Contrôleur Astronomique ESP32 : Un Système de Contrôle Professionnel pour l'Astrophotographie | PCB 4 Couches, Haute Puissance (30A) Fabriqué par JLCPCB

Introduction : Répondre aux Défis de l’Astrophotographie

L'astrophotographie professionnelle nécessite une installation complexe : télescope, monture motorisée, caméras CCD, focuser, système de guidage, et de nombreux périphériques. Chaque session impose une préparation minutieuse qui peut durer plusieurs heures, avec des risques constants de déconnexions, problèmes d'alimentation, et formation de rosée sur l'optique.

L'objectif : concevoir une platine de contrôle tout-en-un capable de centraliser toutes les alimentations, gérer l'ensemble des connexions, contrôler à distance tous les équipements, surveiller en temps réel les paramètres critiques, et protéger contre les aléas électriques et environnementaux.

Vue du projet Face avant, port USB, antenne Wifi, ESP32, LAN…

Vue arrière des connectiques, en haut à droite connecteurs d’alimentation,

les connecteurs sont de type GX12, GX16 et 20, spécifiques à chaque fonction.

6 connecteurs 12v Jack 5.5x2.1 sont présents pour du matériel temporaire

Architecture Électronique

Microcontrôleur et Capteurs

Le cœur du système repose sur un ESP32-WROOM32D (240MHz dual-core, WiFi/Bluetooth) qui pilote :

● BME280 : capteur température (-40 à +85°C), humidité (0-100%), pression

● MAX31865 : interface PT100 haute précision pour mesure température externe

● ADS1115 (×2) : convertisseurs A/N 16 bits pour mesures tensions/courants

● MPU-6050 : accéléromètre 3 axes pour détection d'inclinaison

● DRV8825, PCA9685, PCF8575 : drivers moteur, PWM et I/O

Gestion de Puissance

Le système gère une alimentation 11-14V / 30-50A avec régulateurs multiples : 12V→15V (5A), 12V→5V (5A), 5V→3.3V (1A), et 5V auxiliaire (500mA). Chaque branche est protégée par des fusibles, diodes et limiteurs de courant. L'ESP32 surveille en permanence tensions, courants et températures pour détecter toute anomalie.

Fabrication PCB : Le Défi de la Complexité

Conception sous KiCad 8

Ce projet a nécessité la conception de deux PCB multicouches complexes :

● Carte mère 4 couches (170×120mm)

En haut alimentation et connecteurs, dessus les Mosfet, gauche régulation,

en bas ESP32 et droite emplacement Raspberry pi

● Carte fille 4 couches, interfaces monture (100x80mm)

À gauche emplacement résistances et ventilateur, en haut droite Boost 15V/5A

en dessous convertisseur USB/TTL et dégagement pour connecteur USB

La carte mère intègre des circuits haute puissance (régulateurs 5A), des pistes renforcées (largeur 3-5mm), des plans de masse et d'alimentation dédiés, ainsi qu'une centaine de composants CMS (résistances 1206, condensateurs, circuits intégrés TQFP/QFN).

Pourquoi JLCPCB ?

Le choix de JLCPCB pour le prototypage et la fabrication de ce PCB multicouches s'est imposé pour ses capacités techniques exceptionnelles :

● PCB FR4 haute qualité : substrat époxy ignifugé parfait pour applications forte puissance

● Gravure 4 couches : routage optimisé avec plans de masse internes pour minimiser interférences électromagnétiques

● Cuivre 35µm (1oz) : épaisseur standard parfaite pour mon application (option 70µm disponible pour très forte puissance)

● Finition HASL/ENIG : soudabilité excellente et protection longue durée

● Via métallisés 0.3mm : connexions inter-couches fiables pour dissipation thermique et continuité masse

● Sérigraphie précise : références composants lisibles, points de test identifiés

● Vernis épargne (solder mask) : protection contre courts-circuits et oxydation

Défis de Gravure Relevés par JLCPCB

Pistes de puissance renforcées :

La carte mère transporte jusqu'à 25A en continu sur certaines sections. JLCPCB a parfaitement respecté les largeurs de pistes spécifiées (3 à 5mm) et les a correctement cuivrées pour éviter tout échauffement. Cela confirme la haute qualité de la fabrication de circuit imprimé pour des applications critiques.

Espacement critique :

Certaines zones mélangent signaux basse tension (3.3V logic) et haute tension (12V puissance). JLCPCB a respecté les espacements de sécurité imposés (≥0.5mm entre pistes haute/basse tension).

Via thermiques :

Les régulateurs de puissance génèrent une chaleur importante. J'ai utilisé des matrices de via pour évacuer la chaleur vers les plans internes. La gravure précise des via (0.3mm) par JLCPCB garantit une dissipation thermique optimale.

Pastilles CMS variées :

Le PCB intègre des composants aux formats divers : 1206, 1812 pour passifs, TQFP-32, QFN-48, SOT-23 pour circuits actifs. Les dimensions de pastilles ont été parfaitement respectées, facilitant grandement le soudage.

Carte mère assemblée :

Carte assemblée, support ESP32, Mosfet avec leur commande,

connecteur 10A et connecteur haute puissance en haut à gauche.

Carte Mère Verso :

Vue sur les capteurs de température DS18B20, à gauche, ajout d’un capteur

(silicone blanc), en haut, modifications brochages ESP32 (erreur dans la

conception), la découpe au milieu du PCB correspond

à l’implantation de capteurs magnétiques

Assemblage des cartes + Raspberry pi et son Hub :

Vue sur carte fille, avec connecteur d’alimentation, ventilateur (au-dessus des

résistances de chauffage) et sur la droite, le Hub du Raspberry pi, ce module sera

intégré directement à la carte mère sur la version 3 avec un Raspberry pi 5 et une

liaison PCie. De SSD M2 est raccordé à un port sous la carte fille.

Résultats de Fabrication

Après 3 révisions de PCB (prototypage itératif), la qualité finale est irréprochable :

• Aucun court-circuit ou défaut de gravure détecté

• Tolérances dimensionnelles respectées (±0.1mm)

• Sérigraphie nette et lisible même sur composants denses

• Finition HASL uniforme, excellent mouillage à la soudure

• Plans de masse continus (vérifiés au testeur de continuité)

• Emballage soigné, livraison rapide (10 jours France)

Intégration et Performances

La solution finale intègre un Raspberry Pi 4 (serveur INDI pour protocole astronomique), un SSD M.2 (fiabilité supérieure à carte SD), et un hub USB 3.0 pour caméras. L'ESP32 communique avec le Raspberry Pi via GPIO uniquement et expose une interface Web pour monitoring temps réel.

Résultats terrain :

• Fiabilité 100% : aucune déconnexion sur 20+ sessions (8h chacune)

• Stabilité thermique : température PCB <60°C en charge max (ventilation PWM)

• Précision des mesures : ±0.5°C (température), ±10mV (tension), ±50mA (courant)

• Gain de temps considérable : installation 15 min au lieu de 1h30, contrôle intégral depuis l'intérieur

• Une supervision des paramètres avec Home assistant.

Conclusion et Perspectives

Ce projet démontre qu'avec un PCB multicouche de qualité, un contrôleur embarqué intelligent (ESP32), et une architecture bien pensée, il est possible de résoudre des problèmes complexes d'intégration.

JLCPCB a joué un rôle crucial en fournissant des PCB de qualité professionnelle avec des capacités de gravure avancées (4 couches, cuivre renforcé, via thermiques), permettant de concrétiser cette solution.

La version 3.0 est en préparation avec hub USB 3.0 professionnel intégré, miniaturisation des composants, corrections et évolution du PCB, communication avec un Raspberry Pi 5 via SPI, I2C et PCie.

À propos de l’auteur

Stéphane BLANPIED, fondateur d'Ecophot, est un ingénieur en électronique autodidacte avec plus de 35 ans d'expérience. Ecophot est une entreprise française spécialisée dans la conception de solutions électroniques sur mesure depuis 2015. La polyvalence de l'entreprise couvre l'électronique embarquée (ESP32, STM32, Raspberry Pi), la domotique, la GTB (gestion technique du bâtiment), et l'astrophotographie.

Passionné d'astronomie depuis plus de 20 ans, le concepteur a mis au point ce contrôleur embarqué pour répondre aux défis concrets rencontrés lors des sessions d'observation nocturne.

Site web : https://www.ecophot.fr

Email : contact@ecophot.fr

Adresse : 2 bis rue de la Fontaine, 57420 Cheminot, France