Le pont tournant est une infrastructure ferroviaire souvent rencontrée dans les dépôts de gares de moyenne et grande importance. Depuis fort longtemps, la société jurassienne JOUEF propose un pont tournant à l'échelle 1/87° (HO), qui peut être équipé sur toute sa circonférence de quarante voies au maximum. Le pont mobile est entraîné par un moteur commandé à distance depuis un pupitre à contacteurs que les habitués du matériel JOUEF connaissent bien. Ce positionnement "à vue" pose de véritables difficultés puisqu'il faut être très précis si l'on ne veut pas que la motrice déraille à l'entrée ou à la sortie du pont, difficulté qui s'accroît avec la distance séparant le pupitre de commande et le pont. J'ai donc étudié une automatisation électronique du pont tournant JOUEF. Mon travail a durant toute l'étude été guidé par le souci de réaliser un montage accessible à tous et ne nécessitant que peu de modifications de l'ensemble original.

Sommaire
	Présentation du montage
	Synoptique du montage et principe de fonctionnement
	Schémas électriques
		Carte de détection
		Carte principale
	Le programme de gestion
	Réalisation pratique
		Carte principale
		Carte optique
	Equipement et modification du pont
	Equipement et modification de la fosse
	Programmation du microcontrôleur et mise en route
	Nomenclature de la carte principale
	Nomenclature de la carte optique
	Circuits imprimés et logiciel
	Liens utiles

photographie 1 : Le pont tournant et son système de commande

photographie 2 : La carte principale (photo Jean Bernauer)

Présentation du montage

Le montage se compose de deux cartes électroniques : d'une part, un petit circuit imprimé de détection infrarouge installé sous le pont, et d'autre part, une carte électronique supportant un microcontrôleur 68HC11E1 de Motorola contenant le programme de gestion du pont. La programmation du microcontrôleur reste simple et accessible à tous, et ne nécessite qu'un ordinateur PC ainsi qu'un programme écrit en BASIC.

Le dispositif permet alors d'ajouter les fonctionnalités suivantes au pont tournant JOUEF :

• Positionnement automatique du pont jusqu'à 40 voies, sélection par bouton poussoir
• Ralentissement progressif à l'approche de la voie de destination
• Témoin lumineux de positionnement en cours (clignotant) et terminé (allumé) pour chaque voie
• Choix entre un positionnement côté cabine ou côté opposé
• Sélection automatique du sens de rotation pour le déplacement le plus court
  

Synoptique du montage et principe de fonctionnement

figure 1 : Synoptique du montage

Tout le fonctionnement du montage est basé sur un comptage d'impulsions entre la voie de départ du pont et la voie de destination. Ces impulsions sont créées par l'obstruction puis la libération d'un faisceau infrarouge (émetteur et récepteur infrarouge 1) par un petit disque optique de trois secteurs, entraîné par l'un des axes du système mécanique du pont. Le signal en provenance du récepteur est ensuite amplifié afin de commander un autre émetteur infrarouge (émetteur 2), qui va pouvoir transmettre les impulsions au socle fixe supportant le pont. Le signal IR émis est ensuite récupéré par le récepteur infrarouge 2, puis remis en forme et enfin appliqué sur l'entrée de comptage PAI du microcontrôleur. Suivant le nombre d'impulsions détectées, le microcontrôleur agit sur ses sorties OC2 et OC3 qui commandent, via l'amplificateur de puissance, la vitesse ainsi que le sens de rotation du moteur. Le couple émetteur-récepteur IR 3 sert à ajuster le pont sur une voie de référence (voie n°1), à chaque mise sous tension du montage.
La sélection de la voie de destination se fait en activant l'une des cinq lignes du port E par le port B. L'état du port B lors d'une sélection est mémorisé par un ensemble de bascules, et l'état du port E est redirigé sur le port C, ce qui permet l'allumage du témoin lumineux de la voie choisie pendant et après le positionnement.

Schémas électriques

¨ Carte de détection

La carte de détection embarquée sur le pont est alimentée en 5V, depuis deux pistes du circuit imprimé circulaire. L'ensemble R₁, C₁ et C₂ constitue une réserve d'énergie permettant un maintien du potentiel d'alimentation dans le cas de brèves pertes de contact. La diode D₁ transmet un flux infrarouge vers la diode réceptrice D₂. Lorsque le faisceau n'est pas bloqué par l'une des dents du disque, un faible courant inverse traverse D₂ et génère une tension aux bornes de R₃. Cette tension est appliquée sur la grille du transistor MOS BS170 T₁ qui permet de piloter un courant bien plus important, alimentant la diode IR D₃, par laquelle seront transmises les impulsions depuis la partie mobile du pont vers le socle fixe. La diode IR D₄ génère le flux infrarouge utilisé pour le positionnement automatique du pont lors de la mise sous tension du montage.

figure 2 : Schéma électrique de la carte de détection

¨ Carte principale

figure 3 : Schéma électrique de la carte principale

La réception des impulsions de comptage est confiée à la diode IR D₂. Son courant de détection est transformé en tension par R₁₉. Les impulsions recueillies aux bornes de R₁₉ sont ensuite appliquées sur les entrées de deux monostables (CI₇) qui permettent de délivrer des échelons d'environ 2ms, l'un sur les fronts montants du signal (CI_7A), l'autre sur les fronts descendants (CI_7B). On dispose alors sur l'entrée PAI du microcontrôleur, grâce à la fonction OU réalisée par D₆, D₇ et R₃₆, d'un front montant pour chaque libération et rupture du faisceau. Le traitement réalisé pour le signal de positionnement initial en voie 1 est plus rudimentaire, mais possède un système d'amplification réglable par P₁. La diode LED D₅ permet de voir si la détection optique pour le positionnement initial se fait correctement.

L'électronique nécessaire au fonctionnement du microcontrôleur est constituée d'un oscillateur à quartz sur 8MHz (C₇,C₈, X₁ et R₁), d'un circuit de remise à zéro manuelle (BP₁, R₆-C₉), et de quelques résistances de 10KW chargeant les entrées non utilisées. Les sorties OC2 ou OC3 (actives suivant le sens de rotation) délivrent des impulsions de 5V de période fixe, mais de rapport cyclique variable, permettant ainsi le contrôle de la vitesse et du sens de rotation du moteur. Ces signaux pilotent l'amplificateur à transistors constitué des éléments T₁ à T₄, R₂₁ à R₂₄. L'amplificateur sera alimenté par une source de tension régulée connectée sur les borniers 0V et 12V, capable de délivrer un courant de 1 Ampère.

Le port B et les cinq premières lignes du port E sont dédiés à la sélection de la voie. Chaque ligne du port B est commune à un ensemble de 5 interrupteurs. Jusqu'à l'attente d'une sélection, le programme rend les lignes de ce port actives les unes après les autres d'une façon circulaire. La ligne PE0 est relative au premier de ces 5 interrupteurs, PE1 au deuxième,... Ainsi pour sélectionner la voie 1, il suffit de relier PB0 à PE0 (premier interrupteur du premier groupe 1-5), et pour sélectionner la voie 25, par exemple, de relier PB4 à PE4. Quant une sélection est faite, le programme stoppe l'évolution du port B et mémorise son état grâce à l'octuple bascule CI₃ 74HC574. L'état du port E est par ailleurs retranscrit sur les sorties du port C, bufferisées par le circuit CI₆ ULN2003. Ces signaux ainsi mémorisés et bufferisés permettent l'illumination de la diode de la voie de destination. L'octuple bascule CI₃ est rendue nécessaire pour afficher la position courante du pont lors de l'attente d'une autre sélection. L'interrupteur I₁, connecté à PC6, indique au programme s'il doit positionner le pont par rapport à l'extrémité côté cabine ou à l'extrémité opposée. CI₂ est le circuit de translation de niveaux MAX232 pour la transmission des signaux entre un PC et le microcontrôleur, selon le protocole RS232. N'étant utilisée qu'une seule fois pour la programmation du microcontrôleur, cette liaison pourra être désactivée en enlevant les jumpers JP₁ et JP₂.

Le programme de gestion

Le programme contenu dans le microcontrôleur automatise le fonctionnement du pont. A la mise sous tension, ou lors de l'appui sur le bouton de remise à zéro, le pont se positionne automatiquement en face de la voie 1, possédant le détecteur infrarouge D₂. Quant une voie est sélectionnée, le programme lance la rotation (dans le sens du déplacement le plus court) du pont et le clignotement du témoin lumineux de la voie de destination. A l'approche de l'arrivée, le pont est ralenti puis stoppé, et le voyant totalement allumé.

Réalisation pratique

¨ Carte principale

Les trous du support PLCC pour le microcontrôleur seront percés avec un foret de 0.6mm de diamètre. Les trous des résistances, condensateurs, circuits intégrés, quartz, et straps seront percés avec un foret de 0.8mm. Les diodes et les borniers exigeront un perçage à 1mm, voire 1.2mm pour la résistance ajustable. Le perçage des trous du poussoir dépendra du modèle utilisé, et nécessitera peut-être d'être travaillé. Une fois le perçage effectué, on installera les straps, puis les résistances, les diodes , les condensateurs (attention au sens pour les condensateurs polarisés),... Les circuits intégrés en boîtier classique pourront être montés sur support. Faire bien attention au sens du support PLCC lors de son insertion! L'orientation du support est indiqué sur l'implantation de la figure 4 par la position du coin biseauté. La même règle s'applique lors de l'insertion du microcontrôleur dans son support, où il s'agit de faire concorder le coin biseauté du support et du boîtier. JP₁ et JP₂ seront des cavaliers amovibles, ou un double interrupteur dipswitch pour circuit imprimé. On se référera à la figure 4 pour le câblage des interrupteurs et voyants lumineux des voies disponibles. On pourra les présenter, ainsi que l'interrupteur I₁, sur un pupitre tel que celui de la photographie 1.

¨ Carte optique

Tous les composants de la carte optique seront montés côté cuivre (voir figure 5). Les diodes infrarouges d'émission et de réception seront montées en dernières et une fois que tout le système mécanique supportant le disque aura été installé, ceci pour l'ajustement de la position de l'émetteur et du récepteur (voir § Installation du disque et de la carte optique).
Le petit circuit de la figure 6 supporte la réserve d'énergie constituée de R₁, C₁ et C₂. C₁ et C₂ devront être des condensateurs radiaux de petites dimensions pour une grande capacité, donc des modèles basse tension (10V ou mieux 6.3V). La hauteur des condensateurs ne devra pas dépasser 18mm.

figure 5 : Implantation de la carte optique    figure 6 : Implantation de la réserve d'énergie

Equipement et modification du pont

La première étape consiste à biseauter chaque extrémité des rails du pont et des voies d'entrée, pour faciliter le passage des véhicules lorsqu'il existe un léger décalage dans l'alignement. On pourra de plus souder sous les rails des voies d'entrée de fines lamelles de cuivre pour élargir la distance de contact des lamelles du pont. Il faut ensuite construire le disque optique, découpé dans de la feuille rigide ou du carton, aux dimensions données par la figure 7, puis peint en noir. Le trou central du disque devra permettre le passage de l'axe. Le disque sera maintenu sur l'axe par collage ou par blocage entre deux manchons isolants. La mise en place de l'axe du disque nécessitera le perçage d'un trou sur la face verticale du côté opposé au moteur. L'axe du disque optique sera entraîné depuis l'axe supportant la vis sans fin par un bout de gaine souple de diamètre approprié. Un manchon isolant pourra être inséré sur l'axe du disque côté trou pour éviter un éventuel mouvement transversal. Afin d'obtenir une bonne précision de positionnement, il est fondamental de limiter au maximum le jeu mécanique du pignon chargé d'entraîner le pont. Pour cela on construira une pièce métallique servant de guide aux axes supportant la vis sans fin et le pignon d'entraînement, limitant les mouvements transversaux et longitudinaux de ceux-ci.

Les vis de fixation des lamelles de contact en cuivre devront être raccourcies pour ne pas gêner la rotation du disque. Après avoir installé le disque et avoir contrôlé la bonne rotation du système, il faut ensuite placer la carte optique. La carte sera positionnée à environ 1cm de l'axe du disque et maintenue au pont par de l'adhésif double face. Les fils des lamelles de cuivre seront passés sous la carte. Les pattes de l'émetteur infrarouge D₁ seront coudées puis soudées au circuit pour permettre son ajustement précis, bien en face des dents du disque (voir brochage en figure 8). Le même travail s'applique au récepteur D₂, dont les broches devront toutefois être prolongées par deux fils rigides (queues de résistances). Durant ces opérations sur les diodes infrarouges, faire très attention à ne pas les détruire par échauffement excessif. Attention aussi aux connexions fragiles de la diode réceptrice D₂.

figure 7 : Le disque optique	figure 8 : Brochage des composants

L'étape suivante consiste à placer et à connecter à la carte optique la diode émettrice D₄, qui implique le perçage d'un trou de 3mm sur l'extrémité du pont opposée au moteur (figure 9). La précision du positionnement initial nécessite la confection d'un cache frontal avec une fente étroite, appliqué sur la diode.

figure 9 : Emplacement de l'émetteur IR sur le pont

D₃ sera placée dans le trou central du circuit imprimé circulaire, et nécessitera la suppression de la fixation par vis du circuit. Reste enfin à installer le circuit de réserve d'énergie et à réaliser les connexions au circuit imprimé circulaire. Les quatre premières pistes du circuit seront de préférence réservées à l'alimentation de la carte optique et du moteur, les quatre pistes les plus internes à l'alimentation des rails et des lamelles. Le moteur sera découplé par une capacité céramique de 100 à 220nF soudée en parallèle sur les lamelles de connexion, et par deux selfs de chocs du type VK200 en série, au plus près du moteur. La figure 10 résume les connexions à faire sur le pont.

figure 10 : Cablâge du pont photographie 3 : Le pont entièrement équipé

Equipement et modification de la fosse

Le socle cylindrique qui permet la rotation du pont et la transmission des alimentations devra être équipé de la diode réceptrice D₂ de la carte principale. Celle-ci sera placée au centre et exigera de raboter le support du canon le plus proche. Deux petits trous seront percés pour le passage des fils de liaison. La cathode sera reliée à la cosse du canon acheminant le 5V au pont. Par ailleurs, un canon supplémentaire (avec ressort et plot métallique) sera rajouté pour les pistes véhiculant le 0V et le 5V, ceci pour assurer une très bonne liaison électrique entre la partie fixe et mobile, prévenant ainsi toute erreur de comptage par coupure d'alimentation. Le détecteur D₁ sera placé dans le créneau situé sous la voie initiale (voie n°1), et au même niveau que la diode d'émission placée sur le pont. Un cache avec une fente étroite sera disposé devant la diode pour augmenter la précision de la détection.

photographie 4 : Le socle avec sa diode de détection	photographie 5 : Le détecteur avec son cache

Programmation du microcontrôleur et mise en route

Le microcontrôleur sera programmé une seule fois, par l'intermédiaire du programme LOAD.EXE, qui se chargera d'envoyer sur une liaison série les octets codant le programme de gestion (fichier texte PONT.S19). La liaison série se limite à 3 fils et une prise DB9 femelle que l'on connectera comme suit :

figure 11 : Constitution de la liaison série

Une fois le PC relié à la carte, celle-ci étant correctement alimentée et connectée au reste des éléments (socle et pupitre), et après s'être assuré de la présence des jumpers JP₁ et JP₂, exécuter le programme LOAD.EXE (ou sa version Basic LOAD.BAS avec Qbasic). Provoquer une remise à zéro de la carte en appuyant sur le bouton prévu à cet effet. A la première saisie demandée par le programme, frapper sur <Entrée> si PONT.S19 se trouve dans le même répertoire que LOAD.EXE, ou sinon taper son chemin complet. Renseigner ensuite le numéro du port de communication série utilisé (1 ou 2). Il s'affiche alors rapidement sur l'écran une série d'octets, puis un message demandant d'appuyer sur une touche pour lancer la programmation des octets du programme de gestion. Un message de succès apparaît une fois la programmation terminée. Si un message d'erreur indiquant des numéros d'octets incorrects apparaît, relancer la procédure de programmation (qui efface automatiquement le contenu précédent). Si rien ne se passe, vérifier la liaison série, l'alimentation de la carte, la position des jumpers, ainsi que le numéro du port COM utilisé.
Si la programmation s'est bien déroulée, le programme lance la rotation du pont, qui doit se déplacer rapidement dans le sens des numéros de voies décroissantes (si tel n'est pas le cas permuter les fils d'alimentation du moteur). Au premier passage devant la voie 1, le pont stoppe, puis revient en arrière à vitesse réduite et stoppe de nouveau précisément devant la voie 1 : le positionnement initial est alors terminé. Si le pont ne s'arrête pas au passage par la voie 1, tourner le curseur du potentiomètre P₁ dans le sens horaire inverse jusqu'à ce que la détection intervienne et soit matérialisée par l'allumage (bref) de la diode LED sur la carte. La sélection d'une voie conduit au déplacement du pont jusqu'à celle-ci avec ralentissement progressif à son approche. Pendant le mouvement, le voyant lumineux de la voie de destination clignote et s'illumine totalement une fois la voie atteinte. Pour rendre le montage autonome, c'est-à-dire exécutant le programme de gestion à chaque mise en route ou appui sur le bouton de remise à zéro BP1, enlever les jumpers JP₁ et JP₂ et la liaison série.
Il sera nécessaire d'ajuster la position et la sensibilité (par P₁) du détecteur de la voie 1 pour obtenir une précision d'alignement maximale. La vitesse de rotation du pont pourra être réglée avec la tension appliquée sur le bornier d'alimentation moteur.

Nomenclature de la carte principale

Quantité	Référence	Valeur	Désignation
1	BP1	-	Bouton-poussoir pour circuit imprimé
1	CI1	MC68HC11E1	Microcontrôleur HC11 Motorola
1	CI2	MAX232	Translateur de niveaux RS232
1	CI3	74HC574	Octuple bascule D
1	CI4	4093	Quadruple trigger de Schmitt CMOS
1	CI5	TLC271	Amplificateur opérationnel CMOS
1	CI6	ULN2003	Réseau de transistors NPN
5	CON1,CON2,CON3,CON4,CON5	-	Borniers à vis 2 plots pour CI
1	C1	4,7µF / 16V	Condensateur tantale radial
7	C2,C10,C11,C12,C13,C14,C15	100nF	Condensateurs céramiques
1	C16	10nF	Condensateur céramique
4	C3,C4,C5,C6	1µF / 16V	Condensateurs tantales
2	C7,C8	18pF	Condensateurs céramiques
1	C9	47µF / 16V	Condensateur polarisé radial
2	D1,D2	BPW34,BP104	Diodes réceptrices infrarouge
2	D3,D4	1N4001	Diodes 1A
1	D5	-	LED 3mm rouge
2	D6,D7	1N4148	Diodes petit signal
2	JP1,JP2	-	Cavaliers pour CI
1	I1	Inverseur unipolaire (bipolaire pour l'alimentation des voies de part et d'autre du pont)
1	P1	10KW	Résistance ajustable horizontale
18	R4,R6,R7,R8,R9,R10,R11,R12,R13 R14,R15,R16,R30,R31,R32,R33 R34,R36	10KW	Résistances ¼W
1	R1	10MW	Résistance ¼W
2	R3,R2	4.7KW	Résistances ¼W
5	R5,R21,R22,R23,R24	1KW	Résistances ¼W
1	R17	100KW	Résistance ¼W
1	R19	150KW	Résistance ¼W
3	R18,R20,R35	22KW	Résistances ¼W
5	R25,R26,R27,R28,R29	470W	Résistances ¼W
2	T1,T2	BC337	Transistor NPN
2	T3,T4	BC327	Transistor PNP
1	X1	8MHz	Quartz
+	1 bouton-poussoir et 1 diode LED par voie
+	1 embase SUB-D DB9 femelle avec cosses à souder

Nomenclature de la carte optique

Quantité	Référence	Valeur	Désignation
2	C1,C2	1000µF / 10V	Condensateurs radial
3	D1,D3,D4	-	LED émettrices infrarouge 3mm (disponibles chez Radiospares)
1	D2	BPW34,BP104	Récepteur infrarouge
1	R1	27W	Résistances ¼W
2	R2,R4	1KW	Résistances ¼W
1	R3	150KW	Résistances ¼W
1	R5	470W	Résistances ¼W
5	T1	BS170	Transistor NMOS
+	1 capacité céramique de 100nF et 2 selfs de chocs (type VK200) pour le découplage du moteur

Circuits imprimés et logiciel

Télécharger les circuits imprimés au format JPEG (échelle 1)	CIRCUITS.ZIP (272Ko)
Télécharger le logiciel de programmation	PONTHC11.ZIP (31Ko)

Mise à jour sous Win95/98 du logiciel de programmation PONTHC11.EXE

Ce programme, écrit en langage DELPHI, tourne sous Windows95/98. Il permet de modifier la vitesse de rotation, le ralentissement du pont, le nombre de voies, par modification dans le fichier S19 des codes HC11. Il détecte aussi le nombre de pas par tour du pont, et ainsi rend le montage adaptable à d'autres configurations mécaniques du pont JOUEF, voire à des modèles de marques différentes. Cliquez sur le lien à coté pour télécharger le logiciel.

PONT_SOFT.ZIP

Liens utiles

Loco-Revue : le mensuel de référence des modélistes ferroviaires
La page électronique d'Alain Mionnet : l'électronique appliquée au modélisme ferroviaire
Selectronic : Revendeur de composants et matériels électroniques, commandes on-line
Radiospares : 1° fournisseur européen de matériels et composants électroniques

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