Un capteur de proximité à infrarouges

Cet interrupteur de proximité est capable de contrôler des charges électriques fonctionnant en continu ou en alternatif et consommant au maximum 1 ampère. Il détecte l’approche d’une personne ou d’un objet en projetant sur eux un faisceau de lumière infrarouge et en captant les rayons réfléchis. Ses dimensions particulièrement réduites permettent de l’insérer dans un boîtier de type installation électrique.


Vous avez sans doute remarqué, dans les toilettes du cinéma, du restaurant ou de la station service sur l’autoroute, que le sèche-mains à air chaud (ou plus rarement, en France, le robinet du lavabo) se déclenche automatiquement quand vous approchez… vos mains, justement et ne s’arrête qu’un peu après que vous les ayez retirées. Le procédé est simple : le sèche-mains ou le robinet sont sous contrôle électronique d’un détecteur de proximité à infrarouges, constitué d’une diode LED émettrice et d’un photo-transistor, placés l’un à côté de l’autre et orientés tous deux vers la personne.
La LED produit un faisceau de lumière infrarouge et le projette vers l’extérieur. Quand le corps de la personne s’approche du dispositif (fixé au mur), le faisceau est reflété par ce corps et projeté sur l’aire sensible (la pointe) du photo-transistor.
Le signal produit par ce dernier est ensuite élaboré et amplifié par un circuit électronique faisant le reste et commandant un interrupteur temporisé. Avec des systèmes de ce type, on contrôle de nombreux dispositifs devant se déclencher à l’approche d’une personne ou d’un objet (par exemple, les distributeurs automatiques de savon liquide, toujours dans les toilettes : encore fort rares chez nous !).



Notre réalisation
En observant le fonctionnement de ces automatismes, nous nous sommes demandés si nous pouvions en réaliser un et vous le proposer : c’est le résultat de notre travail que vous allez découvrir dans cet article. Il s’agit d’un détecteur de proximité utilisant, comme les dispositifs standards, un émetteur à infrarouges et un photo-transistor recevant le faisceau réfléchi par un corps qui s’approche. Chaque fois que la lumière infrarouge réfléchie est d’intensité suffisante, un relais temporisé est activé et ses contacts peuvent servir à l’allumage ou à l’extinction de n’importe quel utilisateur électrique fonctionnant en continu ou en alternatif, jusqu’à 250 V et pour une consommation d’un ampère au maximum.
Pour commander des charges plus puissantes, il est possible d’alimenter l’enroulement d’un second relais (fonctionnant donc comme servo-relais) capable de commuter des courants supérieurs, sans limite. Il est presque superflu de faire remarquer qu’un tel dispositif peut être utilisé dans tous les cas où il faut activer un éclairage, un moteur électrique ou un circuit électronique, par le rapprochement d’une personne ou d’un objet : robinet électronique, porte automatique et portail motorisé, signalisation acoustique, illumination, etc.
Rien n’empêche, en modifiant le circuit et en l’alimentant en 12 V, de l’installer dans une voiture et de le transformer en une sorte de détecteur d’obstacle (ou radar de recul) pour le stationnement.
D’ailleurs la plupart des radars de recul montés sur les voitures fonctionnent avec des infrarouges.

Le schéma électrique
Pour expliquer comment fonctionne le dispositif et vous permettre de l’utiliser au mieux, reportons-nous au schéma électrique de la figure 1, sur lequel apparaît la structure essentielle et fonctionnelle : le circuit se compose d’un oscillateur pilotant la LED infrarouge, d’un détecteur à photo-transistor, d’un amplificateur, d’un comparateur de tension et d’un monostable.
C’est en fait un ensemble émetteur/récepteur à infrarouges : le signal à la sortie du récepteur pilote, à travers un réseau de contrôle, un relais. L’émetteur se compose essentiellement d’une LED infrarouge, modulée par les impulsions d’un générateur d’ondes rectangulaires à 1 kHz, obtenues avec une porte logique U2a (un quart de circuit intégré CMOS 4093) configuré comme multivibrateur astable. Sa sortie pilote la base du transistor T1, monté en amplificateur de courant et nécessaire pour fournir à la LED le courant qu’une gâchette CMOS ne peut fournir. R13 et le trimmer R1 limitent le courant dans la diode : le trimmer, en particulier, permet de régler à volonté (dans certaines limites) le courant, de manière à obtenir un contrôle efficace de la portée du détecteur. En effet, la valeur du courant traversant la LED détermine l’intensité des rayons infrarouges que ce composant irradie vers l’extérieur et par conséquent, pour un même objet proche et à la même distance, l’intensité du faisceau infrarouge réfléchi atteignant le photo-transistor.
Quand le corps à détecter s’approche, selon ses caractéristiques (masse, couleur, etc.), il reflète une partie des rayons infrarouges qui iront couvrir la surface sensible du photo-transistor : celui-ci est alors le siège d’un courant inverse de la jonction base/collecteur, ce qui implique une augmentation du courant de collecteur et par conséquent une chute de tension entre R6 et la masse. Cette chute de tension n’est pas constante mais suit l’allure des impulsions produites par la porte U2a, étant donné que la LED émet des impulsions infrarouges et non une lumière constante. Donc le collecteur du photo-transistor répète un peu l’allure du signal pilotant la LED et produit à son tour des impulsions de phase opposée (abaissements et chutes de tension) amplifiées par l’amplificateur opérationnel U1c : ce dernier, monté en inverseur, amplifie et inverse le signal, puis restitue à C4 une composante en phase avec celle émise. L’onde en découlant est ensuite amplifiée et redressée par U1d : cet étage fournit à la cathode de la diode D3 une tension continue proportionnelle à l’amplitude des impulsions, tension comparée, par le comparateur U1a, avec une tension continue de référence. Quand l’amplitude des impulsions dépasse celle de la tension de référence, la broche 1 du comparateur prend le niveau logique haut (1), alors qu’elle reste à 0 logique dans le cas contraire.
Le seuil de comparaison a été inséré pour faire en sorte que le circuit ne soit sensible qu’aux rayons infrarouges d’une certaine intensité. En effet, en dessous d’une certaine valeur, le comparateur reste bloqué, sortie à zéro, alors qu’en dessus il peut lancer la commande. Mais à quoi la lance-t-il, me direz-vous ? Simple ! A un multivibrateur monostable réalisé avec la NAND U2b et le transistor T2 : ce circuit particulier déclenche quand la broche 1, après être passée de 0 à 1 logique, repasse à 0. La sortie de U2b prend l’état logique haut (1) et le garde le temps nécessaire pour que l’électrolytique C7 se charge, ce qui porte la base de T2 au niveau logique bas (0). Quand cela arrive, le monostable se remet à zéro. Avec C7 déchargé, la sortie de la NAND U2b reste au niveau logique haut (1) et sature T3, dont le collecteur alimente l’enroulement du relais (ceci est signalé par l’allumage de LD2, alimentée avec RL1).
Il est évident que la sensibilité du système dépend non seulement de l’intensité des rayons infrarouges émis par la LED, mais aussi des caractéristiques physiques de l’objet s’approchant du circuit et réfléchissant ces rayons : les corps sombres (on se souvient qu’Einstein a fait ses premières armes en étudiant les propriétés des corps noirs illuminés) absorbent la lumière, même l’infrarouge et, par conséquent, à dimensions égales de l’objet sombre et à sa distance égale de l’ensemble émetteur/récepteur, la sensibilité de l’appareil sera moindre qu’avec un objet clair. Par exemple, si la personne s’approchant du détecteur porte un sweet-shirt noir, elle devra s’approcher davantage pour être détectée qu’une autre portant une chemise blanche.
Bien. Avant de passer à la réalisation, jetons un coup d’oeil à ce qui, jusqu’ici, est demeuré dans l’ombre ! L’amplificateur opérationnel U1b, monté en “buffer”, a un gain unitaire : son entrée non inverseuse est polarisée par un potentiel donné par le pont R3/R4/R5, tension atteignant la broche 7 et fournissant la référence aux entrées non inverseuses des amplificateurs opérationnels U1c et U1d. Le rôle de cette référence est de porter la tension de sortie, au repos, à une valeur permettant l’oscillation maximale dans les deux demies ondes du signal. Comme le LM324 est alimenté par une tension simple, si les entrées non inverseuses étaient mises à la masse, les amplificateurs opérationnels ne pourraient rien restituer d’autre que la demie onde positive, ce qui produirait une distorsion inacceptable du signal amplifié.
Le dernier point concerne l’alimentation, prise directement sur le secteur 230 V à travers un petit transformateur de 1 VA : le secondaire est relié aux entrées d’un pont de diodes redressant l’alternatif pour restituer une forme d’onde composée d’impulsions sinusoïdales toutes positives.
L’électrolytique C10, placé en aval du pont, filtre ces impulsions et donne finalement une composante continue, alimentant la totalité du circuit. Le régulateur U3 est un 7812 : il fournit le 12 V bien stabilisé destiné au comparateur et aux portes logiques.

Figure 1 : Schéma électrique du capteur de proximité à infrarouges.

Figure 2a : Schéma d’implantation des composants du capteur de proximité à infrarouges.

Figure 2b : Photo d’un des prototypes.

Figure 2c : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du capteur.

Liste des composants
R1 = 470 Ω trimmer
R2 = 220 kΩ trimmer
R3 = 330 kΩ
R4 = 330 kΩ
R5 = 470 kΩ
R6 = 10 kΩ
R7 = 1 kΩ
R8 = 100 kΩ
R9 = 1 kΩ
R1O = 10 kΩ
R11 = 100 kΩ
R12 = 1 kΩ
R13 = 220 Ω
R14 = 47 kΩ
R15 = 47 kΩ
R16 = 5,6 kΩ
R17 = 1 kΩ
R18 = 47 kΩ
R19 = 4,7 kΩ
R20 = 1 kΩ
R21 = 1 kΩ
R22 = 100 kΩ
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 2,2 μF 100 V électro.
C3 = 33 nF 100 V polyester
C4 = 33 nF 100 V polyester
C5 = 4,7 μF 100 V électro.
C6 = 100 nF multicouche
C7 = 10 μF 63 V électro.
C8 = 100 nF multicouche
C9 = 1000 μF 16 V électro.
C10 = 1000 μF 25 V électro.
C11 = 100 nF multicouche
LD1 = OP298B
LD2 = LED 5 mm jaune
D1 = 1N4007
D2 = 1N4007
D3 = 1N4007
D4 = 1N4007
D5 = 1N4007
D6 = 1N4007
PT1 = Pont de diodes
U1 = LM324
U2 = 4093
U3 = 7812
T1 = BC547
T2 = BC547
T3 = BC547
T4 = OP598
RL1 = Relais min. 1 RT 12 V
TF1 = Transfo. 230 V/15 V

Divers :
1 Bornier 2 pôles
1 Bornier 3 pôles
2 Supports 2 x 7

Toutes les résistances sont des 1/4 de watt, avec tolérance de 5 %.


La réalisation pratique
Maintenant nous pouvons passer à la réalisation pratique du circuit (figures 2a et 2b) et à son installation dans l’appareil à commander (figure 3). Le montage prend place sur un circuit imprimé taillé pour pouvoir être logé dans un boîtier plastique standard à trois modules pour installation électrique.
A partir de son dessin à l’échelle 1 (typon disponible sur le site de la revue, rubrique “Téléchargement”), vous le réaliserez sans peine par la méthode préconisée et décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?".
Quand le circuit imprimé est gravé et percé, avant de monter les composants, vérifiez avec soin qu’aucun court-circuit entre pistes proches ne vous a échappé : n’oubliez pas que ce montage sera relié au secteur 230 V !
Si tout va bien de ce côté-là, insérez et soudez d’abord les supports des circuits intégrés 2 x 7 broches, puis les résistances et les diodes (respectez leur polarité en orientant leurs bagues dans le sens montré par la figure 2a). Montez les condensateurs polyesters, multi-couches et enfin électrolytiques (respectez la polarité de ces derniers, la patte la plus longue est le +).
Montez les transistors, méplat tourné dans le bon sens indiqué par la figure 2a. Insérez et soudez les LED (la jaune et l’infrarouge) et le photo-transistor en faisant bien attention à la polarité : la cathode des LED est la patte la plus longue (correspond au méplat, parfois peu visible), le photo-transistor a la forme d’une LED infrarouge, il ne comporte que deux pattes et son émetteur correspond au méplat de son boîtier plastique. Le photo-transistor et la LED infrarouge sont à souder debout (non, rasseyez-vous…, c’est des composants que je parle) et en gardant les pattes les plus longues possible (donc ne les retaillez pas) : tous deux seront à orienter dans la même direction et, pour augmenter l’efficacité du système, il faut les enfiler (l’une et l’autre individuellement) dans de petits tubes noirs (par exemple des morceaux de gaine thermo-rétractable), de manière à ne laisser visibles de l’extérieur que les pointes sensibles.
Placez tous les composants restants : les deux trimmers, le relais, le régulateur 7812 (debout, sans dissipateur, fond métallique tourné vers l’extérieur) et le pont de diodes (attention à la polarité, fiez-vous aux symboles sur le boîtier et au + sur la figure 2a). Placez enfin le transformateur et les deux borniers à deux et trois pôles.
Quand les soudures sont terminées et que vous les avez vérifiées (ni court-circuit, ni soudure froide collée), enfoncez doucement les deux circuits intégrés sans les intervertir et dans le bon sens (repère-détrompeurs en U vers la gauche).

Figure 3 : Installation dans l’appareil à commander.

Les dimensions du circuit imprimé sur lequel ce détecteur de proximité est réalisé, permettent de l’installer dans un boîtier de type installation électrique : le tout doit être encastré près de l’appareil à commander, avec liaison sous gaine (secteur 230 V). Par exemple, s’il s’agit d’un robinet à électrovanne pour lavabo, le circuit doit prendre place sous la vasque, avec fils de commande sous tension protégés par une gaine annelée réglementaire. S’il s’agit d’un sèche-mains à air chaud, en revanche, le circuit peut prendre place soit sur le mur (encastré) à proximité immédiate de l’appareil, soit à l’intérieur de celui-ci si c’est possible. Dans ce dernier cas, il suffira de prévoir deux trous, pour le passage A/R du faisceau infrarouge, dans le boîtier de l’appareil, près de la bouche d’air chaud.

Figure 4 : Tous les contacts du relais sont disponibles en sortie et on peut donc utiliser le circuit en sortie NO (normalement ouvert) ou NC (normalement fermé).

Figure 5 : TX et RX.
Le phototransistor sensible aux infrarouges doit être muni d’un petit tube en plastique (gaine thermorétractable, par exemple) afin d’empêcher les rayons infrarouges produits par l’émetteur d’atteindre directement le capteur, lequel ne doit être affecté que par les rayons réfléchis. Même chose pour la LED infrarouge (lire l’article).


Les essais et les réglages
Quand vous avez installé et fixé le montage dans son boîtier plastique (modèle pour installation électrique), dûment percé pour le cordon secteur, l’interrupteur M/A, la LED jaune de signalisation et le couple LED infrarouge/photo-transistor, vous pouvez procéder aux essais et réglages.
Il ne vous reste plus qu’à relier le circuit à l’alimentation : pour cela utilisez une tranche du secteur 230 V protégée par disjoncteur magnétothermique (en principe, c’est le cas) à laquelle vous relierez votre cordon secteur. Les deux fils du cordon sont à relier au bornier à deux pôles en plaçant un interrupteur bipolaire en série dans le neutre (interrupteur à fixer sur l’une des faces du boîtier). Bien sûr, tout cela est à effectuer cordon secteur débranché !
Quand l’installation dans le boîtier est terminée, branchez le cordon secteur 230 V et abaissez le levier de l’interrupteur. Approchez votre main lentement du couple LED infrarouge/photo-transistor jusqu’à entendre le relais se déclencher et voir s’allumer la LED jaune LD2. Décidez de la distance de déclenchement que vous souhaitez et, pour l’obtenir, retouchez, si nécessaire, la position du curseur du trimmer R1 : pour le maximum de résistance insérée, on obtient la sensibilité minimale et vice versa.
L’autre trimmer R2 vous permet de régler la durée pendant laquelle le relais va rester excité à chaque détection : la résistance minimale insérée donne un délai d’une seconde, mais cela peut aller jusqu’à 10 secondes si on insère toute la résistance.
Dans des conditions normales, c’est-à-dire avec LED infrarouge et photo transistor dans de petits tubes noirs, un corps blanc peut être détecté, selon la position de R1, à une distance pouvant aller de 10 cm à un mètre. Ainsi, la couverture est plus que suffisante pour la plupart des applications.

1 commentaires:

  1. Bonjour monsieur,
    Nous sommes actuellement en 2ème année de prépa à l'ECAM. Dans le cadre de notre projet de cette année, nous nous sommes lancé dans la réalisation d'un capteur de proximité à infrarouge. Nous sommes tombés sur votre site, et nous nous demandions si il serait possible de vous contactez pour en apprendre plus sur ce projet. Nous souhaiterions utiliser votre tutoriel pour réaliser notre capteur.
    Merci

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