Un système de gestion automatique d’alimentation pour localiseur GPS/GSM (ou autre !)

De nombreux équipements GPS/GSM sont alimentés par batterie.
Le dispositif que nous vous proposons de réaliser et que l’on pourrait également appeler un “reset automatique”, est à relier entre l’alimentation et les appareils GPS/GSM. Il est en mesure d’effectuer une déconnexion à intervalles programmables mais aussi lorsque la tension de la batterie descend en dessous d’une valeur sélectionnée. Bien entendu, comme pour nombre des montages que nous vous proposons, vous pourrez extrapoler son utilisation en vous reportant à la figure 3.


L’un des problèmes rencontrés lors de la mise en oeuvre des systèmes de localisation GPS/GSM (voir l'article : "Un localiseur GPS/GSM à faible coût") est le blocage, advenant pour des raisons diverses et pouvant empêcher la réception des données de position du véhicule sur lequel le localiseur a été monté. Dans les applications un peu spéciales comme l’interception au cours d’une investigation, mais aussi pour un usage plus habituel à bord des voitures ou camions de sociétés, il peut être avantageux de prévoir un système de gestion automatique surveillant constamment la tension de fonctionnement du groupe de localisation et interrompant éventuellement le circuit d’alimentation quand elle descend en dessous de la limite garantissant une opérationnalité correcte. De plus, comme un blocage du récepteur ou de la logique est résolu par une coupure de l’alimentation suivie d’une restitution (réinitialisation ou “reset”), le système de gestion se charge aussi d’éteindre et de rallumer périodiquement le localiseur GPS/GSM, indépendamment de la tension actuelle de fonctionnement.

Notre réalisation
Dans le premier cas, notre système de gestion permet de paramétrer, au moyen d’un dip-switch à deux micro-interrupteurs DS1, l’intervalle entre un cycle d’extinction/rallumage et le suivant. Dans le second, il suspend l’alimentation chaque fois que la tension est inférieure à un seuil (réglable) de bon fonctionnement. Cette dernière fonction, particulièrement appréciable pour les systèmes alimentés avec la batterie de bord, prévoit une hystérésis, soit la surveillance de la tension à l’intérieur d’une fourchette de valeurs : cela permet de déconnecter le localiseur lorsque son alimentation est insuffisante pendant une certaine durée. On évite ainsi, par exemple, d’éteindre le GPS/GSM à la suite d’une brève chute de tension due à une surcharge (démarrage du véhicule…).

Le fonctionnement du système de gestion
Etudions-le à partir du schéma électrique de la figure 2 : il s’agit d’un circuit fort simple, constitué d’un microcontrôleur PIC12F675-EF474 déjà programmé en usine, d’un régulateur de tension et d’un relais. Le microcontrôleur se charge, bien sûr, de provoquer l’activation du relais, de lire constamment la tension entre les bornes d’entrée et, si celle-ci descend en dessous d’un niveau paramétré, de relaxer le relais jusqu’à ce que la situation redevienne normale. En outre il gère, au moyen d’un “timer” (temporisateur) interne initialisé après le “power-on reset” (réinitialisation de mise sous tension), l’ouverture périodique de RL1, indépendamment de la tension actuelle de fonctionnement.
On l’a dit, la gestion de la tension sert à éviter tout dysfonctionnement dû à une alimentation inadéquate. Quant à l’extinction/rallumage de “reset” périodique du localiseur, ils permettent, en cas de blocage, que des données de positionnement erronées ne soient enregistrées. Si en revanche le système était en fonctionnement normal (non bloqué), l’extinction momentanée (30 secondes) ne créerait pas de problèmes particuliers car dans l’intervalle de désactivation le localiseur ne perdrait que peu de points, assez peu pour ne pas affecter le suivi du véhicule par le personnel de service.
Après la mise sous tension, le microcontrôleur initialise ses I/O, distribuant les lignes GP0, GP3 et GP4 comme entrées et GP1 comme sortie, alors que GP2 et GP5 sont des canaux bidirectionnels.
Le programme principal initialise la temporisation interne définissant les intervalles de coupure de l’alimentation : la durée dépend de la combinaison logique paramétrée sur les deux micro-interrupteurs du dip-switch DS1 (table de vérité figure 6), c’est-à-dire sur les broches 4 et 3. Par exemple, si les deux micro-interrupteurs sont fermés, 00, la coupure advient toutes les 12 heures (et dure 30 secondes), si les deux sont ouverts, 11, on déshabilite la fonction de coupure périodique : dans ce dernier cas, le système de gestion se contente de surveiller la tension d’alimentation.
La broche 7 est utilisée pour surveiller, justement, cette tension aux bornes d’entrée alimentation du localiseur, soit afin d’évaluer si elle est conforme aux normes paramétrées. Pour que notre appareil soit plus universel, nous avons prévu la possibilité de régler la fourchette à l’intérieur de laquelle la tension a le droit de varier : c’est à ce réglage de fenêtre que servent les deux trimmers R6 et R7 (nous allons dire comment). Pour faire face, au cas où d’aventure la tension baisserait à cause d’une surcharge inopinée mettant à rude épreuve l’alimentation secteur 230 V ou la batterie du localiseur, une hystérésis a été prévu : la tension d’entrée est surveillée dynamiquement et non seulement par rapport au seuil déterminé par R6. En effet, avec R7 on peut élargir ou resserrer le champ de contrôle, de telle manière qu’après l’ouverture du relais le microcontrôleur réalimente le circuit si la tension dépasse le seuil ayant provoqué cette ouverture.
Pour mieux comprendre comment paramétrer les valeurs correctement, le plus simple est de prendre un exemple pratique : en réglant R6, on peut définir la valeur du seuil (entre 8 et 15 V), supposons que l’on choisisse 10 V, cela signifie que si la tension d’alimentation du circuit passe en dessous de cette valeur (et y reste au moins une seconde), le microcontrôleur met sa ligne GP1 au niveau logique 0, ce qui bloque T1, relaxe le relais et coupe l’alimentation du localiseur. Si avec R7 on a choisi une hystérésis de 1 V (on peut le régler de 0 à 2,5 V), pour obtenir à nouveau l’excitation du relais, il faut que l’alimentation fournisse au moins 11 V (et pas seulement 10 V) : à la tension de seuil d’ouverture du relais, il faut ajouter la valeur d’hystérésis pour avoir la tension de seuil de refermeture du relais. Ce “mécanisme” permet de remettre sous tension le localiseur quand les conditions de sécurité sont à nouveau assurées.
Il est très utile quand le système est alimenté par batterie car si sa tension est faible, il est fort probable qu’après la remise sous tension il y ait d’autres interventions de coupure, même à l’occasion d’une surcharge minime : dans ce cas, l’hystérésis nous assure que le localiseur peut reprendre ses fonctions de manière durable ou nous informe que la batterie doit être rechargée voire changée.
Avant d’expliquer, comme promis, comment les trimmers sont lus (et donc avec eux le seuil d’hystérésis), notons une particularité du réseau de lecture de la tension d’entrée : le microcontrôleur lit à travers le pont R4/R5 lequel, en conditions normales, donne à la broche 7 une tension entrant dans des limites tolérables pour les I/O. La zener DZ1 protège le PIC d’une tension qui dépasserait 15 V. Quant à l’électrolytique C7, il filtre la tension afin d’éviter que le relais ne s’ouvre en cas de très brèves chutes de la tension d’alimentation.
Voyons enfin comment le PIC lit les trimmers R6 et R7. Ne pouvant recourir au dip-switch par manque de broches disponibles, nous avons eu recours à une de ces trouvailles dont vous avez maintenant l’habitude : elle consiste à lire la résistance assumée par les trimmers en la déduisant de la courbe de décharge des condensateurs leur étant associés. En fait, mettant à profit l’instruction POT du PicBasic, on envoie aux broches 2 et 5 des impulsions positives de durée définie par avance. Ensuite, les mêmes lignes sont employées comme entrées et le microcontrôleur mesure le temps de charge.
Il ne nous reste maintenant qu’à examiner quelques détails : le premier touche l’alimentation du système de gestion.
Le schéma électrique montre que la tension nécessitée par le microcontrôleur (5 V stabilisé) est fournie par le régulateur 7805 : la tension alimentant ce dernier ne doit pas être inférieure à 8 V. D1 le protège contre toute inversion de polarité. Le second regarde le cavalier J1, permettant de désactiver la LED quand, pour des applications particulières, on désire monter le localiseur de manière discrète : la LED signale normalement que le système de gestion alimente le localiseur.



Figure 1 : Le microcontrôleur PIC12F675-EF474 déjà programmé en usine.

Le montage décrit dans cet article utilise ce récent PIC de Microchip. Sa CPU est à architecture RISC à 8 bits, comme d’ailleurs les autres PIC de la série PIC12xxxx, mais elle introduit une innovation : la mémoire programme est de type “flash” et donc elle est réinscriptible à volonté. Chaque modification au programme peut être essayée directement sur le microcontrôleur sans risque de devoir ensuite le jeter aux orties si le programme ne fonctionnait pas. Dans ce dernier cas, il suffirait de l’effacer et de le reprogrammer.

La réalisation pratique du système de gestion pour localiseur
Une fois que l’on a réalisé le circuit imprimé par la méthode préconisée et décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?" (la figure 4c en donne le dessin à l’échelle 1), ou qu’on se l’est procuré, on monte tous les composants dans un certain ordre en regardant fréquemment les figures 4a et 4b et la liste des composants.
Montez tout d’abord le support du circuit intégré U1 (PIC12F675-EF474) : vérifiez bien les soudures (ni court-circuit entre pistes et pastilles, ni soudure froide collée). Montez toutes les résistances sans les intervertir et les deux trimmers R6 et R7 (ils sont semblables).
Montez ensuite les 3 diodes, bagues blanches (DS1 et DS2) ou noire (DZ1) orientées dans le bon sens comme le montre la figure 4a. Montez tous les condensateurs en respectant bien la polarité des électrolytiques (la patte la plus longue est le +). Montez la LED rouge en respectant bien la polarité de ses pattes (la plus longue est l’anode +).
Montez le régulateur U2, en boîtier TO92 (78L05), méplat repère-détrompeur vers C1. Montez le transistor, en boîtier TO92 aussi (BC547), méplat repère-détrompeur orienté vers C6 et R3.
Montez le relais RL1 12 V miniature (il doit avoir ses contacts NO et NF proches afin de pouvoir s’insérer dans les trous prévus du circuit imprimé) et le dip-switch à deux micro-interrupteurs DS1. Montez les deux picots au pas de 2,54 mm pour le cavalier J1. Si vous voulez utiliser la LED, fermez-le, sinon laissez-le ouvert. Montez enfin les deux borniers à deux pôles pour l’entrée de l’alimentation à surveiller (IN) et la sortie vers l’alimentation du localiseur (OUT).
Vous pouvez alors enfoncer délicatement le circuit intégré microcontrôleur dans son support en orientant bien son repère-détrompeur en U vers C4 et DZ1.

Figure 2 : Schéma électrique du système de gestion d’alimentation pour localiseur.

Liste des composants
R1 = 10 kΩ
R2 = 10 kΩ
R3 = 3,9 kΩ
R4 = 10 kΩ
R5 = 3,9 kΩ
R6 = 4,7 kΩ trimmer
R7 = 4,7 kΩ trimmer
R8 = 3,9 kΩ
C1 = 100 nF 63 V polyester
C2 = 220 μF 25 V électro
C3 = 100 nF 63 V polyester
C4 = 470 μF 16 V électro
C5 = 100 nF 63 V polyester
C6 = 100 nF 63 V polyester
C7 = 1 μF 100 V électrolytique
LD1 = LED 3 mm rouge
D1 = Diode 1N4007
D2 = Diode 1N4007
DZ1 = Zener 5,1 V
U1 = μC PIC12F675-EF474
U2 = Régulateur 78L05
T1 = NPN BC547
DS1 = Dip-switch 2 micro-inter
RL1 = Relais 12 V mini. pour ci

Divers :
1 = Support 2 x 4 broches
2 = Borniers 2 pôles
1 = Cavalier


Figure 3 : A quoi sert le système de gestion ?
Ce montage a été conçu pour être associé aux localiseurs GPS avec téléphones portables GSM, mais rien n’empêche de l’utiliser pour réinitialiser des serveurs de réseau (qui pourraient se bloquer intempestivement) ou de services télématiques : dans ce cas, il faut utiliser la sortie pour piloter un servorelais dont le contact NF est en parallèle avec le poussoir NO de “reset”. En procédant ainsi, quand le circuit relaxe le contact de RL1, il ne laisse plus passer l’alimentation et le servorelais se relaxe, ce qui ferme le contact NF et réinitialise la machine.
Dans un tel cas, le contrôle de la tension d’alimentation ne sert pas et donc les deux trimmers peuvent être réglés au minimum (seuil 8 V et hystérésis 0), ou bien on peut surveiller la ligne 12 V de l’alimentation en la prélevant sur l’ordinateur (fils jaune et noir) et l’utiliser pour faire fonctionner le système de gestion. Dans ce cas, il est recommandé de régler R6 et R7 à mi-course et de faire quelques essais. Le montage peut encore être associé à un convertisseur cc/ca (ou onduleur) afin d’éviter qu’il ne décharge complètement la batterie : dans ce cas aussi, il faut que RL1 commande un servorelais capable de fournir à l’onduleur tout le courant nécessaire.

Figure 4a : Schéma d’implantation des composants du système de gestion d’alimentation pour localiseur.

Figure 4b : Photo d’un des prototypes de la platine du système de gestion d’alimentation pour localiseur.

Figure 4c : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du système de gestion d’alimentation pour localiseur.

Les conditions d’utilisation
Le système de gestion d’alimentation peut être utilisé avec des appareils alimentés par une tension comprise entre 8 et 15 V. Sa consommation ne dépasse pas 40 mA lorsque LED et relais sont actifs (5 mA au repos).
Les trimmers se règlent ainsi : pour R6, si vous tournez le curseur en sens horaire, la valeur de seuil de tension augmente (de 8 à 15 V), en sens anti-horaire, elle diminue et pour R7, curseur tourné en sens horaire, la largeur du cycle d’hystérésis augmente (de 0 à 2,5 V), en sens anti-horaire, elle diminue.


Figure 5 : Réglage des trimmers et paramétrage du dip-switch.

On l’a dit, notre appareil a une double fonction : couper, à intervalles réguliers, l’alimentation du localiseur et en surveiller la tension de manière à l’interrompre, quand elle descend en dessous d’un seuil choisi, puis à la reconnecter lorsqu’elle atteint à nouveau un autre seuil paramétré. Tous les paramétrages s’effectuent grâce à deux trimmers et un dip-switch à deux micro-interrupteurs.

Paramétrage du dip-switch
Le paramétrage des deux micro-interrupteurs qui le constituent détermine la durée en heures de l’intervalle entre deux interventions de la coupure/reconnexion périodique de l’alimentation. Le tableau ci-dessous montre comment régler les deux micro-interrupteurs pour obtenir la durée désirée ou déshabiliter cette fonction.

mint1     mint2     durée (heures)
ON ON 12
OFF ON 6
ON OFF 3
OFF OFF déshabilitée

Réglage des trimmers
R6 et R7 servent à paramétrer les tensions pour lesquelles le système déconnecte et reconnecte l’alimentation : R6 est utilisé par le microcontrôleur pour établir à quelle tension doit être déconnectée l’alimentation (de 8 à 15 V) et R7, en revanche, indique à quelle tension l’alimentation doit être reconnectée (la tension indiquée par R7 peut être au maximum de 2,5 V supérieure à celle réglée par R6). Il est important de noter que régler les deux trimmers en fin de course en sens horaire équivaut à déshabiliter le contrôle de tension.

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