Arduino Nano ESP32 - Optocoupleur PC817 : Surveiller un Signal d'Entrée 12V/24V DC

Matériel Requis

Ou vous pouvez acheter les kits suivants:

Vous n'achetez qu'un seul module - celui dont la tension d'entrée correspond au signal que vous allez surveiller. La section suivante détermine lequel.

À Propos de l'Optocoupleur PC817

Le PC817, également vendu sous le nom de photocoupleur ou d'opto-isolateur, est un composant DIP à 4 broches qui contient deux éléments dans un même boîtier en plastique : une LED infrarouge et un phototransistor, face à face de part et d'autre d'un espace isolant. Faites passer un courant dans la LED et sa lumière rend le phototransistor passant. Le signal passe sous forme de lumière, jamais sous forme de courant, et c'est exactement pour cela que le côté 12V ou 24V et le côté Arduino Nano ESP32 restent électriquement séparés.

Un module optocoupleur PC817 est cette puce déjà montée sur une petite carte, avec sa résistance série installée en usine, des borniers à vis du côté isolé, une LED d'état et des broches de connexion du côté de la carte. C'est à cause de cette résistance déjà montée que les modules sont vendus en plusieurs variantes, et c'est aussi pour cela qu'il ne vous reste rien à calculer.

Comment Ça Fonctionne

Les deux moitiés du module ne se touchent jamais. IN+ et IN- appartiennent au circuit externe 12V ou 24V. VCC, GND et OUT appartiennent à l'Arduino Nano ESP32.

Avec le pull-up interne de l'Arduino Nano ESP32 activé sur la broche reliée à OUT, les lectures sont les suivantes :

• Le signal externe 12V ou 24V est PRÉSENT : la LED interne s'allume, le phototransistor conduit, il tire la broche vers GND, et la broche lit LOW.
• Le signal externe 12V ou 24V est ABSENT : la LED est éteinte, le phototransistor est bloqué, le pull-up maintient la broche à l'état haut, et la broche lit HIGH.

La lecture est donc inversée : LOW signifie que la ligne est sous tension. C'est de la physique établie pour l'optocoupleur lui-même, et c'est ainsi que se comportent la plupart des modules. Certains fabricants, cependant, ajoutent un étage inverseur du côté sortie du module afin que OUT suive l'entrée au lieu de s'y opposer, et rien sur l'emballage ne vous indique lequel vous avez entre les mains. Un test d'une minute est présenté plus bas, et le sketch s'adapte avec une seule constante.

Garder les Masses Séparées

L'isolation n'existe que tant que les deux masses restent séparées. Ne reliez PAS le négatif de l'alimentation 12V ou 24V - le fil qui arrive sur IN- - au GND de l'Arduino Nano ESP32. Si vous les reliez, le module commute toujours et le sketch affiche toujours la bonne chose, donc rien ne semble anormal - mais l'écart qui protégeait la carte a disparu, et un défaut côté 24V dispose désormais d'un chemin direct vers le Nano ESP32.

Le Côté Sortie Fonctionne en 3,3V

L'Arduino Nano ESP32 est une carte 3,3V, et ses broches ne tolèrent pas le 5V comme celles d'un Arduino ATmega classique. Cela compte moins qu'il n'y paraît ici, à condition de bien séparer deux décisions indépendantes :

• La variante que vous achetez est déterminée par le signal que vous surveillez. Une ligne d'état de contrôleur solaire 24V nécessite le module 24V - et cela reste vrai que la carte qui la lit fonctionne en 3,3V, en 5V ou à toute autre tension. Le côté entrée ne sait jamais quelle carte se trouve de l'autre côté de l'isolation.
• Le côté sortie du module est toujours alimenté par cette carte. Son VCC provient de la broche 3,3V du Nano ESP32 et son GND du GND de la carte, quelle que soit la variante d'entrée achetée.

La seconde règle est importante car le phototransistor est un simple interrupteur vers GND : quelle que soit la tension présente côté entrée - 12V, 24V - la tension la plus élevée que OUT puisse présenter est celle qui alimente son côté sortie. Prenez-la sur le 3,3V et la broche est sûre par construction. Alimentez plutôt le VCC du module depuis un rail 5V et OUT présentera 5V, ce qui sollicitera le Nano ESP32, même si le côté entrée fonctionne parfaitement - acheter la bonne variante ne vous protège en rien de cela, car ce sont des choix distincts. L'activation du pull-up interne sur D2 fonctionne pour la même raison : il est référencé au propre rail 3,3V de la carte.

Quel Module Optocoupleur PC817 Me Faut-il ?

Le module est livré avec sa résistance série déjà montée, et une résistance donnée n'est correcte que pour une seule tension d'entrée. C'est pourquoi ces cartes sont vendues en trois variantes distinctes. Rien n'est à calculer ici - vous achetez celle qui correspond au signal que vous comptez surveiller.

Les deux façons de se tromper méritent d'être connues avant de commander :

• Un module 12V sur une ligne 24V. Sa résistance a été dimensionnée pour 12V, donc environ le double du courant prévu traverse la LED interne. Le module chauffe, s'affaiblit et finit par tomber en panne. C'est l'erreur qui vous coûte le composant.
• Un module 24V sur une ligne 12V. Cette fois, la LED est sous-alimentée. La sortie peut commuter en retard, commuter seulement de temps en temps, ou ne jamais commuter du tout - et vous passerez la soirée à accuser le sketch.

Choisir la variante est l'équivalent, pour le module, du dimensionnement d'une résistance : une seule décision d'achat, prise avant tout câblage, et la seule qui compte vraiment ici.

Ne négligez pas non plus la variante 3-5V, sous prétexte que 3,3V et 5V sont des tensions que le Nano ESP32 pourrait recevoir directement. Un signal de niveau logique mérite son isolation dès que les deux circuits fonctionnent sur des alimentations séparées, se trouvent aux deux extrémités d'un long câble, ou que l'un d'eux est électriquement bruité - un pilote de moteur, ou la carte de commande basse tension enfouie dans un appareil alimenté sur le secteur. L'isolation consiste à rompre le chemin de masse entre deux circuits, pas seulement à résister à une haute tension.

Schéma de Câblage

Câblage du Module Optocoupleur PC817

Cette image a été créée avec Fritzing. Cliquez pour agrandir l'image.

Vissez le signal externe 12V ou 24V dans la borne IN+ et la masse de ce même circuit externe dans la borne IN-. Du côté de la carte, reliez le VCC du module au 3,3V, GND à GND, et OUT à la broche D2 de l'Arduino Nano ESP32. Il n'y a aucune résistance à ajouter et rien à recalculer - la variante que vous avez choisie contient déjà la bonne. Les modules à 2, 4 ou 8 canaux fonctionnent de la même manière : une paire de bornes d'entrée et une broche OUT par canal, chaque canal étant isolé séparément.

Câbler le Module en Parallèle avec l'Appareil, Jamais en Série

Le schéma ci-dessus suppose que le signal 12V ou 24V est déjà disponible sur une paire de fils libres, prêt à être lu. Dans une installation réelle, c'est rarement le cas - le signal est le fil qui pilote déjà quelque chose, et ce fil est occupé. Prenons un contrôleur de portail ou de porte de garage 12V : le contrôleur ferme sa sortie, 12V apparaît sur la paire qui va au moteur, le portail se met en marche. Le but est de permettre à l'Arduino Nano ESP32 de voir ce moment sans rien y changer. La ligne est en 12V, c'est donc le module 12V.

L'entrée du module se branche AUX BORNES de l'appareil, en parallèle avec lui. Rien n'est coupé, rien n'est dévié, le câblage existant reste exactement là où il est - vous ajoutez seulement deux fils supplémentaires sur des bornes déjà présentes :

• La borne positive, commutée, de l'appareil → IN+ sur le module.
• La borne négative, de retour, de l'appareil → IN- sur le module.

Aucune résistance série n'a sa place dans ce branchement. La propre résistance du module se trouve déjà sur le chemin, c'est exactement pour cela que la variante doit correspondre à la tension de fonctionnement de l'appareil.

Ce que vous ne devez pas faire, c'est placer le module en série avec l'appareil. En série, la totalité du courant de charge du moteur de portail devrait passer par la LED interne, et un composant prévu pour 20mA serait détruit à l'instant où le contrôleur se déclencherait. Le montage en parallèle est la seule disposition correcte.

Aux bornes, le branchement consomme environ 10mA. Ce n'est rien comparé à ce que consomme une bobine de relais, une électrovanne, une lampe ou un moteur, le contrôleur de portail continue donc de fonctionner exactement comme avant - la mesure est en lecture seule et non invasive.

Deux détails déterminent si le branchement survit à son premier cycle de commutation :

• La polarité compte. Le côté entrée est une LED et ne conduit que dans un seul sens. Inversez IN+ et IN- et rien ne casse, mais rien ne fonctionne non plus - le module ne s'active tout simplement jamais, et sa LED d'état reste éteinte. Déterminez quel côté du branchement est le positif avant de câbler.
• Les charges inductives nécessitent une diode de protection. Une bobine de relais, un contacteur, une électrovanne, une vanne ou un moteur renvoie un important pic de tension inverse au moment où il est coupé, et la LED d'entrée du PC817 n'est prévue que pour 6V en inverse. Montez une diode ordinaire en antiparallèle directement aux bornes d'entrée - cathode de la diode sur IN+, anode de la diode sur IN-. En fonctionnement normal, cette diode est polarisée en inverse et ne fait absolument rien ; lors d'un pic, elle conduit et limite la tension inverse à bien moins d'un volt. Une 1N4148 convient pour un petit branchement, une 1N4007 pour un plus important.

Une limite à garder à l'esprit : l'entrée du PC817 est une seule LED, elle ne répond donc qu'à une seule polarité et c'est le mauvais composant pour détecter une ligne alternative (AC) - cela nécessite un optocoupleur dont l'étage d'entrée comporte deux LED tête-bêche. Et si les bornes sur lesquelles vous vous branchez appartiennent à une sortie à semi-conducteurs plutôt qu'à un contact sec ou à un relais, lisez l'élément sur les fuites dans la section Dépannage ci-dessous avant de vous fier à la lecture.

Surveiller si le Contrôleur de Portail Est Réellement Allumé ou Éteint

Comme le branchement se trouve aux bornes de l'appareil et non sur le chemin qui le commande, ce que lit l'Arduino Nano ESP32 est l'état réel de l'appareil plutôt que votre intention à son égard. Quelqu'un ouvre le portail avec une télécommande, et la lecture suit. La centrale d'alarme déclenche sa sirène d'elle-même sans demander à personne, et la lecture suit également. Et lorsque le contrôleur reçoit l'ordre de se déclencher mais que rien n'apparaît sur sa sortie, la lecture reste au repos - c'est ainsi que vous découvrez que le portail n'a jamais démarré. Cet écart entre « une commande a été envoyée » et « l'appareil a réellement fonctionné » est ce qui rend ce montage intéressant : compteurs d'heures de fonctionnement, journaux de temps d'inactivité des machines, et une alerte « a-t-il vraiment démarré ? » envoyée via WiFi.

Soyez toutefois clair sur ce que signifie réellement la lecture. Elle vous indique que l'appareil est alimenté, pas qu'il fonctionne - un moteur de portail grippé ou un élément chauffant grillé consomme toujours du courant et est toujours lu comme allumé.

Si Vous Préférez le Réaliser à Partir de la Puce Nue

La puce brute à 4 broches et une résistance vous donnent le même circuit sans les borniers à vis - vous prenez simplement le dimensionnement en charge vous-même. Tenez la puce avec le point ou l'encoche en haut à gauche et comptez dans le sens inverse des aiguilles d'une montre : broche 1 anode et broche 2 cathode forment la LED d'entrée, broche 3 émetteur et broche 4 collecteur forment le côté sortie. Le signal passe par la résistance vers la broche 1, la broche 2 revient uniquement à la masse du circuit externe, la broche 3 va au GND de l'Arduino Nano ESP32, la broche 4 à la broche D2. Dimensionnez la résistance avec R = (Vin - 1.2) / 0.01, soit environ 10mA à travers la LED : 220 ohms à 3,3V, 390 ohms à 5V, 1 kohm à 12V, 2,2 kohms à 24V - la dernière en 1/2 W, les autres en 1/4 W. Laissez une 1 kohm en place en passant de 12V à 24V et la LED reçoit environ 23mA, au-delà de son maximum de 20mA, elle s'affaiblira et tombera en panne : c'est la version puce nue du montage de la mauvaise variante. Tout le reste de cette page s'applique sans changement.

Votre Module Optocoupleur Est-il Actif à l'État Bas ou Actif à l'État Haut ?

Les deux types sont en vente, ils se ressemblent parfaitement sur l'établi, et la fiche produit sur laquelle vous avez acheté ne le précisait très probablement pas. Tranchez la question avec la carte elle-même avant d'écrire la moindre logique basée sur la lecture :

• Câblez le module comme ci-dessus et téléversez le sketch de la section ci-dessous, en laissant pour l'instant les bornes d'entrée hors tension.
• Observez quelques lignes dans le Moniteur Série et notez ce qu'il affiche lorsqu'il n'y a aucun signal sur l'entrée.
• Mettez les bornes d'entrée sous tension. La LED d'état intégrée du module s'allume dès que son côté entrée consomme du courant, utilisez donc cette LED comme vérification croisée - elle vous indique que l'entrée est réellement alimentée, quoi qu'en pense la broche.
• Notez ce que le Moniteur Série affiche maintenant. Ce qui apparaît lorsque la LED d'état est allumée correspond à l'état actif de votre module.

Si l'affichage suit la LED - au repos lorsqu'elle est éteinte, présent lorsqu'elle est allumée - votre module est actif à l'état bas et le sketch est déjà correct. Si les deux sont exactement opposés, votre module inverse le signal sur la carte. Ouvrez le sketch, mettez MODULE_ACTIVE_LOW à false, et téléversez à nouveau. Cette seule constante est la seule chose qui change ; le câblage est correct et le reste du code n'est pas concerné.

Comment Programmer pour l'Optocoupleur PC817

• Utilisez le nom de broche imprimé sur la carte. La sérigraphie de l'Arduino Nano ESP32 indique D0, D1, D2 et ainsi de suite, et ces numéros ne sont pas les numéros GPIO bruts de l'ESP32-S3 sous-jacent. Écrivez D2 dans le sketch, pas 2, et le cœur Arduino le fait correspondre au bon GPIO pour vous.
• Configurez cette broche en entrée avec le pull-up interne à l'aide de pinMode(). Par exemple, la broche D2 :

• Lisez la broche avec digitalRead().

• Transformez ce niveau brut en un simple vrai ou faux grâce à une constante, de sorte qu'un module qui lit dans l'autre sens ne vous coûte qu'une seule modification au lieu d'une réécriture.

• Inutile de chercher une bibliothèque. Aucune bibliothèque n'existe pour le PC817 et aucune n'est nécessaire - il s'agit d'une simple lecture d'entrée numérique.

Code Arduino Nano ESP32 - Optocoupleur PC817

Étapes Rapides

Suivez ces instructions étape par étape :

• Si c'est la première fois que vous utilisez l'Arduino Nano ESP32, consultez Installation du logiciel Arduino Nano ESP32..
• Câblez le module à l'Arduino Nano ESP32 comme indiqué sur le schéma de câblage du module ci-dessus, en utilisant la variante qui correspond à votre signal : le module 3-5V pour un signal de niveau logique, le module 12V pour une ligne 12V, le module 24V pour une ligne 24V.
• Vérifiez bien que la masse du circuit 12V ou 24V ne s'approche jamais du GND de l'Arduino Nano ESP32.
• Connectez l'Arduino Nano ESP32 à votre ordinateur avec le câble USB.
• Lancez l'Arduino IDE sur votre ordinateur.
• Sélectionnez la carte Arduino Nano ESP32 et son port COM correspondant.
• Copiez le code ci-dessus et collez-le dans l'Arduino IDE, puis cliquez sur le bouton Téléverser.
• Ouvrez le Moniteur Série et activez puis désactivez le signal externe 12V ou 24V.

• Si ces lignes évoluent à l'inverse de la LED d'état du module, le vôtre est du type actif à l'état haut : mettez MODULE_ACTIVE_LOW à false et téléversez à nouveau.

À partir de là, le sketch est facile à faire évoluer. Faites-lui basculer un Arduino Nano ESP32 - Relais. lorsque la ligne isolée passe sous tension, comptez combien de fois un contrôleur de portail se déclenche pendant la nuit, ou envoyez l'état via WiFi depuis l'intérieur d'une armoire solaire.

Dépannage

Si la lecture ne suit pas le signal externe, effectuez ces vérifications :

• Rien ne change jamais et la LED d'état ne s'allume jamais : le côté entrée n'est pas du tout alimenté. IN+ et IN- sont probablement inversés - l'entrée est une LED et ne conduit que dans un sens - ou la variante ne convient pas à la ligne, car un module 24V sur un circuit 12V est sous-alimenté et peut ne jamais commuter. Sur la puce nue, le même symptôme signifie que la puce est montée à l'envers ; la broche 1 est celle située à côté du point ou de l'encoche.
• La lecture est exactement inversée - au repos lorsque l'appareil fonctionne, présent lorsqu'il est éteint : rien n'est mal câblé. Vous avez l'un des modules qui inversent le signal côté sortie, de sorte que OUT suit l'entrée au lieu de s'y opposer. Confirmez-le à l'aide de la LED d'état avec la vérification de la section « Votre Module Optocoupleur Est-il Actif à l'État Bas ou Actif à l'État Haut ? » ci-dessus, puis mettez MODULE_ACTIVE_LOW à false dans le sketch et téléversez à nouveau.
• La lecture reste bloquée sur présent même avec les bornes d'entrée déconnectées : le côté carte est mal câblé. Vérifiez que OUT est bien sur D2 et VCC sur 3,3V. Sur la puce nue, les broches 3 et 4 sont inversées - l'émetteur (broche 3) doit aller sur GND et le collecteur (broche 4) sur D2.
• La lecture scintille : le pull-up interne n'est probablement pas activé. Vérifiez que le sketch utilise INPUT_PULLUP et non simplement INPUT ; une entrée flottante dérive d'elle-même, exactement comme avec un Arduino Nano ESP32 - Bouton..
• La lecture ne revient jamais au repos : ce sur quoi vous vous êtes branché est probablement une sortie à semi-conducteurs - une sortie à transistor d'automate, une sortie à triac, un pilote de lampe LED - et celles-ci laissent passer un petit courant de fuite même lorsqu'elles sont coupées. Une fuite suffisante allume partiellement la LED interne, et la carte continue de signaler l'appareil comme allumé longtemps après son arrêt. Montez une résistance de décharge d'environ 4,7 kohms à 10 kohms en parallèle avec l'entrée du module, entre IN+ et IN-, afin que la fuite s'écoule par celle-ci plutôt que par l'optocoupleur.
• Le module chauffe, ou la lecture devient peu fiable au fil des semaines : la tension d'entrée est supérieure à celle pour laquelle cette variante a été conçue - typiquement un module 12V laissé sur une ligne 24V. Montez plutôt la variante 24V. Sur la puce nue, la résistance série est trop faible ; vérifiez-la par rapport aux valeurs de la section sur la puce nue.
• Vous avez besoin de la tension réelle, et pas seulement de présent ou absent : un optocoupleur n'indique que marche ou arrêt. Pour lire un niveau, consultez Arduino Nano ESP32 - mesurer la tension..

Vidéo

Références des Fonctions

• pinMode()
• digitalRead()
• Serial

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