La mesure de distance sans contact est un champd'application vaste et passionnant. Aujourd'hui nombre detechniques permettent cela en faisant appel aux différentsdomaines de l'électronique. L'optoélectronique est ainsiutilisée pour les mesures où la précision est requise, onutilise alors le principe de l'interféromètre de Michelson,associé au laser. Ici il n'est pas question de techniquesonéreuses et complexes, mais d'une application simple tirantpartie du temps de propagation d'une onde ultrasons.
Le résultat sortant du chronomètre ne subit aucunemodification avant affichage. En effet, nous avons opté pourqu’une impulsion d’horloge corresponde à 1 cmeffectué par l’onde sonore. Sachant que le son met 1s pourparcourir 343 m, et que nous voulons 1 cm, cette distance seradonc parcourue en T = 29.23 µs. Etant donné que ce signaleffectue l’aller-retour, il faut donc multiplier ce tempspar 2 d’où T = 58.47 µs. Nous devons donc générer unefréquence d’horloge de 17.1 KHz.
Remarque :
Le son a une vitesse de 343 m/s à 20 C° et de 331 m/s à 0 C°,ceci influence la mesure de manière significative. Il faut pourpallier au problème de variation de vitesse, étalonner letélémètre à la température où on envisage de l'utiliser.
Le bouton poussoir qui est placé en série avec unerésistance de rappel à la masse de 100 KOhm, va attaquer lepremier étage d'un circuit monostable 4538, dont l'entrée estsensible au front descendant. La durée de son état instable estfixée à 290 ms environ. En sortie de ce monostable, se trouveune association résistance, diode, condensateur, formant ainsiun générateur d'impulsion. Cette impulsion sert au reset descompteurs que nous verrons plus loin. Cette même impulsion estégalement envoyée à l'entrée d'un inverseur de Schmitt dontla sortie attaque le second monostable qui, lui-même sensible aufront montant, va, pendant une durée de 10 micro-secondes,imposer un zéro logique à l'entrée S\ (mise à 1) de labascule R\-S\, provoquant ainsi la mise à 1 de la sortie Q denotre bascule constituée de deux portes Nand à trigger deSchmitt (un 4093).
Notre récepteur à ultrasons se voit doté d'une résistancede 10 KOhm en parallèle, encore une fois pour décharger lacapacité interne de ce récepteur (phénomène identique àl'émetteur). Le récepteur attaque ensuite un suiveur detension, dont la sortie est en série avec un montageamplificateur sélectif à ampli opérationnel (ici tous lesamplificateurs opérationels sont des TL 08X, 4 dans un mêmeboîtier : TL 084). Celui-ci amplifie avec un coefficient de 470lorsque le circuit bouchon (une inductance et un condensateur enparallèle) est en résonance, ici à 40 KHz. Aux autresfréquences, le circuit bouchon présentant une impédance quasinulle, les parasites sont donc éliminés. Le signal se dirigeensuite vers un ampli opérationnel monté en comparateur. Ils'agit ici toujours d'un TL. Ces amplis op présentant l'avantaged'une très forte impédance d'entrée (entrée sur JFET). Lecomparateur, compare notre signal à une tension ajustable parpotentiomètre entre la tension d'alimentation et la massevirtuelle (dont nous allons voir l'utilité tout de suite), lasortie de ce comparateur peut être de Vcc en cas denon-réception d'un signal et proche de la masse en cas deréception. Il importe de diviser par deux cette tension obtenueen sortie de comparateur par un réseau de deux résistances demême valeur pour pouvoir commander la bascule R\-S\. En effet,cette bascule est alimentée en 5 volts régulés, la partieémission/réception étant alimentée avec une tensionprélevée directement en sortie de l'alimentation.L'alimentation devrait être, dans l'idéal, aux environs de 12volts. L'entrée R\ doit être protégé par deux diodesécretteuses (1N4148), elles limitent l'excursion de la tensionentre Vcc+0.6V et -0.6V.
Les amplis opérationnels nécessitant une alimentationsymétrique, dont on ne peut disposer dans le cadre de cetteréalisation (alimentation possible sur accumulateur de faibletension), il a fallu générer une masse virtuelle. C'est-à-direque la tension d'alimentation est alors divisée par deux. Latension que l'on obtient est appelée masse virtuelle. Vu d'unamplificateur opérationnel qui reçoit la masse et Vcc rapportà cette même masse virtuelle, la masse devient alorséquivalente à -Vcc /2 et Vcc à + Vcc/2, il s'agit donc biend'une alimentation symétrique. La génération de cette massevirtuelle est articulée autour du quatrième et dernieramplificateur opérationnel du circuit TL 084 (TL 084-A4 sur leschéma).
Les compteurs 4518 qui sont, comme nous l'avons déjà dit,montés en cascade, reçoivent les fronts d'horloge, non pas surleur entrée clock mais sur leurs entrées enables qui sont enfait des entrées d'horloge complémentées. Si l'on revient ànotre bit de dépassement de capacité (Q1 du dernier compteur),on voit sur le schéma électrique que celui-ci est relié àl'entrée clock du premier compteur. On comprend maintenant quecette opération revient à bloquer le comptage sur la valeur 000puisque ceci intervient après 999.
Les trois mots BCD représentatifs des unités dizainescentaines, ne peuvent pas commander directement l'afficheur LCD,il faut passer par un, ou plutôt trois dans notre cas, driversd'afficheurs qui sont ici des 4543. Ces drivers reçoivent doncen entrée un mot de 4 bits BCD et génèrent en sortie un mot de7 bits qui pilotera chacun des segments.
Avant de poursuivre, il est à noter un détail important quiconcerne l'affichage LCD, car contrairement aux afficheurs 7segments à LED, ce type d'afficheur ne peut recevoir unedifférence de potentiel constante, sinon cela entraînerait ladétérioration du segment soumis à cette différence depotentiel. En conséquence, pour "allumer" un segmentou plutôt pour exciter les cristaux qui s'y trouvent (rendrecette partie opaque), il importe d'utiliser un signal d'horlogede valeur moyenne nulle. Pour arriver à ce résultat, on utiliseune nouvelle fois un artifice.
Sur notre schéma électrique, il existe un oscillateur àtrigger de Schmitt qui génère ce signal d'horloge. Ce signalest envoyé simultanément à l'entrée commune de l'afficheurLCD (com sur le schéma électrique) et à l'entrée PH des troisdrivers 4543. Ainsi, si le driver "désire" allumer unsegment, il lui suffira d'inverser le signal présent sur sonentrée PH et de l'envoyer au segment correspondant. Ce faitcombiné au fait que l'entrée com va recevoir ce même signal enopposition de phase, va donc générer du point de vue du segmentune horloge de valeur moyenne nulle. Dans l'hypothèse inverse,pour ne pas allumer un segment, il suffit de lui envoyer lesignal PH non inversé.
Il nous reste à voir le clignotement de l'affichage dans lecas d'un dépassement de capacité. Comme déjà expliqué plusloin, le bit Q1 du dernier compteur (celui du dépassement decapacité) se dirige non seulement vers l'entrée clock dupremier compteur mais également vers une porte Nandréférencée 4093-A2 sur le schéma électrique. Cette portefaisant office d'interrupteur, laissant ou non passer le signalen provenance de l'oscillateur à trigger de Schmitt 4093-A4 endirection de l'entrée BI des drivers d'affichage. L'entrée BIest en effet une commande de blanking (ou vierge en français)qui permet d'effacer l'affichage lorsqu'elle reçoit un étatlogique haut. Cette entrée BI via un inverseur 4093-A1 est doncreliée à la sortie de notre porte Nand 4093-A2 qui, lors d'undépassement de capacité, laissera passer l'horloge à 1 Hz versBI et qui, dans le cas contraire, devra placer BI à 0.
La fréquence utilisée pour l'horloge d'affichage à cristauxliquides est de 300 Hz. Cette valeur devant être comprise entreune centaine de Hz et un KHz. En effet, en dessous d'une centainede hz cela entraînerait un scintillement désagréable del'affichage. Au-delà de 1 KHz, cela enlèverait tout l'intérêtde l'affichage LCD du fait de l'augmentation de la consommationdue au comportement capacitif des segments.
Présentation du télémètre
 | Lors de la conception du télémètre il m'a paru important de simplifier au maximum l'utilisation de cet outil. Il n'est doté que d'un bouton poussoir afin de lancer une acquisition, et d'un afficheur LCD pour visualiser la distance en cm. Pour mesurer une distance, l'utilisateur n'a qu'à diriger la tête de l'instrument vers une surface et appuyer sur le bouton. On peut lancer plusieurs mesures puis en faire la moyenne afin de s'affranchir des perturbations extérieures. Attention : la mesure de distance s'effectue depuis la " tête " de l'appareil. Remarque : Si la distance dépasse 999 cm, l'afficheur clignote pour indiquer qu'il y a dépassement de la gamme de mesure. |
Principe de mesure
Il est basé sur la mesure du temps écoulé entrel’émission et le retour de l’écho. Le système decontrôle remet le chronomètre à zéro puis commencel’émission ultrasonique. L’onde ultrasonore se propageà la vitesse du son dans l’air environnant, soit 342 m/sec.Dès qu’un obstacle est rencontré, l'écho revient vers letransducteur qui stop le chronomètre dès réception du signal.Remarque :
Le son a une vitesse de 343 m/s à 20 C° et de 331 m/s à 0 C°,ceci influence la mesure de manière significative. Il faut pourpallier au problème de variation de vitesse, étalonner letélémètre à la température où on envisage de l'utiliser.
Etude du schéma électrique
Les schémas :- schéma a
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- schéma b
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Acquisition de l'ordre de mesure
Comme il a été dit plus haut, le protocole de mesure a étéréduit à sa plus simple expression. En effet, le télémètrene dispose que d'un seul bouton poussoir qui va, lors del'acquisition d'une mesure, entraîner tout d'abord un reset puisva lancer l'opération de mesure proprement dite.Le bouton poussoir qui est placé en série avec unerésistance de rappel à la masse de 100 KOhm, va attaquer lepremier étage d'un circuit monostable 4538, dont l'entrée estsensible au front descendant. La durée de son état instable estfixée à 290 ms environ. En sortie de ce monostable, se trouveune association résistance, diode, condensateur, formant ainsiun générateur d'impulsion. Cette impulsion sert au reset descompteurs que nous verrons plus loin. Cette même impulsion estégalement envoyée à l'entrée d'un inverseur de Schmitt dontla sortie attaque le second monostable qui, lui-même sensible aufront montant, va, pendant une durée de 10 micro-secondes,imposer un zéro logique à l'entrée S\ (mise à 1) de labascule R\-S\, provoquant ainsi la mise à 1 de la sortie Q denotre bascule constituée de deux portes Nand à trigger deSchmitt (un 4093).
Etude de la génération du signal ultrasonique
Comme nous venons de le voir, lors du lancement del'acquisition d'une mesure, la sortie Q de la bascule R\-S\ passeà 1. Cette sortie étant reliée à un circuit timer 555 (555bsur le schéma) câblé ici en astable et plus précisément àson entrée de reset, va donc le libérer et lui permettre derentrer en oscillation à une fréquence de 40 KHz (fréquencefixée par quelques composants externes). Cette même fréquencen'étant pas choisie au hasard, il s'agit de la fréquenced'oscillation des transducteurs à ultrasons. Un transistor encommutation a été placé en sortie du 555 car seul, il negénérerait pas un courant suffisant à l'émetteur ultrasons.En parallèle avec l'émetteur, dans le circuit de collecteur dutransistor BC 547, se trouve une résistance de 470 ohms. Cetterésistance se justifie au niveau du modèle équivalent dutransducteur à ultrasons, car celui-ci est composé d'unerésistance et d'une capacité en parallèle. Il importe donc dedécharger cette capacité via cette même résistance de 470ohms.Etude de la réception du signal ultrasonique
Les ultrasons qui ont été émis vont revenir affaiblis versun récepteur d'ultrasons, mais toujours à une fréquence de 40KHz. Il importe donc d'amplifier sélectivement ce signal defaçon à pouvoir réaliser une remise en forme du signal ens'étant affranchi des parasites extérieurs.Notre récepteur à ultrasons se voit doté d'une résistancede 10 KOhm en parallèle, encore une fois pour décharger lacapacité interne de ce récepteur (phénomène identique àl'émetteur). Le récepteur attaque ensuite un suiveur detension, dont la sortie est en série avec un montageamplificateur sélectif à ampli opérationnel (ici tous lesamplificateurs opérationels sont des TL 08X, 4 dans un mêmeboîtier : TL 084). Celui-ci amplifie avec un coefficient de 470lorsque le circuit bouchon (une inductance et un condensateur enparallèle) est en résonance, ici à 40 KHz. Aux autresfréquences, le circuit bouchon présentant une impédance quasinulle, les parasites sont donc éliminés. Le signal se dirigeensuite vers un ampli opérationnel monté en comparateur. Ils'agit ici toujours d'un TL. Ces amplis op présentant l'avantaged'une très forte impédance d'entrée (entrée sur JFET). Lecomparateur, compare notre signal à une tension ajustable parpotentiomètre entre la tension d'alimentation et la massevirtuelle (dont nous allons voir l'utilité tout de suite), lasortie de ce comparateur peut être de Vcc en cas denon-réception d'un signal et proche de la masse en cas deréception. Il importe de diviser par deux cette tension obtenueen sortie de comparateur par un réseau de deux résistances demême valeur pour pouvoir commander la bascule R\-S\. En effet,cette bascule est alimentée en 5 volts régulés, la partieémission/réception étant alimentée avec une tensionprélevée directement en sortie de l'alimentation.L'alimentation devrait être, dans l'idéal, aux environs de 12volts. L'entrée R\ doit être protégé par deux diodesécretteuses (1N4148), elles limitent l'excursion de la tensionentre Vcc+0.6V et -0.6V.
Les amplis opérationnels nécessitant une alimentationsymétrique, dont on ne peut disposer dans le cadre de cetteréalisation (alimentation possible sur accumulateur de faibletension), il a fallu générer une masse virtuelle. C'est-à-direque la tension d'alimentation est alors divisée par deux. Latension que l'on obtient est appelée masse virtuelle. Vu d'unamplificateur opérationnel qui reçoit la masse et Vcc rapportà cette même masse virtuelle, la masse devient alorséquivalente à -Vcc /2 et Vcc à + Vcc/2, il s'agit donc biend'une alimentation symétrique. La génération de cette massevirtuelle est articulée autour du quatrième et dernieramplificateur opérationnel du circuit TL 084 (TL 084-A4 sur leschéma).
Comptage - Affichage
Lors du lancement d'une mesure, la sortie Q de la basculeR\-S\ est à 1 et l'oscillateur 555 A peut alors entrer enoscillation à une fréquence de 17 KHz. Cette valeur n'étantpas prise au hasard, puisque déjà démontrée plus haut. Ce 555va constituer la base de temps de notre système. Sa sortie vadirectement attaquer les compteurs, tous placés en cascade(compteurs 4518 du type BCD, deux par boîtier). Les compteurs outout du moins les trois premiers vont générer trois mots BCDreprésentatifs respectivement des unités, dizaines etcentaines. Le quatrième compteur va quant à lui servir à ladétection de dépassement de la capacité de mesure. En effet,lors du passage de 999 à 1000, il y aura un front descendant surle bit Q4 du compteur représentatif des centaines que le dernierétage de comptage va prendre en compte en s'incrémentant. Lasortie Q1 de notre dernier compteur va alors passer à 1 et parla même entraîner un blocage du comptage et égalementl'apparition d'une oscillation à 1 Hz au niveau de l'affichage.Nous allons voir comment tout de suite.Les compteurs 4518 qui sont, comme nous l'avons déjà dit,montés en cascade, reçoivent les fronts d'horloge, non pas surleur entrée clock mais sur leurs entrées enables qui sont enfait des entrées d'horloge complémentées. Si l'on revient ànotre bit de dépassement de capacité (Q1 du dernier compteur),on voit sur le schéma électrique que celui-ci est relié àl'entrée clock du premier compteur. On comprend maintenant quecette opération revient à bloquer le comptage sur la valeur 000puisque ceci intervient après 999.
Les trois mots BCD représentatifs des unités dizainescentaines, ne peuvent pas commander directement l'afficheur LCD,il faut passer par un, ou plutôt trois dans notre cas, driversd'afficheurs qui sont ici des 4543. Ces drivers reçoivent doncen entrée un mot de 4 bits BCD et génèrent en sortie un mot de7 bits qui pilotera chacun des segments.
Avant de poursuivre, il est à noter un détail important quiconcerne l'affichage LCD, car contrairement aux afficheurs 7segments à LED, ce type d'afficheur ne peut recevoir unedifférence de potentiel constante, sinon cela entraînerait ladétérioration du segment soumis à cette différence depotentiel. En conséquence, pour "allumer" un segmentou plutôt pour exciter les cristaux qui s'y trouvent (rendrecette partie opaque), il importe d'utiliser un signal d'horlogede valeur moyenne nulle. Pour arriver à ce résultat, on utiliseune nouvelle fois un artifice.
Sur notre schéma électrique, il existe un oscillateur àtrigger de Schmitt qui génère ce signal d'horloge. Ce signalest envoyé simultanément à l'entrée commune de l'afficheurLCD (com sur le schéma électrique) et à l'entrée PH des troisdrivers 4543. Ainsi, si le driver "désire" allumer unsegment, il lui suffira d'inverser le signal présent sur sonentrée PH et de l'envoyer au segment correspondant. Ce faitcombiné au fait que l'entrée com va recevoir ce même signal enopposition de phase, va donc générer du point de vue du segmentune horloge de valeur moyenne nulle. Dans l'hypothèse inverse,pour ne pas allumer un segment, il suffit de lui envoyer lesignal PH non inversé.
Il nous reste à voir le clignotement de l'affichage dans lecas d'un dépassement de capacité. Comme déjà expliqué plusloin, le bit Q1 du dernier compteur (celui du dépassement decapacité) se dirige non seulement vers l'entrée clock dupremier compteur mais également vers une porte Nandréférencée 4093-A2 sur le schéma électrique. Cette portefaisant office d'interrupteur, laissant ou non passer le signalen provenance de l'oscillateur à trigger de Schmitt 4093-A4 endirection de l'entrée BI des drivers d'affichage. L'entrée BIest en effet une commande de blanking (ou vierge en français)qui permet d'effacer l'affichage lorsqu'elle reçoit un étatlogique haut. Cette entrée BI via un inverseur 4093-A1 est doncreliée à la sortie de notre porte Nand 4093-A2 qui, lors d'undépassement de capacité, laissera passer l'horloge à 1 Hz versBI et qui, dans le cas contraire, devra placer BI à 0.
Choix technologiques
Au niveau de toute la logique intégrée, nous avons faitappel à des circuits MOS du fait de leur faible consommation.C'est pour la même raison que nous avons fait appel à unaffichage à cristaux liquides, l'affichage à LED s'avéranttrop gourmand en énergie. Malgré ces précautions et du fait dela présence des timers 555 ainsi que des transducteur, laconsommation est tout de même de 40 mA en temps normal, 50 mA enpointe (valeurs relevées sur notre montage expérimental). Ceciexclut l'alimentation via une pile 9 volts par exemple. Il vadonc falloir utiliser un accumulateur dont la tension de sortiedevra approcher 12 volts. Cette valeur n'étant pas critique,loin de là.La fréquence utilisée pour l'horloge d'affichage à cristauxliquides est de 300 Hz. Cette valeur devant être comprise entreune centaine de Hz et un KHz. En effet, en dessous d'une centainede hz cela entraînerait un scintillement désagréable del'affichage. Au-delà de 1 KHz, cela enlèverait tout l'intérêtde l'affichage LCD du fait de l'augmentation de la consommationdue au comportement capacitif des segments.
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