Un sismographe complet avec détecteur pendulaire et interface PC

L’interface PC



Comme vous commencez la lecture de cet article, nous supposons que vous avez déjà lu la première partie dans laquelle nous décrivions le détecteur pendulaire. Si ce n’est pas le cas, nous vous conseillons vivement de vous y reporter, de nombreuses explications étant nécessaires à la bonne compréhension de cette dernière partie.





L’interface détecteur/ordinateur

L’interface proprement dite

La figure 20 en donne le schéma électrique. Comme vous pouvez le voir, le signal prélevé à la sortie du détecteur pendulaire arrive sur la douille d’entrée de l’interface et, à travers cinq condensateurs polyesters de 1 μF montés en parallèle (C1 à C5), entre dans la broche 2 non-inverseuse de l’amplificateur opérationnel IC1-A pour y être amplifié ou bien atténué.

En tournant le curseur du trimmer R4 de manière à court-circuiter toute sa résistance, le signal sortant de la broche 7 est atténué de 50 % ; si toute la résistance est insérée, le signal est en revanche amplifié de 4,7 fois environ.

Après avoir relié le détecteur pendulaire à cette interface, vous devrez tourner le curseur de R4 de manière à visualiser à l’écran une trace “de bruit” de 2 mm de hauteur (figure 27).

Le signal sortant de l’amplificateur opérationnel IC1-A est appliqué à l’entrée du second amplificateur opérationnel IC1-B utilisé comme filtre passe-bas pour supprimer et atténuer toutes les fréquences n’entrant pas dans la gamme des ondes sismiques.

Une fois débarrassé de ses impuretés, le signal est appliqué sur la broche 7 de IC2, un convertisseur A/N AD7715 de Analog Device, utilisé pour convertir la tension alternative des ondes sismiques en un nombre binaire de 16 bits. Etant donné que la valeur maximale de tension produite par le détecteur pendulaire est de 5 V alternatif, pour obtenir 16 bits, cette tension est convertie en 65 536 niveaux numériques ; par conséquent, il suffit de :

5 : 65 536 = 0,000076 V,


soit des variations infimes de tension, pour que l’interface les détecte tout de suite.

Précisons que sur la broche 7 d’entrée de IC2 est appliquée une tension fixe de 2,5 V servant uniquement à visualiser à l’écran la ligne centrale.

En présence d’ondes sismiques, cette tension descendra de 2,5 V vers 0 V pour tracer sur l’écran la demie onde négative et montera vers 5 V pour tracer la demie onde positive.

Le circuit intégré AD7715 (IC2), après avoir converti ces signaux analogiques en signaux numériques, les transfère par voie sérielle (broches 14, 13, 12, 5, 4 et 1) vers le microcontrôleur IC3, un ST72T311-EP1500 déjà programmé en usine pour remplir les fonctions d’interface pour sismographe.

Les broches 37, 38, 40 et 11 du microcontrôleur IC3 sont reliées aux broches 11, 12, 10 et 9 de IC4, un convertisseur bidirectionnel de signaux TTL en signaux RS232 et vice-versa.

Comme vous le savez sans doute, les niveaux logiques sortant du microcontrôleur IC3 sont TTL et ont donc ces valeurs de tension :

niveau logique bas (0) = 0 V

niveau logique haut (1) = +5 V


Les niveaux logiques réclamés par la prise sérielle de l’ordinateur sont en revanche RS232 et ont donc ces valeurs de tension :

niveau logique bas (0) = +10 V

niveau logique haut (1) = –10 V


De ce fait, quand le microcontrôleur IC3 envoie sur les broches d’entrée 11 et 10 de IC4 une tension de 0 V, sur les broches de sortie correspondantes 14 et 7 allant vers l’ordinateur, nous retrouvons une tension positive de 10 V.

Quand le microcontrôleur IC3 envoie sur les broches d’entrée 11 et 10 de IC4 une tension positive de 5 V, sur les broches de sortie correspondantes 14 et 7 allant vers l’ordinateur, nous retrouvons une tension négative de 10 V.

Pour la fonction inverse, quand l’ordinateur envoie sur les broches d’entrée 13 et 8 de IC4 une tension positive de 10 V, sur les broches de sortie correspondantes 12 et 9 allant vers le microcontrôleur IC3, nous retrouvons une tension de 0 V.

Quand l’ordinateur envoie sur les broches d’entrée 13 et 8 de IC4 une tension négative de 10 V, sur les broches de sortie correspondantes 12 et 9 allant vers le microcontrôleur IC3, nous retrouvons une tension positive de 5 V.



L’étage d’alimentation

L’étage d’alimentation de l’interface produit trois tensions différentes :

- Une tension non stabilisée de 20 V environ, prélevée sur la diode redresseuse DS1, est envoyée au détecteur pendulaire dont le régulateur tire le 12 V stabilisé.

- Une tension stabilisée de 12 V prélevée à la sortie de IC5, un 78L12, servant à alimenter le double amplificateur opérationnel IC1-A et IC1-B ainsi que la LED DL4 indiquant l’alimentation de l’interface.

- Une tension stabilisée de 5 V, prélevée à la sortie de IC6, un 78L05, servant à alimenter les circuits intégrés IC2, IC3 et IC4.



Les LED de test

En dehors de la LED verte DL4, dont l’allumage signale que l’interface est correctement alimentée par le secteur, le circuit comporte trois autres LED rouges DL1, DL2 et DL3. Ces trois LED, reliées aux broches 27, 28 et 29 du microcontrôleur IC3, constituent un circuit de signalisation permettant de vérifier le fonctionnement correct de l’interface.

Si tout a été bien monté, après avoir lancé le programme Sismogest à partir du menu “Démarrer” puis “File” (fichier), vous verrez s’allumer l’une après l’autre les deux LED latérales DL1 et DL2 et la LED centrale DL3 clignoter au rythme de 1 coup par seconde.

Si, malgré le lancement de l’acquisition du signal, les LED ne s’allument pas, vous avez commis une erreur de montage ou bien vous avez oublié de connecter le câble série à l’ordinateur.

Si ce dernier n’est pas relié et que vous le connectez, vous pourrez voir s’allumer seulement DL1, DL2 restant éteinte et DL3 refusant de clignoter.

Pour réparer ce défaut, allez de nouveau dans “File” et, quand apparaît la fenêtre de la figure 26, cliquez sur “Démarrer”. Ainsi vous obtiendrez l’allumage de DL2 et le clignotement de DL3.

En effet, dès le lancement de l’acquisition, le PC envoie sur la broche 11 du microcontrôleur IC3 une impulsion d’activation allumant la LED DL1 du Data Terminal Ready. Dès que le microcontrôleur est activé, il envoie une impulsion sur la broche de sortie 40 puis, à travers IC4, vers le PC par l’intermédiaire de la ligne Data Carrier Detected et, s’il est accepté, la LED DL2 s’allume.

La troisième LED DL3, reliée à la broche 29 du microcontrôleur IC3, clignote seulement si le convertisseur A/N AD7715 (IC2) fonctionne normalement.



Le connecteur de test J1

A la broche 5 du microcontrôleur IC3 est relié un petit connecteur mâle à 3 pôles J1 (figure 20).

En insérant le “strap” femelle entre C et B, on met la broche 5 à la masse : cette position n’est utilisée que pour effectuer le test. Si on l’insère entre B et A, on élimine le court-circuit. Pour exécuter l’auto-test de cette interface, procédez comme suit :

- Avant d’allumer l’interface avec S1, insérez le “strap” femelle entre C et B de manière à court-circuiter à la masse la broche 5 de IC3, mais ne connectez pas encore l’interface à l’ordinateur au moyen de son câble série.

- Si maintenant vous mettez l’appareil sous tension grâce à S1, vous verrez s’allumer la LED verte DL4 mais aussi les trois autres LED rouges DL1, DL2 et DL3 reliées au microcontrôleur.

- Ces trois LED clignoteront deux fois puis DL3 s’éteindra et seules DL1 et DL2 resteront allumées. Après quelques secondes elles s’éteindront aussi.

- Eteignez l’interface au moyen de S1 puis ôtez le “strap” femelle entre C et B et mettez-le entre B et A ; connectez l’interface à l’ordinateur au moyen du câble sériel ; mettez de nouveau l’interface sous tension avec S1 et vous verrez tout de suite s’allumer la LED DL4.

- Après avoir chargé le logiciel, cliquez sur “File” et, quand apparaît la fenêtre de la figure 26, cliquez sur “Démarrer” et vous verrez s’allumer séquentiellement avec de brefs intervalles DL1 et DL2 puis DL3 commencer à clignoter.

Si l’une des LED ne s’allume pas, vous pourrez avoir fait quelque erreur de montage mais, avant de la chercher, vérifiez que vous avez relié correctement les pattes A (anode) et K (cathode) des LED car si vous les avez interverties elles ne s’allumeront pas.



Figure 20 : Schéma électrique de l’interface du sismographe. Le signal prélevé sur la douille de sortie du détecteur (figure 11) est appliqué sur la douille d’entrée du signal de cette interface. Sur le CONN1, en bas à droite,est prélevé le signal à appliquer à la prise sérielle de l’ordinateur. La tension de 20 V, fournie par la diode redresseuse DS1, est envoyée à l’entrée du régulateur IC4 de la figure 11.



Figure 21 : Du panneau arrière du boîtier sort le CONN1 servant à relier le connecteur mâle du câble sériel. Sur le côté droit du panneau arrière, on voit la douille d’entrée du câble coaxial et celle de sortie pour le +20 V (le – est constitué par la tresse de masse du câble coaxial).



Figure 22 : Pour transférer les signaux présents sur CONN1 vers l’entrée sérielle de l’ordinateur, ne sont utilisées que les broches 5, 4, 3, 2 et 1. Il vous faudra aussi un câble série à 9 pôles CA05.1.



Figure 23a : Schéma d’implantation des composants de l’interface du sismographe, brochage des LED et câblage des entrées, des sorties et de la face avant.



Figure 23b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de l’interface, côté composants.



Figure 23c : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de l’interface, côté soudures. Si vous décidez de réaliser vous-même ce circuit imprimé, n’oubliez pas toutes les liaisons indispensables entre les deux faces. Les circuits professionnels sont à trous métallisés et sont sérigraphiés.



Liste des composants de l’interface

R1 = 470 kΩ

R2 = 100 Ω

R3 = 220 kΩ

R4 = 2 MΩ trimmer

R5 = 100 kΩ

R6 = 100 kΩ

R7 = 10 kΩ 1%

R8 = 10 kΩ 1%

R9 = 10 kΩ

R10 = 10 kΩ

R11 = 330 Ω

R12 = 330 Ω

R13 = 330 Ω

R14 = 1 kΩ

R15 = 2,2 kΩ

C1 = 1 μF multicouche

C2 = 1 μF multicouche

C3 = 1 μF multicouche

C4 = 1 μF multicouche

C5 = 1 μF multicouche

C6 = 1 000 μF électrolytique

C7 = 10 μF électrolytique

C8 = 220 nF polyester

C9 = 100 nF polyester

C10 = 10 μF électrolytique

C11 = 100 nF polyester

C12 = 10 μF électrolytique

C13 = 100 nF polyester

C14 = 22 pF céramique

C15 = 22 pF céramique

C16 = 15 pF céramique

C17 = 15 pF céramique

C18 = 100 nF polyester

C19 = 1 μF polyester

C20 = 1 μF polyester

C21 = 1 μF polyester

C22 = 1 μF polyester

C23 = 10 μF électrolytique

C24 = 100 μF électrolytique

C25 = 100 nF polyester

C26 = 100 nF polyester

C27 = 470 μF électrolytique

C28 = 100 μF électrolytique

C29 = 100 nF polyester

C30 = 100 nF polyester

C31 = 470 μF électrolytique

XTAL1 = Quartz 2,4576 MHz

XTAL2 = Quartz 14,7456 MHz

DS1 = Diode 1N4007

DS2 = Diode 1N4007

DS3 = Diode 1N4007

DL1-DL4 = Diodes LED

IC1 = Intégré MC72M2CN

IC2 = Intégré AD7715

IC3 = μContrôleur EC1500

IC4 = Intégré AD232

IC5 = Intégré MC78L12

IC6 = Intégré MC78L05

T1 = Transfo. 6 W (T006.02)

T1 = Sec. 0-8-15 V 0,4 A

J1 = Cavalier

S1 = Interrupteur

CONN1 = Connecteur 9 pôles





Figure 24 : Photo d’un des prototypes de l’interface du sismographe.



La réalisation pratique de l’interface

Ayez devant les yeux les figures 23, 24 et 25 pour exécuter le montage. Tous les composants nécessaires pour réaliser cette interface, alimentation comprise, prennent place sur le circuit imprimé.

Nous vous conseillons d’insérer les divers composants sur le circuit imprimé en suivant un ordre fondé sur la difficulté de la soudure. Insérez d’abord le support du microcontrôleur IC3 et soudez sur les fines pastilles toutes les broches, sans en oublier une seule et sans faire de court-circuit entre elles. Insérez ensuite les trois autres supports pour IC1, IC2 et IC4 et soudez toutes les broches. Insérez le petit connecteur mâle J1, toutes les résistances et le trimmer R4.

Prenez maintenant les trois diodes au silicium et insérez DS1 à gauche du transformateur T1, bague blanche vers C6, puis DS2 au centre, sur T1, bague blanche vers R6-R2-R15, enfin DS3 à droite de T1, bague blanche vers R11-R12-R13.

Après les diodes, vous pouvez insérer les deux régulateurs : le 78L12 est à souder dans les trous IC5, méplat vers R6-R2-R15 ; le 78L05 dans les trous IC6, méplat vers IC5.

Poursuivez avec les quatre condensateurs céramiques C14, C15, C17 et C16 dans le voisinage du quartz, puis avec les minuscules condensateurs multicouches de 1 μF C1, C2, C3, C4 et C5 et enfin avec tous les condensateurs polyesters et les électrolytiques, en respectant bien la polarité de ces derniers (patte la plus longue = +).

Prenez maintenant le quartz de 2,4576 MHz et insérez-le dans les trous XTAL1 près de IC2 ; puis prenez le quartz de 14,7456 MHz et insérez-le dans les trous XTAL2 sous IC3. Les deux quartz doivent être repliés en position couchée avec leur boîtier soudé au circuit imprimé par une goutte de tinol.

A droite des deux quartz, fixez le connecteur femelle à 9 pôles servant à connecter l’interface à l’ordinateur au moyen d’un câble sériel.

En bas, fixez le transformateur d’alimentation T1 et à sa droite les deux borniers à 2 pôles à utiliser pour l’entrée de la tension secteur et pour l’interrupteur S1.

Tout ceci étant fait, vous pouvez insérer dans leurs supports les quatre circuits intégrés avec leur repère détrompeur orienté dans le sens indiqué par les figures.



Le montage dans le boîtier

Notre interface trouve sa place dans un boîtier plastique doté d’une face avant percée et sérigraphiée (voir photo de première page) : elle sera fixée au moyen de quatre vis auto-taraudeuses.

Sur la face avant, fixez l’interrupteur de mise sous tension S1 et les quatre supports de LED chromés. Encore une fois, avant de souder les LED, vérifiez bien leur polarité (l’anode A a la patte la plus longue). La LED verte sert de témoin de mise sous tension secteur (DL4).

Sur le panneau arrière de ce boîtier, fixez la prise d’entrée du signal venant du détecteur pendulaire. Elle est à relier au circuit imprimé au moyen d’un morceau de câble coaxial RG174 en soudant la tresse de blindage d’un côté à la cosse de masse de la prise et de l’autre à la masse du circuit imprimé.

Dans le voisinage, fixez la douille utilisée pour prélever la tension positive de 20 V environ alimentant le détecteur pendulaire. Le négatif de cette tension de 20 V passe par la tresse de blindage du câble coaxial de transfert du signal. En effet, pour transférer le signal du détecteur (situé au sous-sol) vers l’interface se trouvant près de l’ordinateur, vous devez utiliser un bon câble coaxial : le RG174, quoique de petite taille, est excellent.



Figure 25 : Photo d’un des prototypes de l’interface du sismographe installé dans son boîtier plastique avec face avant et panneau arrière percés et sérigraphiés (pour l’aspect final, voir la photo de première page). N’oubliez pas, si vous ne recherchez pas absolument le court-circuit, d’enfiler derrière le panneau la rondelle isolante plastique sur le fût de la douille “banane” avant de visser les deux écrous plats.



Les ultimes conseils

Ce serait bien le diable si, dans les jours suivant le montage, un tremblement de terre avait lieu pour faciliter vos réglages ! Ne le souhaitons pas, car certains pourraient en pâtir gravement, fût-ce à l’autre bout du monde…

Les périodes de calme sismique succèdent aux périodes d’intense activité de la croûte terrestre… et vice-versa !

Pendant les secondes, votre sismographe détectera même les petites secousses qui sont sans conséquences fâcheuses pour personne ; seul un sismographe peut s’en rendre compte.

Un séisme de faible intensité vous fera déjà des sinusoïdes de 3 centimètres sur l’écran. Un séisme de moyenne intensité dans un rayon de 300 kilomètres, vous fera des sinusoïdes de 6 ou 7 centimètres. Un séisme de forte intensité dans un rayon de 300 kilomètres, causant des dégâts matériels dans la zone d’épicentre, vous fera des sinusoïdes jusqu’au fond d’échelle (amplitude maximale sur l’écran).

Plus lointain est l’épicentre, plus faible sera l’amplitude de la trace. Si, par exemple, à cause de la distance, l’amplitude constatée ne dépasse pas 5 à 6 centimètres, il sera déjà possible d’établir s’il s’agit d’un tremblement de terre d’une certaine intensité car, par effet d’onde secondaire, les traces dureront de 6 à 7 minutes.

En mettant à profit la longueur des ondes primaires (les premières, de moindre amplitude) avant que n’arrivent les ondes secondaires, vous pourrez établir à peu près la distance vous séparant de l’épicentre (figure 19).

Si la vitesse de défilement à l’écran est de 1 centimètre/minute, vous pouvez vous dire que chaque millimètre de longueur de l’onde P correspond à 60/66 kilomètres. Si elle est de 2 centimètres/minute, chaque millimètre correspondra à une longueur de l’onde P de 30 à 33 kilomètres.



Figure 26 : Pour vérifier si l’interface fonctionne correctement, après avoir chargé le programme SISMOGEST dans votre ordinateur, cliquez sur le menu “File” puis sur “Démarrer”. Sur l’interface les LED DL1 et DL2 doivent s’allumer et DL3 clignoter.



Figure 27 : Après avoir chargé le logiciel dans l’ordinateur, apparaît à l’écran cette fenêtre. Le curseur du trimmer R4 sera réglé de manière à visualiser une trace centrale, définie comme “bruit”, haute de 2 millimètres au plus.



Figure 28 : Brochages des circuits intégrés utilisés vus de dessus et des régulateurs vus de dessous.



Le réglage

Si vous ne voulez pas attendre un tremblement de terre pour régler et essayer votre sismographe, faites l’expérience suivante : laissez tomber sur le sol, à 10 ou 15 centimètres de l’appareil, une pièce de deux euro et vous verrez apparaître à l’écran un certain nombre de sinusoïdes. Tournez le potentiomètre de sensibilité du minimum au maximum et refaites l’expérience de la pièce de monnaie : vous verrez augmenter l’amplitude de la trace.



Petit glossaire des termes utilisés dans cet article

Sismographe      : Instrument qui enregistre les mesures des oscillations et séismes 

d’une région de l’écorce terrestre.



Sismogramme : Tracé produit par un sismographe.



Électromécanique : Se dit d’un dispositif mécanique de commande ou de contrôle en

liaison avec les organes électriques.



Tectonique : Ensemble des déformations subies par les couches géologiques déjà

formées.



Séisme : Ensemble des secousses, des déformations brusques de l’écorce

terrestre qui constituent un tremblement de terre (cf. Secousse

tellurique).



Sismique : Relatif aux séismes.



Tellurique : De la Terre ; qui provient de la Terre.



Géophysique : Etude de la Terre par les méthodes de la physique.



Lithosphère : Couche externe de la croûte terrestre constituée de plaques

mobiles.



Subduction : Glissement d’une plaque lithosphérique océanique sous une plaque

adjacente avançant en sens opposé.



Surrection : Le fait de se soulever ; soulèvement lent et progressif d’une

zone de l’écorce terrestre.



Épicentre : Point ou zone de la surface terrestre qui constitue le foyer

apparent des ébranlements au cours d’un tremblement de terre

(opposé à hypocentre, foyer réel ou souterrain).



Hypocentre : Foyer réel d’un séisme, situé dans les profondeurs de la terre

(opposé à épicentre).



Magnitude : Énergie totale d’un séisme, mesurée selon une échelle

logarithmique.



Subsonique : Inférieur à la vitesse du son.



Tolite : Trinitrotoluène.



Trinitrotoluène : Explosif nitré dérivé du toluène (T. N. T.), corps solide

cristallisé.


(Ce petit glossaire est extrait et adapté du CD-ROM du Petit Robert. S’y reporter pour les définitions complètes.)




Fin.


Le détecteur pendulaire

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