Un détecteur de proximité

Cet appareil détecte l’approche et le déplacement des personnes ou des choses entrant dans son rayon d’action ; il est particulièrement indiqué pour protéger les environnements ou les véhicules non clos, comme par exemple un stand, une vitrine, les voitures décapotables, les bateaux, etc. Le réglage de la sensibilité permet d’adapter facilement les prestations de ce circuit aux caractéristiques précises du lieu à protéger.

Si vous voulez protéger votre voiture des visées un peu trop ambitieuses d’un voleur de rue, vous savez que vous pouvez compter sur une grande variété de systèmes antivol, généralement similaires en ce qui concerne les capteurs utilisés pour détecter les conditions de danger et les dispositifs (sonores et/ou lumineux) pour donner l’alarme ; si vous avez un cabriolet ou un 4x4 découvert, vous devez en rabattre de vos exigences car la plupart des antivols du commerce sont inadaptés à ce type de situation.
Cela à cause du fait que, normalement, les antivols pour voiture détectent l’intrusion dans l’habitacle au moyen d’un radar à ultrasons, qui ne fonctionne correctement que dans un volume fermé. Si vous devez protéger un véhicule non clos, la seule alternative reste le détecteur de mouvement, qui hélas ne donne l’alarme que lorsque le voleur met en route le véhicule.



Notre réalisation
Ce problème est-il donc sans solution ? Bien sûr que non !
Nous avons conçu un capteur spécial, capable de détecter une intrusion dans un véhicule découvert ; relié à un antivol traditionnel, par exemple à la place d’un capteur de vibration, il permet de déclencher une sirène ou d’inhiber la centrale électronique du moteur, ou le boîtier électronique de commandes du bateau, etc., bref de faire tout ce que fait un capteur d’alarme pour voiture habituellement (le but étant bien entendu de décourager le voleur de poursuivre au risque d’être interpellé).
Mais c’est particulièrement sur un bateau que l’appareil proposé s’avère indispensable, car sur l’eau les mouvements occasionnés par la houle déclenchent de fausses alarmes et rendent les capteurs de mouvement comme les volumétriques inopérants ; en revanche le capteur RF n’y est pas sensible et il ne donnera l’alarme qu’en cas d’intrusion (ou d’approche un peu trop "serrée") dans l’habitacle.
Notre capteur est de type périmétrique ou de proximité (ou encore d’approche), car il détecte l’approche des personnes et des choses au sein de son rayon d’action propre, soit un champ dont l’extension est réglable simplement par un trimmer afin de tenir sous contrôle un petit véhicule utilitaire comme un canot pneumatique, une petite barque, une décapotable ou une caravane.
Mais vous vous demandez sûrement comment fonctionne un appareil aussi facile à adapter à l’environnement à protéger ?
Eh bien, disons tout d’abord que pour détecter l’approche d’un corps dans une enceinte ouverte (en plein air), l’unique solution efficace et pratiquement réalisable consiste à travailler avec les ondes radio.

Le schéma électrique

Figure 1 : Schéma électrique du détecteur de proximité.

Le circuit électronique de notre appareil –dont la figure 1 donne le schéma électrique– est un oscillateur RF (radiofréquence) opérant autour du GHz, qui rayonne autour de lui ses propres lignes de flux. Quand quelque chose d’organique reposant sur le sol ou de ferromagnétique se déplace dans son champ d’action, ce quelque chose interfère avec l’oscillateur et en modifie –même si c’est dans une faible mesure– la fréquence de travail ; cela occasionne une toute petite variation de la tension détectée par un étage conçu pour cette tâche et qui déclenche un temporisateur dont la sortie commande un transistor et une ligne à collecteur ouvert. Cette ligne peut être utilisée pour activer des entrées à résistance de tirage ou des relais alimentés en 48 Vcc maximum (la plupart des relais disponibles fonctionnant en 12 V, cette limitation n’est pas très dommageable !).
Jetons un coup d’oeil au schéma électrique et commençons la description par l’oscillateur : il est constitué d’un transistor NPN pour haute fréquence (RF) en boîtier plastique TO-92, configuré comme oscillateur à déphasage.
Son fonctionnement peut être ainsi résumé : une fois alimenté, T1 commence tout de suite à osciller car, dans le spectre de bruit électrique produit par les composants et par les interférences captées par le circuit imprimé, il y a certainement la fréquence d’accord du dipôle antirésonant obtenu par la superposition de la piste du collecteur de T1 avec celle d’alimentation (cette superposition constitue une capacité et une inductance parasites ; le retour de signal déphasé sur la base fait le reste et l’oscillation du NPN s’amorce, justement à la fréquence d’accord du circuit Lc/Cc. Le dipôle série composé de C10 et de l’inductance parasite Le (formée d’une piste du circuit imprimé dûment façonnée) résonne, ce qui détermine une augmentation du gain du transistor et favorise l’oscillation, laquelle provoque l’émission dans l’environnement du rayonnement électromagnétique RF voulu.
L’approche d’un corps d’une certaine masse (par exemple d’une personne ou seulement de son bras tendu au dessus d’un véhicule décapotable) interfère avec le champ électromagnétique, ce qui détermine une variation de consommation de courant par le circuit oscillateur (avec pour conséquence une modification de l’amplitude de la tension présente sur le collecteur du BFR90).
La variation se produit aussi du fait que l’approche d’un corps fausse d’une certaine manière le fonctionnement de l’oscillateur, car elle introduit des facteurs parasites qui altèrent la fréquence de l’oscillation.
Quand on lit avec l’amplificateur opérationnel U2a la tension RF produite par T1, on peut suivre le déroulement du fonctionnement de l’oscillateur et détecter l’approche d’un corps. En pratique U2a travaille au sein d’un circuit qui est à la fois un amplificateur et un filtre actif à double pente (R/C à 40 dB/décade) : la tension RF est filtrée par R5/C8, puis amplifiée. C3 est le second élément filtrant et il est situé dans la rétroaction de l’amplificateur opérationnel, de manière à en réduire le gain en présence de signal, d’autant plus que la fréquence de ce dernier est plus élevée.
La composante redressée et filtrée est présentée à l’entrée de U2b, monté en amplificateur différentiel ; en lui la tension unidirectionnelle obtenue par le signal RF détecté est ensuite filtrée par R6/C5 et R7/C6 (deux autres cellules passe-bas) et envoyée à l’entrée non inverseuse. Sur l’entrée inverseuse arrive une composante analogue à travers C4. De la broche 7 sort une tension presque continue comparée avec la référence 5 V positive dans le comparateur U2c : la sortie de ce dernier prend un niveau logique haut chaque fois que la composante filtrée dépasse en amplitude la référence ; elle est au zéro logique dans le cas contraire. Quand l’oscillateur travaille en conditions normales, la sortie de U2c se trouve au niveau logique bas et, si le circuit est perturbé par l’approche d’un corps, la tension filtrée par U2b croît en amplitude et force le comparateur à prendre en sortie l’état logique haut : cela détermine la charge de l’électrolytique C7 à travers la diode D4 et la résistance R8, ce qui provoque la commutation de l’autre comparateur présent dans le circuit : U2d. Ce dernier est du type à hystérésis et donc sa sortie, prenant le niveau logique haut (environ +12 V) polarise la base de T2, allume LD1 et élève le niveau du potentiel de la broche 12 (son entrée non inverseuse), par rapport au moment de la commutation, de façon à stabiliser la conduction en évitant tout phénomène oscillatoire. L’hystérésis fait en sorte que pour remettre au niveau logique bas la sortie du comparateur, C7 doive se décharger et prendre un niveau de tension beaucoup plus bas que celui ayant forcé la commutation 0/12 V de la broche 14 de U2 : pratiquement il doit descendre à environ 3 V, puisque 2 V déjà chutent dans R10. Donc, quand C7, chargé par le 12 V (environ) fourni par U2c à la suite de la détection d’un corps à proximité du capteur, se décharge jusqu’à 3 V, la sortie de U2d se met à nouveau à zéro, car le 5 V de référence qui polarise la broche 13 devient supérieur à la tension appliquée à la broche 12. Bien sûr, C7 ne peut se décharger que lorsque U2c retourne au repos, c’est-à-dire si le capteur cesse de détecter la présence de quelqu’un dans les parages.
Et c’est là qu’entre en jeu une partie du circuit jusqu’alors volontairement laissée de côté : il s’agit d’un bloc dont la fonction est d’introduire un certain retard entre une détection et l’autre, un moyen mis en oeuvre pour insensibiliser le circuit pendant environ 10 secondes à la suite de chaque détection. Revenons au schéma électrique : notez que D5 conduit quand le comparateur U2d a sa sortie au niveau logique haut (soit quand la sortie du circuit est active), ce qui achemine un peu plus de 11 V vers l’entrée inverseuse de l’opérationnel U2a ; la connexion fait en sorte que, lorsque le capteur déclenche l’alarme, l’étage d’entrée, c’est-à-dire le filtre/ détecteur U2a, soit inhibé et ne puisse plus rien amplifier. En effet, la polarisation forcée de la broche 2 met au niveau logique bas la sortie de l’amplificateur.
Le zéro à la sortie de U2a met au niveau logique bas également la sortie de U2b (l’entrée non-inverseuse de ce dernier est couplée en continu au moyen de R6/R7 et reçoit le zéro volt, tandis que la rétroaction a un gain unitaire), ce qui fait revenir à zéro la sortie de U2 (comparateur) également. Dans cette phase, D7 est polarisée en inverse et elle empêche que la tension fournie par la sortie de U2d soit appliquée à la broche non inverseuse, ce qui invaliderait la fonction. A la suite de l’inhibition et du retour au repos du comparateur U2c, l’électrolytique C7 peut se décharger et prendre le potentiel qui détermine le rétablissement de la sortie OUT, soit 3 V ; ce qui se produit en un peu plus d’une seconde.
Si vous désirez obtenir un délai d’inhibition plus important (par exemple afin d’avoir le temps de désactiver l’alarme une fois entré dans le véhicule), vous pourrez jouer sur la valeur du condensateur, en l’augmentant jusqu’à 22 à 33 μF, sans oublier que le délai est égal à environ 1,5 seconde par μF de capacité de C7. Quand le délai est écoulé, la broche 14 de U2d revient à zéro volt, T2 est bloqué, LD1 s’éteint et le détecteur U2a est libéré.
Avant de conclure, quelques mots de plus sur la sortie : il s’agit d’une ligne à collecteur ouvert qui consomme du courant quand elle est active ; au point OUT, normalement ouvert, on peut relier les entrées de dispositifs logiques qui s’activent lorsqu’ils sont mis au niveau logique 0, mais aussi buzzer, relais et autres charges ne consommant pas plus de 300 mA, alimentées avec des tensions comprises entre 5 et 48 Vcc.
Au cas où on connecte des relais, il est nécessaire de protéger la jonction de collecteur de T2 avec une diode montée en parallèle sur l’enroulement (l’anode tournée vers le positif d’alimentation).
Voir les trois schémas électriques de la figure 5 pour de plus amples explications sur la sortie.
Le circuit ayant été conçu pour fonctionner dans un véhicule, il est alimenté tout entier avec une tension de 12 à 15 Vcc ; l’alimentation se connecte aux points + et – (positif et négatif de la batterie) pour être acheminée au quadruple opérationnel LM324 et au régulateur U1 au moyen de D1 (sa fonction est d’empêcher que des dommages ne puissent découler de la présence de tensions négatives sur le circuit électrique de la voiture quand on y utilise des charges fortement inductives comme les essuie-glaces, la ventilation ou le démarreur).

Figure 2a : Schéma d’implantation des composants du détecteur de proximité.

Figure 2b-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés du détecteur de proximité, côté composants.

Figure 2b-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés du détecteur de proximité, côté soudures.


Liste des composants ET959
R1 ...... 10 kΩ
R2 ...... 4,7 kΩ
R3 ...... 270Ω
R4 ...... 270Ω
R5 ...... 4,7 kΩ
R6 ...... 1 MΩ
R7 ...... 1 MΩ
R8 ...... 1 kΩ
R9 ...... 470 kΩ
R10 ..... 680 kΩ
R11 ..... 3,3 MΩ
R12 ..... 1 kΩ
R13 ..... 680Ω
C1 ...... 10 μF 25 V électrolytique
C2 ...... 47 μF 16 V électrolytique
C3 ...... 4,7 nF céramique
C4 ...... 100 nF multicouche
C5 ...... 4,7 nF céramique
C6 ...... 1 nF céramique
C7 ...... 1 μF 25 V tantale
C8 ...... 100 nF multicouche
C9 ...... 4,7 μF 25 V tantale
C10 ..... 10 pF céramique
Ca ...... piste du circuit imprimé
Cb ...... piste du circuit imprimé
Ce ...... piste du circuit imprimé
Lb ...... piste du circuit imprimé
Lc ...... piste du circuit imprimé
Le ...... piste du circuit imprimé
VR1 ..... 200 trimmer
VR2 ..... 500 k trimmer
U1 ...... 78L05
U2 ...... LM324
D2 ...... 1N4148
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D7 ...... 1N4148
LD1 ..... LED 3 mm rouge
T1 ...... BFR90A
T2 ...... MPSA42

Divers :
1 support de ci 2 x 7 broches
1 boîtier plastique spécifique (voir photo) Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.


La réalisation pratique
Comme il s’agit d’un appareil travaillant aux confins de l’UHF et des micro-ondes, il est indispensable de suivre quelques bonnes règles pour garantir un fonctionnement optimal.
D’abord le circuit imprimé : c’est un double face à trous métallisés dont les figures 2b-1 et 2b-2 donnent les dessins à l’échelle 1 : 1. Si vous le réalisez vous-même, respectez scrupuleusement le dessin des pistes (surtout la face soudures) car les selfs du circuit oscillant y sont dessinées et même les capacités “parasites” sont prises en compte pour faire osciller celui-ci.
En effet à des fréquences voisines de 800 à 1 000 MHz une piste bien calculée et bien réalisée peut constituer une self et un rapprochement de deux pistes peut également constituer un condensateur (quelques pF pas plus).
La précision requise impose de recourir à la photogravure à partir de bonnes photocopies ou d’images numérisées telles qu’on les trouve sur le site de la revue. Attention, faites bien correspondre les deux faces au moyen de quelques trous de positionnement.
Vous pouvez aussi vous procurer le circuit imprimé double face à trous métallisés tout fait auprès d’un de nos annonceurs.
Quoi qu’il en soit, quand vous l’avez devant vous, montez tous les composants (tous côté "composants"), comme le montrent les figures 2a et 3a et la liste des composants : la plupart sont traversants mais certains (bien que n’étant pas des CMS) sont à souder sur les pistes et pastilles de la face "composants".
Montez d’abord le support du circuit intégré et vérifiez bien ces premières soudures, puis montez les résistances (debout sauf R2 et R4), les diodes, les petits condensateurs, le gros électrolytique (couché), la LED, les deux transistors, le régulateur et les deux trimmers.
Attention à la polarité des condensateurs au tantale et des électrolytiques, à celle des diodes, de la LED, des transistors, du régulateur et du circuit intégré (pour ce dernier, repèredétrompeur en U vers le régulateur).
Vérifiez attentivement vos soudures (ni court-circuit entre pistes ou pastilles ni soudure froide collée) et bien toutes les polarités à nouveau. Et ce au moins deux fois.
Vous pouvez maintenant installer la platine dans le boîtier spécifique (voir figure 4) : insérez le circuit intégré dans son support (dans le bon sens).
Dès que vous avez fixé la platine et que vous mettez le couvercle, la LED y affleure (surtout si vous avez bien réglé la longueur des pattes).
Les deux fils d’alimentation rouge/ noir venant de la batterie du véhicule entrent par le petit évidement latéral visible sur la photo ; le fil de la sortie collecteur ouvert OUT allant aux dispositifs (centrale d’alarme, buzzer, relais, etc.) sort par là également.

Figure 3a : Photo d’un des prototypes du détecteur de proximité, côté composants, où sont montés tous les composants dont certains, sans être des CMS, sont soudés en surface.

Figure 3b : Photo d’un des prototypes du détecteur de proximité, côté soudures, où aucun composant n’est monté (les pistes autour des soudures des trois pattes du transistor font office de selfs et capacités).

Figure 4 : Installation dans le boîtier plastique spécifique du détecteur de proximité.

Figure 5 : Le capteur a une sortie collecteur ouvert qui consomme du courant quand il est activé ; au point OUT, normalement ouvert, on peut relier les entrées de dispositifs logiques (schéma A) qui s’activent quand ils sont mis au zéro logique, mais aussi des buzzers, relais et autres charges ne dépassant pas 300 mA, alimentées avec des tensions comprises entre 5 et 48 Vcc. Au cas où on connecte des relais (schéma B), il est nécessaire de protéger la jonction de collecteur de T2 avec une diode montée en parallèle avec l’enroulement (avec l’anode tournée vers le positif d’alimentation). Le capteur est prévu pour être couplé à des centrales d’alarme de divers types, dotées d’entrées normalement ouvertes et qui s’activent lorsqu’elles sont mises au zéro logique (masse) : il suffit d’unir les masses des circuits pour avoir la référence du commun (schéma C). L’utilisation à bord des véhicules n’est pas l’unique possibilité : par exemple, lors d’une exposition d’objets précieux, l’appareil peut donner l’alarme quand quelqu’un "laisse traîner sa main" un peu trop près des biens protégés, disposés sur un stand ou dans une vitrine non close.



Contrairement aux capteurs volumétriques ordinaires pour voitures, le dispositif proposé ici est un détecteur de proximité basé sur le principe de l’interférence des corps en mouvement avec le champ électromagnétique RF produit et rayonné dans l’environnement immédiat. Cette caractéristique le rend efficace même si la portière de la voiture est laissée ouverte, car il n’agit pas sur le volume interne mais sur la présence effective d’une masse en mouvement dans un périmètre établi au moment du réglage.
C’est pourquoi nous vous conseillons d’utiliser l’appareil même pour protéger des cabriolets, "spiders" et autres décapotables ou de petits bateaux.
La présence de vitres, tissu, parties en plastique ou en bois (tous métaux exclus, n’affecte pas le bon fonctionnement de cet appareil car les ondes radio traversent sans peine ces matériaux ; répétons-le, ce n’est pas le cas du métal qui, lui, arrête les ondes RF en capturant les lignes de flux des champs magnétiques et électromagnétiques.
Dans une voiture, le dispositif est à installer entre les sièges avant ou juste derrière, afin qu’il soit au centre de l’habitacle. Réglé pour le maximum de sensibilité, le capteur peut déclencher l’alarme même si quelqu’un appuie son visage à la vitre d’une fenêtre pour voir ce qu’il y a à l’intérieur ! Dans une décapotable il se déclenche seulement si quelqu’un tend son bras à l’intérieur, mais reste en revanche indifférent aux passant marchant à côté sur le trottoir ou la regardant sans se pencher dans l’habitacle. Il faut l’installer pour le croire !

Figure 6 : Portes ouvertes … au capteur.

Les réglages
Dans ce circuit deux trimmers de réglage ont été prévus : VR1 règle l’intensité du champ émis par l’oscillateur et détermine l’amorçage ; VR2 permet de régler la sensibilité. Pour régler le dispositif servez-vous de la LED, laquelle étant en série avec la base de T2 reflète les événements de la sortie ; alimentez le circuit (avec une alimentation d’essai de 12 à 14 Vcc 200 mA) et tournez d’abord l’axe de VR2 à fond dans le sens horaire, afin de régler la sensibilité au maximum.
Si la LED s’allume à cause de votre présence, c’est que l’oscillateur fonctionne ; sinon, tournez lentement le curseur du trimmer dans un sens ou dans l’autre, jusqu’à ce que la LED s’allume. Si cela est difficile à obtenir, modifiez la valeur de C10, en choisissant des valeurs entre 1 et 47 pF : il est possible en effet que l’oscillateur ait du mal à amorcer.
Le boîtier de petites dimensions est facile à dissimuler dans le véhicule, comme le montre la figure 6. Evitez de le placer au sol car il serait trop près de la tôle métallique du plancher. Dans un bateau restant à quai, pensez à protéger le boîtier contre les intempéries (vous pouvez l’enduire de mastic silicone transparent, une fine couche, suffit) En dehors de la protection des véhicules (bateaux compris), vous pouvez utiliser le détecteur sur un stand ou dans une vitrine non close afin de protéger contre le vol à la tire des objets précieux que vous voulez exposer.
Vous pouvez aussi contrôler l’accès de lieux potentiellement dangereux (haute tension, produits chimiques, etc.) : dans ces cas vous pouvez le coupler avec un buzzer (il en existe produisant des sons très forts). Plus généralement, l’appareil est utilisable chaque fois que vous voulez contrôler l’accès indésirable ou dangereux de personnes (et pourquoi pas d’animaux ?) dans un environnement donné de type "ouvert" ou en plein air.