Une domotique de fermeture automatique à capteurs météorologiques (vent et pluie)



Voici un appareil simple, mesurant automatiquement la vitesse du vent et décelant la pluie. Lorsque les seuils prédéterminés sont dépassés (vitesse du vent excessive et/ou pluie abondante), il intervient pour commander des dispositifs motorisés assurant la remontée de stores et/ou la fermeture de fenêtres de toit.

Non, ce n’est tout de même pas une station météorologique complète mais, d’une certaine façon, quelque chose de plus.
Si vous vous intéressez aux conditions météorologiques, pression atmosphérique, température, humidité, vous avez l’embarras du choix : dans le commerce on trouve d’excellents produits fournissant ces indications.
Mais si, outre l’indication, l’appareil doit pouvoir contrôler un dispositif externe, alors il faut recourir à des circuits d’un autre genre, comme celui proposé dans cet article.
Si, par exemple, vous voulez connaître la température de votre maison, il vous suffit de prendre un thermomètre à quelques dizaines de francs mais si cet appareil doit contrôler l’installation de chauffage et de climatisation, vous devrez acheter un thermostat d’un prix dix fois plus élevé.
Le thermostat est la plus connue des “commandes” automatiques de sa catégorie : il permet de piloter la chaudière de la maison chaque heure du jour ou de la nuit.

Le cahier des charges
Il existe toutefois d’autres dispositifs en mesure de rendre notre maison toujours plus agréable et accueillante.
Les systèmes d’accès automatiques et sécurisés, la remontée des stores, la descente des volets roulants, la fermeture des fenêtres de toit, type Velux, et autres, en font partie.
Beaucoup d’entre eux utilisent des commandes électriques pour ouvrir et fermer : ce sont souvent des moteurs en 24 V avec réducteur, contact de fin de course et relais pour lever ou abaisser un store, entrebâiller un Velux ou pour tirer ou descendre un volet !
Si, d’un côté, ces dispositifs garantissent un confort maximal, d’un autre ils peuvent, dans certains cas, causer des problèmes, surtout lorsque les conditions météorologiques deviennent défavorables.
Imaginez, par exemple, que vous êtes hors de chez vous alors que vous avez laissé le store déployé. Si un vent violent vient à se lever, ce dernier n’y résistera pas et ce désagrément vous coûtera cher.
De même, s’il se met à pleuvoir et que votre Velux est resté ouvert, vous risquez de retrouver la maison un peu humide !
Bien sûr, toutes les sociétés vendant et installant ces équipements proposent toujours au client de compléter l’installation par des systèmes de sécurité mais cette offre n’est presque jamais suivie d’effet, ne serait-ce qu’à cause du coût prohibitif de l’électronique.
Par contre, si ces dispositifs automatiques sont construits par un passionné d’électronique (que nous sommes tous), le prix de revient devient abordable et l’investissement rentable.
Dans cet article, nous voulons vous présenter un circuit capable de mesurer et de visualiser la vitesse du vent puis d’activer un relais (commandant la remontée des stores ou la descente des volets, etc.) dès que le vent dépassera un seuil de vitesse prédéfini. De même, un senseur de pluie activera un second relais (s’il se met à pleuvoir avec une certaine intensité), commandant la fermeture du ou des Velux.
En dehors de la maison, notre dispositif conviendra parfaitement à un usage industriel, chaque fois qu’il sera nécessaire d’intervenir en cas de pluie ou de vent.





Notre montage
Voyons, en détail, le fonctionnement de notre circuit.
Le “coeur” de l’appareil est le microcontrôleur PIC16F876-MF383, déjà programmé en usine, choisi à la place du PIC16F84, plus économique mais offrant un plus petit nombre d’I/O.
Toutes les fonctions sont réalisées par ce microcontrôleur, programmé selon l’organigramme de la figure 5. Le microcontrôleur lit l’état des deux capteurs (pluie et vent), en élabore les informations et visualise sur un afficheur la vitesse du vent (en km/h).
Le premier senseur (pluie) est constitué d’une grille inclinée en double peigne sur laquelle tombent et restent un certain temps les gouttes de pluie, ce qui provoque une diminution de la résistance électrique entre ses deux extrémités.
Normalement, à sec il n’y a aucun contact entre celles-ci et la résistance est pratiquement infinie. Une seule goutte réduit cette valeur à quelques milliers d’ohms. Il est par conséquent très simple de déceler la pluie. Un algorithme adapté permet d’établir le seuil d’intensité de la pluie et le déclenchement de l’alarme : quand le seuil est dépassé, le relais se ferme pour un temps compris entre 1 et 60 secondes.
Le second senseur est un anémomètre simple constitué d’un arbre rotatif à trois pales réalisé spécifiquement pour cet usage. Sur l’arbre est fixé un petit aimant fermant à chaque tour les contacts d’une ampoule “reed” fixée sur le corps de l’anémomètre. Une structure simple sans frottements, particulièrement fiable.
Comme on connaît les caractéristiques du senseur, il est très facile de transformer le nombre de tours (information qui va au microcontrôleur) en un nombre indiquant la vitesse en km/h.
Quand la vitesse du vent dépasse la valeur de seuil prédéterminée, le relais de sortie de cette section est activé pour un temps compris entre 1 et 60 secondes. A propos de cet anémomètre, sa vitesse est calculée comme valeur moyenne des mesures effectuées en 5 secondes : cela permet une mesure plus précise éliminant d’éventuelles rafales brèves peu significatives.
Dès la mise sous tension, la platine, immédiatement opérationnelle, visualise sur l’afficheur LCD la vitesse du vent et mesure la valeur fournie par le senseur de pluie.
A la première mise sous tension, il est nécessaire d’effectuer un RESET en appuyant sur le poussoir P2 : il s’ensuit un clignotement des “888” sur l’afficheur LCD et trois brefs bips sur le buzzer, suivis d’une note plus longue.
Pour régler les seuils d’alarme, c’est-àdire pour entrer en programmation des seuils, il est nécessaire de presser le poussoir P1 : le circuit confirmera le début de cette phase en faisant clignoter les “888” trois fois pendant que le buzzer fera entendre 3 bips (sans la note plus longue).
Ensuite, le LCD affichera un nombre indiquant, en secondes, la “temporisation-pluie”, c’est-à-dire le temps écoulé avant que le relais d’alarme-pluie soit activé (pour, par exemple, fermer le Velux resté ouvert).
Cette valeur peut être réglée par le potentiomètre R28. Il va sans dire que plus petit est le nombre réglé, plus sensible sera le circuit et il suffira alors de peu de gouttes sur le senseur pour activer le relais. Au contraire, avec un nombre plus élevé, le relais ne sera activé que s’il pleut des cordes !
Un peu de pratique vous permettra de régler la valeur adéquate pour votre propre application.
Nous vous rappelons que la sensibilité dépend aussi beaucoup de l’inclinaison du senseur à double peigne (plus il est incliné plus les gouttes le quittent rapidement). C’est pourquoi on ne fixera ce senseur définitivement qu’après avoir effectué les réglages à l’aide du potentiomètre R28 : après trois secondes sans actionner ce dernier, la valeur réglée est mémorisée ; pour le confirmer l’afficheur LCD fait clignoter trois fois la valeur et le buzzer émet trois bips.
A partir de ce moment, le circuit se prédispose automatiquement à acquérir une seconde valeur selon la même procédure. Il s’agira cette fois de la valeur de seuil d’alarme-vent c’est-àdire la vitesse limite du vent au-delà de laquelle le deuxième relais devra être activé pour, par exemple, remonter les stores.
Là encore, la même technique est utilisée.
Actionner le potentiomètre R28 pour choisir la valeur, en secondes, de la “temporisation-vent” et après trois secondes cette valeur sera mémorisée et confirmée par 3 clignotements et 3 bips.
Une fois terminée la phase de programmation, la platine retourne à un fonctionnement normal et affiche, sur l’afficheur LCD, la vitesse du vent.
Les seuils paramétrés sont mémorisés en EEPROM et, même après interruption de l’alimentation, elles sont sauvegardées.
Si un des seuils d’alarme est atteint, le microcontrôleur active le relais de sortie concerné.
Pendant le temps d’activation du relais, le buzzer émet une suite rapide de bips pour signaler que le dispositif est entré en fonction.
Nous vous rappelons que le temps d’activation des relais (vent ou pluie) peut être réglé entre 1 et 60 secondes environ par le trimmer R29.
Après que les alarmes soient entrées en fonction une première fois, le (nouveau) dépassement de l’un ou l’autre seuil n’entraîne plus l’activation du relais et donc la commande, par exemple, du Velux ou du store ne sera plus sollicitée.
Quand on revient au fonctionnement normal, l’alarme est signalée sur l’afficheur LCD toutes les 5 secondes par un bref message dont voici les significations :
910 : l’alarme-pluie est intervenue,
901 : l’alarme-vent est intervenue,
911 : les deux alarmes sont intervenues.
Dans ce dernier cas aussi, les informations sont mémorisées en EEPROM et une interruption de l’alimentation n’empêcherait pas leur sauvegarde. Pour le RESET du système, il suffit de presser le poussoir P2.

Figure 1 : Schéma électrique de la commande de fermeture automatique à capteurs météorologiques.

Liste des composants
R1 = 330 Ω
R2 = 330 Ω
R3 = 330 Ω
R4 = 330 Ω
R5 = 330 Ω
R6 = 330 Ω
R7 = 330 Ω
R8 = 330 Ω
R9 = 330 Ω
R10 = 330 Ω
R11 = 330 Ω
R12 = 330 Ω
R13 = 330 Ω
R14 = 330 Ω
R15 = 330 Ω
R16 = 330 Ω
R17 = 330 Ω
R18 = 330 Ω
R19 = 330 Ω
R20 = 330 Ω
R21 = 330 Ω
R22 = 10 kΩ
R23 = 10 kΩ
R24 = 100 kΩ
R25 = 680 kΩ
R26 = 10 kΩ
R27 = 10 kΩ
R28 = 4,7 kΩ pot. lin.
R29 = 4,7 kΩ trimmer m.h.
R30 = 4,7 kΩ
R31 = 10 kΩ
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 100 μF 25 V électrolytique
C3 = 100 nF multicouche
C4 = 100 μF 25 V électrolytique
C5 = 100 nF polyester pas 5 mm
C6 = 100 nF polyester pas 5 mm
C7 = 47 pF céramique
C8 = 1 μF polyester pas 5 mm
C9 = 10 pF céramique
U1 = Régulateur 7805
U2 = μcontrôleur
PIC16F876-MF383
U3 = Intégré 4511
U4 = Intégré 4511
U5 = Intégré 4511
DS1 à DS3 = Afficheurs 7 seg. CC
Q1 = Quartz 4 MHz
T1 = NPN BC547
T2 = NPN BC547
T3 = NPN MPSA13
BZ1 = Buzzer c.i. sans électronique
D1 à D3 = Diodes 1N4007
RL1 - RL2 = Relais 12 V 1 RT min.
P1 - P2 = Poussoirs NO

Divers :
3 Supports 2 x 8 broches
1 Support 2 x 14 broches étroit
5 Borniers 2 pôles
3 Borniers 3 pôles
2 Connecteurs femelles 2 x 5 broches c.i.
2 Connecteurs mâles 2 x 5 broches à sertir
1 Coupe de 10 fils en nappe
1 Capteur de pluie réf. 6710-RN01 par ex.
1 Capteur de vent réf. 6710-WD01 par ex.

Figure 2 : Platine de base et afficheur LCD. Pour rendre le câblage de l’appareil plus agréable nous avons utilisé deux circuits imprimés reliés entre eux par une nappe. Nous trouvons, sur la première platine, toute la logique de fonctionnement alors que l’afficheur LCD, avec ses trois éléments à 7 segments, constitue la seconde platine.

Figure 3 : Brochage d’un élément afficheur LCD à 7 segments. Pour visualiser les indications relatives à la vitesse du vent et à la présence de la pluie, à l’état de l’appareil, etc., on utilise trois afficheurs à cathode commune dont vous trouverez ici le brochage.

Figure 4 : Simples mais efficaces : voici les deux senseurs employés pour capter la présence de la pluie et pour mesurer la vitesse du vent.



Le schéma électrique
Il nous reste à jeter un coup d’oeil sur le schéma électrique de la figure 1. L’étage afficheur est composé de trois éléments LCD numériques à 7 segments à cathode commune garantissant une visibilité optimale : chaque élément est piloté par son propre driver, un circuit intégré CMOS 4511.
Ces trois circuits intégrés sont contrôlés par les sorties RB0 à RB6 du microcontrôleur.
Les lignes RC2 et RC3 contrôlent, en revanche, les sorties, c’est-à-dire les transistors T1 et T2 et les relais allant avec.
L’entrée relative au capteur de vent fait face à la ligne RC0 et celle du senseur de pluie, à la ligne RC1.
Le buzzer, sans électronique, le potentiomètre R28 et le trimmer R29 font face aux lignes RB7, RA0 et RA1.
Le tout est alimenté par du 12 Vcc nécessaire à l’activation des deux relais.
Le régulateur U1 donne le 5 V régulé pour le fonctionnement de tous les autres étages du circuit.
Le courant total consommé par le système sous 12 V est d’environ 100 mA.
Comme alimentation, nous vous conseillons d’utiliser un adaptateur secteur (si possible stabilisé) capable de fournir un courant de 200 mA au moins : ceci pour tenir compte du fonctionnement permanent du système.

Organigramme du programme du microcontrôleur PIC16F876-MF383
Les fonctions les plus importantes de cet automatisme sont gérées par le microcontrôleur PIC16F876 dont le logiciel MF383 est déjà implanté.
Organigramme du programme du microcontrôleur PIC16F876-MF383 L’analyse de l’organigramme suffit pour comprendre les détails de fonctionnement de l’appareil. On le voit, le poussoir P1 est la clé de la procédure de mémorisation des seuils d’intervention alors que le potentiomètre R28 permet de régler la valeur de ces seuils. L’entrée du cycle de programmation est signalée par trois bips et le clignotement des “888” sur l’afficheur LCD.
Le premier paramétrage concerne la pluie : nous pouvons choisir le nombre de secondes écoulées avant l’activation du relais de sortie commandant, par exemple, la fermeture d’un Velux. Après trois secondes le paramétrage est mémorisé et l’afficheur LCD fait clignoter le nombre à titre de confirmation.
Nous pouvons passer à la vitesse du vent, en km/h : dans ce cas aussi, après trois secondes, l’afficheur LCD clignote et le réglage est mémorisé.
Pendant le fonctionnement normal, le microcontrôleur lit les valeurs fournies par les deux senseurs et visualise la vitesse du vent. Si un des deux seuils est dépassé, le relais correspondant est activé. Le temps d’activation se règle avec le trimmer R29.
Le circuit n’active pas deux fois de suite le même relais, ce qui serait inutile, voire dangereux pour le moteur commandé. Lorsque l’un ou l’autre des relais a été activé, l’afficheur LCD le signale par un message codé apparaissant toutes les 5 secondes brièvement. Trois nombres de trois chiffres : 910 pour indiquer l’activation du relais-pluie, 901 celle du relais-vent, 911 les deux.
Pour permettre au circuit d’intervenir de nouveau, il est nécessaire de faire un RESET du microcontrôleur en appuyant sur P2.
Le RESET est signalé par une note longue du buzzer, accompagnée par le clignotement de l’afficheur LCD.

Figure 5 : Organigramme du programme du microcontrôleur PIC16F876-MF383 déjà programmé en usine.

La réalisation pratique
Passons maintenant à la description de la réalisation pratique et du réglage.
Comme le montrent les figures 6 à 11, nous avons prévu deux circuits imprimés, un pour la platine de base et l’autre pour la platine afficheur LCD.
Ainsi, le montage de l’appareil dans un boîtier, quel qu’il soit, sera plus aisé. Vous réaliserez les circuits imprimés par votre méthode habituelle sans oublier le possible recours au procédé “PnP-blue”, ne nécessitant ni insolateur ni plaque présensibilisée (voir ELM 26, page 59 et suivantes).
Après gravure, percez, puis enfilez et soudez les composants en commençant par les plus bas.
Poursuivez avec les supports de circuits intégrés, les condensateurs, les composants polarisés et les semiconducteurs.
Prenez bien garde à l’orientation de ces derniers en comparant sans cesse votre câblage aux figures 6 et 7, 9 et 10.
Pour les connexions aux composants externes, nous avons prévu des borniers, alors que la liaison entre les deux platines se fait par une nappe avec connecteurs à sertir (mâle sur le circuit imprimé et femelle sur le câble).
Insérez, enfin, les divers circuits intégrés dans leurs supports (attention à l’orientation de leur repère-détrompeur) : les trois 4511 et le microcontrôleur PIC16F876-MF383, déjà programmé.
Il ne reste plus qu’à vérifier le fonctionnement du circuit et à l’installer.
Il faut positionner les deux senseurs à l’extérieur de la maison (of course !), les fixer solidement à un mur ou à la toiture. Bien sûr, tous deux seront placés au meilleur endroit possible afin de capter chacun au mieux pluie ou vent. La liaison à la centrale se fera au moyen d’un câble blindé, pour éviter de recevoir des signaux parasites, surtout s’il est long.
N’oubliez pas de connecter les deux relais aux dispositifs que vous voulez commander. Il suffit de placer, en parallèle aux contacts NO des relais, les poussoirs qui contrôlent la remontée des stores, la fermeture des volets ou celle des Velux. Ceci terminé, mettez le circuit sous tension et vérifiez que l’afficheur LCD visualise bien la vitesse du vent. Même sans vent, on doit voir s’afficher 4 à 5 km/h. Si tout va comme prévu, vous pouvez paramétrer les seuils, c’est-à-dire les temporisations d’activation des relais, en appuyant sur P1 et en tournant R28.
Pour le seuil de vent, une vitesse entre 30 et 50 km/h est conseillée mais cela dépend de la surface des stores et de leur exposition.
Pour la pluie, une valeur de 10 secondes semble la meilleure. En attendant vent et pluie, vous pouvez les simuler avec un sèche-cheveux et un peu d’eau…
Faites tourner les pales de l’anémomètre jusqu’à atteindre le seuil, versez quelques gouttes d’eau sur le senseur de pluie. Vous pourrez ainsi vérifier que le circuit active les deux relais avec affichages correspondants sur l’afficheur LCD.
Eteignez et rallumez le circuit pour vérifier que l’afficheur LCD continue de fournir les indications relatives aux interventions des relais. Réglez, enfin, le temps d’activation des relais par le trimmer R29.
Rappelez-vous que ce réglage vaut pour les deux canaux.
En réglant le temps de R29, tenez compte du temps nécessaire au store pour se relever, plus quelques secondes.
Si, par exemple, sa fermeture prend 20 secondes, réglez R29 pour 24 à 30 secondes.

Figure 6 : Schéma d’implantation des composants de la platine de base de la commande de fermeture automatique à capteurs météorologiques.

Figure 7 : Photo d’un des prototypes de la platine de base de la commande de fermeture automatique à capteurs météorologiques.

Figure 8 : Dessin, à l’échelle 1, du tracé du circuit imprimé de la platine principale.

Figure 9 : Schéma d’implantation des composants de la platine afficheur LCD de la commande de fermeture automatique à capteurs météorologiques.

Figure 10 : Photo d’un des prototypes de la platine afficheur LCD de la commande de fermeture automatique à capteurs météorologiques.

Figure 11 : Dessin, à l’échelle 1, du tracé du circuit imprimé de la platine afficheur LCD.

Figure 12 : Prototype de notre commande de fermeture automatique à capteurs météorologiques. L’emploi d’un câble en nappe et des connecteurs afférents facilite le câblage de l’appareil.

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