Un interrupteur P.I.R a deux sorties temporisées

Les capteurs P.I.R. (abréviation du terme anglais Passive Infrared Radar) sont généralement utilisés comme révélateurs de présence dans les installations antivol et anti-intrusion, en raison de leurs qualités de précision et de fiabilité, ainsi que de leur simplicité d’installation.
Il existe, en outre, de nombreux types d’interrupteurs automatiques qui utilisent les capteurs à infrarouges pour réaliser les fonctions les plus variées.

Il s’agit d’automatismes qui permettent, par exemple, d’allumer les lampadaires d’un jardin, d’une cour ou d’un couloir, lorsque des voitures ou des personnes s’approchent.
On en trouve très fréquemment dans les hôtels (pour allumer l’éclairage dans les couloirs des étages au moment où les clients sortent de l’ascenseur ou de leur chambre), dans les jardins des villas, dans les garages, etc. La figure 1 est une illustration d’une utilisation possible.
Le succès rencontré par ce genre d’appareils a encouragé les constructeurs à les améliorer, en réalisant des produits toujours plus compacts et plus précis.
Celui que nous vous proposons dans ces pages et que nous avons employé pour mettre au point ce double interrupteur temporisé est, sans aucun doute, un modèle particulièrement intéressant, de par ses dimensions et sa polyvalence.
Il s’agit d’un capteur de mouvement passif à infrarouges, version miniature, pas beaucoup plus grand qu’un transistor contenu dans un boîtier TO5 et ayant le même brochage (figure 2).
C’est, en somme, un P.I.R. complet avec sortie logique pouvant être utilisée et incorporée dans n’importe quel type de circuit électronique, de l’interrupteur temporisé au système d’alarme ultra compact.
En effet, étant très petit, il peut facilement trouver sa place là où les capteurs traditionnels sont encombrants ou difficiles à installer car trop visibles.
Notre capteur peut être placé dans le lieu à surveiller, et “voir” par un trou pas beaucoup plus grand qu’un centimètre, en garantissant ainsi la discrétion maximale sans pour autant négliger l’aspect esthétique de l’endroit (par exemple, dans des musées ou dans des églises), comme le feraient des capteurs traditionnels de grande taille.

Figure 1 : Illustration d’une utilisation possible de l’interrupteur P.I.R. à deux sorties temporisées. La temporisation courte pilote une sonnette, la temporisation longue commande l’éclairage.

Le capteur P.I.R.
Voyons donc de plus près ce composant et commençons par préciser qu’il contient un capteur pyroélectrique traditionnel, capable de détecter une personne en mouvement grâce à la chaleur irradiée par son corps (en fait, nous savons de l’étude de la physique que la chaleur est une radiation lumineuse I.R.).
Ce capteur est placé derrière une lentille spéciale (appelée lentille de Fresnel) qui a la capacité de concentrer les infrarouges provenant d’un certain angle. Il est en mesure de déterminer des variations significatives d’intensité sur sa surface sensible si l’objet qui l’irradie (un homme qui marche, par exemple), se déplace plus ou moins rapidement.
L’ouverture angulaire, c’est-à-dire l’angle de détection, est de 100° (50 + 50) à l’horizontal et de 82° (41 + 41) en vertical.
La vitesse de déplacement minimale de l’objet à détecter est de 30 cm par seconde, tandis que la vitesse maximale peut atteindre les 2 mètres par seconde.
Pour plus de précisions, vous pouvez lire l’encadré de la figure 3 et, éventuellement, consulter la fiche technique du capteur sur le site de la revue dans la rubrique téléchargement (electroniquemagazine. com/telecharg.html) et choisir le fichier EF346.PDF .

Figure 2: Le capteur P.I.R. utilisé dans notre montage est caractérisé par ses dimensions particulièrement réduites : 11 mm de diamètre à la base, 9 mm au début de la coupole placée sur le sommet, et 15 mm de hauteur.

Figure 3 : Le capteur P.I.R.

Pour réaliser le montage décrit dans cet article, nous avons utilisé un capteur passif à infrarouges moderne, en version miniaturisée, muni d’un détecteur pyroélectrique placé derrière une lentille de Fresnel à 16 éléments (5 axes optiques) capable de capter la chaleur irradiée par le corps d’une personne ou d’un animal de taille moyenne, mais également celle émise par un véhicule.
Les variations de tension perçues aux bornes de l’élément sensible sont amplifiées par un circuit interne, puis encadrées par un comparateur précis permettant d’obtenir une sortie (OUT) normalement basse (niveau logique 0) qui passe au niveau logique 1 en présence de mouvement.
Vu de l’extérieur, le capteur se présente comme un petit dé à coudre de seulement 11 mm de diamètre à la base, 9 mm au début de la coupole placée au sommet, et haut d’à peine 15 millimètres.
Il est équipé de trois broches (sortie, positif et négatif d’alimentation) ce qui le rend idéal pour les utilisations dans lesquelles la miniaturisation est déterminante et où l’objet doit se voir le moins possible.
Il doit être alimenté avec une tension continue comprise entre 3 et 6 volts (la consommation ne dépasse pas 300 microampères avec la sortie au repos) et stabilisée, non pas tant pour l’intégrité du composant, qui résiste à des perturbations allant jusqu’à 200 V, mais pour garantir un fonctionnement précis des étages internes.
La broche OUT (sortie) commute de 0 V à un niveau logique 1, égal à la tension d’alimentation diminuée d’un maximum de 0,5 V : en alimentant le capteur avec 5 V, on obtient donc un peu plus de 4,5 volts.
L’angle de couverture du capteur est de 100° en horizontal et de 82° en vertical. La distance de détection est d’à peu près 5 mètres, dans toutes les directions comprises entre ces angles.
En ce qui concerne la vitesse du mouvement détecté, elle varie entre 30 cm et 2 mètres par seconde.
Une personne qui se déplace plus rapidement que 2 m/s (7,2 km/h) ou plus lentement que 0,3 m/s (1 km/h) peut très bien ne pas être interceptée.
Cependant, pour une utilisation normale (détecteur de présence ou d’intrusion dans une habitation, un bureau, un garage ou une remise), c’est une limite plus qu’acceptable.
Il faut également se rappeler que l’élément pyroélectrique en soi est capable de détecter des corps dont la température est différente de la sienne d’au moins 3 °C (plus ou moins 1 °C).
Toujours concernant les températures, le composant travaille sans problème entre –20 et +60 °C, ce qui permet son utilisation aussi bien à l’intérieur qu’à l’extérieur, même si dans ce dernier cas, il est nécessaire de soigner l’étanchéité.
Le capteur est tout de même sensible à l’humidité excessive.
Un détail d’importance pour l’utilisation est que le capteur a besoin d’un temps de “calibrage” (stabilisation thermique) variable entre 7 et 30 secondes, raison pour laquelle le circuit dans lequel on l’utilise doit ignorer, à partir du moment de l’activation, les signaux fournis avant que ce temps ne se soit écoulé.
Ces impulsions pourraient générer de fausses alertes ou même des activations malencontreuses.
L’utilité du boîtier du composant est double, car en réalité, la partie externe en plastique n’est autre que la lentille.
A l’intérieur se trouve le corps, un cylindre métallique grand comme un transistor T05, avec, au sommet (sur la partie opposée à celles des broches), un trou par lequel l’élément pyroélectrique apparaît.
C’est justement la structure métallique qui sert à garantir un blindage efficace, une immunité contre les interférences radioélectriques qui évite de fausses commutations, même à l’approche d’une source HF, telle qu’une antenne de téléphone portable, et ce, jusqu’à deux centimètres.

Figure 4 : Le prototype monté et testé.

Tous les composants sont montés sur la face époxy du circuit imprimé, à l’exception du capteur passif à infrarouges qui doit être monté du côté des pistes en cuivre.
Positionnez ses broches sur les emplacements prévus sans les enfoncer au-delà de ce qui est nécessaire à la soudure.
Soudez rapidement (3 secondes au plus) avec un fer dont la panne sera très propre et à une température de 350 °C.
La diode LED peut, elle aussi, être montée du même côté, de façon à ce qu’elle puisse être visible à côté du capteur, une fois le circuit monté dans un boîtier ou dans une cavité murale (voir également les figures 8 et 14).

Fonctionnement du capteur passif à infrarouges

Figure 5 : Fonctionnement du capteur passif à infrarouges.

Les capteurs passifs à infrarouges, également appelés P.I.R. (du terme anglais Passive Infrared Radar), sont capables de détecter les variations déterminées par le mouvement de personnes ou de choses dont la température est différente de celle du lieu.
Ce dessin vous montre le fonctionnement de ces capteurs. On peut tout aussi bien les utiliser dans des systèmes antivol, pour détecter une présence, que dans des systèmes de commande d’éclairage ou comme interrupteurs automatiques capables d’activer les fonctions les plus variées.

Le système proprement dit
Pour réaliser le montage que nous allons maintenant vous décrire, nous avons tenu compte de tous les détails fournis par le constructeur.
Nous avons donc monté un circuit géré par un microcontrôleur qui résout tous les problèmes existants de façon exceptionnelle, en fournissant les deux temporisations requises sans avoir besoin d’autres composants actifs.
Notre circuit est un double interrupteur à P.I.R. muni de deux temporisateurs, l’un réglable entre 1 et 10 secondes, qui commande un petit relais de 1 A, et l’autre, réglable entre 1 et 8 minutes, servant à contrôler un relais de 10 A.
Les deux temporisateurs se déclenchent lorsque le capteur détecte le mouvement d’une personne, d’un animal ou de n’importe quel corps chaud, dans un champ d’action délimité par une distance d’environ 5 mètres et un angle vertical/horizontal de 82/100° (voir figure 5).
Si on analyse le schéma électrique, on remarque qu’il s’agit d’un circuit très simple, puisqu’il est totalement géré par le microcontrôleur U2, qui contrôle les signaux du capteur passif à infrarouges (en ignorant ceux arrivés pendant les 30 premières secondes qui suivent l’allumage) et génère les deux temporisations en fonction de la valeur des trimmers R6 et R7.
Le microcontrôleur commande, en outre, la diode LED d’état (LD1) et les relais de sortie (RL1 et RL2) à travers deux transistors (T1 et T2).

L’étude du schéma
Analysons à présent le fonctionnement du microcontrôleur en regardant le schéma de la figure 6.
A son activation, le microcontrôleur PIC12C672 (un CPU à 8 bits de type RISC, muni d’un temporisateur précis programmable et d’un convertisseur analogique/numérique à 8 bits assignable à 4 lignes), initialise les lignes E/S (entrées/sorties) en réglant la broche 4 comme entrée, les broches 5 et 6 comme canaux bidirectionnels et les broches 2, 3 et 7, comme sorties.
Il utilise donc toutes les E/S dont il dispose.
La figure 7 donne le brochage et les fonctions des broches de ce microcontrôleur.
Ce microcontrôleur reçoit les impulsions de niveau logique 1 du capteur passif à infrarouges par l’intermédiaire de la broche 4 (GP3), tandis que les broches 5 et 6 lui servent pour lire l’état des trimmers, c’est-à-dire les temps à transmettre aux deux logiciels temporisateurs, utilisés pour gérer les sorties des relais (respectivement, broches 2 et 7).
La broche 3, qui est la sortie pour la diode LED, fonctionne en mode “sink”, c’est-à-dire qu’elle devient active au niveau logique 0
Par l’intermédiaire de l’organigramme de la figure 9, on voit qu’après le démarrage des registres internes, la diode LED est activée et clignote 3 fois, puis s’arrête en lumière fixe pendant les 30 secondes nécessaires à la stabilisation thermique du radar à infrarouges. Pendant cette période, chaque impulsion d’alarme reçue sur la broche 4 est ignorée, parce qu’elle est identifiée comme étant une “fausse alerte”.
Lorsque la diode LED s’éteint, le circuit est opérationnel et peut relever les signaux du P.I.R. et en gérer les informations.
Pour informer l’utilisateur sur l’activité du circuit, un clignotement est émis toutes les 2 secondes, toujours par la diode LED LD1.
A partir de ce moment-là, le programme continue à tester la ligne GP3 en attente d’une transition du niveau logique 0 au niveau logique 1 et, jusqu’à ce qu’il la trouve, il tourne en boucle en répétant le test et en activant l’allumage de la diode LED toutes les 2 secondes, comme voulu par le logiciel timer.
Au sujet du clignotement, remarquez qu’il dure moins de 500 ms afin de limiter la consommation d’énergie, ce qui s’avère être indispensable lorsque l’on veut alimenter le circuit à l’aide de piles.
Lorsque le capteur détecte le passage d’une personne ou d’un objet dans son champ d’action, il produit un signal, sur sa broche OUT (sortie), que le microcontrôleur reconnaît comme étant une “alarme active”.
Le microcontrôleur confirme la détection en allumant la diode LED LD1 de façon fixe et active RL1 pour la durée préalablement choisi à l’aide du trimmer R6, et RL2, pour la durée choisie par R7.
La diode LED clignotera à nouveau, seulement à la fin de la temporisation la plus longue, c’est-à-dire après la retombée du relais RL2.
A ce moment-là, le cycle reprendra depuis le commencement et le programme recommencera à tourner en boucle en attendant un nouveau signal du capteur passif à infrarouges.
Au sujet du réglage des temporisations, il est bon de faire remarquer que les trimmers R6 et R7 ne sont pas lus après l’initialisation des I/O, mais chaque fois que l’on reçoit une alarme provenant du P.I.R. et avant d’activer les relais. Ceci permet donc une modification en cours de fonctionnement n’impliquant pas l’initialisation du circuit.
La lecture des temps à associer à chaque relais se produit par l’intermédiaire de la procédure désormais bien connue (nous en avons parlé dans de nombreux articles…), à travers laquelle le PIC reconnaît la durée voulue par l’utilisateur, en utilisant seulement les deux lignes I/O restées disponibles.
Une routine est utilisée et va servir à contrôler les temps de charge et de décharge de deux condensateurs : C5 pour RL1 et C6 pour RL2.
Le premier est alimenté et déchargé cycliquement par l’intermédiaire du trimmer R6, sur GP2 (broche 5), tandis que le second subit la même opération à travers R7, grâce à la ligne GP1 (broche 6).
On obtient ainsi les durées des deux temporisations qui sont employées pour régler les “timers” internes.
Pour être exact, lorsque le curseur de chaque trimmer est complètement tourné en sens contraire des aiguilles d’une montre, les plus petites résistances sont alors insérées, on obtient les temps les plus brefs, qui correspondent pour RL1 à 1 seconde et pour RL2, à 1 minute.
Vice-versa, en tournant les axes des trimmers dans le sens des aiguilles d’une montre, les résistances en série à chaque condensateur augmentent et, ainsi, également les temps de charge/décharge.
Comme nous l’avons déjà écrit, on peut ainsi obtenir une durée de déclenchement du relais RL1 d’environ 10 secondes, et une durée pouvant atteindre 8 minutes pour le relais RL2.
Chaque fois que le capteur détecte le mouvement d’un corps chaud, les deux sorties GP0 et GP5 s’activent, passent au niveau logique haut, ce qui fait entrer les transistors T1 et T2 en saturation.
Chacun de ceux-ci alimente alors la bobine du relais qui lui est affecté, par l’intermédiaire de son propre collecteur.
Les lignes du microcontrôleur que nous avons déjà évoquées repassent au niveau logique 0, dès que le temps imposé par la position du trimmer correspondant s’est écoulé.
Lors de la conception du schéma, nous avons voulu utiliser des relais différents en pensant piloter, par un relais de faible puissance avec une temporisation courte, une sonnette, par exemple, et un relais de plus forte puissance avec une temporisation plus longue, pour commander un éclairage, par exemple (voir figure 10).
RL1 est de type miniature (ITT-MZ ou compatible) et peut commuter 1 ampère dans des lignes électriques fonctionnant à un maximum de 250 Vac.
Cette même tension est également admise pour le relais RL2 (FEME MGP, Finder 40.51, etc.) qui supporte jusqu’à 10 A.
En fait, on peut parfaitement décider d’utiliser ce circuit comme un détecteur de présence devant la porte de la maison ou de l’appartement, en reliant le contact du petit relais RL1 à la sonnette et celui de RL2 à une lumière ou à un groupe de lumières pour éclairer l’entrée (voir figure 1).
La disponibilité de deux sorties, chacune avec une temporisation différente, ouvre un large choix de possibilités et de montages parfaitement réalisables, parmi lesquels l’exemple choisi est parmi les plus simples.
En ce qui concerne l’alimentation, le circuit nécessite une tension comprise entre 12 et 15 Vcc, appliquée entre le “+” et le “–” VAL. La diode D1 le protège entièrement contre l’inversion de polarité.
Sur la cathode de D1 on prélève la tension nécessaire au pilotage des relais et on alimente le régulateur intégré U1, un 7805 qui fournit les 5 volts, parfaitement stabilisés, nécessaires au bon fonctionnement du microcontrôleur U2 et du capteur P.I.R.
Les condensateurs électrolytiques C1 et C2 filtrent le résidu de courant alternatif éventuellement présent sur la sortie de l’alimentation, tandis que C3 supprime d’éventuelles perturbations captées par les connexions.

Figure 6 : Schéma électrique de l’interrupteur P.I.R. à deux sorties temporisées.

1 = VDD2 = GP5 - OSC1 - CLKIN3 = GP4 - OSC2 - AN3 - CLKOUT4 = 

GP3 - MCLR - VPP5 = GP2 - TOCKI - AN2 - INT6 = GP1 - AN1 - VREF7 = 

GP0 - AN08 = VSS

Figure 7 : Brochage et fonctions des broches du microcontrôleur PIC12C672 /MF346.

Figure 8: Mise en place du circuit sur son lieu de fonctionnement.

En fonction du type d’application, vous pouvez insérer le circuit dans un petit boîtier plastique, dans un boîtier mural ou bien à l’intérieur d’un interphone, en faisant bien attention à faire dépasser la tête du capteur d’au moins 4 mm.

Figure 9 : Organigramme du programme MF346 installé dans le PIC12C672 (U2).

La réalisation pratique
Après avoir réalisé ou vous être procuré le circuit imprimé simple face dont le dessin est donné en figure 13, vous pouvez monter les composants en partant toujours des plus bas pour terminer par les plus hauts.
Donc, en vous aidant du schéma d’implantation de la figure 11 et de la photo d’un des prototypes de la figure 12, commencez par insérer les résistances, les diodes (en respectant le sens de leur bague) et le support du petit microcontrôleur.
Montez ensuite les condensateurs, en faisant bien attention au sens des électrolytiques, puis les transistors (à diriger comme sur la figure 11) et terminez en installant les deux trimmers, qui doivent être du type vertical.
Le régulateur 7805 doit être inséré dans les trous prévus à cet effet et son côté métallique placé vers l’intérieur du circuit imprimé.
Le capteur à infrarouges passifs doit être monté du côté des soudures, en faisant à peine entrer ses trois pattes dans les trous prévus et en les soudant rapidement (voir figure 14).
Pendant cette opération, faites très attention à appliquer la panne du fer à souder le moins longtemps possible (pas plus de 3 ou 4 secondes à 350 °C) afin d’éviter d’endommager le composant en le surchauffant. Attention également à ne pas toucher à son corps avec la panne du fer.
La diode LED peut, elle aussi, être soudée sur le côté des pistes en cuivre (souvenez-vous que la cathode est la broche qui se trouve du côté de la partie plane du corps…) de façon à ce que, si vous insérez le circuit tout entier dans un petit boîtier, il soit visible à côté du capteur.
Pour relier l’alimentation aux bornes “+” et “–” VAL, vous pouvez vous servir d’une alimentation universelle, pourvu qu’elle soit capable de fournir entre 12 et 15 volts continus, même s’ils ne sont pas stabilisés, et un courant de 120 milliampères. Vous pouvez faire fonctionner le circuit avec des piles normales ou rechargeables. Cette dernière solution est pratique lorsqu’il n’y a pas de ligne électrique ou lorsqu’il est nécessaire que les capteurs fonctionnent également en cas de coupure secteur.
Lorsque les deux relais sont au repos, le circuit ne consomme pas plus de 7 mA en moyenne tandis que, lorsque les deux relais sont activés, la consommation monte à 85 milliampères environ.
Une fois le montage terminé, vous pouvez insérer le circuit dans un petit boîtier plastique, en veillant à faire dépasser d’au moins 4 mm à l’extérieur la tête du capteur.
La diode LED pourra être placée à côté car elle ne provoque pas d’interférences.
Il est également possible d’incorporer le dispositif dans un interphone extérieur déjà existant, en pratiquant des trous dans sa face avant afin de faire dépasser de 4 le capteur P.I.R. et de 1 à 2 mm la diode LED. Dans ce cas, vous devez faire très attention à maintenir la protection contre l’humidité.
Pour ce faire, vous pouvez faire un petit joint avec du silicone transparent autour des deux composants en veillant à ne pas couvrir la lentille du capteur.
Les contacts “commun” (C) et celui normalement ouvert (NO) de RL1 doivent être reliés en parallèle aux fils de la sonnette, tandis que le contact C et NF de RL2 peuvent être reliés à une ligne qui alimente les lampes placées à côté de l’interphone ou le long du chemin allant de celui-ci jusqu’à la porte de la maison.

Figure 10 : Utilisation du capteur comme sonnette automatique.

Une utilisation possible du montage, présenté dans cet article, est la sonnette automatique classique. En plaçant le capteur de façon à ce qu’il détecte l’approche d’une personne devant le portail ou la porte d’entrée d’une maison et en reliant le relais (RL1) à la sonnette et le relais (RL2) à un éclairage, lorsqu’une chaleur sera détectée, la sonnette retentira automatiquement et la lumière s’allumera.

Figure 11 : Schéma d’implantation des composants de l’interrupteur P.I.R. à deux sorties temporisées.

Figure 12: Photo d’un des prototypes terminé. Remarquez l’utilisation de borniers pour l’alimentation et les sorties relais.

Figure 13 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de l’interrupteur P.I.R. à deux sorties temporisées.

Figure 14 : Vue latérale du montage.
Remarquez la disposition du P.I.R. par rapport à la face “soudure”.

Liste des composants
R1 = 1 kΩ
R2 = 4,7 kΩ
R3 = 47 kΩ
R4 = 4,7 Ω
R5 = 47 kΩ
R6 = 4,7 kΩ trimmer
R7 = 4,7 kΩ trimmer
R8 = 47 kΩ
C1 = 470 μF 25 V électr.
C2 = 100 μF 16 V électr.
C3 = 100 nF mult.
C4 = 100 nF mult.
C5 = 100 nF 63 V polarisé
C6 = 100 nF 63 V polarisé
U1 = Régulateur 7805
U2 = μC PIC12C672-MF346
T1 = Transistor NPN BC547B
T2 = Transistor NPN BC547B
LD1 = LED rouge 5 mm
D1 = Diode 1N4007
D2 = Diode 1N4007
D3 = Diode 1N4007
RL1 = Relais 12 V 1 RT min.
RL2 = Relais 12 V 1 RT
PIR = Capteur infrarouge

Divers :
1 Bornier 2 pôles
2 Borniers 3 pôles
1 Support 2 x 4 broches
1 Circuit imprimé réf. S346.