Un traqueur GPS automatique avec mémoire et interface de transfert sur PC

Mettant à profit le système satellitaire GPS, ce traqueur détecte périodiquement et automatiquement sa position et en mémorise les coordonnées. Ces dernières peuvent ensuite être déchargées dans un quelconque PC au moyen d’un programme simple afin d’être utilisées pour reconstituer la carte des déplacements. Cet appareillage est idéal pour contrôler les mouvements de véhicules en tous genres. Il peut aisément être géré par l’usager et peut être intégré dans un système plus complexe.


Un traqueur (on dit aussi “localiseur”) est un appareil capable d’indiquer, directement ou à distance, la position d’un objet auquel il est lié : le traqueur par excellence est celui qui utilise le réseau satellitaire créé à cet effet, le système GPS (“Global Positioning System”, ou système global de positionnement). Ce système complexe est constitué d’une constellation de satellites tournant autour de la Terre, tous reliés par radio entre eux, et, au sol, à une série de stations gérant l’ensemble.
Chaque satellite émet périodiquement un signal horaire. A quoi cela sert-il ?
Comme tous les satellites émettent le même signal, en recevant au moins trois d’entre eux et en connaissant l’heure absolue, en fonction du retard pris par chacun pour atteindre le récepteur, il est possible de déterminer avec exactitude la position d’un point, si l’on connaît la distance entre ce point et au moins trois points dont on sait la position dans l’espace. Cela, bien sûr, en simplifiant quelque peu les choses ! Pour en savoir plus, on se reportera aux nombreux articles GPS déjà publiés.
Sachez seulement que les applications en sont fort nombreuses.
Les dispositifs utilisés comme traqueurs sont de divers types, en fonction de l’application envisagée : il y a ceux reliés par radio, communiquant automatiquement ou à la demande la position du véhicule, mais aussi ceux fonctionnant à rétention (enregistrement) des données.

Notre réalisation
Le système que nous vous proposons fait partie de cette dernière catégorie : il s’agit d’un traqueur GPS mémorisant périodiquement sa position (et donc celle du véhicule sur lequel il est installé) dans une banque d’EEPROM, avec possibilité de l’interroger au moyen d’un PC quand le véhicule est de retour (les données acquises peuvent alors être déchargées afin de reconstituer le parcours effectué).
Notre système est constitué de deux unités : l’une (ET469), mobile, est installée (visible ou cachée) à bord du véhicule à contrôler, elle s’occupe d’acquérir les coordonnées par son récepteur GPS standard et de les mémoriser. L’autre unité (ET475) est une interface pouvant être soit reliée en permanence à la première, soit lui être connectée quand on en a besoin. Sa fonction est d’acheminer les niveaux logiques par lesquels le traqueur communique afin de les rendre compatibles avec le port sériel de l’ordinateur récupérant les informations. La connexion entre les deux unités se fait par deux prises RJ45.

Le traqueur
Voyons tout d’abord comment fonctionne le traqueur, constituant sans aucun doute la partie la plus complexe du système présenté. Il se compose d’une platine de base, gérée par un microcontrôleur PIC16F876-EF469 opérant avec une horloge à 20 MHz, lisant périodiquement la sortie d’un récepteur GPS doté d’une antenne et relié par l’intermédiaire d’une interface sérielle TTL qui envoie ses données selon le protocole NMEA0183. Le logiciel du micro contrôleur est en mesure d’interpréter ce protocole et d’en sauvegarder les informations les plus significatives : latitude, longitude, date et heure. Ces données sont inscrites dans une banque de mémoire constituée de huit EEPROM et accès sériel Bus I2C (U1 à U8 dans le schéma électrique de la figure 1) : l’écriture a lieu progressivement en partant de la première mémoire, puis en passant à la suivante quand la précédente est pleine.
Chaque enregistrement occupe un bloc de mémoire de 16 octets (soit 16 x 8 bits) : par conséquent, comme nous disposons de huit EEPROM de 256 Kbits (32 Ko x 8 bits), il est possible de mémoriser jusqu’à 16 384 points (2 048 pour chaque puce). La banque de mémoire est gérée par un Bus I2C réalisé avec les lignes correspondant aux broches 16 et 15 du microcontrôleur, la première balayant l’horloge pour la communication (SCL, broche 6 de U1 à U8) et la seconde constituant le canal des données SDA (broches 5 de U1 à U8). Pour adresser données et commandes aux puces de mémoire, le standard Bus I2C utilise des flux de données contenant une adresse de 1 à 8 binaire qui, avec les mémoires choisies, est paramétrée avec des combinaisons logiques à trois broches d’adressage A0, A1, A2 : disposant d’une banque de huit éléments, nous devons utiliser les trois broches, que le schéma électrique nous présente avec un paramétrage différent selon la mémoire. Cela permet de faire en sorte que chaque EEPROM ait une adresse univoque et par conséquent d’être certain que chaque commande produite par le microcontrôleur atteigne une seule puce.
L’écriture périodique avance et, quand la mémoire est pleine, le PIC opère un recyclage : il écrit les nouvelles informations sur les anciennes, en commençant par couvrir les premières positions de la banque d’EEPROM. Cela arrive quand le pointeur atteint et dépasse 16 384 points de coordonnées. A noter cependant qu’afin d’éviter toute erreur, quand la mémoire est recyclée, le logiciel écrit dans l’EEPROM du microcontrôleur un 1 logique, ce qui indique que les données ont dépassé la capacité de la banque et que donc on a commencé à écrire sur les anciennes données (un palimpseste* numérique en quelque sorte). Ainsi, en lisant les points, l’usager comprend qu’il n’y a pas d’erreur et peut reconstituer le parcours exact du véhicule sur lequel le traqueur est installé.
Le 1 logique, écrit afin d’indiquer le recyclage de la mémoire, nous avertit que les données déchargées ne sont pas en ordre chronologique : nous devons donc mettre en ordre le fichier en fonction de la date et de l’heure, afin de restituer l’itinéraire.
* Parchemin que l’on a effacé afin d’y récrire d’autres mots.
On l’a dit, le microcontrôleur lit périodiquement le flux de données que le récepteur GPS lui envoie par son port sériel TTL selon le protocole NMEA0183 : l’acquisition et l’écriture en mémoire se font périodiquement, à intervalles réguliers, avec une durée paramétrable par une procédure que nous décrirons sous peu. En attendant, notons que la mémorisation peut être arrêtée manuellement de deux façons : en reliant l’unité d’interface sérielle ou en agissant sur une broche spécifique du microcontrôleur.
Dans le premier cas, il est évident que la mémorisation doit être suspendue, car si l’usager relie l’interface il va de soi que le système doit dialoguer avec le PC et ce dans le but de décharger les données contenues dans la banque d’EEPROM. L’arrêt automatique est obtenu en faisant lire au logiciel du microcontrôleur une situation particulière : l’état logique haut sur la broche RB0 (21). Cette condition ne peut être obtenue que si, en insérant le câble de connexion RJ45, le contact 5 reçoit l’alimentation du module d’interface sérielle et par conséquent, par l’intermédiaire du pont R2/R3, apporte environ 5 V à la broche 21 du PIC. Notez que la diode D2 sert, quand on déconnecte le traqueur de son alimentation normale, à le faire fonctionner avec la tension fournie par le module d’interface.
Le second mode d’arrêt d’acquisition des points par le récepteur GPS consiste à intervenir sur la broche 28 (RB7) du microcontrôleur : le programme teste continuellement la ligne RB7 jusqu’à ce qu’elle soit au 0 logique.
Si l’usager ouvre le cavalier J2 cet I/O est porté (par la résistance de “pull-up” R4) à l’état logique 1 et la mémorisation des points est ainsi suspendue.
J2 ouvert, les points EN et – peuvent être utilisés comme entrée de commande dans des situations particulières : par exemple, quand le véhicule sur lequel le traqueur est installé doit s’arrêter. Dans ce cas, si l’on applique aux contacts une prise dans laquelle on puisse insérer et désinsérer une fiche produisant un court-circuit, on peut agir de l’extérieur pour arrêter l’acquisition et la reprendre dès que le véhicule est de nouveau en mouvement.
Pour arrêter la mémorisation du tracé, nous aurions aussi bien pu prévoir un interrupteur pour éteindre le récepteur GPS ou couper l’alimentation du circuit tout entier : c’eût été plus facile…
Toutefois, une raison bien précise nous a fait opter pour la solution finalement retenue : confier au microcontrôleur cette interruption. Tous les récepteurs GPS, en effet, nécessitent un temps de “chauffe” après la mise sous tension (en fait, il faut un certain temps pour acquérir suffisamment de satellites pour pouvoir obtenir des coordonnées).
Donc, afin de rendre le circuit compatible avec tous les récepteurs standards (même les moins rapides en acquisition d’un nombre de satellites suffisant) et opérationnel tout de suite après la mise en route, nous avons décidé de laisser le récepteur GPS tout le temps allumé, ainsi d’ailleurs que l’ensemble du dispositif. On remarque que pendant la suspension de l’acquisition des points, le microcontrôleur lit de toute façon ce que le récepteur lui envoie, bien qu’il ne le mémorise pas : cela permet, en interrogeant le traqueur à partir de l’ordinateur avec la commande spéciale “Real Time”, de connaître la position actuelle. Cette possibilité est utile pour vérifier le bon fonctionnement du récepteur.
Notez encore la LED, pilotée par la ligne RC3 du microcontrôleur : elle signale tous les états de ce dernier et son fonctionnement. Après la transitoire de mise sous tension, elle peut être paramétrée en mode secret, soit pour ne donner aucune autre information.
Normalement LD1 émet une suite de trois éclairs, au moment où le circuit est mis sous tension, puis elle s’éteint. Elle reste allumée fixe pendant la phase de dialogue avec le récepteur GPS quand on cherche à l’établir (recherche du paramétrage du canal sériel correspondant à la ligne RB1), puis elle s’éteint. En fonctionnement normal (soit quand l’interface de communication n’est pas connectée et que J2 est fermé), elle clignote chaque fois que le dispositif mémorise un point que le récepteur GPS lui envoie.
Avant de passer à la description de l’unité d’interface sérielle vers l’ordinateur, voyons encore comment le PIC16F876-EF469 communique avec l’extérieur : disons avant tout qu’une liaison sérielle bidirectionnelle a été prévue, avec canaux d’émission et réception distincts, correspondant aux lignes RA4 et RA5 du microcontrôleur. Pour être précis, la première (ligne 2 du connecteur RJ45) reçoit et la seconde (broche 4 du RJ45) émet les données. La communication n’utilise aucun signal de contrôle et se limite à l’échange d’informations entre le traqueur et l’ordinateur (points de positionnement en sortie et caractérisation en sortie). Les deux autres contacts du connecteur servent l’un (6) pour la masse commune de la liaison et l’autre (5) pour recevoir l’alimentation stabilisée à 5 V du module d’interface. Le circuit entier fonctionne sous une tension continue comprise entre 9 et 15 V, appliquée entre les bornes + et – PWR. C1 et C2 filtrent ce qui atteint l’entrée du régulateur U10, un 7805, dont la sortie fournit le 5 V parfaitement stabilisé destiné à alimenter le microcontrôleur, les mémoires sérielles et, par l’intermédiaire d’un connecteur mini DIN PS2, le récepteur GPS.
Notez que, si l’on veut, il est possible d’alimenter le dispositif avec une batterie et d’utiliser pour cela 4 bâtons rechargeables Ni-MH de 1,2 A/h ou des piles alcalines : dans ce cas, il faut isoler le régulateur (déjà protégé par D1) en fermant J1.

Figure 1 : Schéma électrique de l’unité distante (embarquée) du traqueur GPS à mémoire.

L’interface sérielle
Le schéma électrique de l’interface de communication est cette fois à la figure 2 : c’est un petit circuit relié au connecteur RJ45 du traqueur pour lui permettre de dialoguer avec l’ordinateur.
Ce schéma montre qu’à part l’alimentation le circuit est constitué d’un convertisseur TTL/RS232 et vice-versa.
La conversion est opérée par le circuit intégré U2, un MAX232, contenant deux convertisseurs de niveau TTL (0/5 V) vers RS232-C (+ ou –12 V) et autant de transistors changeant les niveaux standards RS232 en TTL. Nous n’en utilisons qu’une section TX/RX : le second convertisseur TTL/RS232 reçoit (sur T2IN), de la broche 4 du connecteur RJ45, les fl ux de données TTL arrivant du traqueur et les convertit en RS232 pour les envoyer, par l’intermédiaire de sa broche 7, à la 2 (RXD) du DB9 permettant la liaison à la COM de l’ordinateur. A partir du contact 3 de ce même connecteur, les niveaux RS232 arrivant du PC atteignent la broche 8 (entrée du second convertisseur RS232/TTL) du MAX232 et sont convertis en TTL quand ils sortent de la broche 9 : de là ils passent, par l’intermédiaire de la broche 2 du RJ45, au traqueur.
Le reste du circuit constitue l’alimentation : aux bornes PWR on applique une tension de 9 à 15 V que le régulateur U1, un autre 7805, réduit et stabilise à 5 V pour l’alimentation du MAX232.
A propos de ce dernier circuit intégré, notons qu’il dispose intérieurement de deux élévateurs de tension nécessaires au pilotage des “drivers” (pilotes) RS232 lesquels doivent développer des impulsions de + ou – 12 V.
Les élévateurs ont besoin de condensateurs externes : dans notre schéma ce sont les électrolytiques C5 à C8.
Le 5 V produit par le 7805 va aussi à la broche 5 du connecteur RJ45 et sert à alimenter le module traqueur quand celui-ci est détaché du véhicule où il est installé (par exemple, quand on l’apporte au labo). Bien sûr, le 5 V donne le niveau logique haut que le PIC doit reconnaître pour arrêter l’acquisition des points.

Figure 2 : Schéma électrique de l’interface sérielle du traqueur GPS à mémoire.

La gestion par ordinateur
En reliant (avec un câble direct, du type connexion de modem) le connecteur SERIAL PORT de l’unité d’interface à un port sériel d’ordinateur, on peut effectuer des opérations comme la décharge de la mémoire, la vérification du fonctionnement du récepteur GPS et le paramétrage de l’intervalle d’acquisition. Tout peut être fait de deux manières : en utilisant un programme spécifique (SOF469, figure 9) ou un logiciel d’émulation de terminal (le Terminal de Windows 3x ou l’Hyper Terminal de Windows 95/98).
Voyons l’utilisation de l’Hyper Terminal dont la vitesse est à paramétrer de la même manière que le GPS relié au traqueur. Les récepteurs GPS un peu anciens communiquent à 4 800 bauds, mais les nouveaux (Garmin ou Sirf, etc.) vont à 9 600 bauds. En tout cas, tenez compte du fait que le PIC16F876-EF469 de notre système dialogue, lui, selon les paramétrages suivants : 8 bits de données, 1 bit de “start” et 1 bit de “stop”, aucune parité et sa vitesse est celle du GPS (donc si vous la connaissez, paramétrez-la, sinon essayez entre 4 800 et 9 600 bauds).
Quand l’écran du terminal apparaît, si le traqueur est allumé, le symbole F? est visualisé cycliquement (toutes les trois secondes environ), ce qui indique la demande (opérée par le traqueur envoyant, par l’intermédiaire du port sériel, sous forme de caractères ASCII le prompt par lequel il demande à l’usager de dire ce qu’il veut faire) d’une commande. Il faut alors répondre en pressant sur une des touches numériques, dont chacune a une fonction.
Le logiciel du PIC offre et exécute 7 commandes : la première active ou désactive le mode “Real Time”, le second efface la banque d’EEPROM, le troisième communique l’état du pointeur de mémoire, le quatrième envoie l’intervalle de balayage, le cinquième paramètre cet intervalle de balayage, le sixième concerne la décharge des données et le dernier paramètre l’activité de la LED LD1. Examinons toutes les commandes avec un préliminaire : à partir du moment où le prompt apparaît, l’usager a 3 secondes pour écrire le numéro de la commande, après le prompt recommence. A l’intérieur de chaque commande, l’insertion des données ou le choix d’une option doit être fait avant l’écoulement des trois secondes (entre la pression d’une touche et la suivante), sous peine d’annulation de l’opération en cours et la perte de la commande.
- Commande 1 : en tapant 1 sur le clavier, après la visualisation du prompt F?, on peut définir le mode “Real Time”, soit préciser au microcontrôleur s’il doit envoyer ou non à l’ordinateur les données que le récepteur GPS lui passe quand il n’est pas en train d’enregistrer. Rappelez-vous que lorsque le dispositif est relié à l’ordinateur, l’interface étant connectée, la mémorisation est bloquée automatiquement. Si l’on tape 1 au clavier, il s’active, si l’on tape 0, il se désactive : dans le premier cas, les données de positionnement sont visualisées à l’écran quand elles arrivent, dans le second, rien n’est visualisé.
- Commande 2 : en tapant 2 sur le clavier, après la visualisation du prompt F?, on efface le contenu de l’EEPROM.
Il est conseillé d’accomplir cette opération après avoir monté le traqueur :
cela efface toutes les données pouvant être présentes en mémoire. La même commande est donnée après la décharge des données.
- Commande 3 : demande “buffer”. En tapant 3 sur le clavier, après la visualisation du prompt F?, le microcontrôleur du traqueur envoie à l’ordinateur l’état du pointeur de mémoire et le numéro de l’EEPROM sur laquelle il écrit les données. Cette commande permet de savoir combien de mémoire reste disponible, de façon à décider si le moment de décharger la banque des données est arrivé.
En outre, l’écran visualise l’état du recyclage éventuel de la mémoire : 1 signifie que depuis le dernier déchargement la totalité de la banque est épuisée et que le système a commencé à effacer les points les plus anciens pour les remplacer par des nouveaux, 0 signifie que la mémoire a encore de l’espace libre.
- Commande 4 : demande durée de “polling”. En tapant 4 sur le clavier, après la visualisation du prompt F?, l’intervalle actuel de mémorisation (en secondes) entre un point et le suivant est visualisé à l’écran.
- Commande 5 : réglage durée de “polling”.
En tapant 5 sur le clavier, après la visualisation du prompt F?, on peut écrire et sauvegarder dans le PIC du traqueur un nouvel intervalle de balayage. La durée peut être écrite en secondes dans le format à trois chiffres : par exemple, la mémorisation toutes les 20 secondes s’exprime par 020. Au-delà de trois secondes entre la frappe des chiffres, la procédure est abandonnée et l’intervalle actuel présent dans le PIC reste paramétré. Après l’introduction du troisième chiffre l’ordinateur envoie au traqueur la commande de sauvegarde du nouvel intervalle (remplaçant le précédent).
- Commande 6 : décharge. Avec cette procédure, l’ordinateur demande au microcontrôleur de vider la banque de mémoire et de lui transmettre toutes les données de positionnement.
Bien sûr, avec le terminal apparaissent beaucoup de flux, un pour chaque point : il faut donc imprimer et sauvegarder les fichiers correspondants, sinon les informations sont perdues. L’envoi a lieu 5 secondes après avoir tapé 6 au prompt de commande F?. A ce propos, il faut noter que le déchargement part toujours de la première localisation de mémoire, indépendamment du fait que la mémoire puisse être pleine et éventuellement partiellement récrite ou qu’elle ait encore de l’espace disponible.
Ce sera ensuite à l’usager de mettre en ordre les points enregistrés, selon la date et l’heure des fichiers.
- Commande 7 : réglage LED. En tapant 7 sur le clavier, après la visualisation du prompt F?, on entre dans le paramétrage du mode de fonctionnement de LD1. Par défaut, la LED fonctionne comme décrit plus haut, si l’on tape 1, le mode s’active (si toutefois elle a été préalablement habilitée), si l’on tape 0, son activité se limite au seul clignotement après la mise sous tension. Ce mode permet d’éviter une signalisation quand le traqueur doit rester caché et que l’éventuelle lumière pourrait en trahir la présence.

Figure 3 : Le principe de fonctionnement du traqueur GPS à mémoire.

Figure 4 : Le GPS utilisé.

La réalisation pratique
Commençons par nous procurer les deux circuits imprimés ou les fabriquer à partir de leurs dessins à l’échelle 1 donnés par les figures 5c pour l’interface sérielle et 6c-1, 6c-2 pour le traqueur (attention, ce dernier est un circuit imprimé double face à trous métallisés et si vous le réalisez vous-même n’oubliez pas d’exécuter toutes les connexions entre faces avec des morceaux de 5 mm de fil de cuivre soudés des deux côtés et remplaçant la métallisation industrielle des trous).
Quand les circuits imprimés sont gravés et percés (connexions entre faces réalisées pour le second), en gardant l’oeil constamment sur les figures 5a et 5b puis 6a et 6b, insérez d’abord les supports des circuits intégrés dont le PIC16F876-EF469, déjà programmé en usine, pour la seconde platine (vous n’insérerez les circuits intégrés eux-mêmes qu’à la toute fin des soudures).
Après avoir vérifié vos soudures (ni court-circuit entre pistes et pastilles, ni soudures froides collées), enfilez toutes les résistances (platine traqueur uniquement) sans les intervertir, puis (pour les deux) les diodes (bagues repère-détrompeurs tournées dans le bon sens illustré par les figures 5a et 6a).
Montez ensuite tous les condensateurs en ayant soin de respecter la polarité des électrolytiques (la patte la plus longue est le +). Montez les régulateurs 7805, l’un (platine interface) couché (semelle métallique contre la surface du circuit imprimé) et fixé par un boulon 3MA, l’autre debout et semelle tournée vers l’intérieur de la platine. Montez le quartz de 20 MHz debout (platine traqueur). Enfoncez et soudez deux fois deux picots pour les cavaliers J1 et J2. Montez enfin sur la platine traqueur la LED verte en tenant compte du fait qu’elle devra affleurer à la surface du boîtier plastique (figure 7).
Montez enfin sur la platine interface les connecteurs DB9 femelle et RJ45 et la prise coaxiale d’alimentation (elle est terminée : enfoncez délicatement le MAX232 dans son support et dans le bon sens en orientant les repère-détrompeurs en point et en U vers C5 et C8) et sur la platine traqueur les connecteurs DB9 mâle, PS2 pour circuit imprimé et RJ45 (quand elle aussi est terminée et que les soudures ont été une ultime fois vérifiées, vous pouvez insérer les nombreux circuits intégrés, 8 mémoires et le PIC, dans leurs supports en orientant leurs repère-détrompeurs en U vers la gauche de la platine disposée comme le montre la figure 6).
La platine traqueur pourra être alimentée par un “pack” de batteries rechargeables (J1 fermé) ou directement par la batterie du véhicule (J1 ouvert !) : les deux solutions sont prévues par les pistes et pastilles du circuit imprimé.
La liaison du traqueur et du récepteur GPS se fait par un connecteur standard et une prise mini DIN type PS2 de l’ordinateur.
En utilisation normale, J2 doit être fermé.
Quant à la liaison entre la platine interface et celle du traqueur, il faut, pour la réaliser, préparer un câble doté de deux fiches RJ45 (un câble LAN pourrait faire l’affaire mais rien n’empêche d’en fabriquer un avec du câble téléphone à 8 conducteurs et deux fiches RJ45 sans blindage achetés en grande surface).

Figure 5a : Schéma d’implantation des composants de l’interface sérielle du traqueur GPS à mémoire.

Figure 5b : Photo d’un des prototypes de la platine interface sérielle du traqueur GPS à mémoire.

Figure 5c : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de la platine sérielle du traqueur GPS à mémoire.

Liste des composants de l’interface sérielle
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 100 nF multicouche
C3 = 220 μF 16 V électrolytique
C4 = 220 μF 16 V électrolytique
C5 = 1 μF 100 V électrolytique
C6 = 1 μF 100 V électrolytique
C7 = 1 μF 100 V électrolytique
C8 = 1 μF 100 V électrolytique
D1 = 1N4007
U1 = 7805
U2 = MAX232

Divers :
1 Support 2 x 8 broches
1 Connecteur DB9 femelle
1 Connecteur RJ45
1 Prise d’alimentation
1 Boulon 8 mm 3MA


Figure 6a : Schéma d’implantation des composants de la platine de l’unité distante (embarquée) du traqueur GPS à mémoire.

Figure 6b : Photo d’un des prototypes de la platine de l’unité distante (embarquée) du traqueur GPS à mémoire.

Figure 6c-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de la platine de l’unité distante, côté soudures.

Figure 6c-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de la platine de l’unité distante, côté composants.

Liste des composants
R1 = 4,7 kΩ
R2 = 4,7 kΩ
R3 = 10 kΩ
R4 = 10 kΩ
R5 = 4,7 kΩ
R6 = 4,7 Ω
R7 = 10 kΩ
R8 = 10 kΩ
R9 = 470 Ω
R10 = 10 kΩ
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 470 μF 16 V électro
C3 = 100 nF multicouche
C4 = 470 μF 16 V électro
C5 = 100 nF multicouche
C6 = 100 nF multicouche
C7 = 10 pF céramique
C8 = 10 pF céramique
D1 = 1N4007
D2 = 1N4007
LD1 = LED verte 3 mm
U1 = 24LC256
U2 = 24LC256
U3 = 24LC256
U4 = 24LC256
U5 = 24LC256
U6 = 24LC256
U7 = 24LC256
U8 = 24LC256
U9 = PIC16F876-EF469 programmé
U10 = 7805
Q1 = Quartz 20 MHz

Divers :
8 Supports 2 x 4 broches
1 Support 2 x 14 broches
2 Cavaliers
1 Connecteur PS2 pour ci
1 Connecteur DB9 mâle
1 Connecteur RJ45
1 Boîtier Teko Coffer 2 ou équ.
Les résistances utilisées sont toutes des 1/4 W à 5 %.


Figure 7 : Installation dans son boîtier plastique de la platine de l’unité distante (embarquée) du traqueur GPS à mémoire. A cette unité est relié le récepteur GPS proprement dit.

Figure 8 : L’interface sérielle telle qu’elle se présente une fois terminée.
Le dispositif est à relier d’un côté au récepteur GPS et de l’autre au port sériel du PC.



Figure 9 : Le logiciel et l’intégration avec Fugawi3.









Si nous voulons décharger les données dans un programme ad hoc, on peut utiliser un logiciel spécifique (figures a à d) conçu pour transférer les données dans les logiciels Fugawi3 (figures e à h). La fenêtre de dialogue dispose, en haut, de poussoirs pour actionner les 7 commandes décrites et accessibles par ailleurs avec Hyper Terminal. En particulier, notez le poussoir permettant de choisir le port de communication de l’ordinateur parmi les COM disponibles et actifs (la recherche se fait en repérant sur quel port se trouve le prompt F?). Le poussoir en haut à gauche connecte le logiciel au port sélectionné et commence le dialogue. Le logiciel fourni convertit la donnée de chaque flux acquis (en mode déchargement comme en mode “Real Time”) au format AA/MM/JJ (année/mois/jour), de façon à rendre plus simple la recherche chronologique des enregistrements.
En outre, il transforme les degrés sexagésimaux de la position (latitude et longitude) en décimaux, en les divisant par 6. Le résultat du déchargement est visualisé dans la fenêtre de la figure 9f. Les poussoirs Efface Log et Sauvegarde Log servent à effacer les données déchargées et visualisées dans cette fenêtre et à les sauvegarder dans un fichier dont il convient de définir l’emplacement.
Chaque enregistrement peut être édité par le clavier. Vu la simplicité et la convivialité des deux programmes, le fait que les interfaces soient, pour la première, en italien et, pour la seconde, en anglais ne posera aucun problème.

Figure 10 : Le déchargement des données.

Les données mémorisées par notre système sont envoyées au PC selon le format suivant :
45368248N008576513E152523301002
45368250N008576515E152525301002
45368251N008576516E152527301002
Correspondant à : Latitude 4536.8248 N
Longitude 00857.6513 E
Heure 15:25:23
Date 30/10/02

(Les couleurs sont uniquement destinées à la compréhension)

Figure 11 : Caractéristiques minimales de l’ordinateur.
Le PC utilisé pour gérer le traqueur peut tourner avec n’importe quel système opérationnel Microsoft. En revanche, il est indispensable qu’il dispose d’un port sériel libre pour connecter le traqueur servant à charger les données.
Système opérationnel : Windows 95x, 98x, ME, 2000, XP ou NT 4.0
Processeur : Pentium II 233 MHz ou supérieur
RAM : 64 Mo
Carte vidéo : 256 couleurs ou plus
Disque dur : 20 Go
Pointeur : Souris standard PS2 ou USB
Port sériel : Standard RS232

Une commande vocale pour lampe ou autre charge

Cette commande permet de mettre sous tension, par la voix, une lampe ou toute charge électrique sur secteur 230 V.
Chaque commande se compose d’une séquence de deux mots préalablement enregistrés. La commande vocale utilise la technologie “Speaker Dependent” et peut être utilisée au maximum par 6 personnes différentes.


L’utilisation des paramètres biométriques d’un individu pour commander des machines est en constant progrès. Dans peu de temps, il devrait être possible de se servir des caractéristiques biométriques d’un individu (empreintes digitales, iris, etc.) pour toutes les applications où il s’agit de détecter une identité : clé, mot de passe, carte de crédit… et des modèles biométriques dynamiques dans les applications de reconnaissance des expressions du visage et de la parole. Cette dernière application a fait, en dix ans, de grands pas en avant.
La technologie de reconnaissance de la parole, déjà bien avancée sur les calculateurs, a fait une percée sur le marché des téléphones portables : on utilise la voix pour composer un numéro mémorisé. La California Sensory Inc. (pas encore très connue) a une stratégie, semble-t-il, payante : elle ne produit pas de circuits intégrés capables seulement de reconnaître la parole (comme, par exemple, OKI) ni davantage de puces en mesure seulement de parler (comme, par exemple, Winbond), mais réunit toujours les deux technologies dans une gamme de produits aux applications les plus diverses.

Notre réalisation
Le produit d’entrée de Sensory est le RSC-300, un petit microcontrôleur à 8 bits en boîtier TQFP à 64 broches dont le “diminutif” est VE-IC (Voice Extreme Integrated Circuit) pour les intimes ! En partant de ce circuit intégré, nous avons réalisé une commande vocale pour contrôler une lampe ou, plus généralement, une charge sur secteur 230 V. Le dispositif est en mesure de reconnaître une commande constituée d’une séquence de deux mots et d’inverser l’état de sa sortie.
L’étage d’entrée est donc un microphone et la sortie un triac alternativement ouvert ou fermé. L’application typique est donc la commande d’allumage d’une lampe, par exemple le lampadaire ou le lustre du salon : pour cela, il suffira de mettre en série notre appareil dans les fils d’alimentation secteur 230 V de ces luminaires. La commande vocale peut cependant être utilisée pour beaucoup d’autres applications (seule votre imagination en limitera le nombre !).
Les commandes peuvent être effectuées par un maximum de 6 personnes différentes et, à ce propos, nous devons apporter une précision. Tout dispositif capable de reconnaître la parole peut fonctionner selon deux méthodes différentes : “Speaker Independent” (indépendante de la personne qui parle), ou “Speaker Dependent” (dépendante de la personne qui parle).
La première technologie permet de distinguer (reconnaître) un mot indépendamment de qui le prononce : homme, femme ou enfant. La seconde permet de reconnaître un mot prononcé, en revanche, par une même personne : cette technologie (que nous avons implantée dans notre appareil) réclame une phase initiale d’apprentissage (“Training”). Le mot doit être appris par le dispositif afin qu’il le reconnaisse en situation réelle. Le reconnaisseur vocal peut reconnaître au maximum 12 mots composant ensuite les 6 commandes de 2 mots chacune.

Le schéma électrique de la commande vocale
Il est à la figure 1 : au module VE-M de base (U4), en bas à gauche, sont reliés 4 poussoirs, dont un reset, ainsi que 2 LED de rétroaction. La section d’entrée audio est constituée d’une capsule microphonique électret omnidirectionnelle d’une sensibilité entre –40 et –60 dB. La capsule est reliée au convertisseur A/N interne au RSC-300 par l’intermédiaire d’un condensateur de désaccouplement de 22 nF monté sur le module VE-M : à l’extérieur, il faut monter la cellule R12/C14 afin d’adapter la sensibilité du microphone à cette application.
La sortie BF du VE-M est amplifiée au moyen de l’étage U3 (TBA820M) et appliqué à un haut-parleur de 8 ohms 1 W. Le trimmer R6 permet de régler le volume. Le port P1-5 du microcontrôleur gère, à travers T1, la LED interne de l’optotriac avec “zero crossing” FC1, contrôlant à son tour le triac de puissance de 10 A, TR1. Un fusible de 2 A, sur le bornier d’entrée du secteur 230 V, protège à la fois le circuit et la charge. La section d’alimentation prévoit un transformateur 230 / 9 V, un pont redresseur à diodes et deux régulateurs de tension : un 7809 donne le 9 V nécessaire à l’alimentation de l’amplificateur U3, un LM317 produit le 3 V pour le module VE-M.

Analyse énergétique du montage
Module Voice       26 mA       @ 3 V
LED alimentation 15 mA @ V transfo
LED triac 15 mA @ 9 V
LED jaune 15 mA @ 9 V
LED rouge 15 mA @ 9 V
Amplificateur 120 mA @ 9 V
Total 206 mA 1,8 W

Figure 1 : Schéma électrique de la commande vocale.


Figure 2 : Le module VE-M.

Le cerveau du module est le circuit intégré Voice Extreme IC (VE-IC) fourni monté sur une petite platine (module) où se trouve également la mémoire “Flash” contenant le programme de la commande vocale. Le VE-IC est un microcontrôleur à 8 bits programmable en C intégrant aussi la fonction de reconnaissance de la parole.
Ici nous nous bornons à traiter le module comme un bloc de schéma électrique correspondant à un connecteur à 34 broches (voir barrette tulipe 2 x 17 broches). La broche 15 de J1 reçoit une tension d’alimentation comprise entre 2,85 et 3,3 V : vérifiez bien que sur cette broche du connecteur tulipe situé sur la platine de base se trouve une tension de 3 V exactement avant d’insérer le module (voir texte). Les broches 1, 2, 3, 7, 8, 33 et 34 sont reliées à la masse. La broche 6 (DAC-OUT) est la sortie du signal BF.
La broche 4 (MIC-IN) est l’entrée du signal microphonique.
Parmi les broches restantes, nous avons utilisé les lignes de I/O suivantes : le port P1-0 (broche 25) est relié au poussoir TOGGLE, le port P1-1 (broche 26) est connecté au poussoir LEARN/CLR, le port P1-6 (broche 31) gère la LED jaune LIGHT ON, enfin le port P1-5 (broche 30) contrôle l’état de la sortie.

Figure 3 : L’installation dans le boîtier plastique.

Quand le montage de la platine et du module est terminé, il faut les protéger par un boîtier plastique Teko Wall-4. Placez la platine bien au centre du fond sur ses 4 grandes entretoises et percez le fond de 4 trous pour visser ces dernières. Le haut-parleur est fixé, avec un peu de colle à chaud (ou autre), sur ce même fond, cône tourné vers la platine. Le couvercle supérieur servant de face avant est à percer en utilisant comme gabarit de perçage une photocopie de la face avant de la figure 4 : 3 trous de diamètres 3 mm pour les 3 LED, 4 de diamètres 5 mm pour les poussoirs, 1 de diamètre 3 mm pour le trimmer VOLUME et 1 de 7 mm pour la capsule microphonique. Enfin percez un côté de 2 trous pour le passage des 2 câbles : un cordon secteur 230 V et un cordon pour alimenter la charge (lampe ou autre).

Figure 4 : La face avant ou panneau de contrôle.

LED POWER (verte) : Indique la présence de la tension d’alimentation.
LED LIGHT ON (jaune) : S’allume en même temps que la lampe à commander.
LED RECORD (rouge) : S’allume pendant la phase d’apprentissage.
Poussoir RESET : Sert à se retrouver au début du programme.
Poussoir TOGGLE : Pour changer manuellement l’état de la sortie (allumé/éteint).
Poussoir LEARN/CLR : Si pressé en même temps que le poussoir reset, provoque la remise à zéro de la mémoire des commandes. Si pressé pendant le fonctionnement normal, active la phase d’apprentissage.

La réalisation pratique de la commande vocale
Une fois que l’on a réalisé le circuit imprimé par la méthode décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?" (la figure 5c en donne le dessin à l’échelle 1), ou qu’on se l’est procuré, on monte tous les composants en regardant fréquemment les figures 5a et 5b et la liste des composants.
Montez tout d’abord les supports du circuit intégré U3 et du FC1 : vérifiez bien les soudures (ni court-circuit entre pistes et pastilles, ni soudure froide collée). Montez toutes les résistances sans les intervertir et en distinguant bien les deux d’1/2 W et les deux à 1 % (elles sont différentes des 1/4 de W ordinaires à 5 %). Montez tous les condensateurs en respectant bien la polarité des électrolytiques (la patte la plus longue est le “+”) : C8 et C9 sont montés couchés côte à côte. Montez le pont redresseur PT1 en respectant bien sa polarité (le “+” est à la jonction R1/C1).
Montez les deux régulateurs U1 et U2, ainsi que le triac TR1 debout, sans les confondre et semelle métallique tournée vers C3 pour U1, C6 pour U2 et vers l’extérieur pour TR1. Montez les 3 transistors BC547, méplat repère-détrompeur orienté dans le bon sens indiqué par la figure 5.
Montez le porte-fusible et le fusible de 2 A. Montez les deux gros borniers pour la charge (LOAD) et pour le secteur 230 V (MAIN), puis les deux petits pour le haut-parleur (SPK) et pour le microphone (MIC).
Montez maintenant les deux barrettes tulipes femelles au pas de 2,54 mm servant à installer le module VE-M pardessus le circuit imprimé principal (voir figure 5b-1). Montez enfin le transformateur et vérifiez bien toutes vos soudures.
Restez côté soudures et montez-y (voir photo figure 5b-2) le trimmer R6, les 4 poussoirs miniatures (appuyés à la surface du circuit imprimé) et les 3 LED rouge, jaune et verte (à environ 2 mm de la surface cuivrée).
Retournez la platine côté composants : insérez FC1 en haut à gauche dans son support (repère-détrompeur en forme de point vers R16) et U3 dans le sien à droite au milieu (repère-détrompeur en U vers C11).
Prenez ensuite un carré de feuille isolante, mica ou plastique, et collez-le sur le côté composant de la platine de manière à couvrir la section comprise entre les borniers LOAD et MAIN et l’extrémité opposée du transformateur (sur toute la largeur de la platine). Appliquez la tension secteur 230 V au bornier MAIN. Avec un multimètre, vérifiez la présence du 9 V à la sortie de U2 et du 3 V sur la broche 15 du connecteur barrette tulipe. Coupez la tension secteur 230 V et insérez le module VE-M dans son connecteur barrette tulipe (maintenez-le en place à l’aide de 4 entretoises). Rebranchez le secteur 230 V et vérifiez que la LED verte s’allume et que l’on entende dans le hautparleur la phrase : “Commande vocale en fonction”. Réglez le volume selon votre désir grâce à R6. Coupez le secteur et branchez une ampoule 230 V au bornier LOAD. Rebranchez le secteur 230 V et pressez le poussoir TOGGLE (figure 4) : l’ampoule et la LED jaune doivent s’allumer. Pressez à nouveau : l’ampoule et la LED s’éteignent. Nous pouvons alors passer à l’apprentissage vocal (“Training”).

Figure 5a : Schéma d’implantation des composants de la commande vocale pour lampe.
Les composants en jaune sont montés côté soudures.


Figure 5b-1 : Photo d’un des prototypes de la platine principale vu côté composants avec le module VE-M monté.

Figure 5b-2 : Photo d’un des prototypes de la platine principale vu côté cuivre, où sont montés le trimmer R6, les 4 poussoirs et les 3 LED.

Figure 5c : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de la commande vocale pour lampe.

Liste des composants
R1 = 1,2 kΩ
R2 = 200 Ω 1 %
R3 = 300 Ω 1 %
R4 = 22 kΩ
R5 = 22 kΩ
R6 = 47 kΩ trimmer
R7 = 150 Ω
R8 = 56 kΩ
R9 = 1 Ω
R10 = 1 Ω
R11 = 100 Ω
R12 = (voir texte)
R13 = 4,7 kΩ
R14 = 10 kΩ
R15 = 680 Ω
R16 = 470 Ω 1/2 W
R17 = 330 Ω
R18 = 47 Ω 1/2 W
R19 = 47 kΩ
R20 = 47 kΩ
R21 = 470 Ω
R22 = 470 kΩ
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 100 nF multicouche
C3 = 100 nF multicouche
C4 = 220 μF 25 V électro
C5 = 220 μF 25 V électro
C6 = 47 μF 25 V électro
C7 = 100 nF 63 V polyester
C8 = 100 μF 25 V électro
C9 = 47 μF 25 V électro
C10 = 220 pF céramique
C11 = 220 μF 25 V électro
C12 = 100 nF 63 V polyester
C13 = 220 μF 25 V électro
C14 = (voir texte)
C15 = 10 μF 63 V électro
C16 = 10 nF 630 V polyester
C17 = 100 nF 63 V polyester
LD1 = LED rouge 3 mm
LD2 = LED jaune 3 mm
LD3 = LED verte 3 mm
PT1 = Pont redresseur 2 A
U1 = Régulateur LM317
U2 = Régulateur 7805
U3 = Intégré TBA820M
U4 = Voice Extreme Module VE-M
T1 = NPN BC547
T2 = NPN BC547
T3 = NPN BC547
FC1 = Optotriac MOC 3041
TR1 = Triac BTA10-700
TF1 = Transfo. 230 V / 9 V
FUS1 = Fusible 2 A
P1 = Micropoussoir pour ci
P2 = Micropoussoir pour ci
P3 = Micropoussoir pour ci
P4 = Micropoussoir pour ci
MIC = Capsule électret
SPK = Haut-parleur 8 Ω 1 W

Divers :
1 Support 2 x 4 broches
1 Support 2 x 3 broches
2 Borniers 2 pôles au pas de 10 mm
2 Borniers 2 pôles
2 Barrettes tulipe femelles 17 pôles
1 Porte-fusible pour ci
4 Entretoises 13 mm
4 Entretoises 10 mm
4 Entretoises 50 mm
4 Boulons à tête fraisée 8 mm
4 Ecrous 3MA


Figure 6 : Réglage du microphone.

Pour un meilleur fonctionnement, il est conseillé de régler le gain du microphone en fonction de la distance à laquelle on veut utiliser la commande vocale. Le tableau ci-dessous donne les valeurs de R12 et de C14 en fonction de cette distance :
Distance micro/usager Valeur de R12 Valeur de C14
moins de 0,25 m 1 kΩ 0,01 μF
entre 0,25 et 1 m 1,8 kΩ 0,0068 μF
plus d’un mètre 2,7 kΩ 0,0047 μF

L’entraînement vocal
Les phases
Notre appareil utilise la technologie de reconnaissance “Speaker Dependent”, capable de reconnaître des mots (commandes) préalablement appris au moyen de la procédure “Training”.
Chaque mot est converti par “Voice Extreme” en une séquence de données numériques mémorisées dans la “fl ash” sous le nom de “Templates” (modèles). Etant donné que chaque modification de l’état de la sortie est produite par la reconnaissance d’une suite de deux mots et comme le dispositif prévoit 6 utilisateurs différents au maximum, les “templates” nécessaires pour notre application sont au maximum 12 (voir tableau 1).

Tableau 1 : Relation entre “templates” et commandes.

Par exemple, si nous voulons associer à la commande 1 la phrase “Lampe salon”, cela signifie que nous devons mémoriser en correspondance du “Prompt 1.1” le mot “Lampe” et du “Prompt 1.2” le mot “salon”. Ces deux mots sont sauvegardés respectivement dans les “templates” 1 et 2. Si l’on presse le poussoir COMMANDS, sont prononcés à la suite, de 1 à 12, les mots disponibles dans les “templates”. Chaque phase de “training” d’un mot nécessite sa répétition au moins deux fois : le logiciel prévoit une phase de répétition du mot qu’il essaie de reconnaître. Si cela aboutit, le mot est enregistré et transformé en “template”, dans le cas contraire, le dispositif dit : “répète” et ajoute si nécessaire quelques conseils comme : “plus fort” ou “plus bas”.
Quand la phase de “training” est terminée pour un seul mot, le logiciel passe automatiquement au suivant en demandant la commande suivante. Si l’on presse le poussoir COMMANDS, la procédure d’apprentissage s’achève.
Si l’on presse à nouveau le poussoir LEARN/CLR, le programme propose l’apprentissage du “template” suivant.
Quand on arrive au douzième “template”, la pression sur LEARN/CLR n’a plus aucun effet. Les “templates” peuvent être effacés en maintenant pressée le poussoir LEARN/CLR quand on alimente le circuit ou à la suite d’un reset : presser et maintenir pressé LEARN/CLR, presser et relâcher RESET, attendre l’émission d’un bip, relâcher LEARN/CLR. Attention, il n’est pas possible de supprimer un seul “template”, cette opération efface tous les “templates” de 1 à 12.
Donc, supposons que la mémoire “templates” soit vide (phase initiale) et qu’on veuille faire apprendre à l’appareil la commande “Lampe salon”, les phases seraient alors les suivantes :
- Presser LEARN/CLR, le dispositif dit la phrase “Prononce commande 1.1”
- Prononcer le mot “Lampe”.
- Le dispositif dit : “Répète”.
- Prononcer le mot “Lampe”.
- Si la reconnaissance n’a pas abouti, le dispositif dit : “Répète”, ou “Répète plus fort”, ou bien “Répète plus bas”. Cette demande de répétition peut être réitérée plusieurs fois (5 au maximum). Ensuite le programme abandonne la phase de “training” : cela signifie que quelque chose ne fonctionne pas correctement. Typiquement, selon les règles précisées au paragraphe suivant, une seule répétition du mot est nécessaire.
- Si la reconnaissance a abouti, le dispositif passe automatiquement au Prompt suivant en prononçant la phrase : “Prononce commande 1.2”.
- Prononcer le mot “salon”.
- Le dispositif dit : “Répète”.
- Prononcer le mot “salon”.
- Dans ce cas aussi ce que nous venons de dire reste valable, le dispositif peut demander de prononcer à nouveau le mot, ou bien il peut passer au Prompt suivant. Dans ce dernier cas, le dispositif dit : “Prononce commande 2.1”.
- Presser le poussoir COMMANDS pour terminer la phase d’apprentissage, le dispositif émet un bip.
- Presser le poussoir COMMANDS pour écouter les commandes apprises : le dispositif dit : “Lampe salon”.
Si nous activons à nouveau la phase “training”, le programme repart là où il s’est arrêté, dans notre cas il dira : “Prononce commande 2.1”. Répéter alors la procédure décrite ci-avant si l’on désire faire apprendre au dispositif d’autres mots. Prononcer le mot “Lampe”, le dispositif doit émettre un bip et la LED rouge doit s’allumer et indiquer la reconnaissance de la première partie de la commande. Prononcer avant 3 secondes le mot “salon”, le dispositif émet un bip et la sortie change d’état : la lampe s’allume si elle était éteinte et vice-versa.

Les règles
Pour obtenir un excellent fonctionnement de la commande vocale, il est important de se tenir à certaines règles pendant la phase d’apprentissage :
- Décider a priori à quelle distance du microphone nous effectuerons les commandes et sélectionner les valeurs de RX et CX avant le “training”.
- Effectuer les enregistrements dans un silence absolu, aucun bruit ambiant.
- Effectuer les enregistrements en se tenant toujours à la distance qui sera celle de la commande effective.
- Parler à la distance désirée du microphone, mais toujours en se tournant vers lui, une voix réfléchie peut engendrer un “training” incorrect.
- Pendant l’enregistrement, placer le dispositif loin des cloisons de l’appartement et se placer à la distance désirée tout en faisant en sorte qu’il n’y ait aucun obstacle entre vous et le microphone.
- Ne pas superposer le mot au Prompt prononcé par le dispositif et donc attendre environ une seconde après que le dispositif ait prononcé le Prompt (Prononce commande xx, ou Répète) : le silence n’est pas enregistré.
- Parlez sur le ton le plus naturel et le plus normal possible, ni trop lentement ni trop rapidement.
- Ne pas utiliser des monosyllabes ou des dissyllabes.
- Ne pas utiliser des mots trop semblables entre eux : le programme refuse l’apprentissage d’un mot semblable à un mot déjà présent en “template”, par exemple, “salon”/”salle”.
Si le “training” est exécuté en respectant ces quelques règles, le fonctionnement de notre dispositif vocal vous laissera muets d’étonnement !

Un RESmètre ou comment mesurer la Résistance Equivalente Série d’un condensateur électrolytique

Le contrôleur que nous vous présentons NE mesure PAS la capacité en μF d’un condensateur électrolytique, mais il contrôle seulement sa RES (en anglais ERS : “Equivalent Serie Resistance”).
Grâce à cette mesure, on peut établir l’efficacité restante d’un condensateur électrolytique ou savoir s’il est à ce point vétuste qu’il vaut mieux le jeter plutôt que de le monter !


Au cours d’une visite chez un fabricant de condensateurs électrolytiques, l’ingénieur responsable du laboratoire nous promit une surprise : quelque chose de très particulier que nous n’avons jamais trouvé dans le commerce. Nous avons aussitôt pensé à un condensateur spécial à sorties dorées ou en titane, mais en fait c’était un simple instrument de mesure conçu et réalisé par lui-même pour contrôler, en labo, l’efficacité des condensateurs électrolytiques.
Le cadeau était assorti d’une autorisation de publication dans votre revue préférée ! L’ingénieur nous a demandé de préciser dans l’article que cet appareil ne sert pas à mesurer la capacité d’un condensateur électrolytique mais seulement sa “Résistance Equivalente Série”.
Rappelons ce que c’est (figure 2) : il s’agit d’une résistance parasite placée, en théorie, en série avec le condensateur.
Sa valeur est déterminée par la gélatine, c’est-à-dire l’électrolyte situé entre les armatures et qui, petit à petit, se dessèche, faisant ainsi augmenter la valeur de la résistance série : plus celle-ci augmente, plus la possibilité du condensateur de remplir normalement sa fonction diminue.
Pourtant, quand on achète un condensateur électrolytique, on ne sait pas depuis combien de temps il attend son maître en magasin ! La date de péremption n’y figure pas : ce n’est pas un yaourt… Nous risquons donc d’acquérir un vieux rossignol dont l’électrolyte desséché présente une forte résistance série.
Dans le tableau 1, nous faisons figurer la valeur moyenne en ohms de la RES de différents condensateurs électrolytiques efficaces.


Note : pour mesurer cette valeur RES, on utilise une onde carrée à 100 kHz.

Mais quel inconvénient y a-t-il à monter dans un circuit un condensateur électrolytique dont la RES est supérieure au maximum admissible ? En pratique, un condensateur électrolytique à RES élevée ne pourra pas filtrer parfaitement les résidus de courant alternatif et si, avec le temps, cette RES augmente, le condensateur surchauffe, ce qui est particulièrement gênant dans les alimentations à découpage.

Figure 1 : Pour mesurer la RES d’un condensateur électrolytique, vous pouvez utiliser notre montage couplé à un multimètre quelconque.

Figure 2 : La RES est une résistance théorique en série avec un condensateur, dont la valeur augmente avec le vieillissement de ce composant.

Note : le condensateur électrolytique peut également surchauffer si on applique à ses extrémités une tension supérieure à la tension maximale de travail.

Le schéma électrique du RESmètre
Comme le montre la figure 3, ce contrôleur utilise un circuit intégré TL084 et deux transistors NPN plus un PNP.
Commençons par décrire le premier amplificateur opérationnel IC1-A, utilisé pour obtenir une masse fictive, c’est-à-dire une tension double de 2 x 4,5 V à partir d’une simple tension de 9 V fournie par une pile 6F22. Comme le montre le schéma électrique, la tension négative de 4,5 V par rapport à la masse fictive est utilisée pour alimenter la broche 4 de ce circuit intégré. Le second amplificateur opérationnel IC1-B, utilisé comme multivibrateur astable, produit une onde carrée dont le rapport cyclique est de 50 %. Avec les valeurs de C3 et de R1, R2 et R3 (liste des composants), l’onde carrée a une fréquence de 100 kHz environ. Précisons qu’à cause de la tolérance des composants la fréquence sera aux alentours de cette valeur et si on obtient 90 ou 110 kHz le circuit fonctionnera parfaitement.
Le transistor NPN TR1 prélève l’onde carrée sur la broche de sortie de IC1-B à travers R6 et le collecteur le transfère sur la base du transistor PNP TR2. Sur le collecteur de TR2 nous trouvons une onde carrée positive d’une amplitude de 4,5 V appliquée au pont résistif R9, R11 et R10, R12. Le signal disponible aux extrémités de ce pont résistif est prélevé à travers R13 et R14 pour être appliqué aux entrées du troisième amplificateur opérationnel IC1-C, monté en amplificateur différentiel et amplifiant environ 47 fois la différence de signal existant entre les points R9-R10 et R11-R12. A la jonction R9-R10/masse est connecté le condensateur électrolytique dont on veut mesurer la RES.
Les deux diodes au silicium DS1 et DS2 en opposition de polarité entre R9-R10 et la masse protègent le circuit contre une inversion de polarité :
ainsi, si l’on reliait aux douilles d’entrée un condensateur électrolytique chargé, le circuit serait protégé. De plus, on n’aura pas besoin de respecter la polarité de branchement du condensateur électrolytique à contrôler.
Si le condensateur électrolytique à mesurer a une valeur de RES normale, nous prélèverons à la sortie de IC1-C une onde carrée de 100 kHz, que C4 transfère sur la broche d’entrée non inverseuse du dernier amplificateur opérationnel IC1-D monté en redresseur idéal. La tension continue disponible aux bornes de C6 est appliquée à l’entrée d’un contrôleur analogique ou numérique réglé sur la portée 100 μAcc, car c’est sur cette valeur de fond d’échelle que déviera l’aiguille si le condensateur est efficace. Si le condensateur électrolytique à mesurer a des pertes, le pont est déséquilibré et sur la broche de sortie de l’amplificateur opérationnel IC1-C nous trouvons une tension positive transférée par R18 sur la base de TR3 : ce dernier entre en conduction et allume la LED DL1 reliée à son collecteur.
Pour conclure, nous pouvons ajouter ce qui suit :
- si, quand nous appliquons sur les douilles d’entrée un condensateur électrolytique, nous voyons l’aiguille du contrôleur dévier jusqu’au fond de l’échelle, cela signifie que le condensateur est sain (sa RES est normale) et que nous pouvons l’utiliser,
- si, quand nous appliquons sur les douilles d’entrée un condensateur électrolytique, l’aiguille n’arrive pas au fond de l’échelle, cela signifie que le condensateur n’est plus en mesure de remplir sa fonction et qu’il vaut mieux le jeter,
- si, quand nous appliquons sur les douilles d’entrée un condensateur électrolytique, l’aiguille reste immobile sur le zéro alors que la LED s’allume, cela signifie que le condensateur a des fuites et qu’il faut le jeter comme le précédent.

Figure 3 : Schéma électrique du contrôleur de RES pour condensateurs électrolytiques (RESmètre). En reliant aux douilles de sortie un multimètre réglé sur la portée 100 μAcc (tableau 3), si le condensateur à vérifier est périmé, vous lirez un courant pouvant descendre jusqu’à 16 μA (tableau 2, figure 11).

Figure 4 : Photo d’un des prototypes du RESmètre.

Figure 5a : Schéma d’implantation des composants du RESmètre. La platine est maintenue bloquée dans le boîtier plastique par les écrous des douilles CX et de celles allant au multimètre.

Figure 5b-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du RESmètre, côté composants.

Figure 5b-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du RESmètre, côté soudures.

Liste des composants
R1 = 1,5 kΩ
R2 = 10 kΩ
R3 = 10 kΩ
R4 = 10 kΩ
R5 = 10 kΩ
R6 = 68 kΩ
R7 = 4,7 kΩ
R8 = 12 kΩ
R9 = 1 kΩ 1 %
R10 = 22 Ω
R11 = 1 kΩ 1 %
R12 = 22 Ω
R13 = 1 kΩ
R14 = 1 kΩ
R15 = 47 kΩ
R16 = 47 kΩ
R17 = 47 kΩ
R18 = 15 kΩ
R19 = 680 Ω
R20 = 2,2 kΩ
R21 = 20 kΩ trimmer
C1 = 1 μF électrolytique
C2 = 1 μF électrolytique
C3 = 1 nF polyester
C4 = 100 nF polyester
C5 = 1 μF polyester
C6 = 1 μF polyester
DS1 = Diode 1N4007
DS2 = Diode 1N4007
DS3 = Diode 1N4148
DL1 = LED
TR1 = NPN BC547
TR2 = PNP BC557
TR3 = NPN BC547
IC1 = Intégré TL084
S1 = Interrupteur


La réalisation pratique du RESmètre
Tous les composants nécessaires pour le fonctionnement de cet appareil de mesure sont montés sur un petit circuit imprimé double face, comme le montre la figure 5a. Quand vous vous êtes procuré ce circuit imprimé, montez tous les composants comme indiqué sur cette figure.
Le premier composant à insérer et à souder est le support du circuit intégré IC1 : vérifiez bien vos soudures (ni court-circuit entre les pistes ou entre les pastilles, ni soudure froide collée).
Montez ensuite toutes les résistances puis les deux diodes DS1 et DS2 (bagues repère-détrompeurs orientées dans le bon sens montré par la figure 5a : sens opposés), ainsi que DS3 bague vers le bas.
En haut à gauche, montez le trimmer R21 et en bas à droite l’inverseur S1.
Montez ensuite les 4 condensateurs polyesters puis les 2 électrolytiques C1 et C2 en respectant bien la polarité (la patte la plus longue est le plus).
Avant de monter les deux condensateurs polyesters C4 et C6 en haut du circuit imprimé, montez, côté cuivre, la LED DL1 avec sa patte la plus longue (l’anode A) vers le circuit intégré IC1.
Montez le transistor BC547 (TR1) méplat repère-détrompeur vers C2, TR2 (BC557) méplat vers la droite. Ne les intervertissez surtout pas car l’un est un NPN et l’autre un PNP !
Montez les deux fils torsadés rouge/noir de la prise de pile 6F22 puis insérer dans son support le circuit intégré, repère-détrompeur en U orienté vers R5-R4.
Les douilles d’entrée CX et celles de sortie AU CONTROLEUR ne sont pas fixées sur le circuit imprimé mais directement sur le boîtier plastique car elles permettront en outre de maintenir la platine en place. Comme le montre la figure 7, les douilles CX d’entrée (même couleur l’une et l’autre) sont fixées près de l’emplacement pour la pile. Celles de sortie en revanche le sont sur la partie supérieure du boîtier plastique, la rouge à gauche et la noire à droite. Dans les trous du circuit imprimé, insérez le point central de ces douilles, puis serrez les écrous afin qu’ils fassent un bon contact de masse avec la piste de cuivre du circuit imprimé.

Figure 6 : Installation dans le boîtier plastique du contrôleur de RES pour électrolytique.
Dans la partie inférieure, on voit la pile 6F22 dans son logement.


Figure 7 : Avant de placer la platine à l’intérieur du boîtier plastique, vous devez fixer les douilles pour le multimètre et celles pour le condensateur CX, puis pratiquer un évidement oblong pour le passage du levier de S1 et, enfin, faire un petit trou pour DL1.

Figure 8 : Brochages du circuit intégré TL084 vu de dessus, des transistors BC547 et BC557 vus de dessous et de la LED vu de côté (la patte la plus longue est l’anode A).

Figure 9 : Plus les condensateurs électrolytiques sont vétustes (périmés), plus faible est la valeur en μA lue sur le multimètre (figure 11). Si un électrolytique est en court-circuit, vous verrez tout de suite s’allumer DL1.

Figure 10 : Pour vérifier que l’appareil lit bien la RES, mettez en série avec le condensateur électrolytique une résistance de 1, 10 et 100 ohms.

Le réglage de l’appareil
Le réglage de l’appareil est des plus simples : branchez tout d’abord aux douilles de sortie un multimètre analogique ou numérique réglé sur la portée 100 μAcc fond d’échelle (en respectant bien la polarité +/–). S’il est numérique, vous pouvez le régler sur la portée 200 μAcc.
Ensuite, reliez les deux douilles d’entrée à un condensateur électrolytique de 100 μF de qualité (échantillon récent) sans respecter aucune polarité.
Alimentez le circuit avec S1 puis tournez lentement le curseur du trimmer R21 jusqu’à ce que l’aiguille du multimètre arrive en fond d’échelle, soit sur 100 μA. Si le contrôleur est numérique, l’affichage doit indiquer 100 μA.
L’appareil est prêt à fonctionner : ôtez le condensateur échantillon et contrôlez tous les électrolytiques que vous suspectez d’avoir (mal) vieilli.

Comment essayer l’appareil
Vous allez pouvoir vérifier que l’appareil fonctionne correctement et que nous n’avons pas menti en disant que la RES d’un condensateur électrolytique un peu vieux peut rendre périmé ce composant (figure 10) : dans ce cas le courant lu sur le contrôleur universel sera moindre et il vous indiquera que l’électrolyte est desséché.
Avant de contrôler des condensateurs électrolytiques, faites le test suivant : court-circuitez les deux douilles d’entrée CX avec deux cordons et si tout fonctionne correctement DL1 s’allumera.
Si malheureusement il n’en était pas ainsi, il se pourrait que vous ayez interverti les pattes A et K de la LED (A doit regarder le circuit intégré IC1, figure 5). Mais la LED pourrait ne pas s’allumer aussi à cause de l’inter version de TR3 et TR2. Si en court-circuitant les deux douilles d’entrée CX la LED s’allume, essayez tous les électrolytiques que vous possédez à l’aide de deux cordons de mesure avec connecteurs banane d’un côté et pince crocodile de l’autre.
Si l’électrolyte n’est pas si desséché que cela ou pas du tout, l’aiguille déviera jusqu’à environ la valeur reportée dans le tableau 3.
On le voit, jusqu’à 4,7 μF vous lirez un courant de 90 à 95 μA, mais si la capacité dépasse 10 μF vous lirez un courant de 100 μA environ. Grâce à ce contrôleur de RES, vous pouvez aussi vérifier sur quelle valeur en μA se place l’aiguille du multimètre utilisé en reliant extérieurement en série avec votre électrolytique des résistances de 1, 10, 100 ohms (figure 10).
Comme le montre le tableau 2 (figure 11), quand la RES d’un quelconque condensateur électrolytique est d’environ 100 ohms, le multimètre n’atteint pas le fond de l’échelle mais s’arrête sur 15 ou 16 μA. Les valeurs en μA reportées dans ce tableau sont approximatives, car, vous le savez, la tolérance de la capacité d’un condensateur électrolytique peut atteindre + ou – 30 %.


Figure 11 : Si, avec une résistance de 1 ohm, vous lisez sur le multimètre environ 82 à 96 μA, avec une résistance de 100 ohms, vous lirez un courant de seulement 16 μA.

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