Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse 5 ème année Electronique et Systèmes Embarqués. Bureau d étude de capteurs.

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1 Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse 5 ème année Electronique et Systèmes Embarqués Bureau d étude de capteurs Rapport Pyro-électrique, accéléromètre, photorésistance Simon Bouvot <bouvot@etud.insa-toulouse.fr> Brice Cavelier <cavelier@etud.insa-toulouse.fr> 18 décembre 2013 Résumé Ce présent rapport rassemble les fiches techniques du conditionnement de trois capteurs (pyro-électrique, accéléromètre, photorésistance), de l étude jusqu à l exploitation en passant par le dimensionnement des différents montages.

2 Table des matières 1 Capteur pyro-électrique - Murata Introduction Mise en oeuvre du capteur Etude de l étage Etude de l étage Etude des étages 2 et Test du montage complet et caractérisation Le montage fonctionne t-il? Caractéristique du montage Capteur accéléromètre - Freescale Introduction Conception du circuit de conditionnement Distinguer une porte ouverte d une porte fermée Photorésistance - Silonex Introduction Circuit de conditionnement A base d AO et de ponts diviseurs Liste des composants Montage LDR à transistors Liste des composants

3 Chapitre 1 Capteur pyro-électrique - Murata 1.1 Introduction Un capteur pyro-électrique est un détecteur de mouvements de chaleur. Ainsi, il est capable de détecter une personne si elle est en mouvement. Nous utilisons le IRA-E 700 de Murata dans une application de domotique, pour contrôler la présence d individus dans une pièce. Ce type de capteurs est capable de détecter les mouvements de chaleur car il est sensible aux ondes infrarouges lointaines. Celui que nous utilisons est sensible aux ondes de longueurs d ondes comprises entre 7 et 11µm comme on peut le voir sur la figure ci-dessous extraite du document constructeur. Figure 1.1 Réponse spectrale du IRA-E 700 Étant donné l application que nous souhaitons développer, nous devons être sûrs que le corps humain émet bien dans les longueurs d ondes citées précédemment. Pour cela nous allons utiliser la loi de déplacement de Wien. λ corps humain = h c 4, 9651 k T = 2, T = 9, 35µm Avec : h : constante de Planck k : constante de Boltzmann c : vitesse de la lumière 3

4 CHAPITRE 1. CAPTEUR PYRO-ÉLECTRIQUE - MURATA T : température du corps humain en kelvin (310 k) On trouve que la longueur d onde du corps humain est de 9, 35µm notre capteur est donc capable de le détecter. Dans le document technique on se rend compte que le capteur est associé à un JFET suivant le schéma de la figure 1.2. Figure 1.2 Association du capteur et d un transistor type JFET Ce JFET fonctionne dans sa zone linéaire, sa tension de sortie varie en fonction de la tension appliquée sur sa grille. Son fonctionnement est finalement similaire à celui d une résistance variable dont les extrémités sont le drain et la grille et la sortie est la source. 1.2 Mise en oeuvre du capteur Pour réaliser notre montage, nous nous inspirerons du schéma d application proposé par le constructeur et visible sur la figure 1.3. Figure 1.3 Schéma d application proposé par le constructeur Étant donné que nous n avons pas tout le matériel nécessaire (LM358), nous nous adaptons et réalisons le montage de la figure 1.4 basé sur des AO T L071. 5ESE gr.2 - Bouvot Cavelier Page 4/ décembre 2013

5 CHAPITRE 1. CAPTEUR PYRO-ÉLECTRIQUE - MURATA Etude de l étage 1 Figure 1.4 Schéma électrique du montage réalisé, avec T L071 Nous réalisons le premier étage, composé de deux résistances pour polariser le transistor JFET, ainsi que d un filtre passe bas (figure 1.5). Figure 1.5 Schéma électrique de l étage 1 Calcul théorique de la fréquence de coupure f c = 1 = 15, 9Hz 2 π 100kHz 100nA Vérification pratique de la fréquence de coupure On câble la sortie d un GBF en entrée du filtre en faisant un balayage fréquentiel afin de déterminer la fréquence de coupure. On observe sur la figure fig 1.6 le signal d entrée d amplitude A = 5V. 5ESE gr.2 - Bouvot Cavelier Page 5/ décembre 2013

6 CHAPITRE 1. CAPTEUR PYRO-ÉLECTRIQUE - MURATA Figure 1.6 Signal d entrée du filtre, A = 5V On calcule que l amplitude de sortie doit être de A = 3, 5V à 3dB. On augmente la fréquence du signal d entrée jusqu à obtenir en sortie un signal d amplitude A = 3, 5V (figure 1.7). Figure 1.7 Signal en sortie du filtre, 3, 52V à 16Hz En pratique, on trouve comme fréquence de coupure f c = 16Hz (figure 1.7) pour une amplitude de A = 3.52V correspondant à une atténuation de 3dB (0.7 en réel soit = 3.5V ) ce qui correspond à la théorie (f c = 15.9Hz). En sortie du premier étage, on peut observer que le JFET du capteur est bien polarisé car la sortie varie très légèrement lorsque l on passe la main proche du capteur. On peut observer ce phénomène sur la figure ESE gr.2 - Bouvot Cavelier Page 6/ décembre 2013

7 CHAPITRE 1. CAPTEUR PYRO-ÉLECTRIQUE - MURATA Figure 1.8 Excitation du capteur pyro-électrique En zoomant sur la partie où on excite le capteur, on observe que la tension délivrée par ce dernier est de quelques mv : 5mV A 10mV. Figure 1.9 Excitation du capteur pyro-électrique - zoom sur signal Le front montant correspond à l arrivée de la main devant le capteur, et le front descendant correspond au moment ou la main quitte le champ de vision du capteur. L objectif des étages suivants est d isoler puis d amplifier ce phénomène Etude de l étage 2 L étage 2 est composé d un filtre passe bande actif et d un amplificateur non inverseur, visible sur la figure ESE gr.2 - Bouvot Cavelier Page 7/ décembre 2013

8 CHAPITRE 1. CAPTEUR PYRO-ÉLECTRIQUE - MURATA Figure 1.10 Schéma électrique de l étage 2 Calcul théorique de la fréquence de coupure L étage 2 est un amplificateur non inverseur donc : T (p) = V s = 1 + Z 1 R1 avec Z 1 = V e Z R 1 C 1 p et Z 2 = R 2C 2 p + 1 R 2 p D où T (p) = R 1 C 2 p (1 + R 1 C 1 p)(1 + R 2 C 2 p) A l aide de Matlab, on trace la fonction de transfert en fonction de la fréquence. On peut voir le résultat sur la figure Figure 1.11 Bande passante de l étage 2 tracée avec Matlab Les trois premières fréquences se retrouvent facilement par le calcul : f 1 = 1 2 π R 1 C 2 = 4.97mHz f 2 = 1 2 π R 2 C 2 = 226mHz f 3 = Pour calculer f 4, on se place dans le cas où f >> f 3 ce qui nous donne : 1 2 π R 1 C 1 = 15, 92Hz T (f) = 1 + j f 2f 3 = 1 + j f 4 f f 1 f d où f 4 = f 2f 3 f = 723Hz On note aussi le gain max de 33, 2dB (soit une amplification de 46) que l on retrouve par calcul : G db = 20 log(1 + 1M ) = 33, 3dB 22k 5ESE gr.2 - Bouvot Cavelier Page 8/ décembre 2013

9 CHAPITRE 1. CAPTEUR PYRO-ÉLECTRIQUE - MURATA Mesure de la bande passante On câble un GBF en entrée de l étage 2 afin de mesurer la bande passante réelle du montage. Figure 1.12 A max = 0.904V pour la fréquence f = 2Hz En balayant en fréquence, on observe que l amplitude du signal de sortie est maximale pour f = 2Hz. Comme précédemment, on en déduit une amplitude à 3dB de A = 0.633V. On va de nouveau balayer en fréquence pour en déduire les fréquences de coupure haute et basse (f cl et f ch ) de notre filtre. Remarque : le signal d entrée ayant une amplitude de 20mV, on en déduit une amplification de l étage 2 de A = 45 soit 33dB (ce qui correspond encore une fois à la théorie). Les figures 1.13 et 1.14 nous donnent les fréquences de coupure basse de f cl, 3dB = 210mHz et haute de f ch, 3dB = 16Hz. Figure 1.13 A 3dB = 0.633V pour la fréquence de coupure basse f cl, 3dB = 210mHz 5ESE gr.2 - Bouvot Cavelier Page 9/ décembre 2013

10 CHAPITRE 1. CAPTEUR PYRO-ÉLECTRIQUE - MURATA Figure 1.14 A 3dB = 0.633V pour la fréquence de coupure haute f ch, 3dB = 16Hz On obtient grâce à un balayage fréquentiel la figure 1.15 qui nous montre l influence de la fréquence sur l amplitude du signal. On observe donc la bande passante du montage qui est de 16Hz. Figure 1.15 Balayage fréquentiel pour déterminer la bande passante Les fréquences de coupure haute et basse sont très proches de celles calculées avec Matlab. Caractérisation des étages 1 et 2 Nous connectons l étage 2 en sortie de l étage 1. Sur la figure 1.16 on peut observer l effet du passage de la main au dessus du capteur. Il y a deux effets : le premier pic correspond à l arrivée de la main, le second correspondant à la disparition de la main de l angle d ouverture du capteur. 5ESE gr.2 - Bouvot Cavelier Page 10/ décembre 2013

11 CHAPITRE 1. CAPTEUR PYRO-ÉLECTRIQUE - MURATA Figure 1.16 Imbrication des 2 étages : passage de la main Le phénomène de fronts montant et descendant en fonction de la présence est amplifié et la distance de détection est augmentée (1 à 2 cm sans l étage 2, 5 cm avec l étage 2). Cependant les valeurs haute (1.5V ) et basse ( 0V ) de tension ne suffisent pas pour être exploitées par la suite (par un microcontrôleur par exemple). La bande passante ayant bien isolé le phénomène, nous reproduisons le même étage une seconde fois, afin d avoir une amplification élevée au carré (donc d environ 2100) Etude des étages 2 et 3 Nous traçons les caractéristiques des deux étages à l aide de Matlab. On peut voir le résultat sur la figure Figure 1.17 Bande passante des étages 2 et 3 tracée avec Matlab La bande passante est bien la même, et le gain est désormais de 66, 4dB, soit une amplification de Nous branchons à nouveau un GBF pour vérifier expérimentalement les caractéristiques du montage. 5ESE gr.2 - Bouvot Cavelier Page 11/ décembre 2013

12 CHAPITRE 1. CAPTEUR PYRO-ÉLECTRIQUE - MURATA Vérification expérimentale des caractéristiques Figure 1.18 A max = 1.92V pour la fréquence f = 1.9Hz En balayant en fréquence, on observe que l amplitude du signal de sortie est maximale pour f = 1.9Hz. Comme précédemment, on en déduit une amplitude à 3dB de A = On va de nouveau balayer en fréquence pour en déduire les fréquences de coupure haute et basse (f cl et f ch ) de notre filtre. Remarque : le signal d entrée ayant une amplitude de 1mV, on en déduit une amplification de l étage 2 de A = 1920 soit 66dB. Les figures 1.19 et 1.20 nous donnent les fréquences de coupure basse de f cl, 3dB = 290mHz et haute de f ch, 3dB = 17Hz. Figure 1.19 A 3dB = pour la fréquence de coupure basse f cl, 3dB = 290mHz 5ESE gr.2 - Bouvot Cavelier Page 12/ décembre 2013

13 CHAPITRE 1. CAPTEUR PYRO-ÉLECTRIQUE - MURATA Figure 1.20 A 3dB = 1.344V pour la fréquence de coupure haute f ch, 3dB = 16.93Hz On obtient grâce à un balayage fréquentiel la figure 1.15 qui nous montre l influence de la fréquence sur l amplitude du signal. On observe donc la bande passante du montage qui est de 16.93Hz. Figure 1.21 Balayage fréquentiel pour vérifier la bande passante Caractéristiques réelles des étages 2 et 3 Bande passante : 16.64Hz Amplification : 1920 soit 66dB 1.3 Test du montage complet et caractérisation Le montage fonctionne t-il? Oui. Nous avons toujours les fronts montant et descendant mais cette fois-ci ils ont une amplitude de A = 10V (figure 1.22). Ces amplitudes sont suffisantes pour être exploitées. Par la suite nous pourrions mettre en place un trigger de Schmitt afin d allumer ou d éteindre une LED selon la présence ou non d un individu. 5ESE gr.2 - Bouvot Cavelier Page 13/ décembre 2013

14 CHAPITRE 1. CAPTEUR PYRO-ÉLECTRIQUE - MURATA Caractéristique du montage Figure 1.22 Passage de la main : A = 10V Distance de détection Angle d ouverture du cône de sensibilité 40cm ±55 o L angle d ouverture indiqué par le constructeur est de ±45 o, nous avons donc un angle d ouverture conforme aux spécifications du constructeur. 5ESE gr.2 - Bouvot Cavelier Page 14/ décembre 2013

15 Chapitre 2 Capteur accéléromètre - Freescale 2.1 Introduction Un accéléromètre est un capteur qui permet de mesurer l accélération de l objet sur lequel il est fixé. Nous utilisons le MMA 1250 de Freescale dans une application de domotique, pour contrôler si une porte est ouverte ou fermée. Le MMA 1250 est capable de détecter s il est à l horizontale et subit la gravité, ou s il est à la verticale et ne subit pas la gravité. Son fonctionnement est résumé sur le schéma de la figure 2.1 ci-dessous, extrait du document constructeur. Figure 2.1 Valeurs statiques en sortie de l accéléromètre, en fonction de son orientation Nous avons besoin de connaître deux positions : porte ouverte et porte fermée. Pour avoir ces valeurs en sortie du capteur, nous câblons l accéléromètre selon le schéma d application donné par le constructeur et disponible sur la figure

16 CHAPITRE 2. CAPTEUR ACCÉLÉROMÈTRE - FREESCALE Figure 2.2 Schéma électronique d application donné par le constructeur En sortie de l accéléromètre on a un filtre passe-bas. On calcule sa fréquence de coupure : f c = 1 2 π R 1 C 2 = 1, 6KHz Nous testons les valeurs en sortie de l accéléromètre en fonction de sa position. Figure 2.3 Seuil de détection de l état de la porte Porte fermée Plaque horizontale Porte ouverte Plaque verticale 3.02V 2.58V Les valeurs obtenues en sortie de l accéléromètre sont tout à fait exploitables. Nous voulons distinguer par l allumage d une LED rouge une porte ouverte, et une LED jaune une porte fermée. La solution utilisée pour arriver à ce résultat est expliquée en 2 ème partie de ce chapitre. 2.2 Conception du circuit de conditionnement Distinguer une porte ouverte d une porte fermée On remarque que la tension en sortie de l accéléromètre est inférieure à 2.75V lorsque la porte est ouverte alors qu elle est supérieure lorsque la porte est fermée. On va exploiter cette donnée pour contrôler les LEDs à l aide de deux comparateurs, selon le schéma électrique suivant (2.4). 5ESE gr.2 - Bouvot Cavelier Page 16/ décembre 2013

17 CHAPITRE 2. CAPTEUR ACCÉLÉROMÈTRE - FREESCALE Figure 2.4 Schéma complet, avec LEDs indiquant l état de la porte On créé une tension de 2.72V, qui sert au comparateur à connaître l orientation de l accéléromètre. Deux cas se présentent à nous, expliqués par le flow chart de la figure 2.5. Figure 2.5 Flow chart de l accéléromètre Nous testons le montage et validons son fonctionnement. 5ESE gr.2 - Bouvot Cavelier Page 17/ décembre 2013

18 INSA Toulouse CHAPITRE 2. CAPTEUR ACCÉLÉROMÈTRE - FREESCALE Plaque horizontale Plaque verticale Fermeture... Ouverture... Porte fermée - led rouge allumée Porte ouverte - led jaune allumée 5ESE gr.2 - Bouvot Cavelier Page 18/ décembre 2013

19 Chapitre 3 Photorésistance - Silonex 3.1 Introduction Une LDR (Light Dependent-Resistor) (ou encore CdS pour Camdium-Sulfite) est un composant électronique qui voit sa résistivité varier en fonction de l intensité lumineuse incidente. Lorsque l énergie du photon incident est élevée, la production d électron-trou est d autant plus importante que le flux lumineux est intense. Le résistance évolue à l inverse de l éclairement. Cette relation n est linéaire que sur une plage d utilisation réduite. Pour montrer cela, on mesure l impédance de la photorésistance dans 3 cas d éclairage : Flash de téléphone : R flash = 50Ω Lumière ambiante (tube néon) : R ambient = 980Ω = 1kΩ Obscurité : R obscurité 1MΩ On remarque facilement que plus la lumière est importante, plus la valeur de la résistance est faible. Cependant, les valeurs mesurées diffèrent un peu des spécifications figure 3.1. Figure 3.1 Spéficiations de la NORPS12 Cela est dû aux conditions d établissement des spécifications : en effet, les tests sont effectués avec une lumière ambiante dont la longueur d onde est de λ p = 550nm alors que dans les salles de TP, cette valeur n est pas exactement la même (diffère à quelques 50nm près). De plus, le vieillissement du composant doit causer une modification de la light resistance, on observe un delta de 4.4kΩ entre les spécifications et la valeur mesurée. Le but du montage sera d allumer les leds une à une lorsque la luminosité diminuera, on peut assimiler ce fonctionnement aux éclairages urbains. 3.2 Circuit de conditionnement Le principe de fonctionnement du montage figure 3.2 est le suivant : l impédance de la photorésistance (LDR sur le schéma) varie en fonction de la luminosité. Pour dimensionner notre circuit, on discerne 3 états qui nous permettront connaître le niveau de luminosité d une salle. On mesure : Luminosité basse - pénombre : LDR = 10kΩ Luminosité moyenne - faible éclairage : LDR = 5kΩ Luminosité typique - tube néon : LDR = 1kΩ 19

20 CHAPITRE 3. PHOTORÉSISTANCE - SILONEX A base d AO et de ponts diviseurs On commence par fixer R 1 = 4.7kΩ. Le circuit étant alimenté sous 5V, on calcule les points de polarisation suivants grâce au pont diviseur résistif : U R1 = R 1 R 1 + LDR V DD Luminosité basse - pénombre : U R1 = 1.59V Luminosité moyenne - faible éclairage : U R1 = 2.42V Luminosité typique - tube néon : U R1 = 4.12V On dimensionne donc les trois entrées négatives des comparateurs avec les tensions de référence : U 1 = 1.59V, U 2 = 2.42V et U 3 = 4.12V pour allumer suivant l intensité lumineuse les leds D 1, D 2 et D 3. Les valeurs des composants sont donnés dans la sous-section suivante. Figure 3.2 Conditionnement de la photorésistance On observe le résultat dans les 3 cas concrets suivant : 5ESE gr.2 - Bouvot Cavelier Page 20/ décembre 2013

21 INSA Toulouse CHAPITRE 3. PHOTORÉSISTANCE - SILONEX Figure 3.3 Luminosité ambiante - tube néon Figure 3.4 Luminosité moyenne - pénombre Figure 3.5 Luminosité basse Liste des composants Référence composant Valeur composant R1, R2, R3, R4, R9 1kΩ R6, R7, R8, R10 4.7kΩ R5 10kΩ U1 T L071 U2, U3 T L072 Montage LDR à transistors 1 LDR, 2 transistors On se propose de réaliser un 2ème montage ayant un résultat similaire (sur une seule led pour l instant) en n utilisant que des transistors et non plus des AO comme précédemment. Le schéma ci-dessous a été dimensionné pour de la faible puissance (BC547 utilisé pour les petits signaux) : il permet d éclairer une led. On peut contrôler une lampe (plusieurs dizaines de Watts) en remplaçant Q2 par un transistor de puissance type BD135. 5ESE gr.2 - Bouvot Cavelier Page 21/ décembre 2013

22 CHAPITRE 3. PHOTORÉSISTANCE - SILONEX Figure 3.6 Montage LDR à transistors Fonctionnement du montage LDR à transistors Au départ, la luminosité est importante (éclairage salle), la LDR présente donc une résistance faible ( 1kΩ). Quand la luminosité décroit sur la LDR, sa résistance augmente. Cela modifie le point de polarisation de la base du transistor Q 1 (2N2219) et entraîne donc celui-ci en conduction. Le transistor Q 2 ne fonctionne pas étant donné la polarisation faible de sa base. La led n a donc pas assez de courant pour fonctionner : elle est éteinte. Lorsque l obscurité se fait, la résistance de la LDR devient grande (plusieurs dizaines de kω) : le transistor Q 1 cesse de conduire. C est alors à Q 2 de jouer, il entre en conduction et permet à la led de s allumer faiblement (R LDR 10kΩ) puis fortement (R LDR 10kΩ) Liste des composants Référence composant R 1, R 3 R 2 Q 1, Q 2 V DD Valeur composant 330Ω 1kΩ NPN 2N2219 5V 5ESE gr.2 - Bouvot Cavelier Page 22/ décembre 2013

23 Table des figures 1.1 Réponse spectrale du IRA-E Association du capteur et d un transistor type JFET Schéma d application proposé par le constructeur Schéma électrique du montage réalisé, avec T L Schéma électrique de l étage Signal d entrée du filtre, A = 5V Signal en sortie du filtre, 3, 52V à 16Hz Excitation du capteur pyro-électrique Excitation du capteur pyro-électrique - zoom sur signal Schéma électrique de l étage Bande passante de l étage 2 tracée avec Matlab A max = 0.904V pour la fréquence f = 2Hz A 3dB = 0.633V pour la fréquence de coupure basse f cl, 3dB = 210mHz A 3dB = 0.633V pour la fréquence de coupure haute f ch, 3dB = 16Hz Balayage fréquentiel pour déterminer la bande passante Imbrication des 2 étages : passage de la main Bande passante des étages 2 et 3 tracée avec Matlab A max = 1.92V pour la fréquence f = 1.9Hz A 3dB = pour la fréquence de coupure basse f cl, 3dB = 290mHz A 3dB = 1.344V pour la fréquence de coupure haute f ch, 3dB = 16.93Hz Balayage fréquentiel pour vérifier la bande passante Passage de la main : A = 10V Valeurs statiques en sortie de l accéléromètre, en fonction de son orientation Schéma électronique d application donné par le constructeur Seuil de détection de l état de la porte Schéma complet, avec LEDs indiquant l état de la porte Flow chart de l accéléromètre Spéficiations de la NORPS Conditionnement de la photorésistance Luminosité ambiante - tube néon Luminosité moyenne - pénombre Luminosité basse Montage LDR à transistors