Barrière infra-rouge

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Date de mise en ligne : vendredi 30 janvier 2009
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Sommaire
• Simplement avec des photodiode
• Une fréquence commune
Nous avons déjà présenté différents articles utilisant des leds infra-rouge pour de la détection d'obstacle ou même
pour une barrière :
Capteur de proximité IR
Dépose des balles
Une rubrique est d'ailleurs consacrée aux différents composants optiques : Détecteurs et capteurs optiques
Mais dans cet article, nous allons faire un petit montage très simple en utilisant tout d'abord des diodes infra-rouge
émettrices et réceptrices. Puis nous résoudrons les problèmes pour aller vers des solutions de plus en plus
performantes, en essayant de garder de la simplicité dans la mise en oeuvre.
On va tout d'abord étudier le montage de base d'une barrière photoélectrique : une LED émet un rayonnement IR qui
rend plus ou moins passante une photo-diode réceptrice.
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Simplement avec des photodiodes
La diode émettrice est une SFH415-U, qui émet un faisceau infra-rouge conique de 34° d'angle d'ouverture, assez
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puissante (100 mA)
La diode réceptrice est une BPV10NF. Elle reçoit sur un angle de 40°, une toute petite surface (0.25 mm²) et pour
une fréquence infrarouge de 940 nm.
SFH415-U : diode IR émettrice
BPV10NF : diode IR réceptrice
Les deux diodes sont peu onéreuses (environ 60 centimes d'euro chez Gotronic). Elles se présentes sous formes de
LED 5mm classiques dans un capot plastique entièrement noir, donc attention à ne pas les mélanger :)
Astuce : connectez la led à une source de tension (dans le bon sens et avec l'intensité et la tension convenable, voir
plus bas), et prenez votre appareil photo numérique. Regardez sur le petit écran : les capteurs de votre appareil sont
sensibles aux infra-rouges et montre la led émettrice éclairant comme une diode électroluminescente classique (avec
des petits reflets violets qui vous rappelleront les soirées "lumière noire" des clubs, mais rien à voir, ce n'est pas de
l'ultra-violet).
Premier montage : connecter une diode
Une diode est un dipôle polarisé, ce qui signifie que ça a deux pattes et qu'il faut le brancher dans un sens précis
entre le + et le - d'une source d'alimentation.
Pour différencier les pattes, deux solutions :
regarder celle qui est la plus courte, c'est la cathode, notée K (kourte, kathode, k, faites comme vous pouvez pour
vous en rappeler).
regarder sur le côté du boitier transparent la partie aplatie correspondant à la cathode (capot, cathode, là encore
vous êtes libre de tout moyen mnémotechnique)
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Une photo-diode (comme toute LED) ne fonctionne pas à la même tension que les composants habituels (TTL ou
CMOS) que nous utilisons : les 5 volts de nos microcontrôleurs sont beaucoup trop grands, de même que le courant
qu'ils fournissent.
Il faut donc utiliser une résistance. Pour calculer sa valeur, on applique la loi d'ohm, soit U = R * I. Pour les diodes
émettrices que nous avons choisies, la tension est de 1.7 volts et l'intensité acceptable (pas un max mais on n'a pas
besoin de toute leur puissance) prise en compte dans ce montage est de 20 mA.
Donc R = U / I et U = Us - Ul (tension de la source - tension prise par la led). R = (5 - 1.7) / 0.02 = 160 ohms. On fait
appel à sa mémoire sur les résistances ou comme moi à un petit logiciel pratique :) et on retrouve quelle valeur
standard va correspondre et de quelles couleurs sont les anneaux. Ici, la valeur normale dans la gamme E12 à
disposition est 180 ohms et correspond aux couleurs marron / gris / marron / or.
On connecte la cathode (la patte courte) à la masse en provenance d'une Arduino, l'anode à la résistance, et l'autre
patte de la résistance au 5v en provenance de la carte µC et notre led émittrice est alimentée.
Même opération pour la diode réceptrice, avec les mêmes valeurs. Mais au lieu de connecter la masse et la tension,
l'une des deux pattes va être reliée à une entrée analogique du microcontrôleur (la carte Arduino en possède 6). Et
on observe ce qui se passe avec le désormais célèbre oscilloscope du pauvre :
Photodiode en pull-up
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Photodiode en pull-down
Bon, c'est pas folichon, même si on peut exploiter les valeurs la différence n'est pas franchement claire. Il va falloir
trouver mieux, mais en restant simple (pas d'ampli-op, pas de transistor ou je sais pas quoi). D'ailleurs si on avait
voulu une différence plus visible on aurait pris un photo-transistor ou un composant plus costaud comme un TSOP17
ou les capteurs déjà présentés (voir début de l'article pour les rappels).
Second montage : connecté à l'envers
La solution nous vient de ce site : LED as light sensor
[http://www.micro-examples.com/public/microex-navig/doc/096-led-light-sensor]. On connecte cette fois-ci l'anode à
la masse ( !!) et la cathode à l'entrée analogique en pull-up. Malheur, la diode est branchée à l'envers. Justement, on
utilise le fait que la diode va bloquer la tension lorsqu'elle est éclairée (on aura donc le maximum correspondant à la
pull-up, tandis que non excitée par la lumière IR, une tension plus faible mais clairement visible.
Lorsqu'on observe la valeur analogique de la tension aux bornes de la diode, on voit bien le résultat, tout simplement
formidable ! la valeur minimum (non éclairée) est proche de 730, alors que le max est bien à 1024 (c'est un
convertisseur analogique numérique 10 bits qui équipe le microcontrôleur Atmel de l'Arduino).
Branchement inversé
Test d'autres photodiodes
Les diodes précédentes sont intéressantes car elles ont une zone de réception petite (0,25 mm²), une fréquence
lumineuse précise (940 nm) et un angle de réception faible (40°). Donc pour une barrière, c'est l'idéal.
Mais cela implique d'avoir un alignement correct entre les deux leds. Dans le cadre d'un projet d'étudiants
[http://smart.pet.dish.free.fr] pour lequel nous avons été contacté afin d'aider dans les choix techniques, l'objectif est
de donner une idée d'un niveau de remplissage dans un récipient en utilisant une diode émettrice et plusieurs diodes
réceptrices.
Dans ce cas il faut changer la photodiode émettrice. Certaines ne sont pas packagées dans le boitier typique des
LEDs, mais se présentent sous forme de petits carrés plats, avec une surface de réception bien plus grande : 7,5
mm². Dans toutes les photodiodes disponibles sur le site du magasin Gotronic
[http://www.gotronic.fr/catalog/opto/optoframe.php?page_cible=infrarouge.htm], nous avons retenu les diodes BP104
(figure 1) et BPW34 (figure 2). Elles sont vraiment bien adaptées au projet car elles pourront affleurer la surface de
l'objet communiquant.
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BP104 : diode IR réceptrice plate
Les tests sont aussi simples : on repère la cathode (la patte qui a un petit ergot de métal ou un petit point noir) que
l'on connecte à une entrée analogique et on connecte l'anode (l'autre patte...) à la masse.
Premier résultat : le capteur capte beaucoup plus, y compris la lampe de bureau ! mais ce n'est pas très grave, car
l'objectif du projet est d'obstruer le capteur et de détecter quand le capteur voit de nouveau quelque chose. Rien de
furtif et surtout, n'importe quelle lumière peut servir.
On arrive quand même à repérer le passage de la led IR :
Mais on a un problème : la led ne suffit plus à éclairer l'ensemble des capteurs, elle a un cône d'éclairement trop
fermé (34°, le max disponible). Il faut donc l'orienter, ou bien utiliser une led plus forte ou avec un cône plus large.
J'ai opté pour une LD274, une diode IR puissante.
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Led émettrice et photodiode
Dans ces premiers tests à base de photodiodes, on a pu voir le principe de la barrière avec émetteur et récepteur et
pallier aux premiers problèmes rencontrés en changeant de composant, mais ça ne résoud pas le plus gros
problème : les parasites extérieurs, car l'environnement est plein de sources de rayonnement infra-rouge, même
pour une bande de fréquences IR précise.
On va donc tester une nouvelle voie : le codage de l'émetteur.
Une fréquence commune
Lors de nos prochains tests, nous synchroniserons l'émetteur et le récepteur avec une fréquence commune.
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