ou s'il y a annulation le routine retourne vers main
fin de l'infusion
Une nouvelle commande est envoyée au servomoteur cette fois avec la valeur SERVO_POS_HAUT comme argument dans WREG. De retour de la routine servo_pos, main appelle la routine alarm. La routine alarm: joue la séquence de notes enregistrées dans la table CE3K ensuite retourne vers main. La séquence étant terminée on boucle au début de main et le MCU est remis en sommeil.
sous-routine d'interruption
Les MCU PIC 8 bits n'ont pas de gestionnaire d'interruption. Toutes les interruptions commence à l'adresse 4. Pour savoir qu'elle interruption a été déclenchée il faut vérifier les indicateurs d'interruption. Dans cette application il y a 2 sources d'interruption possible, le TIMER0 et le TIMER1. On commence par vérifier si l'interruption TIMER0 est active en testant l'état du bit T0IE dans INTCON si cette interruption est active on test T0IF qui est aussi dans INTCON pour s'assurer que le TIMER0 est bien la source de l'interruption. Si c'est le cas on branche vers isr_timer0. TIMER0 est responsable de la gestion de la minuterie courte durée. Cette interruption lorsqu'elle est active se produit à intervalle de 4 msec et décrémente la variable msec4. Lorsque msec4 tombe à zéro c'est que le délais est expiré. Dans ce cas l'interruption TIMER0 est désactivée et l'indicateur booléen F_MSEC4 dans la variable flags est remis à zéro.
Si l'interruption a été générée par le TIMER1 le branchement se fait vers isr_timer1. Cette interruption lorsqu'elle est active est déclenchée à intervalle d'une seconde. La variable secondes est décrémentée à chaque interruption et lorsque sa valeur tombe à zéro l'interruption du TIMER1 est désactivée et l'indicateur booléen F_SEC dans la variable flags est mis à zéro.
Les routines qui utilisent l'une ou l'autre des minuteries, doivent les initialiser en appelant start_msec4_tmr pour la minuterie courte durée ou bien start_timer pour démarrer la minuterie longue durée. Ensuite la routine surveille l'état de l'indicateur booléen correspondant dans flags pour savoir quand le délais est expiré.
Pour les enhanced mid-range les registres suivants sont sauvegardés et restaurés automatiquement lors d'une interruption: WREG,STATUS,BSR,PCLATH,FSR0L,FSR0H,FSR1L,FSR1H. Ces registres sont sauvegarder dans les registres xxxx_SHAD situés dans la banque 31.
Utilisations des FSRx
le registre d'index FSR0 est utilisé pour accéder les tables de données en mémoire flash. Le programme utilise 3 tables de données.
| table | description |
|---|---|
| LED_CONN | Cette table indique sur qu'elles broches est branchée la cathode et l'anode de chacun des 10 segments de la barre-LED. Cette table est utilisée par la routine light_segment. |
| SCALE | Cette table contient les valeurs pour chaque note de la gamme tempérée utilisé par la routine tone. Les tonalités sont générées en utilisant CCP1 en mode PWM. Les valeurs de cette table vont dans PR2 et dans CCP1DCL:CCP1CON{DC1B} pour déterminer la fréquence et le rapport cyclique. |
| CE3K | Cette table contient la liste des notes à jouer par la routine alarme. Le premier élément est le nombre de notes. Les autres sont par paire: durée, note. |
Le registre d'index FSR1 est utilisé comme pointeur de pile pour créer une pile d'arguments pour les appels de sous-routine. Pour les routines qui n'utilisent qu'un seul argument de 8 bits cette valeur est passée dans le registre WREG. Mais pour les autres les arguments sont passés par la pile des arguments. la variable stack dans le segment udata réserve 16 locations pour cette pile. Cette pile utilise avantageusement les instructions moviw et movwi pour gérer les accès à cette pile. Une série de macro a été définie à cette effet.
| macros gestion de la pile | description |
|---|---|
| pushw | empile le contenu du registre WREG |
| popw | dépile dans WREG |
| dup | cré une copie du sommet de la pile, de sorte que la pile grandie de 1 élément et que les 2 éléments au sommet sont identiques. |
| over | copie le 2ième élément de la pile au sommet de celle-ci de sorte que la pile grandie de 1 élément et que la valeur au sommet est identique à la 3ième valeur. |
Liste des sous-routines
| sous-routine | arguments | Description |
|---|---|---|
| alarm | aucun | fait jouer la liste des notes de la table CE3K. Appel sous-routine tone. |
| beep | aucun | fait entendre un son court lorqu'un bouton est enfoncé. Appel sous-routine tone. |
| div15 |
WREG contient le dividende |
Divise le contenu de WREG par 15. Le quotient est retourné dans la variable ACAH et le reste dans ACAL. |
| infusion | aucun | surveille la minuterie des secondes ainsi que les 2 boutons. Met à jour l'affichage LED selon le temps restant. Appel start_timer, div15, light_segment |
| init | aucun | Initialise les périphériques du MCU après la réinitialisation. |
| isr | aucun | sous-routine de service des interruptions. Gère les interruptions des TIMER0 et TIMER1. |
| main | aucun | boucle principale du programme. |
| light_segment | WREG contient le numéro du segment à allumer | Allume le segment indiqué par la valeur indiqué dans WREG. Accède la table LED_CONN. |
| pause_msec | WREG contient la durée de la pause. | Suspend l'exécution pour la durée indiquée dans WREG*4 millisecondes. Appel la sous-routine start_msec4_tmr. |
| self_test | aucun | auto test lors de la mise sous tension. Appel les sous-routines light_segment,tone,servo_pos. |
| servo_pos | WREG contient la valeur de positionnement. | Positionne le servomoteur à la valeur indiqué dans WREG. |
| start_msec4_tmr | WREG contient la durée. | Démarre la minuterie courte durée avec la valeur WREG*4 millisecondes |
| start_timer | WREG contient la durée. | démarre la minuterie longue durée avec la valeur WREG secondes. |
| tone | arguments passés sur la pile. ( d n -- ) | Fait entendre une tonalité. Le sommet de la pile contient l'indice de la note dans la table SCALE et le deuxième élément de la pile indique la durée en multiple de 4 msec. Appel sous-routine pause_msec. |
mise à jour 2016-09-22
Le commentaire le plus fréquent de mon entourage était que c'est gros. Et pourtant ça prend moins de place qu'une petite cafetière à filtre. Quoi qu'il en soit j'ai tenu compte de ce commentaire et j'ai réalisé qu'il était inutile de prolongé la base en dehors de la tour. J'ai donc modifié la base en conséquence. La surface de comptoir occupée n'est que de 10x10cm. J'ai aussi ajouté deux chevilles sur le bras pour faciliter l'attachement de la ficelle du sachet. J'ai aussi modifié le logiciel pour que lors de l'allumage le temps initial soit à 15 secondes au lieu de zéro pour avoir un indicatif visuel que l'appareil est allumé. J'ai aussi ajouter un easter egg.
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