Création d’un prototype en laboratoire

Nous nous sommes donc attelés à la création d’un prototype, modèle réduit du détecteur de feu rouge. Le circuit électronique entier est divisible en modules, et représenté sur le schéma suivant :

1 – Le montage comparateur
  Le module comparateur est la pièce au cœur du circuit. En effet, le signal se retrouve pour la première fois altéré par le passage d’une voiture au niveau du filtre passe - bande, mais est en l’état inutilisable.
Le détecteur de crête permet de créer un courant continu artificiel, dont la tension reflète directement l’amplitude du signal en sortie de filtre, et le comparateur en lui - même permet de moduler la variation dans la tension continue en un signal binaire – en somme, de trancher si oui ou non une voiture est passée au - dessus de la bobine. Si détection il y a, la tension en EA3 sera positive ; dans le cas contraire, elle sera négative.
2 – L’interrupteur commandé
A la sortie du module de comparaison, le signal est directement exploitable. On pourrait imaginer brancher ce que l’on veut directement sur ce signal, mais son intensité n’excède pas quelques mA, aussi, nous utilisons un transistor, pour transformer le module de détection en interrupteur. Un transistor est un composant électronique à trois entrées très utilisés po ur ses propriétés de semi - conducteur. En effet, l’une des bornes, celle de contrôle, permet de changer la résistance du transistor entre les deux autres bornes. Lorsque la tension à la borne de contrôle est négative, le transistor est isolant, si elle est positive, il est conducteur. Lorsqu’une masse métallique sera au - dessus de la bobine, la tension à la borne du transistor sera positive, et il se comportera alors comme un interrupteur fermé. A l’inverse, lorsque le détecteur est inactif, la tension sera négative et le transistor sera un interrupteur ouvert. Ainsi nous pouvons alimenter le reste du circuit de manière indépendante sans risquer de griller l’électronique du filtre.
3 – Premier prototype : système mécanique asservi
   Aux origines du projet, nous avions prévu de déclencher une prise de photo à l’aide d’un servomoteur, dont l’alimentation serait contrôlée par le transistor cité précédemment.
    Les servomoteurs servent à actionner les parties mobiles des modèles réduits : ailerons, volets et trains pour les avions, contrôle de direction dans le cas de modélisme automobile... À cette fin, les moteurs sont asservis et obéissen t à une commande externe, généralement transmise par radio.
    Les servomoteurs sont commandés par l'in termédiaire d'un câble électrique à trois fils qui permettent d’alimenter le moteur et de lui transmettre des ordres de positions sous forme d’un signal codé en largeur d'impulsion.
   Cela signifie que c'est la durée des impulsions qui détermine l'angle a bsolu de l'axe de sortie et donc la position du bras de commande du servomoteur. Le signal est répété périodiquement, en général toutes les 20 ms, ce qui permet à l'électronique de contrôle de corriger continuellement la position angulaire de l'axe de sortie.

La sortie TTL 4 d’un simple générateur de signaux permet de diriger efficacement la rotation de l’axe du moteur. La tension bascule simplement entre 0 et 5V. On branche le servomoteur à un générateur délivrant une tension de 5V continue et on délivre un signal avec un GB F 5 de fréquence variable avec la sortie TTL. Pour une fréquence donnée, un angle est associé. La fréquence va de 225 Hz à 609 Hz pour des angles allant de - 90° à 90°.

  Pour déclencher l’appareil photo, il suffit de placer au préalable le bras du servomoteur contre le déclencheur de l’appareil, puis de déplacer le bras de 10°, pour que la photo soit prise. Ce système est hélas mono - coup, c'est - à - dire que la fréquence du GBF doit être manuellement réajust ée entre deux prises de photo.
  Cependant, tandis que la construction du prototype avançait, nous nous sommes rendu compte que ce système n’était ni fiable, ni pratique. Il était, entre autre, impossible de prendre deux photos à la suite, et le montage final ne répondait pas à notre cahier des char ges originel. Finalement, nous avons dû nous pencher sur la conception d’un autre système, plus complexe mais plus fiable.
4 – Second prototype : prise de décision électronique
 Alors que nous recherchions des solutions à notre problème de prise de vue, nous avons trouv é presque par hasard sur un forum d’électronique, où quelqu’un faisait les louanges des cartes programmables Arduino ® .
Après enquête, nous nous rendîmes compte que ces dernières répondaient exactement à nos besoins : d’un prix abordable, simples d’utilisation, très répandues (et donc bien documentées !), il fut décidé de remplacer le servomoteur par un système purement électronique. Arnaud possédant des notions de pr ogrammation en C (langage dans lequel les cartes Arduino ® sont programmées), il fut chargé d’explorer cette voie.

   Les cartes Arduino ® – nous avons opté pour le modèle Uno , basique mais suffisant – sont des cartes électroniques programmables Open - Source, in ventées par des étudiants Italien. Pourvues d’entrées/sorties numériques et analogiques, elles sont entièrement programmables, s’alimentent par port USB (ou par transformateur 5V), et ont de plus le bon goût de fournir deux ports d’alimentation 3.3V et 5V. Cependant, aussi simples d’utilisation qu’elles puissent être objectivement, ce fut pour nous, novices complets dans ce domaine, tout un périple pour parvenir à un module fonctionnel. Assez étonnement, aucun pièce électronique n’a été grillée ni détruite dans le processus.
5 - Aperçu du montage électronique : le contrôle des feux
L’objectif, rappelons - le, ét ait triple :
   - Selon la couleur du feu, décider de prendre ou non les photos
   - Prendre deux photos consécutives, lors du passage d’une voiture
   - Ne nécessiter aucune intervention humaine entre deux passages
 Si le troisième est trivial, et se joue du côté de la programmation de la carte, et si le second dépend du montage de l’appareil photo que nous détaillerons par la suite, le premier point s’avéra être plus a rdu que nous ne l’avions prévu. Finalement, nous avons opté pour le système suivant : un interrupteur connecté d’un cô té sur une entrée digitale (la 4), et de l’autre soit sur du +5V, soit sur la masse (0V). L’ Arduino ® étant pourvue de résistances internes de 20kΩ, le montage fut possible sans aucun raj out de résistance extérieure.

 Les feux, quant à eux, sont connectés d’un c ô té à la masse, et de l’autre à deux transistors (un pour chaque couleur), eux - mêmes connectés à une alimentation +5V et chacun contrôlés par un port différent de l’ Arduino ® – à sa voir le port 7 pour le vert, et le 8 pour le rouge. Ainsi, émettre un signal depuis un de ces ports allume une des deux lumières.
    Le reste n’est plus qu’une simple condition dans la programmation de la carte : si il y a une tension +5V à l’entrée 4, alors on considère le feu vert (ou l’inverse), on émet sur le port 7 et on cesse d’émettre sur le port 8 : les feux changent de couleur. A l’inverse, si l’entrée 4 à une tension nulle, on émet sur le port 8, on éteint le 7, et on autorise les prises de photos.
6 – L’Appareil Photo Numérique
  La prise des photos en elle - même fut définitivement la partie la plus éprouvante. De nombreux tutoriels existent sur Internet, expliquant pas à pas comment « hacker » un appareil photo pour l’ utiliser avec un Arduino ® – cependant, il s’agit toujours en fin de compte de faire de la soudure de précision sur la plaque électronique même de l’appareil. Une petite erreur avec le fer à souder est généralement fatale, et nous l’avons appris à nos frais lorsque le premi er appareil photo, qui avait déjà mis plusieurs semaines pour venir par la Poste, rendit l’âme lors de l’opération à cœur ouvert. Pour notre défense, les soudures en questions ne faisaient généralement pas plus de quelques millimètres carrés, et nous ne po ssédons pas de matériel de soudure électronique de pointe... Un autre appareil fut commandé, et il fut même envisagé d’aller demander de l’aide au Lycée Technique voisin, qui possède à la fois le matériel et les compétences. Cela ne nous réjouissait guère : nous avions commencé notre projet avec comme objectif de réaliser un montage sans aucune aide extérieure, uniquement avec ce que nous pouvions faire de nos propres mains – et voilà que quatre malheureuses soudures nous empêchaient d’avancer !
   Heureusement , la chance – provoquée par une cherche complète et méticuleuse d’une cave bien remplie – nous sourit une fois encore, puisqu’il fut retrouvé dans un carton un vieil appareil photo numérique, en parfait état de marche, sacrifiable et surtout volumineux . C’ est avec un plaisir non dissimulé que nous découvrîmes que les soudures à l’intérieur étaient en proportion avec la coque extérieure, et, après une étude minutieuse du circuit à l’aide d’un ohmmètre, nous procédâmes aux raccords. Entre les soudures ratées , les gouttes de colle extra - forte tombées sur les interrupteurs, et autres faux - contacts, nous passâmes plusieurs fois à quelques microns de la catastrophe, mais nous parvînmes tant bien que mal à « hacker » cet appareil photo. Mieux encore, emportés par notre élan innovateurs (et désespérés par la consommation monstrueuse de pile s dudit APN , inversement proportionnelle à notre budget ), nous le pourvûmes d’une alimentation 3V extérieure.
   Le principe de la pr ise de photo électronique est étonnamment simple : le bouton de prise de vue sur le dessus de l’appareil (d’habitude déclenché par un doigt) est court - circuité par un transistor, dont la patte de contrôle est branchée sur une sortie de l’ Arduino ® . Et c’est tout. Il faut cependant penser à relier les masses de la carte programmable et de l’appareil photo, si l’on veut que le transistor marche.
 Les photos sont par la suite récupérées de manière très classique, par câble USB.
   Un autre élément un peu délicat sous - estimé à la conception fut la jonction module détecteur/module de prise de photo. Naïvement, nous pensions qu’il suffirait « de brancher les deux ensemble » pour que « ça marche ». Hélas, il est très rare que la solution soit si simple, et après de n ombreux tâtonnements, nous parvînmes au schéma suivant :

Quelques explications sur ce schéma : le transistor NPN à gauche est celui à l’extrême fin du module du détecteur. La masse n’est pas représentée sur le schéma, mais comme nous l’avons appris à nos dépend, si la masse de l’ Arduino ® n’est pas reliée au reste du circuit, le système ne fonctionnera pas.
L’alimentation 3.3V, quant à elle, est de facto procurée par la carte Arduino ® . En effet, il n’est pas nécessaire d’avoir une grande puissance, bien au contraire, et cela nous épargne le besoin d’un générateur supplémentaire.
Le fonctionnement théorique en lui - même de ce circuit, trouvé par tâtonnement et plus par instinct que par réflexion, nous laissa d’abord perplexe. Du point de vue de la programmation, Arnaud affirmait que la tension chutait lorsque le module de détection envoyait un signal, et qu’à l’inverse il notait une tension positive au repos – cependant, la DEL s’allumait lors de la détection, et restait éteint e le reste du temps. Cela nous paraissait totalement incohérent.
 L’explication nous vient lors de plus amples recherches sur l’électronique embarquée de l’ Arduino ® , au moment de réaliser les schémas de ce dossier. En réalité, les ports de la carte contienn ent des résistances variables montant jusqu’à 22kΩ, afin de pouvoir directement y brancher des DEL sans risquer un dramatique court - circuit.
 Ainsi, dans notre cas, lorsque le transistor est ouvert, la résistance totale du circuit est de plus de 22kΩ. En re vanche, quand il est fermé, le capteur est mis en court - circuit, car le courant emprunte le chemin de moindre résistance , et celle du transistor est quasi - nulle ! La résistance totale du circuit tombe à 200Ω, soit plus de 110 fois moins. Bien entendu, la t ension relevée par l’ Arduino ® étant celle présente à l’intérieur du capteur, une fois ce dernier en court - circuit, elle sera forcément nulle. Quant au mystère de la DEL, ce fut la loi d’Ohm qui nous apporta une réponse. En effet :

Formule dans laquelle U est la tension (V), I l’intensité (A) et R la résistance (A) du circuit.

Or, U est constante. Donc, si R est grand (transistor ouvert), alors I est petit donc trop faible pour que la DEL s’allume ! A l’inverse, si R est petit (transistor fermé), alors I est grand et la DEL peut s’allume r .
7 – De la nécessité d’acheter du matériel de qualité
Le module de prise de photo était enfin terminé, et nous pensions être au bout de nos peines . Hélas, nous nous heurtâmes à d’autres difficultés imprévues, directement liées à la nature même de notre montage.
L’appareil photo utilisé est ancien , d’un point de vue technologique (c’est - à - dire aux environs des années 2000), et déjà pour l’époque il était particulièrement bas de gamme. C’est d’ailleurs la raison pour laquelle nous nous sommes permit de le démonter et de le modifier : sa valeur marchande est très faible, et ses circuits internes sont très simples.
Malheureusement, cela signifie aussi que ses capacités sont loin d’ être grandioses, et si la résolution du capteur (0.3Mégapixels, de nous jours un téléphone d’entrée de gamme fait mieux) ne nous gênait pas outre mesure, sa photosensibilité ridiculement faible nous contraint à retourner aux schémas de conception pour les modifier une fois encore.
Nous envisageâmes d’utiliser de véritables flashs d’appareils photos. Basés sur des condensateurs et des ampoules remplies de gaz rares, celui inclus dans notre appareil met trop de temps à recharger pour pouvoir être utilisé en r afale. Quelques recherches furent faites pour créer un flash à double condensateur, mais les tensions d’utilisation des petits flashs (type appareil photo jetable) nous donnèrent des sueurs froides. Il est une chose de manipuler des courants à 5V, il en es t une autre de bricoler des condensateurs à plus de 330V ! Nous nous tournâmes alors vers d’autres solutions, en l’occurrence, deux DEL de puissance (2*3W) que nous avons montées sur l’appareil photo.
Hélas, ce ne fut pas suffisant. Si ces DEL procurent un e intensité lumineuse très importante, elle n’est pas directionnelle, et du coup n’éclaire que les environs de l’appareil photo. Il faut donc utiliser une autre lampe en complément, si l’on tient à avoir des plaques minéralogiques lisibles. Bien entendu, d ans la v ie réelle, un véritable flash étant utilisé, ce problème ne se pose pas.
Une autre difficulté, une fois encore due à la vétusté de l’appareil photo, est la récupération des photos. N ous imaginions qu’il suffirait de brancher l’APN sur un port USB (puisqu’il n’y a pas, bien évidemment, de carte SD sur ces modèles bas de gamme...) pour les récupérer. Quelle erreur ! Ce fut une fois encore un parcours de combattant pour le moins inattendu. Les drivers de l’APN ne sont pas compatibles avec Windows 7, ni avec Vista ; sous Windows XP, il faut suivre une procédure bien précise (passant par la récupération des drivers en ligne sur le site du fabricant !), avec les droits d’administrateur (que nous n’avons bien entendu pas sur la plupart des ordinateurs du lyc ée !), pour que finalement l’appareil soit reconnu. Et là, surprise, il n’est possible de récupérer les photos qu’au travers d’un logiciel particulier, installé en même temps que les drivers...
Une fois encore, l’expérience nous fit découvrir que les difficu ltés jaillissent des étapes du processus que nous n’avions pas initialement envisagés comme les plus critiques

8 – Prototype actuel
Finalement, nous parvinrent au montage suivant.
Sur les photographie s 1, 2 et 3 , le module n’est pas connecté au reste du matériel, qui se trouvait alors sous clé dans le laboratoire du Lycée . Le transistor en fin de module de détection est simulé par un contact entre deux fils, et les générateurs de tension continue ont été remplacés à titre temporaires par des piles 3V. De plus, le feu en lui - même est représenté par deux DEL (rouge et verte), directement placées sur la plaque.
La connexion avec l’appareil photo et son « flash » à DEL se fait au travers d’un fil téléphonique, qui offre à la fois l’avantage de fils rigide s pour les branchements sur la plaque, une gaine solide pour éviter les incidents, et un très bon rapport qualité/prix.

A deux mètres de là se trouve l’appareil photo et son « flash » , posés sur un trépied temporaire :

Module de prise de photo :

Module du détecteur :