Un récepteur 8 canaux pour commande à distance par courant porteur



Ce récepteur, équipé de 8 sorties sur relais, est idéal pour commander à distance toutes sortes d’appareils, à l’intérieur d’un appartement, d’une villa ou d’un cabanon. Il est prévu pour être commandé par le transmetteur 8 canaux décrit dans le précédent numéro de la revue. Il fonctionne en utilisant les câbles du secteur 220 volts.

Le mois dernier, nous vous proposions une télécommande par courant porteur à 8 canaux, utilisant 8 récepteurs.
Comme nous l’écrivions, ce système à 1 émetteur et 8 récepteurs semble, cer tes, plus coûteux qu’un système à 1 émetteur et 1 récepteur à 8 canaux. Si on y regarde à deux fois, ce n’est pas obligatoirement vrai. Dans un système à 8 récepteurs, il est possible de placer chaque récepteur très près de la charge à commander. Dans le cas du courant porteur, c’est particulièrement intéressant car l’alimentation du récepteur et de la charge provient de la même ligne 220 volts. Par ailleurs, il devient inutile de tirer des câbles entre le relais et sa charge d’où gain de temps et grande facilité de mise en oeuvre.
Néanmoins, certains préféreront la solution classique d’un émetteur commandant un seul récepteur à 8 canaux.
Voici pourquoi est née l’idée d’adjoindre au système, un nouveau périphérique, un récepteur adapté pour fonctionner avec le précédent transmetteur mais équipé, cette fois, de 8 sor ties sur relais.
Ce nouveau projet, permet de gérer depuis un unique point, un maximum de 8 appareils qui demandent une commande monostable ou à impulsion.
Il est donc parfaitement adapté dans les situations où il faut que la centrale agisse sur plusieurs éléments comme, par exemple, des serrures électriques, des portails, des lumières, des électrovannes pour l’arrosage, etc., actionnés depuis un unique panneau de contrôle, le tout, sans tirer de fils électriques et sans réaliser d’installation spécifique.
La principale caractéristique des systèmes à courant porteur est de pouvoir communiquer entre émetteur et récepteur, en utilisant les câbles de l’installation électrique domestique du secteur 220 volts.
Cela permet de connecter les unités composant l’ensemble, sans avoir rien d’autre à faire, que d’insérer la fiche de chacun des appareils dans la prise de courant la plus proche.
L’unique limite est de maintenir l’émetteur et le récepteur à une distance ne dépassant pas les 30 mètres (de câble) et de les connecter tous les deux sur la même ligne, en aval du compteur EDF ou des éventuels interrupteurs magnétothermiques ou différentiels.
Ceci pour la bonne et simple raison, que les contacteurs magnétothermiques et les disjoncteurs contiennent des éléments inductifs et les bobines en série avec les conducteurs peuvent atténuer fortement la porteuse modulée par les données que les unités de télécommande s’échangent, porteuse, qui comme nous le verrons, est bien de 125 kHz.
L’unité proposée dans cet article dispose de 8 sorties, chacune équipée d’un relais ayant un pouvoir de coupure de 1 ampère.
La disponibilité des contacts du relais est totale, commun, travail, repos.
Une particularité, est que les 4 premiers canaux peuvent fonctionner en mode impulsionnel (avec un temps d’activation réglable à l’aide de trimmers…), ou en mode bistable.
Par contre, les relais à partir du cinquième au huitième, fonctionnent uniquement en mode bistable.
L’unité de transmission a déjà été amplement traitée dans le précédent numéro, auquel vous voudrez bien vous reporter pour en savoir plus. Pour ceux qui n’en disposeraient pas sous la main, la figure 1 donne un bref résumé.

Figure 1a.


Figure 1b.


Figure 1c.

Figure 1 : Bref retour sur l’émetteur de commande à distance à courant porteur.

Le transmetteur à 8 canaux présenté dans le numéro 22 est caractérisé par des dimensions particulièrement réduites (1a). Le circuit est géré par un petit microcontrôleur Microchip doté d’une mémoire EEPROM dans laquelle est mémorisé le code de déblocage du clavier à membrane souple (1b). Les composants, à l’exception du clavier, tiennent sur un circuit imprimé simple face suffisamment réduit pour être installé dans une boîte de dérivation (1c).

Le schéma électrique
Comme vous pouvez le voir sur la figure 2, l’unité est un tantinet complexe, mais beaucoup moins que si nous n’avions pas utilisé un microcontrôleur.
Dans le schéma, ce composant est référencé par U1.
Le microcontrôleur est le coordinateur de l’unité. Il est interfacé, du côté de l’entrée, avec le modem à courant porteur et, du côté de la sortie, avec un driver de ligne capable de fournir le courant nécessaire aux bobines des relais.
Commençons par voir l’élément peutêtre le plus intéressant, même si ce composant n’est pas une nouveauté.
Il s’agit du modem secteur TDA5051 produit par Philips et capable d’envoyer et de démoduler des données en simplex, en modulation d’amplitude, avec une porteuse typique de 125 kHz (voir figure 3).
C’est un circuit intégré destiné spécifiquement aux applications de communication ou aux commandes à distance par l’intermédiaire des fils du secteur.
Il est très fiable, mais délicat, car il requiert une interface bien étudiée et capable de transférer la porteuse modulée avec le maximum d’efficacité, garantissant pour cela une parfaite suppression des perturbations et des pics de tension inévitablement présents sur la ligne des 220 volts.
Il n’a pas été facile de mettre au point un étage d’entrée adapté et qui satisfasse aux besoins mais, en fin de compte, nous y sommes parvenus, si bien qu’aujourd’hui, nous sommes en mesure de vous proposer un récepteur pour la télécommande par courant porteur, sûr et fiable, qui protège le TDA5051, lui permettant de gérer la porteuse à 125 kHz avec le maximum d’efficacité.
Donc, le modem utilisé dans le récepteur fonctionne en démodulateur et sert à extraire de la porteuse à 125 kHz, superposée à la tension sinusoïdale du secteur, les impulsions de modulation produite par le transmetteur.
Ces impulsions représentent le code que nous avons choisi, pour rendre plus sûre et unique chaque commande, ce qui rend inopérantes toutes les perturbations présentes sur la ligne électrique.
Pour être précis, nous avons implémenté un protocole de communication un peu plus complexe que celui des habituels codeurs et décodeurs standards.
En pratique, chaque commande est composée d’une trame sérielle, consistant en trois octets, contenant l’information sur le code de base et sur le canal à activer.
Une telle complexité et la particularité du protocole ne peuvent être obtenues sans l’aide d’un microcontrôleur. C’est pour cela que la transmission et la réception en utilisent un.
Notez cependant, qu’à la différence des récepteurs monocanaux, celui-ci n’a pas besoin d’apprendre de code.
En fait, comme nous le verrons dans les prochains paragraphes, le récepteur est déjà synchronisé avec le transmetteur et peut reconnaître les commandes directement pour les huit canaux, il n’est donc pas utile de lui faire apprendre quoi que ce soit en particulier. Revenons au fonctionnement du modem intégré TDA5051, un circuit intégré DIL disponible en version CMS à 16 broches, contenant un système modulateur/démodulateur d’amplitude complet (ASK = Amplitude Shift Keying) opérant en simplex jusqu’à une vitesse de 1 200 bauds (de 600 à 1 200 pour être précis) et pouvant être commandé avec des niveaux logiques TTL.
La fréquence de contrôle de l’entrée du modem doit être telle qu’elle puisse garantir des niveaux hauts, si possible d’une durée qui ne soit pas inférieure à 1 milliseconde.
Toujours en ce qui concerne la fréquence, la porteuse à moduler en AM est sinusoïdale. Elle est générée en utilisant comme base, la forme d’onde produite par un oscillateur interne, contrôlé par le quartz connecté entre les broches 7 et 8.
Un diviseur par 64 réduit la fréquence initiale, fournissant ainsi celle de la porteuse. Voici pourquoi le quartz doit être choisi convenablement, en considérant ce détail.
Par exemple, pour avoir une onde modulée à 115 kHz, il convient de choisir un quartz de 7,36 (7,375) MHz.
Pour obtenir une porteuse de 125 kHz, la valeur du quartz doit être de 8 MHz exactement.
Pour atteindre la valeur maximale admise, 150 kHz, un quartz de 9,6 MHz est nécessaire.
L’entrée de modulation est sur la broche 1 (référencée à la broche 5, masse digitale) et doit recevoir des signaux de niveau 0/5 volts (TTL).
Il est intéressant de noter que lorsque cette entrée est au niveau logique 1, la porteuse est coupée et le canal de réception est activé.
Par contre, au 0 logique, la porteuse peut être émise.
La modulation est donc du type ON/OFF, présence et absence de signal.
En réception, les données démodulées sortent de la broche 2, par rapport à la masse (broche 5), sous la forme d’impulsions digitales au niveau TTL, cela pour ce qui concerne le modem.

Figure 2 : Schéma électrique du récepteur 8 canaux à courant porteur.

Figure 3 : Brochage et fonctions des broches du TDA5051.

Le protocole de communication
A présent, parlons du protocole de communication, en fait, du format des commandes envoyées par le transmetteur au récepteur, nous arrêtant ensuite sur le fonctionnement de cette dernière unité.
Lorsqu’on agit sur un bouton du clavier de l’unité de transmission, le microcontrôleur émet de manière sérielle une trame de 3 octets, contenant le code caractéristique et le numéro du canal auquel la commande est destinée.
Voyons en détail le contenu. Disant avant tout que le premier octet est un “header”, le second exprime le numéro de la touche pressé sur le clavier et le troisième est le résultat d’une opération OR exclusif des deux premiers.
L’octet initial est fixe et vaut 10101010 en binaire, AA en format hexadécimal.
Cet octet, reçu par le modem du module récepteur, dit au microcontrôleur de commencer le décodage des données.
L’octet central est formé de deux nibbles (quartet) qui expriment chacun, sous forme binaire, le numéro de la touche appuyée, donc, le numéro du canal auquel est destinée la commande.
Pour donner un exemple, supposons que l’on appuie sur la touche 5. La valeur correspondante sur 4 bits est 0101, donc, le second octet est 01010101, ce qui fait que le numéro du canal est répété deux fois.
La dernière portion de la trame est le OR exclusif des deux premiers octets, en fait une checksum.
A la lumière de ces notions, nous pouvons mieux comprendre le fonctionnement du récepteur à 8 canaux.

L’interface de ligne et le modem
Le schéma relatif au récepteur, fait apparaître l’interface de ligne, le modem TDA5051, le microcontrôleur auquel est confié le rôle de gérer le fonctionnement de l’unité, microcontrôleur qui reçoit les impulsions de l’arrivée du “header” de la trame sérielle prélevée sur la ligne électrique du secteur.
En ce qui concerne l’interface de ligne, il n’y a pas grand-chose à dire, car c’est la même que celle du transmetteur.
Toutefois, devant recevoir le faible signal passé au travers du transformateur et des circuits résonnants, en aval du transformateur, nous avons inséré un amplificateur de tension, utile pour relever le niveau de la porteuse.
Ce dernier est construit autour du transistor T1, qui fonctionne dans la classique configuration “émetteur commun”, avec résistance d’émetteur et qui amplifie suffisamment le signal pris sur la ligne secteur, pour ensuite l’envoyer à l’entrée du démodulateur interne à U1.
Le modem fonctionne, dans ce cas, uniquement en récepteur et pour garantir qu’il sera toujours prêt à recevoir la porteuse, la broche 1 est mise, de façon permanente, au niveau logique haut, à l’aide de la résistance de pull-up R5.
Rappelez-vous que lorsque Data-In est à zéro, le modem transmet. Il ne peut recevoir que si cette broche est au niveau logique 1.
Lorsque, entre les deux fils de la ligne, se présente une trame provenant du transmetteur, les impulsions démodulées sont disponibles entre la broche 2 et la masse, de laquelle elles rejoignent l’entrée du microcontrôleur, par l’intermédiaire du transistor T2.
Le rôle de cet étage est d’inverser la condition logique, donc de rétablir la phase des signaux, afin de garantir que le microcontrôleur déclenche sur le premier front montant du “header”.
Il faut rappeler qu’en l’absence de porteuse, le TDA5051 restitue l’état haut, donc, qu’il positionne à 0 la broche 2 lorsqu’il perçoit les 125 kHz.

Le microcontrôleur
Le microcontrôleur contient le programme qui gère toute l’unité réceptrice.
En premier lieu, il faut dire que le microcontrôleur utilisé est un PIC16F876, dif férent du modèle, plus simple, PIC12CE674 monté dans le transmetteur.
Ce choix a été dicté par nécessité de disposer d’un nombre de lignes E/S que la série PIC12Cxxx ne peut offrir et qui sont utilisées pour le contrôle direct des 8 sorties à relais.
En outre, pour le mode de fonctionnement voulu, il nous faut un microcontrôleur assez puissant et capable de faire “tourner” simultanément plusieurs routines.
En fait, le programme est capable de gérer indépendamment, la temporisation d’une ou plusieurs sorties monostables, tout en recevant et en traitant des éventuelles commandes entrantes, concernant aussi les canaux non intéressés ou ceux bistables.
Au moment de la mise sous tension, les ports E/S et RB4, RB5, RB6 sont initialisés et sont assignés en entrées.
Le premier (RB4) recevra les impulsions démodulées par le modem TDA5051 et les deux autres seront réservés à la gestion des micro-interrupteurs et pour des fonctions que nous verrons dans de futurs développements.
RA0 et la totalité du registre RC sont utilisés comme sorties.
Pour être précis, RA0 pilote la LED de signalisation, RC0 à RC7 commandent les sorties relais à travers un driver de ligne ULN2803.
La ligne RA0 fait clignoter LD1 dans des situations bien précises, avant tout, la LED clignote à la mise sous tension de la carte, durant la phase d’initialisation, puis émet un éclair à chaque fois qu’une trame provenant de l’unité de transmission est reconnue.
Sur les sor ties de commande des relais, il n’y a rien d’autre à ajouter, par contre, RB0, RB1, RB2, RB3 méritent que l’on s’attarde quelque peu.
Chacune d’elles est connectée à un trimmer qui décide de la modalité de fonctionnement de la sortie respective entre CH1 et CH4.
Le mécanisme utilisé par le PIC pour savoir comment activer le relais de sortie est simple.
Une routine spéciale, est utilisée pour permettre le choix entre bistable ou monostable et permet, en plus, de faire varier le temps d’excitation du relais concerné.
Cette routine contrôle le temps de charge et de décharge du condensateur de chaque dipôle R/C. Donc, en tournant le curseur complètement dans le sens horaire, le PIC identifie cela comme une demande d’activation monostable avec un temps minimal.
Le relais concerné est activé pour environ 0,5 seconde.
Le curseur tourné dans le sens opposé (sens antihoraire), on allonge la durée de l’excitation du relais, jusqu’à 150 secondes environ.
Enfin, le déplacement du curseur complètement dans le sens antihoraire, le microcontrôleur identifie une demande de fonctionnement bistable.
Le relais concerné est excité à la réception de la première trame contenant son adresse et remis au repos lors de la réception de la seconde trame de commande lui étant destinée.
Le relais change d’état à chaque commande reçue, à condition qu’elle contienne son code d’identification.
La figure 4 illustre, de façon explicite, la réaction des relais par rapport à la position des trimmers.

Le fonctionnement global du programme
Après l’initialisation et l’assignation des E/S, le programme principal attend l’arrivée d’un “header” (code d’entête), donc, de la première partie de la trame adoptée par le système pour la transmission des commandes.
Chaque impulsion au niveau logique haut, éventuellement capté par la broche 3 du microcontrôleur, est ignorée, tout au moins si elle n’est pas suivie des 7 autres prévues.
A l’arrivée de la trame, le “header” est lu et doit être impérativement 10101010.
Le microcontrôleur prend donc les deux premiers octets, il fait une opération OR exclusif et compare le résultat reçu avec la checksum (le troisième octet) reçu sur la ligne.
Si les deux sont identiques, cela veut dire que les données prélevées à la sortie du modem font référence à une commande valide. Dans le cas contraire, il s’agit d’une information erronée ou affectée de trop de parasites.
Si le nibble (demi-octet) exprime un nombre compris entre 5 et 8, seul le mode bistable est possible.
Dans ce cas, le programme modifie l’état du registre de sortie, inversant la condition logique du bit correspondant à l’adresse contenue dans la trame décodée.
Si le nibble contient une valeur comprise entre 1 et 4, la routine d’actionnement du relais est activée, routine qui effectue tout d’abord la vérification de la position du trimmer, avant d’envoyer un 1 logique à la broche concernée, faisant ainsi coller le relais.
Cette condition est matérialisée par l’allumage de la LED connectée en parallèle sur la bobine du relais concerné (voir figure 5).
Si le mode monostable a été choisi, la ligne E/S du microcontrôleur passe au niveau logique bas après le temps sélectionné.
Par contre, si c’est le mode bistable qui a été adopté, le relais reste excité. Il passera au repos à l’arrivée d’une prochaine commande identifiée par le programme.
Il faut ouvrir une parenthèse, les trimmers sont lus en temps réel, en fait, juste avant que la commande d’excitation soit envoyée aux relais concernés.
Ainsi, pour modifier les inter valles d’actionnement ou le mode de fonctionnement, il suffit d’inter venir sur la position du trimmer avant d’envoyer une commande. Il n’est pas nécessaire d’opérer le circuit éteint.
En outre, lorsqu’un canal est en fonctionnement en mode bistable et que le relais correspondant est activé, l’unité continue à recevoir et à exécuter les éventuelles commandes pour les autres sorties.
Comme vous le voyez, dans ce projet, le programme peut continuer à tourner, même s’il est en train d’effectuer une sous-routine de temporisation.
Le programme peut donc gérer les quatre temporisations des sorties (CH1, CH2, CH3, CH4) si elles sont paramétrées en mode monostable, tout en acceptant simultanément les commandes directes pour les canaux 5, 6, 7 et 8.

Comment utiliser les sorties relais ?
Les 8 relais dont est équipé le récepteur à courant porteur, sont regroupés en deux blocs distincts en ce qui concerne le mode de fonctionnement.
Le tableau suivant résume les caractéristiques et les possibilités d’utilisation de chaque groupe.

Canaux
Fonctionnement
CH1-CH4
Bistable : Ce mode est obtenu en tournant le curseur complètement dans le sens antihoraire.
Monostable : En tournant le curseur complètement dans le sens horaire on obtient le temps minimum d’activation, égal à environ 0,5 seconde.
En tournant le curseur dans le sens antihoraire, le temps augmente jusqu’à 150 secondes.
CH5-CH8
Uniquement en mode bistable.

Figure 4.

La partie pratique
Avant d’aller plus loin, il faut bien comprendre que la télécommande à courant porteur se compose d’un transmetteur et d’une carte comme celle proposée ici. Donc, si vous n’avez pas encore de transmetteur, préparez-le en suivant les instructions du numéro 22 d’ELM auquel nous vous renvoyons pour plus d’informations.
Pour le récepteur 8 canaux, la première chose à faire, comme à l’accoutumé, est de réaliser ou de se procurer le circuit imprimé (figure 8).
Ceci fait, il faut commencer par monter le TDA5051 du côté pistes.
En premier, identifiez, en vous aidant du schéma d’implantation des composants de la figure 6, le bon sens, en vous rappelant que le point de repère de positionnement est le petit point gravé sur le corps du composant et reporté sur le schéma d’implantation de la figure 6.
Le point de repère doit donc être placé comme cela est indiqué, dans notre cas ; la broche 1 doit être près de la résistance R7.
Le montage du chip CMS est plus facile, si vous appuyez le circuit imprimé sur un plan de travail plat et que vous placez le composant en le centrant sur les pistes qui lui sont réservées.
Ensuite, soudez seulement une des broches d’un côté, puis une de l’autre, à l’opposé, de façon à le bloquer dans sa position.
Cela fait, poursuivez en soudant les broches restantes, une à la fois, en alternant celles d’un côté puis de l’autre.
Utilisez un fer à 350 °C, avec une panne très propre et de la soudure de qualité.
Le TDA5051 en place, vous pouvez vous concentrer sur le reste, en plaçant les diodes dans leurs trous respectifs et en faisant attention à leur polarité. Montez ensuite toutes les résistances.
Installez les trimmers et les supports pour les circuits intégrés (microcontrôleur et driver de ligne).
Passez aux condensateurs (attention au sens des électrolytiques) et aux transistors.
Montez ensuite le restant, en vous rappelant que la cathode des LED et la patte placée du côté du boîtier ont un méplat.
Le transformateur d’alimentation doit être un modèle pour circuit imprimé de 3 VA, avec un primaire en 220 volts et un secondaire de 9 volts.
Le transformateur de couplage (TF2) a un rapport de 1/1, avec une impédance de 1 kilohm à 125 kHz.
Une fois terminées toutes les soudures et après avoir vérifié que chaque composant est bien à sa place, connectez le cordon d’alimentation équipé d’une fiche secteur au bornier marqué 220 V.
Alimentez l’unité et, après avoir imposé un code d’accès pour le transmetteur, vous pouvez procéder au réglage de votre télécommande à courant porteur.

Figure 5 : Les relais, leur diode et leur bornier de sortie commun, repos, travail.

Figure 6 : Schéma d’implantation des composants du récepteur 8 canaux à courant porteur.

Figure 7: Durant le montage du récepteur, prêtez le maximum d’attention à la mise en place du TDA5051 en CMS, qui sera soudé du côté cuivre du circuit imprimé. Le repère de positionnement doit être placé comme cela est indiqué sur le schéma pratique de câblage. La broche 1 doit être près de la résistance R7.

Figure 8 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du récepteur 8 canaux à courant porteur.

Liste des composants
R1 = 150 kΩ
R2 = 10 kΩ
R3 = 33 kΩ
R4 = 1 kΩ
R5 = 100 Ω
R6 = 10 kΩ
R7 = 4,7 kΩ
R8 = 4,7 kΩ
R9 = 2,2 MΩ
R10 = 10 kΩ
R11 = 10 kΩ
R12 = 4,7 kΩ
R13 = 470 Ω
R14 à R17 = 4,7 kΩ trimmer
R18 à R25 = 1 kΩ
L1 = Self 47 μH
L2 = Self 22 μH
C1 = 47 nF polyester 250 V pas 10 mm
C2 = 220 μF 25 V électrolytique
C3 = 100 nF multicouche
C4 = 100 μF 25 V électrolytique
C5 = 100 nF multicouche
C6 = 10 nF polyester pas 5 mm
C7 = 10 nF polyester pas 5 mm
C8 = 33 pF céramique
C9 = 33 pF céramique
C10 = 100 nF polyester pas 5 mm
C11 = 1 μF polyester pas 5 mm
C12 = 100 nF multicouche
C13 à C16 = 100 nF polyester pas 5 mm
C17 = 22 pF céramique
C18 = 22 pF céramique
U1 = μC PIC16F876-MF359
U2 = Intégré ULN2803
U3 = Intégré TDA5051
U4 = Régulateur 7805
DZ1 = Zener 6,8 V
PT1 = Pont 1 A
Q1 = Résonateur 7,37 MHz
Q2 = Quartz 8 MHz
T1 = NPN BC547
T2 = NPN BC547
LD1 = LED jaune 5 mm
LD2 à LD9 = LED rouge 5 mm
DS1 = Dip-switchs 2 micro-inter.
RL1 à RL8 = Relais 12 V 1 RT pour ci
TF1 = Transfo. de couplage 1/1
TF2 = Transfo. 220 V / 15 V pour ci

Divers :
1 Bornier 2 pôles
8 Borniers 3 pôles
1 Support 2 x 14 broches
1 Support 2 x 9 broches
1 Circuit imprimé réf. S359

1 commentaires:

  1. can i request a complete document this project??

    thank you

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