Un radar précis multifonction à ultrasons

En utilisant deux capsules ultrasoniques, une émettrice et une réceptrice, vous pouvez utiliser un radar simple qui pourra être mis à profit comme alerte de recul, pour éviter de heurter un mur en faisant marche arrière dans votre garage. Ce projet peut être utilisé également comme système d’alarme, car il est en mesure de détecter le passage d’une personne ou d’un animal à une distance d’environ 3 mètres et même de les photographier.


Dans cet article, nous chercherons à vous expliquer le principe de fonctionnement d’un radar à ultrasons et nous vous expliquerons comment en fabriquer un.
Pour réaliser ce radar, nous avons utilisé deux capsules, une émettrice pour produire les impulsions ultrasoniques et une réceptrice pour les capter lorsqu’elles sont réfléchies par un éventuel obstacle présent sur leur trajectoire.

La vitesse des ondes sonores
Il est connu que lorsque les chauves-souris volent dans la plus complète obscurité, elles parviennent à éviter les obstacles au moyen d’une émission d’ultrasons, qui, se réfléchissant sur les obstacles, sont perçus par leur appareil auditif.
C’est comme si ces petites bêtes étaient équipées d’un radar à ultrasons.
La chauve-souris, en fait, après avoir émis une impulsion ultrasonique, en fonction du temps écoulé entre l’émission et la réception de cette dernière par son appareil auditif, détecte la présence d’un obstacle, ce qui lui permet de l’éviter ou même, dans le cas d’insectes constituant son repas, de les attraper en vol.
Particularité fascinante : comment le cerveau de ce petit mammifère est en mesure d’évaluer des temps de l’ordre de quelques millisecondes ? Ce phénomène observable dans le monde animal est comparable à l’effet d’écho, que nous autres humains connaissons tous.
Nous savons, en effet, qu’étant à la montagne, si nous crions face à une paroi rocheuse, après un certain laps de temps, nous entendons notre cri en retour.
Ce laps de temps est proportionnel à la distance de l’obstacle (dans notre cas la paroi rocheuse) par rapport à nous.
Il s’agit d’un temps facilement calculable, car comme chacun sait, les ondes sonores se propagent dans l’air à la vitesse de 340 mètres à la seconde, ce qui correspond à 34 centimètres à la milliseconde.
Comme le phénomène d’écho est produit par des ondes réfléchies par un objet, il est évident que les temps doublent, car ils doivent atteindre l’obstacle, puis revenir en arrière.
La formule à utiliser pour calculer cette distance peut être exprimée de la façon suivante :

Distance en centimètres = (34 : 2) x temps en millisecondes

la formule pour calculer le temps en millisecondes connaissant la distance à parcourir est la suivante :
Temps en millisecondes = (distance en cm : 34) x 2

Note : le nombre 34 présent dans les deux formules est la vitesse de propagation en cm par milliseconde.
Ainsi, si nous voulons déterminer la distance d’un obstacle qui a produit l’effet d’écho avec un retard de 3 millisecondes, nous devons utiliser une calculatrice de poche et la formule que nous avons évoquée précédemment.
(34 x 2) x 3 = 51 centimètres

si, à l’inverse, nous voulons calculer le temps en millisecondes mis par un son pour parcourir 51 centimètres d’aller et retour, nous devons utiliser la formule suivante :
(51 : 34) x 2 = 3 millisecondes


Figure 1 : Photo du radar vu de face. Sur la gauche de la face avant, la capsule émettrice TX et, sur la droite, la capsule réceptrice RX. L’illustration de droite montre une application possible.

A quoi cela peut servir ?
Comme un radar à ultrasons parvient à couvrir une distance maximale de 3 mètres, certains lecteurs se demanderont dans quelles applications il sera possible de l’utiliser.
Si vous, votre épouse ou votre progéniture, percute régulièrement le mur du fond de votre garage, amochant irrémédiablement le pare-chocs, ce radar est fait pour vous !
Il suffit de le fixer sur le mur et de le régler de manière à allumer une lampe lorsque la partie arrière du véhicule ce trouve à une distance de 10 à 15 centimètres de distance.
Ce genre d’incident n’est cependant pas le seul apanage des conducteurs distraits, mais de quiconque doit garer en marche arrière des fourgons, des remorques ou même simplement des voitures de sport, qui ont une mauvaise visibilité vers l’arrière.
Ce radar peut également être utilisé comme alarme, s’il est réglé de sorte que le relais soit excité chaque fois qu’une personne passe devant les capsules ultrasoniques. Les contacts du relais peuvent êtres utilisés pour actionner une sirène ou bien pour déclencher le flash d’un appareil photo.

Figure 2 : Sur le panneau arrière du coffret se trouve le bouton du potentiomètre R7, utile pour déterminer la distance de travail.

L’étage émetteur
Pour générer des impulsions ultrasoniques, on utilise le circuit visible à la figure 3, composé des deux circuits intégrés IC1 et IC2, de la porte NAND (IC3-A), du transistor PNP (TR1) et, évidemment, d’une capsule ultrasonique émettrice TX.
Le premier circuit intégré IC1 est un CMOS type CD4060 (voir figure 4) composé d’un étage oscillateur et de 14 étages diviseurs.
En reliant un quartz de 40 kHz, soit 40 000 Hz, entre les pattes 10 et 11, sur les pattes 9, 4, 15, nous prélevons les fréquences suivantes : Patte 9 = la même fréquence que celle générée par le quartz, 40 000 Hz.
Patte 4 = la fréquence générée par le quartz, divisée par 64 (40 000 : 64 = 625 Hz).
Patte 15 = la fréquence générée par le quartz, divisée par 1 024 (40 000 : 1 024 = 39 Hz).
Les deux fréquences de 625 Hz et 39 Hz sont appliquées sur les deux entrées RESET et CLOCK (pattes 10 et 11) du second circuit intégré IC2, qui est une bascule type D.
De la sortie Q (patte 13) nous prélevons une série d’impulsions d’une largeur égale à 0,8 milliseconde, séparées les unes des autres de 25,6 millisecondes.
De la sortie Q/ (patte 12), nous prélevons les mêmes impulsions, mais avec les niveaux logiques inversés (voir figure 5).
Comme la capsule ultrasonique que nous avons utilisée a son rendement maximum sur la fréquence de 40 000 Hz, la porte NAND IC3-A envoie sur la base du transistor TR1, soit l’impulsion prélevée à la sortie de la patte Q d’IC2-A, soit les 40 000 Hz prélevés sur la patte 9 d’IC1 Ainsi, sur la capsule émettrice TX, nous retrouverons la forme d’onde visible sur la sortie d’IC3-A (figure 6).
Ces impulsions à une fréquence de 40 000 Hz sont émises vers l’avant par la capsule TX et, si elles rencontrent un obstacle, elles retournent vers la capsule réceptrice RX qui les détecte immédiatement. Pour évaluer la distance de l’obstacle, il faut avoir recours à un circuit qui procède à l’évaluation du temps qui s’écoule entre l’envoi de l’impulsion et son retour. C’est le rôle de l’étage de réception.

L’étage de réception
Pour capter les impulsions ultrasoniques qu’un obstacle quelconque réfléchit, on utilise une capsule ultrasonique réceptrice RX et les quatre amplificateurs opérationnels IC4-A, IC4-B et IC5-A, IC5-B contenus à l’intérieur de deux TL082.
Le premier amplificateur opérationnel IC4-B procède à l’amplification dans un rapport de 30, des impulsions à 40 000 Hz captées par la capsule ultra sonique RX.
Les deux diodes DS5 et DS6, connectées en opposition de polarité à la résistance R15, servent à éviter que les signaux réfléchis par un obstacle très proche puissent saturer l’amplificateur.
Le signal amplifié présent sur la sortie d’IC4-A est appliqué sur l’entrée du second amplificateur opérationnel IC4-B utilisé comme filtre passe-bande qui procède à l’amplification par 10 de la seule fréquence ultrasonique de 40 000 Hz.
L’amplificateur opérationnel IC5-B est utilisé pour remettre en forme le signal fourni par le filtre passe-bande. Après quoi, la diode DS7, la résistance R21 et le condensateur C18, permettent de supprimer de ce signal la fréquence de modulation des 40 000 Hz.
La porte NAND IC5-A sert à inverser le niveau logique.
Sur la patte CK du second FLIP-FLOP type D, IC2-B, parvient l’impulsion réfléchie.
Par contre, sur la patte D est présente une impulsion de largeur variable prélevée de la sortie de la porte NAND IC3-B.
La largeur de l’impulsion fournie par la porte NAND IC3-B peut être modifiée d’un minimum de 0,12 milliseconde, jusqu’à un maximum de 25,6 millisecondes en tournant d’une extrémité à l’autre le curseur du potentiomètre R7, placé sur l’entrée de la porte NAND IC3-B (voir figure 7).
Si l’impulsion réfléchie atteint la patte CK du FLIP-FLOP IC2-B lorsque l’impulsion fournie par la porte NAND IC3-B se trouve encore au niveau logique 1, le relais peut coller, si l’impulsion réfléchie atteint la patte CK lorsque l’impulsion de la porte NAND IC3-B est déjà descendue au niveau logique 0, le relais ne peut pas coller.
Si nous réglons la largeur de l’impulsion sur son minimum de valeur (0,12 milliseconde), le relais colle dès que l’obstacle qui réfléchit l’impulsion se trouve à une distance d’environ :
(34 : 2) x 0,12 = 2 centimètres

si nous réglons la largeur de l’impulsion sur son maximum de valeur (25,6 millisecondes), le relais colle des que l’obstacle qui réfléchit l’impulsion se trouve à une distance inférieure à 435 centimètres :
(34 : 2) x 25,6 = 435 centimètres

Il sera assez difficile d’atteindre cette distance de 4 mètres, parce que le transistor TR1 n’est pas en mesure de fournir en sortie une puissance suffisante pour pouvoir atteindre une distance totale de 8 mètres, 4 mètres à l’aller et 4 pour le retour.
Pour ce qui concerne la portée, nous voulons apporter une précision très importante.
L’impulsion de retour doit parvenir sur la capsule réceptrice durant le temps maximal fixé par le potentiomètre R7.
Si nous avons fixé un temps de 6 millisecondes, qui correspond à un obstacle placé à une distance d’environ 1 mètre, le relais colle dès que notre radar composé des deux capsules TX et RX se trouvera à cette distance et demeurera collé même lorsque la distance sera réduite à 80, 50 et 20 cm.
Pour décoller le relais, il faut éloigner notre radar au-delà d’un mètre. Théoriquement, on pourrait tracer sur la face avant du coffret, des repères de référence sur chacune des positions du bouton en fonction de la distance.
Si vous utilisez ce radar pour ne pas heurter le mur du fond du garage avec la partie arrière de votre véhicule, il vous faut approcher la voiture du radar, puis tourner le bouton du potentiomètre jusqu’au moment ou le relais colle (relais qui servira à actionner une petite sirène ou allumer une lampe).
Après avoir obtenu cette condition, il faudra tracer un petit repère de référence sur la face avant du coffret.
Après avoir trouvé la distance idéale, essayez d’éloigner le véhicule de quelques centimètres, le relais doit se décoller, pour ensuite coller de nouveau lorsque vous rapprocherez la voiture du mur.

Figure 3 : Schéma électrique du radar ultrasonique.
Sur la gauche, on peut voir l’étage émission et sur la droite, l’étage réception.


Figure 4 : Le circuit intégré IC1 utilisé dans l’étage d’émission est un CD4060 contenant un étage oscillateur et 14 étages diviseurs. Si le quartz XTAL est de 40 kHz, de la patte 4, vous prélèverez une fréquence de 625 Hz et de la patte 15, une fréquence de 39 Hz.

Figure 5 : Les deux fréquences de 625 Hz et 39 Hz que vous prélèverez du circuit intégré IC1 sont appliquées sur les pattes RESET et CK de IC2-A, donc, sur un des deux FLIP-FLOP présents à l’intérieur du circuit intégré 4013. Le second FLIP-FLOP IC2-B est utilisé dans l’étage de réception (voir figure 3).

Figure 6 : Comme vous pouvez le voir sur la figure 3, la fréquence de 40 000 Hz est appliquée sur la patte d’entrée 9 de la porte NAND IC3-A et la fréquence de 39 Hz sur la patte opposée 8. De cette façon, de la patte 10 de cette porte NAND vous prélèverez des impulsions étroites à 39 Hz modulés à 40 000 Hz, qui seront appliqués sur la capsule émettrice TX.

Figure 7 : Dès que le signal envoyé par la capsule TX rencontre un obstacle, il est renvoyé vers la capsule réceptrice RX. Le potentiomètre R7 permet d’élargir ou de rétrécir l’impulsion qui entre dans la patte 5 du circuit intégré IC2-B.
Si l’impulsion réfléchie parvient sur la patte CK du FLIP-FLOP IC2-B lorsqu’un niveau logique 1 est encore présent sur la patte 5, le relais colle (ON), dans le cas contraire, le relais ne colle pas (OFF).


Figure 8 : Sur cette photo, vous pouvez voir le circuit imprimé fixé à l’intérieur du coffret, avec les deux capsules ultrasoniques TX et RX placées sur la face avant et avec le potentiomètre placé sur la partie arrière.

Figure 9 : Voici comment se présente le circuit imprimé, une fois que vous aurez monté tous les composants. Signalons que les photos reproduites dans l’article sont celles de nos premiers prototypes et, de ce fait, ne sont pas sérigraphiés.

Figure 10 : La capsule émettrice TX est reconnaissable par la lettre S (Sender) marquée sur sa partie arrière.

Figure 11 : La capsule réceptrice RX est reconnaissable par la lettre R (Receiver) marquée sur sa partie arrière.

Figure 12a : Schéma d’implantation des composants du radar à ultrasons. Les broches des deux capsules TX et RX sont bloquées dans les deux trous des borniers et serrées par les deux vis.

Figure 12b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés du radar à ultrasons, côté composants.

Figure 12c : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés du radar à ultrasons, côté soudures. Pour réaliser ce montage, il faut disposer des 2 circuits imprimés double face. Si vous décidez de réaliser vous-même ce circuit imprimé, n’oubliez pas toutes les liaisons entre les deux faces.

Liste des composants
R1 = 47 kΩ
R2 = 10 MΩ
R3 = 3,3 kΩ
R4 = 470 Ω
R5 = 270 Ω
R6 = 2,7 kΩ
R7 = 1 MΩ pot. lin.
R8 = 1 kΩ
R9 = 10 kΩ
R10 = 270 kΩ
R11 = 10 kΩ
R12 = 10 kΩ
R13 = 10 kΩ
R14 = 3,3 kΩ
R15 = 100 kΩ
R16 = 3,3 kΩ
R17 = 1,5 kΩ
R18 = 68 kΩ
R19 = 10 kΩ
R20 = 100 Ω
R21 = 10 kΩ
R22 = 4,7 kΩ
R23 = 10 kΩ
R24 = 10 kΩ
R25 = 10 kΩ
R26 = 1 kΩ
R27 = 1 kΩ
C1 = 82 pF céramique
C2 = 82 pF céramique
C3 = 100 nF polyester
C4 = 10 nF polyester
C5 = 47 μF électrolytique
C6 = 10 nF polyester
C7 = 33 nF polyester
C8 = 33 nF polyester
C9 = 10 nF polyester
C10 = 10 μF électrolytique
C11 = 10 nF polyester
C12 = 10 nF polyester
C13 = 470 pF céramique
C14 = 470 pF céramique
C15 = 100 nF polyester
C16 = 10 μF électrolytique
C17 = 100 μF électrolytique
C18 = 10 nF polyester
C19 = 10 μF électrolytique
JAF1 = Self 2,2 μH
XTAL = Quartz 40 kHz
DS1 à DS9 = Diodes 1N4148
DL1 - DL2 = Diodes LED
TR1 = PNP BC557
TR2 = NPN BC547
TR3 = NPN BC547
TR4 = NPN BC547
IC1 = CMOS 4060
IC2 = CMOS 4013
IC3 = CMOS 4093
IC4 - IC5 = Intégré TL082
RELAIS 1 = Relais 12 V min. pour ci
TX = Capsule TX ultrasonique
RX = Capsule RX ultrasonique


Figure 13 : Pour régler ce radar, il suffit de poser le circuit sur une table, puis d’approcher des capsules un objet quelconque. Il faut ensuite régler le potentiomètre R7 jusqu’au moment où la diode LED DL1 s’éteint.

Figure 14 : Brochages des transistors BC547 et BC557 vus de dessous et des circuits intégrés 4093 et TL082 vus de dessus.

La réalisation pratique
L’observation du schéma d’implantation des composants de la figure 12 permet de noter que le fait de monter un radar à ultrasons n’est pas aussi difficile qu’on pourrait le supposer.
Une fois en possession du circuit imprimé, les premiers composants que nous vous conseillons de monter sont les cinq supports pour les circuits intégrés.
Après avoir soudé les pattes des supports sur les pistes en cuivre du circuit imprimé, il est important de vérifier que toutes soient correctement soudées.
Vous pouvez ensuite monter toutes les résistances. Cette opération terminée, insérez les diodes au silicium en verre en orientant la partie de leur corps marquée par une bague dans le sens clairement indiqué sur le schéma de la figue 12. Par contre, dans le cas des diodes au silicium DS8 et DS9, qui sont en plastique, vous devez orienter vers le bas, le côté de leur corps entouré d’une bague.
A présent, vous pouvez insérer les quatre condensateurs céramique C1, C2, C13 et C14. Entre les deux marqués C1 et C2, installez le quartz XTAL, un modèle cylindrique de 40 000 Hz.
Poursuivez le montage par la mise en place de tous les condensateurs polyester, puis des électrolytiques en respectant, pour ces derniers, la polarité +/– de leurs pattes. Le moment est venu de monter les transistors. A ce propos, nous devons préciser que sur leur corps il est possible de trouver une référence légèrement différente de celle inscrite dans la nomenclature.
Le transistor BC557 (voir TR1), qui est un PNP, peut être marqué C557 et sur le corps des trois transistors BC547 (voir TR2, TR3 et TR4), qui sont des NPN, peuvent êtres marqués C547. Installez le premier transistor BC557 en orientant la partie plate de son corps vers IC3.
Placez ensuite les trois transistors BC547 TR2, TR3 et TR4 en orientant la partie plate de leur corps vers le haut (voir figure 12).
Pour compléter le montage, insérez dans la partie supérieure du circuit imprimé, le relais, le bornier à 2 plots pour l’entrée de la tension d’alimentation de 12 volts et celui à 3 plots pour les sorties des contacts du relais.
Sur la partie inférieure du circuit imprimé, soudez les deux borniers à 3 plots, utilisés pour bloquer les broches des capsules ultrasoniques.
Les derniers composants à monter sont les circuits intégrés qui seront insérés dans leurs supports respectifs en prenant soin de placer leur repère-détrompeur en forme de U comme cela est visible sur la figure 12.
Le potentiomètre R7 et les diodes LED seront fixés sur la face avant du coffret comme vous pouvez le voir sur les photos.
Important : Comme il est assez difficile de distinguer la capsule ultrasonique TX de la capsule RX, en raison de l’absence de marquage explicite, vous pourrez noter que sur la capsule émettrice TX (qui devrait être référencée MA40B5S), nous avons seulement la lettre S, qui signifie “Sender”, donc, émetteur (voir figure 10).
Sur la capsule réceptrice RX (qui devrait être référencée MA40B5R), nous trouvons seulement la lettre R qui signifie “Receiver”, donc, récepteur (voir figure 11).
Les deux capsules étant identifiées, insérez les deux broches dans les trous du bornier, puis fixez-les en vissant les deux petites vis.

Le test de mise au point
Après avoir fixé le circuit imprimé à l’intérieur de son coffret en plastique (voir figure 13), pour régler le radar, posez le montage sur une table, puis tournez le bouton du potentiomètre R7, jusqu’à ce que le relais décolle. En faisant ainsi, vous avez déterminé la distance table-mur.
Si vous approchez le radar, même de quelques centimètres du mur, le relais doit coller. Par contre, si ensuite vous l’éloignez de nouveau, le relais décolle.
Vous pouvez noter qu’en approchant des deux capsules un objet quelconque, comme une table en bois, une plaque de plastique, de métal ou de verre etc., le relais colle également.
Sûr de son fonctionnement, vous pouvez installer le radar dans le garage pour éviter de heurter le mur du fond ou bien dans un couloir pour l’utiliser comme alarme de passage.

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