Une torche à LED à tout faire à microcontrôleur ST7LIGHT09
Aujourd’hui, avec la diffusion des LED à haute luminosité, il est possible de réaliser des sources lumineuses à faible consommation. La torche à microcontrôleur que nous vous présentons ici utilise deux groupes de six LED de 500 milliwatts chacune, pilotées en mode PWM, de façon à obtenir une autonomie de fonctionnement élevée. Cette torche peut être utilisée en mode clignotant, ou stroboscopique ou SOS ou encore en mode continu, comme une lampe de poche normale. Offrez-la à un ami jogger ou marcheur ou passionné de “mountain bike” ou de VTT: non seulement vous lui ferez plaisir mais en plus vous lui éviterez des périls mortels.
Si par curiosité vous regardez bien attentivement les vélos circulant le soir sur les routes, vous verrez que sur beaucoup d’entre eux le feu arrière ne fonctionne
pas ... quand il y en a un! Les cyclistes qui• chevauchent” ces bicyclettes ne se rendent pas compte qu’ils ne sont pas vus des automobilistes et qu’ils risquent ainsi leur vie, même à la tombée de la nuit, “entre chien et loup”, lorsqu’il ne fait pas encore tout à fait noir. D’ailleurs, au volant de votre voiture à une telle heure, il vous est certainement arrivé de “manquer” de peu un de ces cyclistes imprudents vu au dernier moment.
Eh bien c’est cette considération désabusée — mais réaliste — qui a poussé l’un de nos lecteurs, ayant suivi notre cours sur le ST7 Lite 09, à réaliser une application fort intéressante et que nous vous proposons dans cet article.
Quant à nous, nous avons réalisé la partie matérielle du montage et inséré dans le logiciel reçu les commentaires des instructions: ainsi, même les moins férus d’entre vous pourront en comprendre facilement le fonctionnement et le modifier, s’ils veulent l’adapter à leurs attentes particulières.
Mais l’appareil ne se limite pas au cyclisme, un coureur à pied (“jogger”) court (c’est le cas de le dire!) les mêmes risques s’il s’entraîne à la tombée de la nuit sur les routes également fréquentées par les voitures. La torche multifonction que nous vous proposons de construire, légère et consommant peu, s’accroche facilement aux vêtements (au bras, à la jambe, à la ceinture ...) du sportif ou simplement du piéton qui, pour rentrer chez lui à la descente du bus ou du train, doit marcher un moment sur une route peu ou pas éclairée. Et n’oublions pas l’automobiliste (le caravanier, le camionneur ...) lui-même.
Il peut en effet s’avérer très utile de disposer la nuit d’une lampe à lumière rouge clignotante, bien visible à grande distance, en cas d’immobilisation intempestive du véhicule sur le bord de la route.
Pour la marche en montagne en famille, songez à tout l’intérêt qu’il peut y avoir à doter le gamin d’un tel appareil afin de toujours voir où il se trouve sur le sentier emprunté. Bien sûr pas en plein soleil, mais bien au retour de la promenade le soir ou au passage d’un bois dense.
A vrai dire les circonstances dans lesquelles on a besoin d’être vu pour
Figure 2: En mode PWM il est possible de piloter les LED avec des impulsions de courant très élevées; un tel courant ne saurait être maintenu en continu. Cela permet de réduire la valeur de la résistance montée en série avec la LED et cela permet de transférer une plus grande quantité d’énergie fournie par la pile en énergie lumineuse. En faisant varier le rapport cyclique de l’impulsion, c’est-à-dire le rapport T/on-T/off, on peut régler la luminosité de la torche.
La lumière électronique qui aide à économiser l’énergie
Vous avez certainement remarqué que dans de nombreux dispositifs d’éclairage, comme les feux arrières des voitures modernes, ou bien les spots de cuisine ou de salle de bain, les groupes de LED à haute luminosité supplantent désormais les anciennes lampes à incandescence, avec l’énorme avantage de la fiabilité et de l’économie d’énergie.
Mais ce n’est que la partie émergée de l’iceberg: le phénomène se développe de plus en plus au point de révolutionner de fond en comble la technologie de l’éclairage; il n’est peut-être pas exagéré de le comparer au passage — au XIXe siècle — du bec de gaz à l’ampoule à filament.
A la base de cette innovation technologique il y a l’obsolescence de la vieille lampe à incandescence utilisée dans les maisons: elle est obsolète car son rendement lumineux est assez faible (près de 90% de l’énergie électrique consommée est dispersée par effet Joule, c’est-à-dire en chaleur, rayonnement invisible). Plus encore, au fil du temps le filament s’évapore dans l’ampoule, ce qui réduit davantage l’efficacité lumineuse et limite la durée de vie de la lampe (un millier d’heures). La quantité de lumière émise par une source lumineuse s’exprime en lumen, la puissance électrique consommée en watt. Si on fait le rapport entre l’intensité de la lumière émise par l’ampoule et la puissance électrique consommée, on obtient son efficacité, justement exprimée en lumen/watt. L’efficacité d’une lampe à incandescence ne dépasse généralement pas 20 lumens/watt, contre 25 lumens/watt pour une ampoule halogène et 90 lumens/watt pour une ampoule ou tube fluorescent. En ce qui concerne la durée de vie de ces lampes, une à incandescence tourne autour de 1 000 heures, une halogène autour de 3 000 heures et une fluorescente 10 000.
Aujourd’hui la technologie des semiconducteurs permet de fabriquer des LED à haute luminosité capables de fournir une intensité lumineuse de 40/60 lumens/watt, avec une durée de fonctionnement pouvant atteindre 100 000 heures en conditions optimales de fonctionnement. Le secret de cette forte efficacité lumineuse et de cette extraordinaire longévité tient au fait que la LED produit une lumière froide; en effet la dispersion thermique est pratiquement nulle. La plus grande partie de l’énergie électrique consommée est donc transformée en radiation lumineuse et cette caractéristique est déterminante en terme d’économie d’énergie car elle permet de réduire drastiquement la consommation d’électricité destinée à l’éclairage. On a calculé que si en Europe même seulement 30% des sources lumineuses traditionnelles étaient constituées de semiconducteurs, on pourrait épargner une quantité d’énergie électrique égale à 35 TeraWatt/h chaque année (1 Tera = mille milliards), soit l’équivalent de l’énergie fournie par sept centrales électriques de grande puissance. On éviterait ainsi d’envoyer dans l’atmosphère environ 25 millions de tonnes de 002 par an: quel bienfait pour l’environnement, on l’imagine aisément!
Bref, avec la progression des techniques de construction, ces dispositifs égaleront un jour en efficacité les ampoules fluorescentes, par rapport auxquelles ils ont pour avantages un allumage instantané, une grande robustesse et une remarquable fiabilité de fonctionnement, même sous des températures de l’ordre de -40°C. Sans compter les autres avantages, parmi lesquels nous ne donnons ci-dessous que les plus intéressants:
Sécurité: en effet, elles sont alimentées en basse tension (12 ou 24 V).
Absence de pollution: à la différence des ampoules à incandescence, en effet, les LED ne contiennent ni gaz ni mercure et elles n’occasionnent pas d’interférences RF.
Résistance: outre leur longue durée de vie, elles sont insensibles à l’humidité comme aux vibrations et ne nécessitent aucune manutention.
Rendement lumineux: allumage instantané, émission de lumière propre, c’est-à-dire exempte d’IR (Infrarouges) et d’UV (Ultraviolets), couleurs saturées et brillantes.
Ces caractéristiques, ajoutées à une consommation très réduite, font de ce composant un élément important pour une utilisation intelligente de l’énergie et un acteur de premier plan pour l’éclairage du futur.
ne pas être heurté ou fauché sont fort nombreuses et la planche donnée par la page suivante en fournit quelques exemples ... mais nous sommes certains que vous en trouverez d’autres.
Notre réalisation
Féru de programmation du 5T7 Lite, notre lecteur a donc conçu la torche multi utilisation, gérée par microcontrôleur et dotée de nombreuses fonctions, que cet article vous présente.
Et tout d’abord, à la place de l’ampoule halogène habituellement utilisée dans les torches électriques à piles, nous trouvons ici un groupe optique formé de deux rangs de six LED blanches à haute luminosité et d’une puissance de 500 milliwatts chacune, pilotées en mode intermittent par le signal PWM (Pulse Width Modulation) produit par le microcontrôleur, comme le montre la figure 2.
Cette solution est particulièrement intéressante, car elle permet d’obtenir une efficacité lumineuse très élevée tout en économisant drastiquement l’énergie électrique consommée (les piles), ce qui autorise une bonne autonomie de la torche.
Aux deux lignes de LED blanches peuvent être appliqués de minuscules capuchons réfringents de différentes couleurs (des catadioptres) en fonction de l’application envisagée pour la torche.
Ces deux lignes de LED ne peuvent pas être pilotées ensemble, elles sont activées séparément par un inverseur à glissière grâce auquel il est possible de choisir laquelle des deux allumer.
Le microcontrôleur est d’autre part mis à profit pour réaliser des fonctions intéressantes d’activation des LED, voici ces fonctions:
fonction Continue avec laquelle la ligne de LED sélectionnée est activée en mode PWM pour un effet de lumière ambiante. Cette fonction est efficace pour illuminer avec une lumière diffuse un environnement de petites dimensions, comme une tente de campingou un camping-car, avec une consommation très réduite au niveau des piles;
fonction Pulsée qui permet d’utiliser la torche en fonctionnement manuel:
on allume et éteint une ligne de LED avec un poussoir et on crée ainsi une lumière “hachée”, cette série de signaux lumineux pouvant être codée à volonté pour transmettre différents types de messages (vous le ferez en Morse probablement mais vous pouvez utiliser d’autres codes);
fonction Alternée, dans laquelle les six LED de la ligne sélectionnée sont allumées alternativement trois à la fois, ce qui crée un effet lumineux bien visible à distance: fort utile quand on doit signaler un obstacle alors que la visibilité est faible (brume ou brouillard, nuit, etc.). La fréquence de l’alternance peut être réglée entre 2,5 cycles par seconde et 7 cycles par seconde environ;
Note: dans la liste des composants ci-dessous les composants assortis d’un astérisque vont sur le circuit imprimé EN1676B.
fonction Clignotante qui allume par intermittence une série de six LED, par exemple de couleur ocre jaune, à utiliser en cas d’arrêt d’urgence. Peut être réglée entre 0,5 cycle par seconde et 2 cycles par seconde environ;
fonction Strobo qui produit le clignotement très rapide d’une série de six LED, de façon à réaliser le fameux effet stroboscopique, réglable entre 9 impulsions par seconde et 30 impulsions par seconde environ;
fonction SOS qui prévoit démet-
tre automatiquement sous forme de clignotant Morse le classique message 5.0.5., formé de la succession de trois impulsions brèves (trois “points” ti ti ti) suivies de trois longues (trois “traits” ta ta ta) suivies à nouveau de trois brèves. Ce qui fait ... — — — ... Le message est répété en continu automatiquement et sa fréquence est elle aussi réglable entre un minimum et un maximum.
La torche est dotée par défaut de six catadioptres transparents et de six catadioptres rouges.
Mais on peut commander des catadioptres verts, bleus et ocre jaune. est ainsi possible de composer les couleurs de la torche à volonté.
Le schéma électrique
Comme le montre le schéma électrique de la torche, figure 3, le circuit est très simple. Avant de poursuivre nos explications, récapitulons brièvement son fonctionnement. La torche est constituée de deux groupes de LED, chaque groupe comportant six LED blanches de 500 mW chacune, voir DL1-DL6 et DL7-DL12.
Si vous souhaitez utiliser la torche pour l’éclairage ambiant, vous devez insérer dans un groupe de six LED blanches les catadioptres transparents; pour l’éclairage arrière des véhicules qui en sont dépourvus (par exemple les “mountain bikes”) vous pouvez utiliser les six catadioptres rouges. Si en revanche on insère sur les LED les catadioptres ocre jaune, à commander à part, rappelons-le, on a constitué une torche clignotante de signalisation d’urgence.
Chacun des deux groupes de LED est activable séparément au moyen de l’inverseur à glissière S2. Une fois la couleur de la torche choisie, en pressant le poussoir Mode vous pouvez sélectionner la fonction désirée parmi les six suivantes:
Continue
Pulsée
Alternée
Clignotante
Stroboscopique
SOS
Note: à la mise sous tension, la torche se met par défaut automatiquement sur la fonction Continue et sur une valeur de luminosité légèrement inférieure à la valeur maximale.
A partir de la fonction Continue, en pressant et relâchant plusieurs fois les touches + et —, vous pouvez modifier l’intensité de la lumière émise par la torche en faisant varier le rapport cyclique du signal PWM (Pulse Width Modulation) appliqué aux LED (voir figure 2).
Note: pour faire varier la luminosité il ne suffit pas de simplement presser et maintenir pressée l’une des touches + et — mais vous devez presser et relâcher la touche à chaque fois.
Ainsi, si vous n’avez pas besoin d’utiliser un signal lumineux très intense, en réduisant le rapport cyclique de la tension appliquée aux LED, vous pourrez diminuer la luminosité et économiser considérablement l’énergie des piles.
Note: la valeur de luminosité choisie en mode Continu sera ensuite celle des autres fonctions de la torche. C’est pourquoi, si vous voulez changer la luminosité de la torche dans les autres fonctions, vous devez effectuer un premier réglage en mode Continu.
Dans les autres fonctions Pulsée, Alternée, Clignotante, Strobo et SOS, en revanche, la luminosité ne peut être changée et les touches + et — servent alors à modifier la fréquence de clignotement. N’oubliez pas que, si vous activez la fonction Pulsée, la torche ne s’allume pas avant que vous pressiez la touche MORSE. Quand vous actionnez cette touche, en effet, vous pouvez créer manuellement une série d’éclats, pouvant être utilisée pour envoyer des messages codés.
Nous pouvons maintenant en venir à la description du schéma électrique proprement dit: le coeur en est le microcontrôleur ICi 5T7 Lite déjà programmé en usine. Aux broches 4-5-6-7 du micro sont reliés respectivement les quatre poussoirs MODE
(P2), MORSE (P4), - (Pi), + (P3), permettant d’exécuter les différentes fonctions de la torche.
Si on presse une des quatre touches, la tension de 6 V provenant des quatre piles AAA de i,5 V est appliquée, à travers les résistances Ri, R2, R3, R4 de iO k, aux entrées du microcontrôleur, ce qui active la fonction correspondante. Les six fonctions de la torche sont programmées en séquence: chaque fois qu’on appuie sur la touche Mode, on passe d’une fonction à la suivante. Quand toutes les fonctions ont défilé, si on presse à nouveau la touche Mode, on revient au début.
Les broches de sortie 9-iO-i2-i3- i4-i5-i6 du microcontrôleur (ICi) sont reliées, à travers les sept résistances R5-Rii de 4,7 k, aux broches i-2-3-4-5-6-7 du circuit intégré 1C2 ULN200iA, un pilote permettant de piloter (eh oui !), au moyen de la paire de Darlington collecteur ouvert qu’il contient, la mise sous tension d’un des groupes de six LED (voir DLi-DL6 ou bien DL7-DLi2) reliées à ses broches de sortie ii-i2-i3-i4-i5-i6. La mise sous tension du groupe de LED sélectionné se fait de la manière suivante:
sur la broche i4 du microcontrôleur (ICi) se trouve le signal PWM d’une fréquence d’environ i kHz; ce signal est acheminé à la broche 7 de 1C2. La broche de sortie iO de 1C2 est reliée, à travers la résistance Ri3, à la base du transistor PNP TRi.
côté soudures où sont montés tous les composants. Les CONN A mâle à six pôles et CONN B mâle à sept pôles servent à
Publié dans Electronique-Magazine N°_99_Novembre_2007
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