Un contrôle à distance à dix canaux par deux fils

Cette commande à distance est pourvue de dix sorties à collecteurs ouverts. Le récepteur et l’émetteur communiquent entre eux à travers une paire (type téléphone) par laquelle passe également l’alimentation du TX. Grâce à l’utilisation d’un système à boucle de courant, le dispositif est assez insensible aux perturbations, ce qui permet une portée de plus de 50 mètres.



Caractéristiques techniques
- Alimentation : 12 à 15 VCC ou VCA, 300 mA
- Sorties : 10 à collecteur ouvert max 50 VCC, 100 mA
- LED de signalisation de l’état des sorties
- Distance maximale entre les unités : 50 mètres
- Le TX est alimenté par la paire (câble à deux fils) transférant les données au RX.

Pour une fois nous vous proposons de construire une liaison à distance non pas radio ou IR ou GSM, mais à fils (deux seulement, pour dix canaux). Son avantage est qu’une telle liaison est insensible aux perturbations électromagnétiques, son inconvénient est la faible portée, ici limitée à 50 mètres (par contre une banale paire téléphonique, ou n’importe quel cordon à deux fils, constituera un câble de liaison parfait).
Le TX lui-même est alimenté via ce câble à partir de l’alimentation du récepteur. Le système est une sorte de transpondeur dont les deux unités communiquent, non pas par l’intermédiaire d’un champ magnétique, mais par une boucle de courant où l’émetteur envoie son code le long de la ligne d’alimentation (fournie, on l’a dit, par le récepteur) quand une de ses entrées est activée.

L’unité émettrice (TX)
Le coeur en est le microcontrôleur PIC16C54 dont le programme résident contrôle le fonctionnement de l’ensemble.
Tout d’abord le micro attribue les lignes d’E / S : tout le portB (RB0 à RB7) et RA2, RA3 du portA sont configurés comme entrées maintenues au niveau logique haut par R18 à R27.
La seule E / S configurée en sortie est RA1 qui est affectée au circuit d’émission formé de T2 et de R28. En ce qui concerne l’alimentation du micro, elle est fournie par un 78L05 réduisant à 5 V la tension présente aux points + et – de VTX (10 V). C13 et C14, suivant le régulateur, filtrent les perturbations éventuelles, tandis que D7 et C15 ont une double fonction que nous expliquerons plus loin. Dès qu’une des lignes d’entrée change d’état (soit passe du un logique à zéro), le micro lance la routine d’émission produisant une donnée sérielle à la sortie de la ligne RA1. Les impulsions TTL constituant le flux, polarisent la jonction base-émetteur de T2 lequel éteint et allume LD12 qui clignote rapidement au rythme de chaque émission. Pour comprendre comment le récepteur capte ces instructions, regardons comment l’émetteur reçoit son alimentation du récepteur.

Figure 1 : Schéma électrique de l’émetteur du contrôle à distance filaire.

Figure 2a : Schéma d’implantation des composants de l’émetteur du contrôle à distance filaire.

Figure 2b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de l’émetteur du contrôle à distance filaire.

Figure 3 : Photo d’un des prototypes de la platine de l’émetteur du contrôle à distance filaire.

Toutes les fonctions de l’émetteur sont gérées par un microcontrôleur PIC16C54 déjà programmé en usine. Par la paire reliant TX et RX passe le train d’impulsions contenant les codes de contrôle et la tension alimentant l’émetteur.

Liste des composants de l'unité émettrice (TX)
R16 ... 1 kΩ
R17 ... 4,7 kΩ
R18 ... 10 kΩ
R19 ... 10 kΩ
R20 ... 10 kΩ
R21 ... 10 kΩ
R22 ... 10 kΩ
R23 ... 10 kΩ
R24 ... 10 kΩ
R25 ... 10 kΩ
R26 ... 10 kΩ
R27 ... 10 kΩ
R28 ... 220 Ω
C10 ... 15 pF céramique
C11 ... 15 pF céramique
C12 ... 100 nF multicouche
C13 ... 100 nF multicouche
C14 ... 10 μF 63 V électrolytique
C15 ... 470 μF 25 V électrolytique
D7 .... 1N4007
U4 .... PIC16C54-EK8023
Q2 .... quartz 4 MHz
VR2 ... 78L05
T2 .... BC547
LD12 .. LED 3 mm rouge

Divers :
1 support 2 x 9
5 borniers à 2 pôles
1 bornier à 3 pôles
Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.


L’unité réceptrice (RX)
L’unité réceptrice est alimentée par une tension externe appliquée à D1 à D4 formant un pont redresseur à la sortie duquel se trouvent C9 et C4 filtrant la tension d’entrée du régulateur 7810 : la tension stabilisée sort de VR1 (10 V) pour être appliquée directement au + de VTX. À travers ce bornier, l’émetteur reçoit l’alimentation directement du récepteur mais, comme le montre le schéma électrique du récepteur, figure 4, alors que le pôle positif est relié directement au 10 V sortant de VR1, le pôle négatif est relié à la masse du récepteur à travers une résistance R15 de 22 ohms. On comprend que la polarisation de T1 (RX), par lequel le micro du RX reçoit les commandes du TX, dépend du courant consommé par tout l’émetteur : en effet, chaque fois que T2 (TX) est saturé, il détermine une augmentation du courant entre + et – VTX et, par conséquent, une augmentation de la chute de tension aux extrémités de R15. En particulier, le courant circulant dans l’émetteur, quand T2 est au repos, est égal à la somme des courants consommés par le micro et VR2 : ce courant (10 mA environ) provoque une chute de tension sur R15 d’environ 0,25 V, laquelle force T1 à demeurer bloqué.
Par contre, quand T2 est saturé, donc lorsque le courant consommé par tout le TX monte à environ 55 milliampères, on peut observer aux extrémités de R15 une chute de tension d’environ 1,2 V.
Cette tension polarise directement la jonction base-émetteur du NPN T1, dont le collecteur met au 0 logique l’entrée RA1 (broche 18) du micro maintenu au niveau logique haut par R13. A chaque commutation de T1 LD11 clignote rapidement au rythme de l’arrivée de chaque flux de données de commandes. Le micro du récepteur déchiffre la donnée sérielle ainsi acquise et paramètre les sorties (RB0 à RB7 et RA2, RA3) commandant directement les deux pilotes de lignes (U2 et U3). Sur chaque sortie du PIC on a une LED (LD1 à LD10) visualisant l’état de ces deux pilotes.
Les circuits intégrés utilisés comme interface de puissance sont deux ULN2003 (U2 et U3) : chacun contient sept darlington NPN dont l’émetteur est relié à la broche 8 (GND) ; les bases (chacune avec sa résistance de limitation en série) correspondent aux entrées IN1 à IN7 et les collecteurs vont chacun à une broche de sortie OUT1 à OUT7. Le ULN2003 est un pilote pouvant gérer même des charges inductives comme les relais ou de petits moteurs continus : en effet, le collecteur de chaque darlington est internement relié à l’anode d’une diode, dont la cathode est commune avec celles des autres et aboutit à la broche 9 (CLAMP) reliée à une ligne externe Vext. Ces diodes peuvent efficacement couper les tensions inverses typiques de la commutation sur les charges inductives, phénomènes qui, sans cela, mettraient rapidement les darlington hors d’usage.
Voyons pour finir quelques détails laissés en suspens. L’alimentation du micro U1 est obtenue en ramenant à 5,1 V la tension de sortie de VR1 au moyen de ZD1 et de sa résistance R12. Quant au circuit d’horloge, le micro se sert du réseau en pi comportant le quartz de 4 MHz entre les broches 15 et 16 et C1 / C2 reliés à la masse.
Mais revenons un peu au circuit du TX : que se passe-t-il dans la ligne d’alimentation lors d’une émission ? On l’a vu, quand une entrée du TX est excitée, le micro envoie la commande au récepteur par l’intermédiaire de la commutation de T2, lequel module le courant consommé par le TX entier : ce courant influe bien sûr sur la tension d’alimentation présente sur les bornes VTX et la fait chuter (concomitamment avec la saturation de T2) de 10 à 8,8 V environ. En gros, ce qui se tient sur la ligne d’alimentation n’est plus une tension continue mais une onde rectangulaire décollée de la masse. Cela pourrait influencer le fonctionnement du micro U4 et c’est pourquoi nous avons placé D7 en amont de VR2, afin qu’elle empêche C15 de se décharger quand, entre les deux fils, la tension diminue de 1,2 V.
Résumons enfin le fonctionnement du système : quand en entrée du TX se trouve un niveau logique haut, la ligne correspondante du micro du RX reste à zéro et donc le canal de sortie correspondant reste interdit (aucun courant ne parcourt l’éventuelle charge).
Inversement, quand on met à la masse une entrée du PIC de l’émetteur, on détermine le un logique sur la broche de sortie correspondante du micro du récepteur, lequel fait conduire la sortie OUT correspondante du ULN2003 et en allume la LED.

Figure 4 : Schéma électrique du récepteur du contrôle à distance filaire.

Figure 5a : Schéma d’implantation des composants du récepteur du contrôle à distance filaire.

Figure 5b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du récepteur du contrôle à distance filaire.

Figure 6 : Photo d’un des prototypes de la platine du récepteur du contrôle à distance filaire.

Les deux circuits intégrés ULN2003, utilisés comme interface de puissance, peuvent aussi gérer directement des charges inductives comme les relais ou de petits moteurs électriques fonctionnant en courant continu car ils sont pourvus de diodes de recirculation pour les courants inverses : pour mettre ces diodes à profit, il faut connecter l’alimentation des charges aussi aux points Vext du bornier.

Liste des composants de l'unité réceptrice (RX)
R1 .... 470 Ω
[…]
R11 ... 470 Ω
R12 ... 56 Ω
R13 ... 10 kΩ
R14 ... 1 kΩ
R15 ... 22 Ω
C1 .... 15 pF céramique
C2 .... 15 pF céramique
C3 .... 330 pF céramique
C4 .... 100 nF multicouche
C5 .... 100 nF multicouche
C6 .... 100 nF multicouche
C7 .... 10 μF 63 V électrolytique
C8 .... 100 μF 25 V électrolytique
C9 .... 1000 μF 25 V électrolytique
D1 .... 1N4007
[…]
D6 .... 1N4007
ZD1 ... zener 5,1 V 500 mW
U1 .... PIC16C54-EK8023
U2 .... ULN2003
U3 .... ULN2003
Q1 .... quartz 4 MHz
T1 .... BC547
VR1 ... 7810
LD1 ... LED 3 mm rouge
[…]
LD11 .. LED 3 mm rouge

Divers :
1 support 2 x 9
2 supports 2 x 8
8 borniers à 2 pôles
Sauf spécification contraire, toutes les
résistances sont des 1/4 W à 5 %.


La réalisation pratique
La réalisation pratique de cette liaison filaire exige bien sûr celle des deux platines TX et RX : les deux circuits imprimés simple face réalisés (les figures 2b, pour le récepteur et 5b, pour l’émetteur, en donnent les dessins à l’échelle 1), montez d’abord les supports des circuits intégrés, puis tous les autres composants, en terminant par les borniers (aidez-vous des figures 2a et 5a, ainsi que des photos des figures 4 et 6).

Figure 7 : Le contrôle des charges.

Cette figure fournit divers exemples d’utilisation des sorties du récepteur. On le voit, une alimentation extérieure est appliquée aux charges et aux contacts Vext de la platine (positif et négatif). Le contact de masse est toujours nécessaire pour fermer les circuits de puissance et la connexion à l’entrée positive permet d’utiliser les diodes de recirculation se trouvant dans les “lines drivers” (pilotes de lignes) de façon à piloter directement des charges inductives : si cette connexion n’était pas effectuée, nous serions obligés de monter en parallèle avec chaque charge inductive une diode de protection. Dans l’exemple illustré, la sortie 1 contrôle un relais, la 2 un moteur et la 3 une ampoule. Les 4 et 5 pilotent deux relais commandant un moteur électrique en continu : quand on excite l’enroulement correspondant à OUT4 on fournit la tension au moteur et si on excite OUT5 on inverse le sens de rotation. Rappelons que l’on peut relier aux sorties du récepteur des charges fonctionnant avec une tension maximale de 50 V et ne consommant pas plus de 100 mA.

Figure 8 : Les autres liaisons.

En dehors des sorties de puissance, afin de rendre notre contrôle à distance filaire opérationnel, on n’a que le récepteur à alimenter (avec une source alternative, c’est le cas représenté par le dessin, ou bien avec une tension continue).
Le circuit comporte en effet un pont redresseur (avec condensateur de filtrage) auquel on peut brancher des tensions indifféremment alternatives ou continues. TX et RX sont ensuite reliés par une paire (deux fils) de 50 m de longueur au maximum. On connecte aux dix entrées de l’émetteur des poussoirs ou des interrupteurs.

Les essais
Alimentez le système en fournissant au bornier ALIM du récepteur la tension alternative d’un petit transformateur ayant un secondaire de 12 à 15 VCA 300 mA ou la tension continue d’une petite alimentation bloc secteur 230 V de mêmes tension et intensité. Reliez le TX au RX avec une paire (type téléphone ou cordon électrique ordinaire) dont la longueur n’excèdera pas 50 mètres (borniers VTX) : attention à la polarité.
Dotez l’entrée qui vous intéresse, ou les entrées (jusqu’à dix), du TX de poussoir(s) ou interrupteur(s) : entre 1 à 10 et COM. Voir figure 8. Connectez aux bornes 1 à 10 et VEXT + et GND du récepteur une, ou plusieurs (jusqu’à dix) charge(s), même inductives, comme le montre la figure 7.
Normalement toutes les LED, sauf LD11 et LD12, sont éteintes et, quand on actionne une entrée, le canal correspondant du récepteur doit réagir : essayez d’agir sur le poussoir du premier canal et vérifiez que la LD11 (RX) et la LD12 (TX) émettent une séquence rapide de clignotements alors que LD1 s’allume fixe. Si cela se produit, c’est que les deux unités dialoguent. Relâchez alors le poussoir 1 : LD1 s’éteint.
Les canaux sont indépendants : si l’on actionne en même temps deux ou plusieurs (même tous les dix) poussoirs du TX, les canaux du RX restent actifs pendant toute la durée de la pression sur les poussoirs du TX (c’est pourquoi on peut utiliser des interrupteurs normalement ouverts au lieu des poussoirs).

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