Non au génocide des Palestiniens et des Libanais par Israël! L'État d'Israël ne représente pas les juifs du monde entier, qui sont les citoyens de leur propre pays et non d'un “peuple juif”, et ne sont pas coupables des crimes et de l'apartheid commis par ce gouvernement nazi.

Un minuteur pour grille-pain

Description

• 1 prise mâle 220V (entrée secteur), 1 prise femelle 220V (sortie grille pain)
  
• affichage du temps restant (jusqu'à 9 minutes, 99 secondes) sur un afficheur vert
• programmation du temps de grillage avec un clavier téléphonique (taper "123" pour 1 mn 23 s, et ça démarre tout seul)
• une fois à 0 mn 00 s, ça s'arrête: le grille-pain s'arrête, et le minuteur aussi
• consommation de veille strictement nulle (il faut appuyer sur le bouton rouge pour remettre en service)
• coupure bipolaire, jusqu'à 8 ampères

Le système est basé sur un CPLD (composant de logique programmable), qui remplace ici un microcontrôleur. C'est même pour cette raison que je mets le schéma sur internet: peu d'amateurs bricolent les CPLD et les FPGA, alors que beaucoup mettent des microcontrôleurs à tort et à travers, je voudrais leur donner l'envie de se mettre à la logique programmable. Même si, en réalité, pour un tel circuit il est nettement plus simple d'utiliser un microcontrôleur (par exemple un STM32 par exemple sur une carte Blue Pill, un Atmel sur une carte Arduino, ou un PIC de chez Microchip).

Avertissement: J'ai créé cette page pour quiconque sera intéressé, mais sachez que la réalisation du circuit nécessite quelques connaissances en électronique, et que le composant de logique programmable (un CPLD) que j'ai utilisé, le MAX3064A de chez Altera (ensuite filiale d'Intel) a eu une longévité remarquable mais a fini par être arrêté, de même que le MAX7064AE (alternative compatible, fabriqué en gravure plus fine). Le 5M80Z de la famille MAX V d'Intel conviendrait, mais un particulier aura du mal à l'acheter à l'unité, et les boîtiers minuscules rendent la fabrication très compliquée.

Étapes de la réalisation

• Écriture du code pour la logique programmable (en langage VHDL)
• Compilation du code VHDL, afin de choisir le circuit CPLD adapté et d'être bien certain que le brochage choisi conviendra
  
• Fabrication du circuit: une partie 220V + alimentation, une partie logique basse tension
• Programmation du CPLD
• Fabrication du boîtier et montage

Code VHDL

• Horloges: le système est cadencé à 256 Hz (pour faire marcher l'afficheur et scanner le clavier) et reçoit un signal à 2 Hz (pour cadencer le minuteur proprement dit)
• Clavier: on utilise un clavier de téléphone, organisé en 3 colonnes de 4 lignes. Chaque colonne est successivement activée, et on regarde à chaque fois si une ligne bouge en conséquence
• Timer: quand on appuie sur un chiffre, celui-ci est mis dans la valeur affichée et les chiffres en place sont décalés vers la gauche; quand on arrête de manipuler le clavier, le décompte commence, et va jusqu'à "000"
• 7 segments: les valeurs binaires sont convertis dans les codes nécessaires pour les afficheurs 7 segments. Les chiffres sont affichés successivement (assez vite pour que le clignotement ne se remarque pas), ce qui permet d'avoir un seul décodeur pour 3 chiffres.
• séparateur: quand le décompte fonctionne, le point entre minutes et secondes clignote à 1 Hz
• buzzer: une sortie collecteur ouvert permet de déclencher un buzzer juste avant l'arrêt de la minuterie
• marche/arrêt: à la fin du décompte, un signal repasse à zéro ce qui arrête le grille-pain ainsi que le montage

Compilation du code VHDL

• Le programme qu'il faudra mettre dans le composant CPLD: coupatan.pof (c'est un fichier binaire)
  
• Le dessin du composant avec les emplacements des différentes entrées-sorties: cliquez-ici pour le voir le plan du composant
  

Fabrication du circuit

Voici les schémas (cliquez pour voir en grand, puis revenez à cette page):

partie 220V:

partie logique:

Rien de bien particulier, si ce n'est qu'il faut travailler proprement sur la partie en 220V, car sinon c'est dangereux. Veillez à avoir au moins 8 mm d'espacement entre les parties sous tension secteur et les parties sous basse tension.

Cette partie-là nous interrompt dans la mise en ouvre du CPLD. Oui, mais si on n'avait pas d'abord compilé le code VHDL, on aurait couru le risque de ne pas utiliser le bon circuit. Et si on ne construit pas au moins une partie du circuit, on n'a aucune chance d'arriver à programmer le CPLD. Donc voilà!

Il y a deux parties:

• la partie 220V (relais, transformateur, alimentation), qui ne pose guère de problème. Elle est reliée à l'autre partie par uniquement 3 fils: la masse, l'alimentation 3.3V pour la logique (le CPLD n'accepte pas le 5V, donc j'ai tout mis en 3.3V), et le fil par lequel le CPLD décide s'il faut ou non couper le courant.

• la partie logique, qui mérite plus d'attention.

Au milieu de la partie logique, le CPLD. Il est monté sur support, car pour bricoler c'est plus facile. À cette époque, il existait, pour ce type de boîtiers (PLCC), des supports bien adaptés aux plaques d'expérimentations à trous, grâce à des broches au pas de 2.54 mm, alors que la plupart des supports PLCC sont soit inutilisables par les bricoleurs (car à soudures CMS situées sous le support et donc inaccessibles), soit avec des broches disposées en quinconce et qui ne s'adaptent pas facilement aux plaques d'expérimentation.

Le CPLD a plusieurs fils d'alimentation, certains pour le cœur (VCCINT), certains pour les sorties (VCCIO): ici tout est en 3.3V, donc tout est relié, mais il ne faut pas négliger de mettre un petit condensateur de 100nF sur chaque alimentation.

Quatre fils vont du CPLD à un petit connecteur marqué "JTAG": c'est par là qu'on va programmer le CPLD, sans avoir à le retirer du montage.

On note le quartz 32768 Hz (récupéré dans une vieille montre) qui cadence tout le système.

À noter aussi: les mêmes fils servent à balayer les colonnes du clavier et à commander l'allumage successif des 3 afficheurs.

Petite vacherie: les transistors que j'ai utilisés, marqués PH2222 et PH2907 (compatibles avec les références stnadard 2N2222 et 2N2907), ne sont pas dans le boîtier habituel TO-92 mais dans le boîtier TO-92S qui est plus plat. Or le côté plat le plus large du TO-92S est du côté opposé au côté plat du TO-92. Si on n'y prend pas garde, on se retrouve donc à inverser les broches 1 et 3 (c'est-à-dire, pour ces deux transistors, l'émetteur et le collecteur). Ceci vous explique pourquoi j'ai indiqué l'annotation «inversé?» sur le schéma, comme je n'avais pas compris ce détail.

Boîtier TO-92 (à gauche) et boîtier TO-92S (à droite), vus de dessous (source: document Texas Instruments)

Programmation du CPLD

La solution "normale" consiste à acheter le câble "ByteBlaster" chez Altera/Intel. On le branche d'un côté au port parallèle du PC, de l'autre au connecteur JTAG à 10 points qui est sur le montage. Puis on lance Quartus-II (ou MaxPlus-II, ou aujourd'hui Quartus Prime Lite), on lui signale qu'on a une chaîne JTAG contenant un unique composant (un EPM3064ALC44) et qu'on veut le programmer avec le fichier "coupatan.pof".

Petit détail technique: c'est le CPLD lui-même qui décide qu'il faut laisser le montage allumé, donc avant qu'il soit programmé cela ne peut pas fonctionner. C'est pour cela qu'il y a un cavalier nommé "marche forcée" sur la partie 220V: mettez ce cavalier, branchez le courant, appuyez sur le bouton poussoir: ça s'allume, pour ne s'éteindre que lorsqu'on retirera la prise. Ceci permet d'effectuer la programmation, une fois que c'est fini (et débranché du secteur!), on peut retirer le cavalier.

Concernant le câble de programmation:

• À l'époque où j'ai réalisé le montage et écrit cette page, les PC avaient un port parallèle, et le câble ByteBlaster-II ou ByteBlaster-MV, vendu par Altera se connectait à ce port parallèle
  
• Ce câble était assez cher, pour un bricoleur n'utilisant ce câble que sur des circuits alimentés uniquement en 3.3V, il était très facile et économique de fabriquer soi-même le câble en utilisant deux buffers 74HC244. Le schéma était disponible dans le manuel du câble ByteBlaster-II, et dont j'ai recopié les 3 pages intéressantes ici. Quelques petits condensateurs doivent être ajoutés pour améliorer la fiabilité.
• Aujourd'hui, les PC n'ont plus de port parallèle, il faut utiliser des câbles sur USB, qui peuvent être très simples (basés sur une puce FTDI FT232R ou FT245R en mode "synchronous bit-bang"), mais parfois coûteux. Altera/Intel propose une version de base «Intel FPGA Download Cable» (anciennement «Altera USB-Blaster»), et une version améliorée et un peu moins chère «Intel FPGA Download Cable II» (anciennement Altera USB-Blaster II»). Mais il est beaucoup plus avantageux d'acheter le câble «Terasic USB Blaster», strictement identique au câble vendu par Altera/Intel et 6 fois moins cher, qui fonctionne avec le driver fournit par Intel/Altera pour le câble USB-Blaster. Il y a aussi des clones chinois, non testés.
  

Fabrication du boîtier et montage

• Bien protéger le 220V: je conseille fortement les boîtiers tout en plastique. Sinon, il faut obligatoirement un fil de terre qui soit relié à toutes les parties métalliques du boîtier. Éviter aussi les contacts entre le 220V et les parties basse tension!
  
• Bloquer les fils dans le boîtier pour qu'on ne puisse pas provoquer de court-circuit en tirant dessus: un noeud sur le fil peut suffire.
• Pour l'afficheur, il faut mettre une fenêtre transparente (j'ai pris un bout de boîtier de CD pour cela)
• Le clavier peut être fixé sur le boîtier, ou bien à l'intérieur du boîtier (dans ce cas il faut créer une ouverture ayant exactement la bonne taille: c'est ce que j'ai fait).

• la carte 220V fixée dans le fond du boîtier
• la carte logique fixée au couvercle du boîtier. L'afficheur et le clavier sont fixés directement sur cette carte.
• le bouton-poussoir de démarrage est fixé au couvercle, mais relié à la carte qui est au fond du boîtier

Conclusion

Apprenez le VHDL et jouez avec des composants de logique programmable. C'est un monde que vous ne soupçonnez pas si vous ne connaissez que les microcontrôleurs!

Je vous pardonne d'avance si vous trouvez qu'il est stupide de faire un tel montage pour une minuterie de grille-pain.

Pourquoi ne pas réaliser ce montage

La sécurité électrique

Le grille-pain cité ici est dangereux pour deux raisons:

• Il a un corps métallique, une isolation simple, et pas de fil de terre. Actuellement on parle d'équipements “Classe 0” (concernant la classe de sécurité électrique). Ce type d'équipement est aujourd'hui interdit, sauf bizarrement pour les lampes de chevet utilisées chez les particuliers.
  Cela signifie que si le fil de la résistance chauffante se casse et touche une partie métallique, ce qui peut facilement arriver, le corps se retrouve sous tension, et qu'il est possible de subir un choc électrique, potentiellement mortel, en le touchant.
  Aussi, si vous utilisez ce type d'équipement ancien, installez obligatoirement un fil de terre (il devient alors “Classe I”), et ne le connectez qu'à une prise électrique avec terre, en vérifiant périodiquement que la connexion de terre fonctionne. Malheureusement, très peu de particuliers vérifient que leurs prises de terre sont réellement connectées à la terre.
  
  
• Le fil de la résistance chauffant, connecté à la tension du secteur, est facilement accessible: on peut le toucher avec les doigts, et subir un choc électrique à ce moment.
  Il est toutefois rare de toucher la résistance chauffante quand elle est chauffée au rouge, le risque est plus important quand le grille-pain est éteint, par exemple pour le nettoyer, si la résistance est encore sous tension à cause d'une coupure sur une simple phase (car il se peut que le neutre soit coupé mais pas la phase).
  Aussi, si vous utilisez un tel équipement:
• ne le connectez jamais sur un interrupteur (par exemple une multiprise) dont vous n'avez pas vérifié qu'il coupe simultanément la phase et le neutre
• si vous fabriquez un montage comme celui-ci, veillez à bien choisir, comme moi, un relai qui coupe les deux phases.
  
  
• Dans tous les cas, n'utilisez jamais un tel équipement dans une maison qui n'est pas protégée par un disjoncteur différentiel (ou par un interrupteur différentiel) au calibre de 30 mA ou moins. Avec une telle protection, et à condition de vérifier périodiquement son fonctionnement (en appuyant sur le bouton “Test”), il y a très peu de risques de mourir même en cas de défaut électrique.

Le coût

La consommation de l'afficheur à LED, et de la bobine du relais puissant et à coupure bipolaire, impose une alimentation basse tension relativement puissante, réalisée ici avec un transformateur et un redresseur. C'est un coût non négligeable, qu'on pourrait aujourd'hui réduire en utilisant une alimentation à découpage (type chargeur de smartphone). Ceci, et le coût des autres composants, n'est peut-être pas justifié pour ce montage. Chacun jugera.

L'utilisation de la logique programmable

Comme déjà indiqué, utiliser un CPLD (circuit de logique programmable) et le langage VHDL pour ce montage relève un peu d'un exercice de style.
À l'époque où il a été fait, c'était atypique mais pas absurde: le CPLD ne coûtait même pas plus cher qu'un microcontrôleur, et il pouvait être programmé avec des outils gratuits (quoique propriétaires) tandis que les microcontrôleurs nécessitaient des outils très coûteux (il y avait des outils gratuits pour les PIC, mais ils étaient très médiocres et imposaient de programmer en assembleur).

Aujourd'hui tout a changé: les microcontrôleurs coûtent très peu cher (par exemple les STM32 les moins chers, ou la carte BluePill basée sur le STM32F103 ou ses clones, ou encore les PIC, ou les Atmel AVR utilisés dans les premières cartes Arduino), tandis que les CPLD et FPGA sont un peu plus chers et beaucoup moins faciles à acheter à l'unité, car dédiés à des applications un peu spécifiques, par exemple acquisition très rapide de données, traitement vidéo en temps réel, ou connexion d'un grand nombre d'entrées-sorties. La plupart des fabricants de microcontrôleurs proposent des outils de développement performants et gratuits (et parfois libres), et des câbles peu coûteux (moins de 10€ pour un câble ST-Link avec interface SWD). Les outils de développement pour les CPLD sont propriétaires, généralement gratuits pour les modèles basiques mais souvent avec des licences précaires (autorisation pendant 1 an sans garantie pour l'avenir), encore que Altera est plutôt correct sur ce plan, et les câbles coûtent souvent dans les 100€. Enfin, le secteur des petits CPLD est peu concurrentiel (les entreprises Intel, AMD et Microchip contrôlent presque l'ensemble du marché), contrairement à celui des petits microcontrôleurs.

Le montage est également devenu plus complexe: les CPLD et FPGA modernes utilisent une tension très basse en interne (1.8V, 1.2V, voire moins): ceci demande des composants supplémentaires, et demande de grandes précautions pour garantir une stabilité suffisante (compatibilité électromagnétique = CEM). Même les entrées-sorties fonctionnent en basse tension: le 3.3V est parfois autorisé, mais souvent déconseillé sous peine de réduire l'espérance de vie du circuit, et là aussi il y a des précautions à prendre. Tandis que les CPU peuvent généralement être alimentés en 3.3V, et générer eux-mêmes la tension interne dont ils ont éventuellement besoin.

Enfin, ce qui n'a pas changé depuis la création de ce montage, c'est qu'il est difficile pour un bricoleur d'apprendre tout seul le principe de fonctionnement d'un CPLD ou d'un FPGA, le langage VHDL qui permet de les configurer, et les outils de débogage (essentiellement par simulation VHDL). Un bricoleur trouvera beaucoup plus facilement des informations compréhensibles sur la programmation d'un microcontrôleur, sur le langage C, et sur l'utilisation d'un débogueur (même si, étrangement, beaucoup de bricoleurs ne semblent pas en comprendre l'utilité).

Toutefois, il y a toujours des personnes qui ont besoin d'apprendre à utiliser la logique programmable, et d'apprendre le VHDL. Si ces personnes trouvent un intérêt à regarder ce montage, cette page aura rempli tous ses objectifs.