3DPAD. Christophe Doat Bouich Fadi Boutjast Mohamed

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1 3DPAD Christophe Doat Bouich Fadi Boutjast Mohamed RÉSUMÉ Le but de ce projet est de réaliser un détecteur d objet de petite taille dans trois dimensions avec deux technologies différentes. Ce prototype permettrait, non seulement de détecter le déplacement d objets dans un plan X/Y, mais aussi de détecter son déplacement en Z, soit la hauteur. La particularité de ce capteur est que la détection se fait sans contact physique. L application réalisée pour la démonstration est la détection d un doigt qui déplace ( X et Y) et modifie la dimension ( Z) d un objet graphique. L application future de ce prototype sera d ajouter aux souris tactiles conventionnelles, une troisième dimension. Ce troisième mouvement s avèrera fort utile pour manipuler des objets en trois dimensions dans des logiciels de CAO, pour utiliser le zoom dans des applications informatiques, pour se déplacer rapidement d un point à l autre lors de la création du design d un PCB La technique utilisée pour la détection verticale de l objet est de mesurer l ombre produite par le doigt. C est pour réaliser cette mesure que nous allons utiliser deux technologies différentes : LED et LDR. Mots clés : capteur, trois dimensions, led, ldr, matrice. et l'amplitude du signal électrique sur ce point (x,y) nous donnerait la distance doigt capteur (z) Test LDR Pour tester le composant, nous avons placé une LDR en série avec une résistance sur breadbord qui est ensuite reliée à l entrée analogique de la carte arduino. Le tout est alimenté en 5 Volt grâce à la carte arduino. La figure suivante montre le schéma de câblage : PARTIE 1 : TECHNOLOGIE LDR 1. INTRODUCTION L idée principale est de créer une matrice permettant la détection du doigt sur 3 dimensions. Tout d abord, il faut tester ces LDR sur breadbord en les reliant à une carte Arduino. Ensuite, nous devons rechercher quel multiplexeur utiliser pour relier notre matrice à la carte Arduino. Enfin, il faudra réaliser les différents PCB nécessaires à la réalisation du projet. 2. DESCRIPTION DES DIFFÉRENTES PARTIES Une photorésistance ou LDR est un composant passif qui a la particularité de faire varier sa résistance en fonction de la lumière qu'il reçoit. Nous allons donc jouer sur l ombre de notre doigt afin de détecter la position de notre doigt. Notre idée est de constituer une matrice de ces photorésistances afin de pouvoir détecter le mouvement de notre doigt en 3 dimensions. Les lignes et colonnes de la matrice nous indiqueraient les positions (x,y) de la position du doigt Figure 1. Circuit de test pour la ldr À l aide d un code source qui se trouve en annexe, nous avons pu relever une variation importante de la résistance en fonction de la position de notre doigt. On voyait une variation de résistance jusqu à une distance de +/-5 cm. La mesure de cette variation est directement affichée sur l'ordinateur grâce à la carte et au logiciel Arduino Test multiplexeur Nous avons une matrice de 64 LDR (8*8) et une carte Arduino qui possèdent 6 entrées analogiques seulement. Nous devons donc utiliser un multiplexeur analogique. Nous avons choisi le MC14051bcp parmi tant d'autres avant tout parce que l'école en possède en

2 grande quantité. Nous l'avons testé pour savoir s il convenait bien à notre projet. Le MC14051bcp est un dip 16 alimenté en 5V et qui peut fonctionner en multiplexeur ou démultiplexeur. Il possède 8 entrées analogiques et une sortie. Il a aussi 3 pins de commande A, B, C qui permettent de sélectionner l'entrée à utiliser. Nous avons testé ce multiplexeur avec l'arduino et 8 LDR sur une breadbord comme on le voit sur la figure suivante. Le circuit du dessous est celui qui contient les différents multiplexeurs, l alimentation, la sortie ainsi que toutes les entrées de commande des multiplexeurs. En annexe on peut voir une simulation 3D sur Target de la matrice des 64 photorésistances ainsi qu une photo du PCB réalisé Application Notre application consiste à représenter la variation que l on mesure à l aide de l Arduino par un cercle qui se déplace en x et en y en fonction de la distance doigt- LDR. Cette application sera en Processing et, en annexe, nous pouvons voir le code source qui nous permettra de réaliser l application. PARTIE 2 : TECHNOLOGIE LED 1. INTRODUCTION Figure 2. Circuit de test pour le multiplexeur analogique Nous avons programmé un compteur qui tourne en boucle de 0 à 7 et qui s'incrémente de 1 tous les 50 ms. Cette valeur est envoyée sur le PORTB de l'arduino et ensuite sur les 3 pins de commande du multiplexeur. Sur la sortie du multiplexeur est placée une résistance. C'est sur cette résistance que nous prélevons l'image de la distance doigt-ldr (Ombre) sous forme de tension électrique. Donc, tous les 50 ms, les LDR se place une à une en série avec la résistance fixe. Nous n utilisons plus qu une entrée analogique A0 de l'arduino. La conclusion de ce test est que les multiplexeurs nous simplifient énormément le câblage et diminuent le nombre de résistances de notre projet. La première étape consiste à détecter le déplacement vertical de l objet en utilisant les propriétés internes de la led. La deuxième étape est de détecter le déplacement horizontal de l objet en utilisant plusieurs diodes LED. Placées pour former une matrice de 8 sur 8, les diodes LED détectant l ombre de l objet, donnent la position en X/Y de celui-ci. Ensuite, nous programmons le microcontrôleur afin qu il récupère l information des 64 LED. Enfin, nous réalisons le PCB du capteur. 2. DESCRIPTION DES DIFFÉRENTES PARTIES 2.1. Détection de l intensité lumineuse ( Z) La technologie LED a été utilisée pour détecter la lumière. La technique est simple, nous nous basons sur le fait qu une led, polarisée en inverse, est équivalent à une capacité (dont la valeur dépend du type de led) mise en parallèle avec une source de courant PCB Ensuite, nous avons élaboré les deux PCB qui nous permettront de réaliser notre projet. Nous avons séparé la carte principale en deux parties: -Une partie capteur composée de matrice LDR -L autre partie composée de multiplexeur et de résistance. Nous avons séparé la carte dans le but d avoir devant soi uniquement des capteurs, ce qui est mieux d un point de vue esthétique et pratique. Les deux parties seront placées l une sur l autre avec bien entendu la carte qui contient la matrice de 64 LDR au-dessus. Figure 3. Schéma équivalent d une diode led polarisée en inverse. Le courant de cette source de courant (appelé «courant photo-électrique») est fonction de

3 l éclairement. Pour déterminer ce courant, nous mesurons le temps de décharge de la capacité interne de la led. La première étape consiste à charger la capacité : lumière extérieure sera alors soustraite de l intensité lumineuse mesurée au capteur, afin de se rendre indépendant de tout type d éclairage Détection du déplacement du doigt ( X et Y) Pour cette détection, 64 led sont disposées en une matrice de 8 sur 8, espacées chacune de 4mm, permettant ainsi de couvrir toute la surface d un touchpad standard (7x7cm). Deux multiplexeurs 8vers 1sont utilisés pour limiter le nombre d entrées au microcontrôleur utilisé. Le premier multiplexeur (IC6) connecte successivement chacune des 8 lignes à l entrée du microcontrôleur. Le second multiplexeur (IC5) relie successivement chacune des 8 colonnes à la masse. Une fois que l info (intensité lumineuse perçue) de toutes les led d une même colonne est entrée dans le microcontrôleur, une autre colonne est mise à la masse et le multiplexeur ligne connecte alors chacune des led de cette même colonne au microcontrôleur et ainsi de suite... Ce système permet d envoyer l information (intensité lumineuse perçue) des 64 led à une seule broche du microcontrôleur Programme Figure 4. Schéma d une diode led raccordée sur le port de sortie d un microcontrôleur. Ensuite, cette capacité va se décharger via le courant photo électrique. Le temps de décharge du condensateur, proportionnel au courant photo-électrique est fonction de l éclairement : Le programme consiste à mesurer le temps de décharge de la capacité interne de chaque led. Pour cela, la première étape est de mettre le port en sortie à l état haut. Ensuite, il faut mettre ce port en entrée, désactiver la pull up interne et mesurer le temps que met ce port à repasser à l état bas. Une boucle a été réalisée pour simuler les 64 led et ainsi vérifier le temps de réaction global du programme. 3. ÉTAPE DE REALISATION Figure 5. Schéma d une diode led raccordée sur le port d entrée d un microcontrôleur Pour s affranchir de la lumière extérieure qui peut être différente d un endroit à l autre, une led isolée, placée juste à côté du capteur, permet de la mesurer. La 1) Recherche d une technique pour détecter la hauteur du doigt par rapport au clavier ( Z) : détection de l intensité lumineuse. 2) Recherche d une technologie permettant de mettre en œuvre cette technique : Led polarisée en inverse. 3) Recherche d une technique pour détecter le déplacement du doigt ( X et Y) : Matrice composée de 64 Led. 4) Programmation du microcontrôleur Aduc832 pour la gestion de l information envoyée par les led : Microcontrôleur inadapté à la mise en œuvre de cette application, car les pull up des ports en entrée, ne peuvent être désactivées. 5) Programmation du microcontrôleur ATMEL atmega328p pour la gestion de l information envoyée par les led : Ce microcontrôleur permet la gestion de l information des led. 6) Premiers tests avec 64 led (simulation) : Nous constatons que le temps pour récupérer

4 l information des 64 led est beaucoup trop élevé (dépasse la seconde) car la constante de temps de la capacité interne de la led est trop élevée. 7) Recherche et test de différentes led : La led de couleur rouge possède une capacité interne dont la constante de temps est suffisamment petite que pour pouvoir récupérer l information des 64 led en maximum100ms. 8) Réalisation du PCB (en cours ) Eagle MATERIELS UTILISES Logiciel utilisé pour créer le design du PCB Arduino 0022 Logiciel utilisé pour programmer le microcontrôleur ATMEL atmega 328P Arduino UNO Programmateur et testeur de microcontrôleur ATMEL atmega 328P Target Logiciel qui nous a permis de faire nos PCB. Processing temps de réponse sera grand. Tandis que le temps de réponse d une LDR est quasi instantané si celle-ci est alimentée sans interruption. Fort a été de constater que la sensibilité d une diode LED dépend entièrement de sa capacité interne. Au plus celle-ci est de forte valeur, au plus la LED sera sensible. Pour les LDR, la sensibilité est directement proportionnelle à la valeur de sa résistance. Ensuite, le fait d utiliser des diodes LED permet de n utiliser que deux multiplexeurs Digitaux et une entrée digitale. L utilisation de la technologie LDR aura besoin de 9 multiplexeurs analogiques et une entrée analogique. De plus, le fait de travailler en digital avec la technologie LED permet d être très peu sensible aux bruits pouvant être présent dans des montages analogiques. Enfin, certaines diodes LED possèdent un angle de réception inférieur à 18, ce qui augmente la précision de la détection du déplacement horizontale de l objet lorsque celui-ci est à bonne distance du capteur. Les améliorations pouvant être apportées à ce capteur seraient de se rendre indépendant de la lumière extérieur en soustrayant celle-ci à la lumière mesurée du capteur. Une seconde amélioration serait de détecter la lumière réfléchie par le doigt et non l ombre produite par celuici en plaçant une source lumineuse à la base du capteur. Enfin, le fait d augmenter le nombre de LED ou de LDR (passer de 64 à 256) sur une même surface, amplifierait considérablement la précision dans la détection du déplacement horizontal de l objet. 4. REFERENCE [1] Andreas Grün, «Elektor», Led comme capteur de lumière, 7 août Processing est un langage de programmation et un environnement de développement. CONCLUSION Concernant la technologie LDR, nous avons obtenu des résultats assez concluants. Nous sommes parvenus à élaborer le détecteur d objet à 3 dimensions. Nous avons pu, grâce à une application, rendre fonctionnel ce détecteur. Nous aurions pu optimiser le capteur en augmentant le nombre de LDR. La Technologie led permet, elle aussi, la détection du déplacement vertical d un objet par la mesure de l intensité lumineuse. En effet, nous sommes parvenus à déterminer la variation d intensité lumineuse en mesurant le courant photo-électrique de la capacité interne de la led. Cette technique donne des résultats concluants pour un bon éclairage externe. Chacune des 2 technologies possèdent des avantages et des inconvénients. Tout d abords, nous avons pu constater que le temps de réponse d une diode LED était proportionnel à la constante de temps de sa capacité interne. Au plus cette constante est élevée, au plus le

5 5. ANNEXES import processing.serial.*; float x; float y; float f; float targetx, targety; float easing = 0.05; Serial myport; // Création objet désignant le port série5 void setup() { size(600, 600); smooth(); nostroke(); println(serial.list()); //Serial.begin(9600); Figure 7. Simulation 3D sur Target de la matrice de 64 photorésistances. // Vérifier que le numéro du port série utilisé est le meme que celui utilisé avec Serial.list()[index] myport = new Serial(this, Serial.list()[1], 9600); // Initialise une nouvelle instance du port Série myport.bufferuntil('\n'); void draw() { void serialevent (Serial myport) { // mémorise la chaîne de caractères reçue String instring = myport.readstringuntil('\n'); if (instring!= null) { // enlève les espaces instring = trim(instring); // convertit la chaîne en valeur numérique float inbyte = float(instring); inbyte = map(inbyte, 0, 1023, 0, height); background( 51 ); targetx = mousex; float dx = targetx - x; if(abs(dx) > 1) { x += dx * easing; Figure 8. Photo du PCB pour les 64 photorésistances. targety = mousey; float dy = targety - y; if(abs(dy) > 1) { y += dy * easing; ellipse(x, y, inbyte, inbyte);

6 Figure 9. Code source de l application Figure 10. Code source pour le test LDR Figure 11. Code source test LED