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Barrière infra-rouge

en utilisant des photodiodes

vendredi 30 janvier 2009, par Julien H.

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.

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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.

 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 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.

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SFH415-U : diode IR émettrice
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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).

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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 :

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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. 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).

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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 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, 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
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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.

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On arrive quand même à repérer le passage de la led IR :

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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.

Vos commentaires

  • Le 17 janvier 2015 à 23:21, par maxime bonthonnou En réponse à : Barrière infra-rouge

    bonsoir,
    vous allez peut-être me sauver la vie...=)
    je suis actuellement en classe préparatoire scientifique et je réalise un projet dans lequel j’ai besoin de détecter une bille. Or la vitesse de cette bille est aux alentours de 90m\s. Pensez vous que ce dispositif peut détecter ma bille ?
    super site !!
    Cordialement

    • Le 19 janvier 2015 à 17:00, par Eric P. En réponse à : Barrière infra-rouge

      Impossible à dire comme ça : ça dépend de la taille de la bille par exemple et du capteur utilisé.
      Pour commencer, il y a un calcul simple à faire : compte tenu des dimensions de la bille et de sa vitesse, quelle est la largeur théorique de l’impulsion que le capteur délivrerait ? Comparer cela avec le temps de montée du capteur optique utilisé (ça se trouve dans son datasheet, sur le site du constructeur). Si le capteur réagit moins vite que la durée de l’impulsion théorique, il ne conviendra pas. Il y a par exemple beaucoup de chances pour qu’un capteur de type LDR ne convienne pas, du fait de sa lenteur de réaction.
      Il faut ensuite comparer la durée de l’impulsion avec les capacités de traitement du dispositif que vous envisagez pour traiter le signal produit. S’il n’est pas assez rapide pour "voir" la variation, c’est raté.
      Vous pouvez également réaliser un dispositif expérimental avec un oscilloscope pour capturer et analyser le signal réel. Ce qui vous permettre de constater l’écart entre la forme du signal réel et du signal théorique.
      Eric

    Répondre à ce message

  • Le 24 février 2011 à 20:59, par Tarek En réponse à : Barrière infra-rouge

    Bonjour,
    J’aimerais savoir quelle est la distance nécéssaire entre les deux diodes des deux montages.
    Est-ce que c’est possible d’utiliser ce montage avec ces memes diodes pour la détection d’une balle de ping-pong (40mm) ?
    Merci.
    Tarek.

    • Le 25 février 2011 à 08:59, par Julien H. En réponse à : Barrière infra-rouge

      Bonjour,

      Tout à fait, si l’émission de la diode est suffisamment puissante.

      Nous utilisions différentes barrières infra-rouges pour détecter les balles de ping-pong sur notre robot 2006.

      La distance la plus grande était de 70 mm (à l’intérieur du tube aspirant qui manipulait les balles).

    • Le 30 avril 2011 à 10:09, par mario En réponse à : Barrière infra-rouge

      Bonjour
      moi je désire faire une barriere IR dans un escalier pour alumer des lampes au passage des gens.
      Est ce que ce montage fonctionne aussi si les led’s som a 1 metre de distance ?
      Dans mon cas, j’ai besoin d’enclencher un relais quand il y a rupture de faisceau.

    • Le 3 mai 2011 à 19:53, par Julien H. En réponse à : Barrière infra-rouge

      Tu risques d’avoir un problème de dispersion de la lumière (ou alors qu’elle soit bien puissante).

    • Le 26 mars 2012 à 18:32, par Yorm En réponse à : Barrière infra-rouge

      Tu devrait plutôt utiliser un laser qui tape sur une photorésistances

    • Le 10 septembre 2012 à 01:36, par minms En réponse à : Barrière infra-rouge

      Bonjour,

      Bien intéressant cet article... Est il possible de réaliser une barriere IR permettant la detection d une goutte d eau pour faire de la photo haute vitesse par ce biais ?? Dans ce cas, on codera un truc du style :

      If(photodiode>=1023)
      declencher (flash)
      Etc. Cela semble t il valable ?

      Est il possible d avoir une idee du temps de rèrponse de la phdiode ?

      Ma led IR serait collèe à une resistance de seulement 40ohms pour lui donner plus de puissance mais j attend avec impatience de lire les pages concernant la synchro led /photodiode car je voudrais savoir si cela peut éventuellement ameliorer la portée de l ensemble...

      Merci

    • Le 10 septembre 2012 à 11:47, par Julien H. En réponse à : Barrière infra-rouge

      Bonjour,

      Le temps de réponse doit être dans la datasheet car cela dépend du composant choisi.

      Pour la goutte, peut être utiliser un laser plutôt qu’une led émettrice, si on sait où la goutte va tomber.

      Le mieux est de faire des tests en investissant dans quelques composants.

      Concernant les pages de synchro led/photodiode, mieux vaut vous armer de patience... ou bien nous aider.

    • Le 26 février 2013 à 19:25, par salwa En réponse à : Barrière infra-rouge

      slt , j’ai un projet intitulé cardiofréquencemètre à doigt et j’utilise une diode infrarouge et une photodiode mais je ne sais pas comment les tester pouvez vous m’aider :)

    • Le 27 février 2013 à 14:48, par Julien H. En réponse à : Barrière infra-rouge

      Bonjour, la led infrarouge peut se voir avec un appareil photo numérique ou la caméra d’un téléphone portable.

      La photo diode peut être placée avec une led normale qui s’allumera quand la diode sera passante (voir la théorie des diodes pour trouver et comprendre le montage ou utiliser un logiciel de test comme Yenka / Crocodile Clips).

      Merci de nous tenir au courant et de nous dire les solutions retenues.

    • Le 27 février 2013 à 19:40, par salwa En réponse à : Barrière infra-rouge

      merci , j’ai testé et la led s’allume mais la diode IR et photodiode ne s’allument pas ( j’ai utilisé mon téléphone portable)

    Répondre à ce message

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