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Boutons, contacts et déparasitage matériel

Introduction
Dans le précédent article "Entrée Bouton - Résistance pull-up, pull-down et déparasitage", j'abordais la problématique du parasitage des contacts ainsi que la méthode de déparasitage logiciel qui pouvait être utilisée pour corriger ce problème.
Source: le tutorial de www.ladyada.net
Quand le déparasitage logiciel est interdit
Cependant, il existe des cas où l'utilisation du déparasitage logiciel est interdit.
C'est le cas, en autre, du traitement des interruptions sur Arduino.
En effet, la fonction delay() utilisée durant pour déparasité logiciel est basée sur les timers (horloge interne d'Arduino), ces mêmes timers qui sont également utilisé pour le traitement des interruptions. Raison technique de son interdiction dans le traitement des interruptions.
Il faut donc utiliser un déparasitage matériel.... méthode assez simple.

Le traitement des  interruptions
Le traitement des interruptions fera l'objet d'un autre article à venir (voir Les interruptions sur Arduino).
Le présent article se concentrera uniquement sur le déparasitage matériel.

Principe de base
Le principe de base du déparasitage matériel est basé sur l'utilisation d'un circuit RC (résistance + condensateur).
En effet, lorsque l'on branche un condensateur, il emmagasine progressivement de l'énergie et lorsque l'on débranche un condensateur il restitue cette énergie (progressivement aussi).
En gros, le condensateur fait office de réservoir, c'est cette capacité d'emmagasiner (ou restituer) progressivement l'énergie qui sera mis à contribution pour le déparasitage.
La métaphore du réservoir pour aider la compréhension
Imaginons un réservoir d'eau qui fera office de le condensateur.
Un robinet de remplissage (A) sera utilisé pour symboliser notre interruption (car nous pouvons l'ouvrir et le fermer à notre guise).

Lorsqu'il y a de l'eau dans le réservoir, la sortie B à un débit constant.
Peu importe que  que le robinet A soit ouvert normalement ou si l'on joue avec lui pour faire varier son débit... le réservoir se vide à "vitesse constante" par l'évacuation B. Cela est possible parce que le réservoir à accumulé de l'eau.
Les perturbations sur le robinet A n'ont pas d'impact direct sur l'évacuation B, celle-ci réagit avec un certain temps de retard (car bien entendu, tôt ou tard le réservoir sera vide où presque vide et les perturbation arriverons jusque là).

C'est un principe similaire qui s'applique avec le condensateur et le bouton poussoir.

Comme il est plus facile d'imaginer la situation en cours de fonctionnement, imaginons donc que le bouton poussoir est enfoncé, le condensateur chargé et que l'on s'apprête à relâcher le bouton poussoir.
En gros, c'est comme refermer le robinet A et les parasites seraient simulés par une série d'ouverture/fermeture rapide du robinet avant sa fermeture définitive.
Le condensateur pendant toute la période des parasites, le condensateur relâchera "avec constance" l'energie accumulé... peu importe les perturbations à l'entrée. Et lorsque le condensateur sera vide (tout comme le réservoir), il sera simplement vide.
C'est comme le réservoir lorsqu'il est vide, l'écoulement s'interrompt.

Ce qui est vrai pour la décharge l'est aussi pour la charge... que cela soit pour le réservoir ou le condensateur. Les petites perturbations ne viennent pas perturber l'écoulement en sortie.
C'est magique, c'est ce qui va permettre le déparasitage matériel.

Montage standard et montage déparasité
En montage standard, le bouton poussoir se monte souvent avec une résistance pull-down (pour que l'entrée Arduino soit tirée à la masse lorsque le bouton n'est pas pressé).

Montage standard - Pull-down
Voir article Entrée Bouton - Résistance pull-up, pull-down et déparasitage pour plus détails.
Pour déparasité matériellement une entrée, il faut utiliser un montage pull-up, un circuit RC et un trigger de schmitt inverseur.
Le principe de ce montage est détaillé tout au long de cet article.
Entré déparasité matériellement


Circuit RC
La base du montage déparasité matériellement est un circuit RC.
Un circuit RC est une résistance couplée à un condensateur.
Circuit RC

Pourquoi une résistance?
C'est cette résistance est essentielle dans le circuit. En effet, en absence de résistance, un condensateur mis sous tension essaye d'accumuler sa charge aussi vite que possible (donc instantanément s'il en la possibilité).
En conséquence, le courant d'appel sera très important... important au point de pouvoir considérer le condensateur comme un "réel court-circuit" pendant son temps de charge.
Bien évidemment, vous imaginez fort bien qu'un tel comportement énergivore est totalement incompatible avec les limitations des alimentations.
On place donc une résistance en série avec le condensateur. Cela limite donc le courant d'appel et le condensateur se charge progressivement.

Conséquences de la résistance?
Puisque la résistance limite le courant de charge, le condensateur se chargera progressivement.
En conséquence, la tension aux bornes du condensateur évoluera de 0 volts à la tension finale (évolution logarithmique, voir graphique)... un peu comme le réservoir d'eau se remplir progressivement. La hauteur du liquide représente la tension aux bornes du condensateur.
Le temps que mettra le condensateur à charger dépend de la capacité du condensateur et de la résistance associée.
Charge du condensateur (courbe bleue)
Source: AccroDavion

La constante de temps
Comme précisé juste avant "Le temps que mettra le condensateur à charger dépend de la capacité du condensateur et de la résistance associée".
Pour un condensateur identique, plus résistance est élevée (pensez "serrer le robinet") et plus le courant sera faible (pensez "débit d'eau faible").
Le condensateur mettra donc plus de temps à charger (pensez à l'eau qui monte dans le réservoir).
Si la résistance est plus grande, la tension mettra donc plus de temps pour atteindre son maximum aux bornes du condensateur.

Il est possible d'évaluer ce temps. Pour cela, on utilise la constante de temps identifié à l'aide le la lettre grecque Tau.

Tau = Résistance (en Ohm) * Capacité (en farad).

Dans le montage type qui nous concerne, nous avons donc:

Tau = 10 k * 10 µF = 10000 * 0.000010 = 0.1 sec

Temps de charge et constante de temps
On considère généralement que le condensateur:
  • a 37% de sa charge au bout de 1 * la constante de temps.
  • est presque complètement chargé au bout de 2 * la constante de temps.
  • est totalement chargé au bout de 5 * la constante de temps.
Le "manuel internet des radioamateurs" propose le graphique récapitulatif suivant qui illustre parfaitement la relation entre Tau et Charge.
Source: Manuel internet des radioamateurs

Montage RC Pull-down
Le schéma utilisé pour le déparasitage est un montage de type pull-down.
RC Pull-down

Donc en principe, la tension de sortie est +5v et lorsque l'on presse le bouton poussoir, le circuit RC se décharge en suivant la courbe de décharge.
Charge et Décharge du RC Pull-Down

Si l'utilisateur presse le bouton poussoir (point A), le circuit commence à se décharger. Lorsqu'il relâche le bouton poussoir (point B), le circuit commence à se recharger.
Grâce à la nature même du circuit RC, tous les parasites que le bouton pourrait générer sont absorbés par le circuit.

Considération sur la constante de temps
Avoir la sortie du circuit qui se charge et décharge amène une autre question.
Est-il judicieux d'utiliser un Circuit RC pour activer une entrée sur Arduino?
En effet, s'il met trop de temps à se décharger, l'utilisateur pourrait presser plusieurs fois sur le bouton sans que l'entrée Arduino n'ai détecté l'action!
C'est là qu'intervient la constante de temps.
Selon les calculs fait plus haut, une résistance de 10KOhms et un capacité de 10µF correspondent à une constante de temps de 0.1 sec.
Donc, au bout de 0.1 sec, la circuit est déchargé à 37% et au bout de 0.2 sec (2 * Tau) il peut être considéré comme entièrement déchargé.
0.1 sec (ou 0.2 sec en cas extrême) c'est:
  1. Largement suffisant pour absorber toutes les perturbations de faux contact.
  2. C'est suffisamment court en regard du temps nécessaire pour qu'un humain presser et relâche le bouton poussoir.
La combinaison RC 10 KOhms + 10µF est donc idéale dans le cas qui nous concerne.

Le trigger de Schmitt
Le dernier élément de ce montage est un trigger de Schmitt inverseur (74HC14).
Symbole d'un Trigger de Schmitt (non inverseur)

 Ce Trigger s'insère entre la sortie du circuit RC et l'entrée d'Arduino
Entrée déparasité matériellement


L'inverseur du trigger
"Inverseur" signifie simplement qu'il inverse l'état logique de sa sortie.
C'est bien pratique dans notre cas puisque lorsque le bouton pressoir est pressé, la tension de sortie diminue.
En conclusion, quand la tension de sortie du circuit RC sera BAS, la sortie de trigger sera HAUT.
Et lorsque le bouton sera relâché, la tension de sortie du circuit RC sera HAUT et la sortie du trigger sera BAS.
C'est particulièrement pratique pour nous, il suffira de brancher la sortie du Trigger sur une entrée Arduino et de simplement tester les valeurs HIGH (bouton pressé) et LOW (bouton relâché).

Les seuils du trigger
Un des autres avantages du trigger de Schmitt est qui utilise des tensions de seuils sur son entrée.
Pour résumé, il faudra que la tension d'entrée soit descendue en dessous d'un certain seuil pour que la sortie change d'état. Et a l'inverse, durant la recharge du circuit RC, il faudra que la tension ait dépassé un certains seuil pour que la sortie change encore une fois d'état.
Le trigger de Schmitt va donc transformer l'onde du circuit RC en onde Carrée.
Résultat en sortie du trigger inverseur
(par rapport au signal RC)

Note sur le trigger de Schmitt
Un des avantages indéniable du trigger de Schmitt est qu'il utilise des tensions de seuil différentes pour passer d'un état à l'autre.... évitant ainsi au circuit de basculer entre deux états lorsque la tensions d'entrée avoisine une tension de seuils qui aurait été commune.
Ainsi, pour un trigger NON INVERSEUR:
  • v1 serait la tension de seuil pour passer à l'état haut
  • v2 serait la tension de seuil pour passer à l'état bas.
  • v1 > v2.
Donc quand la tension d'entré augmente, elle doit au moins atteindre la tension v1 (supérieure à v2) pour que le trigger passe à l'état haut.
Et inversement, lorsque la tension d'entrée redescend, elle doit retomber en dessous de v2 (inférieure à v1) avant que le trigger le passe à l'état bas.
Le trigger ne change jamais d'état entre v1 et v2, c'est une zone de sécurité où il ne se passe rien. On parle aussi de cycle d'hystérésis pour identifier cette particularité.

Conclusion
Voila, ce fut un très long article par ailleurs laborieux à écrire durant ces périodes de fêtes (je remercie mon épouse pour le temps qu'elle a concédé à l'écriture de cet article)
J'espère qu'il est suffisamment clair et précis car il servira bientôt dans l'article concernant la programmation des interruptions sur Arduino :-) .

En attendant, je vous souhaite à tous et toutes un excellent début d'année.