Un détecteur de fumée, de gaz ou de liquide à transmission téléphonique

Le coût élevé des primes d’assurance incite chacun d’entre nous à prendre un maximum de précautions pour éviter le pire. Par exemple, le garage attenant à la maison, la piscine dont le niveau se trouve au-dessus des pièces les plus basse, la cuve de gaz du chauffage sont d’importantes sources de risque. Voici un émetteur radio codé, intégré dans un détecteur de fumée dans cet article, qui sera chargé de transférer le signal d’alarme à une centrale anti-incendie/antivol fonctionnant par radio. Cette description est facilement adaptable à n’importe quel détecteur ou capteur de débordement de liquide ou de fuite de gaz.

Dans cet article, nous allons voir comment transformer un classique capteur d’incendie en émetteur radio d’alarme-feu transmettant une éventuelle situation de danger à une centrale d’alarme sans fil. Nous allons, dans cet exemple, modifier un détecteur de fumée à batterie de faible coût ER207, mais tout ce que nous allons dire reste valable pour n’importe quel autre capteur d’incendie, de débordement de liquide ou de fuite de gaz (il faudra seulement modifier légèrement le circuit de façon à l’adapter aux divers cas particuliers). En général, ces détecteurs sont fournis pour une utilisation autonome, ils sont donc en mesure de détecter les situations de danger et de les signaler par un diffuseur acoustique d’alarme de forte intensité, perceptible dans un rayon de quelques dizaines de mètres. Si quelqu’un est présent dans l’habitation ou dans le voisinage, il pourra intervenir et prendre les mesures qui s’imposent. Dans ce cas, le capteur seul suffit à garantir un bon niveau de sécurité. Par contre, si personne ne se trouve dans l’habitation, le capteur seul ne suffit plus. Dans ce cas, le signal d’alarme devra activer une centrale feu/vol comme, par exemple, le "Système d’alarme domestique modulaire deux zones", capable de retransmettre l’alarme à l’usager ou à une société de surveillance par téléphone fixe ou portable. De ce point de vue, le système pourra être ultérieurement étendu en utilisant le Transmetteur GSM d’alarme" : il envoie des SMS d’alarme. Pour que l’alarme soit transmise, détecteur et centrale doivent être reliés.
Dans le système que nous avons mis au point, la liaison est réalisée via radio car, nous a-t-il semblé, dans une telle situation une liaison par l’éther est la solution la plus commode et la plus efficace.
Avant d’étudier le schéma électrique du montage, il est important d’analyser le fonctionnement du détecteur de fumée que nous avons mis en oeuvre : il est constitué par un capteur à chambre d’ionisation (voir figure 3), d’un buzzer d’alarme et d’un circuit intégré A5367CA Allegro Microsystems capable de piloter le capteur de fumée et de gérer toutes les autres fonctions du dispositif, de la vérification de l’état de la batterie interne au pilotage de la LED de signalisation et du buzzer d’alarme.
Le plus intéressant pour nous est justement le fonctionnement du A5367CA, en particulier les signaux présents sur les broches de sortie en cas de dépassement du seuil d’alarme. Si nous regardons le brochage du circuit intégré, nous voyons que la broche 2 est un I/O : la table des caractéristiques indique que cette broche peut être utilisée pour connecter en série plusieurs détecteurs de fumée.
En effet, quand un capteur détecte la présence de fumée, le A5367CA déclenche la sirène et met à l’état logique haut sa broche d’I/O. Par conséquent toutes les unités connectées en aval détectent cet état haut sur leur entrée et, après un temps de retard nominal d’environ trois secondes, eux aussi déclenchent leur sirène. Ce mécanisme a été utilisé dans notre montage pour savoir si le détecteur a reconnu une situation dangereuse. L’entrée de notre émetteur radio est en effet reliée à la broche 2 du A5367CA : ainsi, le circuit est en mesure de reconnaître la détection de fumée et le déclenchement de l’alarme.
Une autre caractéristique intéressante du détecteur est la présence de la batterie de 9 V fournissant l’alimentation : cette tension est utilisée pour alimenter aussi notre circuit. Si, en revanche, on désire utiliser le circuit avec d’autres capteurs fonctionnant sur secteur 230 V ou avec un autre niveau de tension, il faudra prévoir un convertisseur 230 Vac/9 Vdc ou bien munir le circuit de sa propre pile 9 V.
En ce qui concerne la section émission radio du montage, nous avons utilisé un module Aurel TX433SAW fonctionnant sur la fréquence de 433,92 MHz : nous l’avons choisi parce que c’est un émetteur SAW avec antenne externe et qu’il est idéal pour des applications prévoyant l’envoi de données numériques.
Le module est, en effet, en mesure de moduler selon la technique ON/OFF une porteuse HF. Bien sûr, comme prévu dans notre Alarme modulaire à deux zones, dans la centrale de gestion on devra utiliser un module récepteur calé sur la même fréquence.
Enfin, pour permettre de relier plusieurs capteurs à une seule centrale de contrôle et permettre à celle-ci de reconnaître quel détecteur a donné l’alarme, nous avons, dans ce montage, un codeur MC145026 Motorola.
Ainsi, chaque capteur est caractérisé par un code univoque permettant son identification. En réception, à l’intérieur de la centrale, il faudra donc utiliser un décodeur permettant d’obtenir le code univoque du détecteur qui a donné l’alarme (pour cela on pourra utiliser un circuit intégré MC145027 Motorola ou, comme dans notre "Système d’alarme domestique modulaire deux zones", on pourra utiliser un microcontrôleur dédié exclusivement à l’opération de décodage).
Avant de passer à l’analyse du schéma électrique, rappelons que, jusqu’à présent, nous avons toujours fait référence au cas où le circuit serait utilisé pour transmettre une alarme d’incendie. En réalité, le circuit peut tout aussi bien être utilisé pour une foule d’autres applications où il est nécessaire de surveiller la valeur logique d’un signal et de transmettre par radio une impulsion d’alarme codée associée à ce même signal.

Figure 1 : Grâce à ses dimensions très réduites, le montage que nous vous proposons prend place sans peine dans à l’intérieur du détecteur. Pour l’alimenter, nous utilisons une pile ou une batterie rechargeable 6F22 de 9 V (elle alimente aussi le détecteur). La gestion du détecteur est réalisée par un circuit intégré A5367CA de Allegro MicroSystems Inc.

Le schéma électrique
Le schéma électrique de la figure 2 montre deux circuits intégrés U1 et U2 et un transistor T1. U1 est le codeur Motorola MC145026 et U2 le module Aurel TX433SAW. Commençons par ce dernier : il est utilisé pour émettre via l’éther, sur une porteuse à 433,92 MHz modulée en amplitude et rayonnée par l’antenne (reliée à la broche 11), toutes les données numériques présentes sur la broche 2 d’entrée IN.
U1 est, lui, un codeur de neuf lignes de données à trois niveaux (broches A1 à A9, broches 1 à 7, 9,10), données transmises sériellement et présentes sur la broche 15 OUT. Il est important de souligner que l’émission n’est habilitée que lorsque la broche 14 TE est au niveau logique bas.
Chacune des neuf lignes A1 à A9 peut être codée selon une logique ternaire (basse, haute ou ouverte/haute impédance) : il est donc possible de paramétrer jusqu’à 3 puissance 9 = 19 683 codes différents.
Chaque état ternaire est codé au moyen d’impulsions : un 0 logique est représenté par deux brèves impulsions consécutives, un 1 logique par deux impulsions consécutives plus longues et l’état ouvert/haute impédance par une impulsion longue suivie d’une courte.
Dans l’introduction nous avons dit que la signalisation d’alarme est détectée directement par la broche 2 du A5367CA situé dans le détecteur : cette ligne est acheminée au bornier IN du circuit (attention de ne pas faire la confusion entre la broche IN du circuit et celle du module émetteur U2). Tant que le bornier IN du circuit est au niveau logique 0, U1 et U2 ne sont pas alimentés.
En effet, la base de T1 est maintenue basse par la résistance de “pull down” R4 (en continu C1 équivaut à un circuit ouvert).
Par conséquent les broches VSS de U1 et U2 sont déconnectées de la masse. En conclusion, pendant que le bornier IN est au niveau logique 0, la transmission du code A1 à A9 n’est pas réalisée.
Quand le bornier IN devient haut (condition indiquant l’alarme), C1 commence à se charger à travers R3 et R4. Ainsi, la base de T1 devient haute, la masse est acheminée sur les broches VSS de U1 et U2 qui s’activent, alors le code sélectionné par A1 à A9 est produit et envoyé au format sériel sur la broche OUT de U1 et U2 le transmet à travers son antenne.
Une fois C1 chargé (avec les valeurs que nous proposons il faut environ trois secondes), il devient un circuit ouvert. Par conséquent, dans R3 et R4 ne passe plus aucun courant, la base de T1 redevient basse et donc l’alimentation de U1 et U2 est coupée, ce qui interrompt l’émission.
L’alimentation du circuit arrive au bornier + et – : nous avons dit déjà qu’il faut une tension de 9 V et qu’elle est fournie par la pile ou batterie rechargeable 6F22 de 9 V présente dans le détecteur.
Dernier point, voyons comment on peut paramétrer l’un des 19 683 codes possibles : la sélection se fait en reliant au +9 V, à la masse ou à rien (libre) les neuf broches A1 à A9.
Au cours de la construction, il faudra donc choisir un code pour le circuit et réaliser les soudures correspondantes, comme le montre la figure 8.
Si l’on veut utiliser plusieurs dispositifs utilisant un codeur MC145026, il faudra prendre soin de bien sélectionner pour chacun un code propre qui le distingue des autres de manière univoque à l’intérieur du système.

Figure 2 : Schéma électrique de l’émetteur radio pour détecteur de fumée.

Liste des composants
R1 = 10 kΩ
R2 = 10 kΩ
R3 = 22 kΩ
R4 = 100 kΩ
R5 = 47 kΩ
R6 = 100 kΩ
C1 = 100 μF 16 V électrolytique bas profil
C2 = 4700 pF céramique
C3 = 100 μF 16 V électrolytique bas profil
C4 = 100 nF multicouche
D1 = 1N4007
T1 = BC547
U1 = MC145026
U2 = TX433SAW

Divers :
1 support 2 x 8
1 morceau de fil (longueur 17 cm)


Figure 3 : Technologie des détecteurs d’incendie.

Il existe trois catégories différentes de détecteurs d’incendie, dont le fonctionnement est basé sur trois technologies différentes :
- à cellule photoélectrique,
- à chambre d’ionisation,
- à thermistances.
Les deux premières techniques utilisent une petite quantité d’un élément métallique radioactif, l’américium 241. Le choix de ce métal particulier vient de ce qu’un détecteur contenant de l’américium peut distinguer la fumée d’une cigarette de celle d’un début d’incendie, les reflets d’une flamme de ceux du soleil. Il peut en outre reconnaître des incendies produisant des fumées transparentes. Enfin, il est en mesure de reconnaître le degré de gravité d’un incendie.
Le détecteur à cellule photoélectrique, comme son nom l’indique, est bâti autour d’une cellule photoélectrique, soit un dispositif électronique particulier tel que, s’il est frappé par des rayons lumineux, il produit du courant. Dans les détecteurs, la cellule est toujours maintenue isolée de la lumière ambiante de telle manière que, si l’air est limpide, les rayons lumineux provenant de l’extérieur n’ont aucune influence sur le système.
En revanche, en cas d’incendie, les particules de fumée entrant dans le détecteur réfléchissent une partie des rayons lumineux vers la cellule photoélectrique laquelle, en s’activant, produit un courant déclenchant la sirène d’alarme du système de sécurité.
Les capteurs à chambre d’ionisation ont déjà 50 ans : leur fonctionnement est basé sur le rayonnement alpha (le plus faible) émis par l’américium.
Ce métal radioactif est logé dans une chambre d’ionisation : elle est formée de deux disques de métal reliés aux deux pôles d’une batterie qui les tient chargés. Un des deux disques est percé et l’américium est situé à proximité du trou. Ainsi, les particules alpha émises par l’élément radioactif pénètrent dans l’aire comprise entre les deux disques, où elles entrent en collision avec les molécules d’azote et d’oxygène de l’air : ces molécules sont donc ionisées, ce qui produit des charges positives et négatives. Les charges, attirées par les disques polarisés électriquement, créent un petit courant. Tout cela arrive si l’air est limpide, mais en revanche si un incendie est déclaré, les particules de fumée, s’ionisant à leur tour, attirent les ions précédemment formés. Par conséquent le courant cesse complètement : cette irrégularité produit le déclenchement de l’alarme.
Enfin, les détecteurs à thermistances se basent sur des concepts théoriques plus simples, mais ils n’en sont pas moins efficaces. Le circuit électronique contrôlé par thermistance permet une évaluation précise de la température de l’air autour du détecteur, ce qui permet la détection des incendies. Le concept fondamental sur lequel il est basé est qu’en absence d’incendie la température de l’air (et donc l’impédance de la thermistance) se maintient à une valeur constante.
En revanche, en présence d’un éventuel incendie, la température de l’air autour du détecteur augmente et par conséquent l’impédance de la thermistance diminue. Ce mécanisme est interprété par le circuit comme un incendie et le détecteur donne l’alarme.

Figure 4 : Divers types de détecteurs d’incendie et de fuite de gaz.

Détecteur de fumée à batterie.

Capteur à rapport prix/prestations optimal, fonctionne avec une batterie de 9 V. Indiqué pour incendie à propagation rapide. Basé sur la technologie à chambre d’ionisation. Muni d’une LED de signalisation, d’un poussoir de test, d’un indicateur de batterie déchargée, d’un buzzer d’alarme à 85 dB.

Détecteur de fumée à batterie longue durée.

Grâce à la batterie de 9 V, il permet une autonomie d’environ 10 ans. Facile à installer, muni d’un circuit de test et inhibition temporaire du capteur.
Basé sur la technologie à chambre d’ionisation. Muni d’une LED de signalisation et d’un buzzer d’alarme à 85 dB.

Détecteur photoélectrique de fumée à batterie.

Basé sur un capteur photoélectrique, grâce à l’emploi de cette technologie, il est indiqué pour des incendies à combustion lente. Fonctionne avec une batterie de 9 V. Muni d’une LED de signalisation, d’un circuit de test, d’un poussoir d’inhibition temporaire, d’un indicateur de batterie déchargée et d’un buzzer à 85 dB.

Détecteur de fumée à batterie pour cuisine et garage.

Basé sur un capteur de technologie à thermistance. Grâce à sa remarquable immunité aux fausses alarmes, il est indiqué pour les cuisines et les garages. Fonctionne avec une batterie de 9 V, dispose d’une LED de signalisation, d’un circuit de test, d’un poussoir d’inhibition temporaire, d’un indicateur de batterie déchargée et d’un buzzer à 85 dB.

Détecteur photoélectrique de fumée sur secteur 230 V.

Basé sur un capteur photoélectrique. Dispose d’une alimentation secteur avec batterie de “backup”. Indiqué pour détecter des incendies à combustion lente. Facile à installer grâce à la platine de fixation encastrable. Dispose d’une double LED de signalisation, d’un circuit de test et d’un buzzer à 85 dB.

Détecteur de monoxyde de carbone à batterie.

Fonctionne avec une batterie de 9 V, est en mesure de signaler par une sirène puissante la présence de CO (monoxyde de carbone). Compact, facile à installer, capteur actif en permanence, poussoir de test et “reset”, LED de signalisation, indicateur de batterie déchargée et buzzer d’alarme à 85 dB.

Détecteur de méthane sur secteur 230 V.

Il est en mesure de signaler la présence de fuite de méthane. Seuil d’alarme réglé au niveau de 25 % LEL (Low Explosive Level). Muni de trois LED de signalisation, d’un poussoir de test et d’un buzzer d’alarme à 85 dB.

La réalisation pratique
Nous pouvons maintenant passer à la construction de l’appareil. Le circuit tient sur un petit circuit imprimé : la figure 5b en donne le dessin à l’échelle 1. Vous pouvez le réaliser vous-même par la méthode indiquée dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?".
Quand vous avez devant vous le circuit imprimé gravé et percé, montez-y les quelques composants dans un certain ordre (en ayant constamment sous les yeux les figures 5a, 6, 7 et 8 et la liste des composants).
Commencez par monter le support du circuit intégré : soudez-le et vérifiez vos soudures (pas de court-circuit entre pistes et pastilles ni soudure froide collée). Le module U2, lui, se monte debout sans support et sans autre fixation que les soudures de ses pattes.
Montez ensuite toutes les résistances debout sans les intervertir (triez-les d’abord par valeurs).
Montez la diode D1 1N4007 couchée en orientant soigneusement sa bague repère-détrompeur vers R4.
Montez les quatre condensateurs (en ayant soin de respecter la polarité des deux électrolytiques, leur patte la plus longue est le +).
Montez le transistor T1, méplat repère-détrompeur tourné vers l’extérieur de la platine. Montez enfin le module U2 debout, comme on l’a dit plus haut.
Vérifiez que vous n’avez rien oublié et contrôlez encore une fois toutes vos soudures.
Insérez le circuit intégré U1 dans son support, repère-détrompeur en U orienté vers CI/C4.
Le montage de la platine étant terminé, passons maintenant aux connexions avec l’extérieur et de l’antenne émettrice. Pour cela, utilisez quatre morceaux de fils de différentes couleurs (rouge et noir pour l’alimentation + et –, bleu pour se connecter à la broche 2 du A5367CA [borne IN du circuit] et pour réaliser l’antenne émettrice).
Les figures 6 à 8 montrent comment souder ces quatre fils sur le circuit (notez que, parmi les deux bleus, celui qui constitue l’entrée IN est le voisin du fil noir, l’antenne est en revanche réalisée avec le fil bleu disposé le long du grand côté du circuit imprimé).
En ce qui concerne l’antenne, justement, nous avons choisi d’utiliser un quart d’onde : l étant la longueur d’onde, c la vitesse de la lumière (3.10 puissance 8 m/s) et f la fréquence (433,92 MHz) de l’onde électromagnétique utilisée pour l’émission, on a : l = 300 : f soit 300 : 433,92 = 0,69 et l : 4 = 0,69 : 4 = 0,17 soit un brin quart d’onde de 17 cm.
L’opération suivante consiste à relier le circuit à la broche 2 du A5367CA et à la batterie 9 V.
La figure 7 montre, pour le détecteur que nous avons utilisé, en quels points réaliser les soudures entre le circuit électrique du capteur et les trois câbles provenant de notre montage : en particulier les fils noir et rouge sont à souder en correspondance avec les fils de même couleur provenant de la batterie. Le fil bleu est à souder, lui, en correspondance avec la broche 2 du circuit intégré A5367CA (pour le trouver, suivez la piste de cuivre).
Avant de clore ce chapitre, il nous reste à paramétrer le code Motorola (parmi les 19 683 possibilités). Le paramétrage se fait en reliant à la masse, au +9 V ou en laissant ouvertes (condition de haute impédance) les neuf broches A1 à A9 de U1.
Par conséquent, une fois que vous avez sélectionné le code, vous devez réaliser des “straps” avec des gouttes de tinol entre les pastilles de cuivre ou laisser ouvertes les broches 1 à 7, 9, 10 du MC145026, comme le montre la figure 8.
Ceci fait, le montage est terminé. La platine étant très petite, vous pouvez l’insérer facilement dans le capteur (du moins ce fut le cas avec le capteur de fumée que nous avons utilisé). Rappelons que la portée maximale du module émetteur est d’environ 100 à 150 mètres en théorie : en pratique elle risque d’être plus faible à cause des obstacles, des perturbations diverses, etc. Nous vous suggérons de tenir compte de ce facteur lors du positionnement des détecteurs par rapport à la centrale : dans tous les cas, faites un essai de portée préalable avant toute installation définitive.

Figure 5a : Schéma d’implantation des composants de la platine de l’émetteur radio pour détecteur de fumée.

Figure 5b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de l’émetteur radio pour détecteur de fumée.

Figure 6 : Photo d’un des prototypes de la platine de l’émetteur radio pour détecteur de fumée.

Figure 7 : La photo montre les points du circuit du détecteur que nous avons utilisé auxquels il faut se connecter. Les fils rouge et noir sont ceux de l’alimentation (respectivement + et –), le fil bleu est à relier à la broche 2 du A5367CA correspondant au bornier IN du circuit.

Figure 8 : Pour paramétrer le code de l’émetteur, il est nécessaire de réaliser des “strap” avec des gouttes de tinol sur les emplacements indiqués sur la photo en fonction du code choisi.

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