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1) Introduction :

    Parmi les grandeurs météorologiques significatives, la connaissance de la pression atmosphérique est essentielle. Elle peut augmenter ou diminuer, une hausse signifiant souvent du beau temps à venir. Le baromètre à mercure ou le modèle anéroïde sont les instruments habituellement utilisés pour mener à bien cette mesure.
   

    Ce modèle totalement électronique exploite les propriétés d'un capteur élaboré par Motorola. Il est fiable, précis et peu onéreux.

2) L'atmosphère terrestre :

    Notre bonne vieille terre est entourée d'une enveloppe gazeuse d'une épaisseur d'une centaine de kilomètres. A cette altitude la pression résiduelle est inférieur à 1/1000 de mBar. Elle porte le nom d'atmosphère et reste maintenue en place sous l'action de la gravité... La couche la plus basse, celle qui intéresse principalement le météorologue, porte le nom de troposphère; elle occupe environ les dix-sept premiers kilomètres au-dessus du niveau de la mer, référence universelle pour la pression atmosphérique.
   Cette couche contient assez de vapeur d'eau pour permettre la formation des nuages et bien entendu, la pluie, la neige, la grêle et la rosée du petit matin. La stratosphère constitue l'étage suivant, dans lequel, par exemple, évoluait notre supersonique Concorde. Plus haut encore, on passe de la ménosphère à la thermosphère, et bientôt au vide interplanétaire peu hospitalier. Plus on s'élève en altitude, plus la densité de l'air diminue et moins la pression atmosphérique est élevée. Météosat évolue à quelques 36000 km d'altitude et s'y trouve très bien. L'air que nous respirons se compose surtout d'azote (78%), d'oxygène (21%) et d'argon. Quelques gaz rares viennent compléter ce mélange, comme le gaz carbonique, Ne, Ar, Kr, Xe et Rn.

    La notion de pression atmosphérique est essentielle dans le traitement des prévisions météorologiques. Bien que difficilement palpable, cette grandeur physique est facile à mettre en évidence. Au niveau de la mer, la pression atmosphérique est assez forte pour élever une colonne de mercure, fort lourd, à 76 cm de hauteur pour 1 cm² de surface. Le baromètre à mercure ne saurait donc rien d'autre qu'un tube de verre coudé, ouvert d'un côté et contenant du mercure. Il est gradué en millimètres, qui représentent le poids (en fait, ici la pression) plus ou moins grand de l'air à la surface de la Terre. Ce baromètre porte encore le nom de son inventeur, Torricelli (1608 - 1647). Ce disciple de Galilée mit en évidence l'existence de la pression atmosphérique.

Baromètre à Mercure

    La pression de l'air peut augmenter ou diminuer : une hausse signifie généralement beau temps à venir, alors qu'une baisse de pression annonce un mauvais temps, surtout si cette variation s'opère rapidement. On peut noter encore que la mesure de pression atmosphérique donne une bonne appréciation de l'altitude.
   A 5 km, on peut estimer la pression à la moitié de sa valeur au sol, un altimètre n'est guère plus qu'un baromètre gradué en mètres et kilomètres (pour une élévation de 8 mètres on observe une chute moyenne de 1 hPa soit 1 mBar). Toutefois, la température vient perturber cette mesure, car l'air froid, plus lourd, a tendance à descendre et l'air chaud dilaté, plus léger, s'élève.

3) Les unités de pression :

    L'unité de pression, dans le système normalisé SI, est la Pascal (Pa), qui représente un Newton par mètre carré (= environ 102 g). Cette valeur, peu pratique il est vrai, est souvent remplacée par le bar, qui vaut 100 000 pascals. Une autre unité, l'atmosphère (atm), est une valeur moyenne de la pression atmosphérique habituelle, soit 1,01325 bar ou encore 1013,25 millibars. Cette dernière nous est très familière, puisqu'elle figure souvent sur le cadran de nos baromètres domestiques.

  On admet aussi que "l'atmosphère standard" correspond à une hauteur barométrique de 760 millimètres de mercure (mmHg) au niveau de la mer et à la latitude 45°. Elle permet à la météo de ramener les pressions réellement mesurées à la valeur qu'elles auraient au niveau de la mer, afin de traver des isobares indépendantes de l'altitude (sans ces corrections, on tracerait des courbes de niveau !).
  On trouvera, toujours sur le baromètre, les valeurs 1013 hPa et 76 cm de Hg quasiment alignées, avec l'indication VARIABLE. Comme si toutes ces unités ne suffisaient pas, sachez enfin que le millibar a laissé place à son équivalent portant le nom hectoPascal (hPa), sans doute pour honorer la mémoire de notre physicien-écrivain Blaise Pascal, qui, le 19 septembre 1648, au Puy-de-Dôme, réalisa une célèbre expérimentation selon les hypothèses de Torricelli. Il vérifia en fait que la hauteur du mercure dans un fin tube de verre est proportionnelle à la pression atmosphérique en un lieu précis. On admet une diminution d'environ 1 millibar pour chaque élévation de 8 mètres environ.

    De nos jours, on trouve dans le commerce pour une dépense raisonnable le baromètre métallique anéroïde; le principe de fonctionnement de cet appareil est basé sur l'élasticité des métaux. Une boîte métallique cannelée et vide d'air subit la pression de l'air ambiant et à l'aide d'un levier actionne une aiguille face à un cadran. Un curseur mobile permettra de "mettre en mémoire" une pression donnée et de vérifier plus tard si celle-ci évolue vers le haut ou vers le bas. Le sens de l'évolution a plus d'importance que la valeur exacte en millibars; il n'y a guère que la vitesse de la variation qui pourrait signifier, par exemple en cas de baisse rapide, qu'il y a risque de coup de vent ou de tempête. 

Baromètre anéroïde

    Voici dans le tableau ci-dessous les correspondances barométriques usuelles :

4) Présentation du baromètre digital :

     Caractéristiques du montage, programme 68HC11F1 et étiquette :

         Caractéristiques du baromètre :

         - Courant absorbé par le montage : 140 mA.
         - Alimentation du montage : 13,5 volts à  17 volts.
         - Précision de la mesure : +/- 2,5 hPa.
         - Plage de mesure : de 962 hPa = 720 mmHg à 1067 hPa = 800 mmHg.
         - Affichage de la pression : alternée toute les secondes entre la valeur en hPa et celle en mmHg.
         - Affichage de la tendance (Tempête,...) : réalisé sur 5 leds.
         - Affichage et mesure de l'évolution de la tendance : visualisé sur 3 leds après un minimum de 8 à 9 heures de mesures.
         - Type d'affichage pression : 7 segments électroluminescents multiplexés.

        Logiciel du baromètre :

   Programme compilé Pres8.S19 à implanter en EEPROM du microcontrôleur 68HC11F1 :

  68HC11F1.ZIP

AVIS : Le programme source ne sera pas diffusé.

           Étiquette :

   Etiquette "Tendances" à coller sur le boîtier (format Adobe Acrobat 4.0) :

TENDANCES.PDF 

Vous collerez cette étiquette sous les cinq leds de visualisation tendance.

     Éléments extérieurs du baromètre digital :

              Les afficheurs 7 segments :

    Le logiciel est chargé de calculer la correspondance des unités entre hPa et mmHg afin d'afficher alternativement (toutes les secondes) la mesure en hPa puis en mmHg comme ci-dessous :

Affichage en hPa (1022 hPa)

Affichage en mmHg (765 mmHg)

             Signalisation de la tendance actuelle :

    Cinq leds alignées indiquent la tendance du moment.

La photo ci-dessus indique une tendance comprise entre Variable et Beau temps.

              Signalisation de l'évolution de la tendance :

    Trois leds indiquent l'évolution de la tendance par comparaison avec des mesures effectuées 8 à 9 heures auparavent. Ainsi, lorsque le montage est mis sous tension, vous devez attendre 8 à 9 heures pour qu'une led s'allume. Notez que cette indication d'évolution de la tendance n'a de sens qu'après 18 heures de fonctionnement continu.

    Vous devez interpréter l'illumination d'une de ces trois leds de la façon suivante :
                   La led rouge est allumée : la pression monte => beau temps à venir,

                  La led jaune est allumée : la pression est stationnaire (variation inférieure à 5 hPa) => pas de changement significatif du temps,

                  La led verte est allumée : la pression chute => mauvais temps à venir. 

La photo ci-dessus indique une évolution stationnaire de la tendance.
(pas de changement significatif de la pression par rapport aux mesures effectuées 8 à 9 heures auparavent)

              Le capteur de lumière LDR :

       Une LDR (résistance variable en fonction de la quantité de lumière reçue) permet de modifier l'intensité lumineuse de toutes les leds (afficheurs 7 segments compris). Le seuil de basculement peut être réglé en modifiant la valeur de la résistance R19, voir [ Réalisation ].

La LDR en gros plan en bas à gauche de l'image.
Elle réduit ou augmente l'intensité lumineuse de toutes les diodes électroluminescentes en fonction de jour et de la nuit (la nuit => intensité réduite, le jour => intensité maximale).

     Éléments intérieurs du baromètre digital :

               Le capteur de pression :

    De nos jours, pour mesurer cette pression d'une manière totalement électronique, il suffit de "peser" en quelques sorte le poids de la colonne d'air s'exerçant sur la face sensible d'un capteur. Pour ce faire, on exploite les propriétés piézo-résistives d'une minuscule pastille de silicium, un peu à la manière d'une jauge de contrainte minuscule, capable de distinguer les infimes variations de masse sur la surface active.

   Motorola propose depuis quelques années, un composant facile à mettre en ouvre, compensé en température et calibré précisément en usine par laser, il s'agit du capteur MPX2100A (160 F), en  valeur absolue, puisqu'il existe une version pour la mesure de pressions différentielles. Sa sensibilité typique est de 0,4 mV par kiloPascal (kPa) de pression.

Aspect du capteur de pression MPX2100A
Sensibilité : 0,4 mV / kPa ou 0,04 mV / hPa

Structure interne du capteur de pression (document Motorola).

Schéma interne du capteur de pression. Les résistances
ajustables sont calibrées au laser en usine (document Motorola). 

             Aspect général :

              Les afficheurs sept segments (anode commune) :

Vu de face

Vu de profil. On utilisera 3 supports lyres (40 broches) pour surélever les afficheurs de façade.

              Les leds de signalisation et la base de temps à quartz :

              Régulation, connecteur, réglages et circuits analogiques :

               Connecteur d'alimentation :

    Plusieurs types de connecteurs peuvent convenir. Vous avez aussi la possibilité d'utiliser une embase d'alimentation sérigraphiée sur le routage du circuit imprimé...

              Connecteur du capteur MPX2100A :

    Pour la réalisation du connecteur du MPX2100A, j'ai utilisé quelques picots sécables tulipes soudés directement sur une barrette mâle coudée au pas de 2.54. Voir photos ci-dessous :

Sans capteur MPX2100A

Avec capteur MPX2100A

Bibliographie :

-  Quid 2000
- "The sensor application" et "Cross-Sectional Diagrams" : Documents Motorola