Un radar de recul à ultrasons

Grâce à ses deux capteurs à ultrasons, ce système est en mesure de signaler à quelle distance, entre 0 et 1,5 mètre, se trouve un obstacle. Il est possible de paramétrer un seuil en dessous duquel le buzzer émet le signal d’alarme, ce qui fait de cet appareil un excellent radar de recul pour voiture.



Ce dispositif peut évaluer, en mettant à profit un principe similaire à celui utilisé dans les radars à impulsions, à quelle distance nous nous trouvons d’un obstacle quel qu’il soit, pourvu qu’il renvoie les ultrasons (en principe tous les matériaux le font plus ou moins), par exemple le mur dont s’approche dangereusement le parechocs arrière de notre voiture.

Le schéma électrique
Le schéma électrique de la figure 1 montre qu’une fois de plus le coeur du circuit est un microcontrôleur (en l’occurrence le PIC16F628 déjà programmé en usine) produisant un paquet d’impulsions à la fréquence de 40 kHz, émis ensuite par un transducteur sous forme d’une onde sonore.
Ce signal subit une réflexion quand il rencontre un objet à proximité du TX et il revient (en partie) vers le dispositif où un capteur reçoit l’onde réfléchie et la transforme, de manière inverse, en une grandeur électrique : à ce moment-là les jeux sont faits. En effet, en considérant une loi physique simple, il est alors facile d’évaluer la distance que le son a dû parcourir d’abord dans le sens “aller” puis, après réflexion, dans le sens “retour” (voir figure 2) : connaissant le temps t du trajet AR de l’onde et la vitesse v de propagation du son dans l’air (environ 340 m/s), nous trouvons la distance D grâce à la formule :

D = (v x t) : 2 soit D en m = (340 x t) : 2 soit D = 170 x t

Précisons en outre que deux situations différentes peuvent se présenter : le signal peut soit rencontrer un obstacle qui en occasionne la réflexion, soit ne pas en rencontrer.
Dans le premier cas, dès que le récepteur capte le signal réfléchi, l’émetteur émet un second paquet d’impulsions ; dans le second, le paquet suivant est émis après qu’une durée maximale paramétrée au cours de la conception se soit écoulée.
Outre le micro, le schéma électrique comporte deux transducteurs à haute sensibilité conçus pour émettre ou capter les ultrasons dans l’air : ils sont en mesure d’émettre (ou recevoir) un signal continu ou bien impulsionnel.
Les fréquences pouvant être émises ou reçues par ces dispositifs sont situées dans un petit intervalle centré sur 40 kHz (donc en dehors de notre champ auditif, merci pour nos oreilles !). La séquence d’impulsions à 40 kHz produite par le microcontrôleur est disponible sur la ligne RA1 : c’est d’elle que sort le signal qui sera émis par le transducteur SENS1. Les impulsions constituant ce signal arrivent sur la base de T1 BC547 au moyen duquel il est possible de piloter le TX avec des tensions assez élevées (plus de 10 V).
L’étage récepteur est un peu plus complexe : le transducteur SENS2 transforme le signal capté (une onde sonore, mécanique et non pas hertzienne) en une tension variable envoyée sur l’entrée inverseuse de l’amplificateur opérationnel U3b lequel, grâce au réseau de réaction R23/R24, l’amplifie et en inverse la phase.
En cascade avec ce premier étage on a disposé un second ampli-op inverseur U3c servant à augmenter l’amplitude du signal qui sera lu, en phase finale, par le micro. Avant d’atteindre une entrée (broche 17 correspondant à la ligne RA0) du PIC, le signal est mis en quadrature par un comparateur réalisé avec l’ampli-op U3d monté en anneau ouvert.
Étant donné que tous les ampli-op sont alimentés ici avec une tension simple, il a fallu polariser les entrées à une valeur d’environ 6 V (Vref), produite par le pont R18 et R19. Pour faire en sorte que Vref soit disponible avec une résistance en série presque nulle (générateur idéal de tension) nous avons utilisé un “buffer” (tampon) formé de U3a.
Les ampli-op sont tous dans un TL084 dans lequel se trouvent quatre opérationnels “general purpose” (à tout faire) avec entrée différentielle à JFET.
La tension d’alimentation nécessaire pour le fonctionnement de ce radar de recul est de 12 Vcc à partir de laquelle est obtenu, grâce à un régulateur 7805, le 5 V nécessaire au PIC.

Figure 1 : Schéma électrique du radar de recul.

Figure 2 : Mesure de la distance.

Figure 3 : L’afficheur à LED.

Le détecteur d’obstacle (ou radar de recul pour voiture) a été conçu pour être utilisé avec différents afficheurs : à barreau de LED (dont le schéma électrique est visible ci-contre) ou LCD.
L’afficheur à barreau de LED (voir les photos de l’ar ticle) est constitué d’une colonne de quatre LED rouges et d’une ligne de douze LED vertes, jaunes et rouges (quatre de chaque).
Les quatre LED constituant la colonne indiquent la distance séparant le détecteur de l’obstacle (le parechocs du mur, par exemple, voir figure 2), selon la correspondance donnée par le tableau ci-dessous.
Les douze LED de la ligne donnent une indication plus fine de la distance à l’intérieur d’une des quatre gammes : les LED vertes indiquent que nous sommes à l’extrémité supérieure de la gamme, les jaunes au milieu et les rouges à l’extrémité inférieure (distance minimale).
Si on utilise un LCD, il sera du type 16 x 2, soit 32 caractères sur deux lignes. Le programme résident permet les deux solutions (LED ou LCD) : le choix de l’une ou l’autre (analogique ou numérique) ne dépend donc que de votre goût !
Si vous utilisez un LCD, il indiquera la distance détectée entre capteur et obstacle selon la syntaxe suivante : “Distance obstacle : x cm” (si un obstacle se trouve à x centimètres), “Distance obstacle : --- cm” (si aucun obstacle n’est détecté) et “Distance obstacle : < 5 cm” (si l’obstacle détecté se trouve à moins de 5 centimètres).
LEDDISTANCE MESURÉE (cm)
LD135÷45
LD1445÷90
LD1590÷135
LD16>135


Figure 4a : Schéma d’implantation des composants de la platine de base du radar de recul.

Figure 4b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de la platine de base du radar de recul.

Figure 5 : Photo d’un des prototypes de la platine de base du radar de recul.

Figure 6a : Schéma d’implantation des composants de la platine des capteurs du radar de recul.

Figure 6b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de la platine des capteurs du radar de recul.

Figure 7 : Photo d’un des prototypes de la platine des capteurs du radar de recul.

Figure 8a : Schéma d’implantation des composants de la platine d’affichage du radar de recul.

Figure 8b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de la platine d’affichage du radar de recul.

Figure 9 : Photo d’un des prototypes de la platine d’affichage du radar de recul.

Liste des composants
R1 ............ 4,7 kΩ
R2 ............ 4,7 kΩ
R3 ............ 10 kΩ
R4 ............ 1 kΩ
R5 ............ 1 kΩ
R6 ............ 82 Ω
R7 ............ 470 Ω
R8 ............ 470 Ω
R9 ............ 470 Ω
R10 ........... 470 Ω
R11 ........... 470 Ω
R12 ........... 470 Ω
R13 ........... 1 kΩ
R14 ........... 1 kΩ
R15 ........... 1 kΩ
R16 ........... 1 kΩ
R17 ........... 47 Ω
R18 ........... 15 kΩ
R19 ........... 15 kΩ
R20 ........... 470 Ω
R21 ........... 15 kΩ
R22 ........... 1 kΩ
R23 ........... 15 kΩ
R24 ........... 1 kΩ
R25 ........... 10 kΩ
R26 ........... 2,2 kΩ
R27 ........... 270 Ω
C1 ............ 100 nF multicouche
C2 ............ 470 μF 25 V électrolytique
C3 ............ 100 nF multicouche
C4 ............ 470 μF 25 V électrolytique
C5 ............ 10 pF céramique
C6 ............ 10 pF céramique
C7 ............ 10 nF multicouche
C8 ............ 470 μF 25 V électrolytique
C9 ............ 100 μF 25 V électrolytique
C10 ........... 10 μF 63 V électrolytique
C11 ........... 10 nF 100 V polyester
C12 ........... 4,7 μF 100 V électrolytique
C13 ........... 10 nF 100 V polyester
Q1 ............ quartz 20 MHz
D1 ............ 1N4007
U1 ............ PIC16F628-EF553
U2 ............ 7805
U3 ............ TL084
T1 ............ BC547
BZ1 ........... buzzer avec électronique
P1 ............ poussoir
SENS1 ......... capteur ultrasons TX
SENS2 ......... capteur ultrasons RX
LD1~LD4 ....... LED rectangulaire verte
LD5~LD8 ....... LED rectangulaire jaune
LD9~LD16 ...... LED rectangulaire rouge

Divers :
1 ............. bornier 2 pôles
1 ............. support 2 x 9
1 ............. support 2 x 7
4 ............. vis 2,5MA 25 mm
8 ............. écrous 2,5MA
1 ............. boulon 3MA 10 mm
1 ............. barrette mâle 21 pôles
1 ............. barrette femelle 21 pôles


Figure 10 : Schéma d’assemblage et d’interconnexion des trois platines.

Figure 11 : Installation dans la voiture.

Tout d’abord il faut monter la platine des capteurs à l’intérieur d’un boîtier étanche, TX et RX étant tournés vers l’extérieur (vers l’obstacle) à travers deux trous de diamètres identiques. Pour protéger les capteurs de l’eau pouvant enter par les trous, nous vous conseillons (voir dessin) d’intercaler entre le trou et le capteur une fine gaze (tissée assez fin pour empêcher l’eau de pénétrer, sinon superposez plusieurs couches).
Quand le boîtier est ainsi fermé, le mieux est de le sceller avec du mastic silicone. Comme de l’eau risque tout de même d’entrer, percez un petit trou dans la partie basse du boîtier afin qu’elle puisse s’écouler.
Si vous utilisez ce détecteur d’obstacle comme radar de recul, vous devez le placer au niveau du parechocs arrière du véhicule (au milieu de la largeur de la voiture, soit en dessus soit en dessous du parechocs). Vous pouvez aussi envisager de le monter derrière le parechocs… si vous acceptez d’y percer deux trous pour le passage des ultrasons !
Rappelons que ces ultrasons permettent de détecter tout type d’obstacle situé à l’intérieur de leur rayon d’action, soit un mètre cinquante. Avant d’utiliser le radar de recul, paramétrez le seuil d’alarme (voir figure 12) : 25 à 30 cm devrait être une bonne distance. Quand le montage est terminé, procédez à des essais en vraie grandeur au volant de votre voiture, de façon à vous familiariser avec ce nouvel accessoire de sécurité.

Le programme résident
Sur notre site Internet on trouvera la section la plus significative du programme résidant dans le PIC, soit le “main program” (programme principal).
Tout d’abord le micro appelle la subroutine FREQ40 s’occupant de produire le 40 kHz et de piloter la capsule émettrice. Les opérations que le micro doit accomplir dans cette section du programme sont peu nombreuses : essentiellement à travers un cycle de FOR il produit une onde de fréquence adéquate, celle réclamée par le TX à ultrasons. Tout de suite après il mesure le temps écoulé avant que la capsule réceptrice ne détecte le retour. Si ce signal est détecté ou si le délai est dépassé, le micro termine le comptage et retourne au programme principal. Ici est vérifiée la valeur prise par la variable du compteur (COMPTE) et on attribue à la variable LED une valeur proportionnelle au temps mesuré. Les LED de l’afficheur sont aussi allumées en fonction de la valeur de COMPTE. Ensuite, à travers l’instruction IF DISPLAY=1 on contrôle si le module LCD est présent ou si c’est plutôt la section de visualisation à LED qui est montée. Les subroutines correspondantes, LCD ou ALLUMELED, sont ensuite appelées. Ensuite, la subroutine POUSSOIR est appelée, pour savoir si P1 a été pressé et pendant combien de temps. Si le buzzer doit être déshabilité, la variable DESHABILITE est mise à 1 et par conséquent le buzzer est éteint pendant environ 15 secondes. Si en revanche DESHABILITE est égal à 0, la valeur de COMPTE est comparée avec la variable TMP : cette dernière variable contient la distance mémorisée au-dessous de laquelle le buzzer doit commencer à retentir. Si la distance mesurée (COMPTE) est inférieure à celle d’alarme (TMP), le buzzer est activé pendant un temps proportionnel à la distance de façon à avoir une série de bips de fréquence d’autant plus élevée que l’obstacle se rapproche progressivement.

Figure 12 : Paramétrage du seuil d’alarme.

Commencez par positionner le capteur à une distance égale à celle que vous désirez paramétrer (elle sera visualisée de manière bien plus précise sur un LCD). Ensuite, pressez et maintenez le poussoir P1 pendant quelques secondes jusqu’à l’émission d’un bref signal acoustique. Avec un LCD apparaît à l’écran “Distance d’alarme : x cm”. À partir de ce moment, chaque fois que l’appareil détectera un obstacle à une distance inférieure au seuil paramétré, le buzzer émettra une série de brefs signaux acoustiques à une fréquence croissant progressivement au fur et à mesure que l’obstacle se rapproche (le signal devient continu quand la distance est inférieure à 5 cm). Pour exclure momentanément l’alarme, il suffit de presser brièvement ce même poussoir : aucun son ne retentira pendant environ 15 secondes. Il est possible d’exclure le signal d’alarme de manière permanente : pour cela il suffit d’exécuter la procédure décrite précédemment pour le paramétrage du seuil quand le capteur ne détecte aucun obstacle.

La réalisation pratique
La réalisation pratique de ce radar de recul pour voiture ne pourra que bien se passer ! Par contre vous allez devoir réaliser trois platines, que vous assemblerez ensuite très facilement, comme le montre la figure 10… Procédez bien sûr une platine après l’autre : la platine principale tout d’abord (la figure 4b donne le dessin de son circuit imprimé simple face à l’échelle 1), la platine d’affichage ensuite (la figure 8b donne le dessin de son circuit imprimé, simple face également, à l’échelle 1) que vous superposerez et connecterez à la précédente à l’aide de connecteurs barrettes M / F à 21 pôles et enfin la platine des transducteurs à ultrasons (la figure 6b donne le dessin du sien toujours à l’échelle 1) que vous déporterez, à l’aide d’un câble blindé à quatre fils, vers (par exemple) le parechocs arrière du véhicule.
Comme le montre la figure 11, cette dernière sera minutieusement protégée de l’humidité, par exemple en l’installant dans un boîtier étanche percé et/ou dans le parechocs. Quant à la platine principale couplée à l’afficheur (LCD ou à barreau de LED, voir figure 3), elle sera intégrée au tableau de bord afin que vous puissiez la voir (et l’entendre !) lorsque vous effectuez vos manoeuvres de recul. Pour l’utilisation voir les figures 3 et 12.

5 commentaires:

  1. boujour, je voudrai savoir comment je peux imprimer svp parce que cela m'interese enornement merci de bien m'explique

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  2. Bonjour,
    Serait il possible de me donner le lien du PIC16F628 afin de pouvoir réaliser ce montage.
    Merci pour vos réponse.

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  3. Ce commentaire a été supprimé par l'auteur.

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  4. Bonjour, est il possible d'avoir le lien vers le programme du PIC? j'aimerais beaucoup réaliser ce montage. Mer d'avance.

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