Un capteur optique de mouvement

A l’aide d’une photorésistance très économique et de quelques composants périphériques, le montage que nous proposons ici détecte le mouvement de personnes ou d’objets dans un local. L’emploi d’un microcontrôleur permet au circuit de s’adapter automatiquement à n’importe quelle condition de luminosité.


Pour détecter l’entrée ou le déplacement d’une personne ou d’un véhicule dans un local, la solution la plus simple consiste à adopter un capteur PIR (Passive Infrared Radar ou radar infrarouge passif en bon français) qui, au moyen d’un élément pyroélectrique et d’une lentille de Fresnel, convertit en variations de tension les effets thermiques du mouvement de la personne.
Il existe, bien sûr, d’autres dispositifs utilisant des principes analogues pour les mêmes résultats : les capteurs à ultrasons, les détecteurs vidéo de mouvement, etc.
Ces derniers, à partir de caméras vidéo, échantillonnent périodiquement l’image de manière à détecter l’entrée d’une personne ayant modifié le photogramme.
Si de tels capteurs sont désormais largement répandus (notamment comme antivols), tout le monde ne sait cependant pas que cette fonction peut être remplie par une simple photorésistance dûment carénée (au fond d’un tube plastique ouvert).

Le principe
Le principe de fonctionnement est basé sur la détection d’une image ou, mieux, de la luminosité d’une partie d’un local où le capteur est placé, normalement en face de l’orifice du tube de plastique.
Comme il suffit d’agir sur l’intensité lumineuse captée, nous pouvons nous servir d’une banale photorésistance et d’un circuit qui puisse apprécier les variations de luminosité.
Ce dernier, numérique plutôt qu’analogique, met à profit un microcontrôleur et son convertisseur analogique/numérique. En pratique le microcontrôleur lit périodiquement la valeur de la photorésistance de façon à détecter d’éventuelles différences avec la valeur lue précédemment.
Cherchons donc à comprendre à fond le mécanisme de fonctionnement et faisons-le en commençant par la théorie de base : une photorésistance est un composant à semiconducteur (par exemple, sulfure de cadmium…) dont la caractéristique est de présenter une résistance variant de manière inversement proportionnelle au degré d’éclairement auquel la surface photosensible est exposée. La courbe de variation est à peu près linéaire et, si nous doublons l’intensité lumineuse, nous obtenons presque une division par deux de la résistance. Sachant cela, il est facile de réaliser des circuits mettant à profit cette caractéristique.
L’exemple le plus courant en est l’interrupteur crépusculaire, composé essentiellement d’un comparateur qui puisse comparer une tension de référence avec celle lue aux bornes de la photorésistance.

Le schéma électrique
Figure 1 : Schéma électrique du capteur optique de mouvement.

Notre circuit est quelque chose d’analogue : il est fondé sur une sorte de comparateur à seuil variable.
Mais alors que le fameux capteur crépusculaire est fait pour se déclencher lorsqu’un certain seuil de luminosité est atteint, notre système n’est sensible qu’aux variations.
Comme nous l’avons dit plus haut, cela est obtenu grâce à un microcontrôleur, programmé en usine selon l’organigramme de la figure 4. Pour expliquer comment sont détectées la lumière ambiante et les variations de celle-ci, il est indispensable de préciser que le PIC12C672-MF385 ne lit pas la tension et ses variations ou du moins il ne le fait pas directement.
La photorésistance est insérée dans un dipôle comprenant le condensateur C4. Le réseau R/C reçoit des impulsions positives de charge, avec lesquelles le condensateur se charge. Pendant les pauses, la broche 3 du microcontrôleur (celle-là même qui envoie les impulsions de niveau logique 1) passe au niveau logique 0 et le programme exécute sa lecture.
En d’autres termes, il lit la courbe de décharge du condensateur dont la pente et la forme sont une fonction exponentielle de la valeur résistive de la photorésistance, valeur variant avec l’éclairement.
Plus grande est la valeur résistive et plus long est le temps de décharge et vice-versa.
Le programme tournant dans le microcontrôleur est conçu de manière à répéter cycliquement la lecture : il envoie donc à la broche 3 une onde rectangulaire composée des impulsions de charge et des pauses pour la lecture du temps de chute (“fall-time”) de ces impulsions.
En fonction de la courbe relevée, il tire ses conclusions.
Le microcontrôleur PIC lit environ 10 fois par seconde l’état du dipôle contenant la photorésistance : il calcule une résistance moyenne à partir de la constante de temps de décharge du réseau R/C. Il se fait donc une “idée” de la condition stable, c’est-à-dire celle correspondant à un éclairement normal du local où le capteur est placé.
Si une variation significative des conditions d’éclairement se produit, une ou plusieurs lectures détecteront un dépassement des limites fixées par le programme quant à la lecture de la broche 7 à laquelle le trimmer R2 est relié. Celui-ci paramètre la fenêtre d’activation du capteur et c’est sa valeur, associée à celle de la photorésistance, qui est lue.
Quand la valeur de résistance lue sur la broche 3 a une valeur sortant (par le haut ou par le bas) de la fenêtre des valeurs, le dispositif déclenche l’alarme puis le programme active une routine de temporisation commandant la sortie de la broche 5.
Ceci détermine un niveau logique 1, polarisant jusqu’à le saturer le transistor T1, ce qui active le relais RL1 pour un temps dépendant de la position du curseur du trimmer R1.
Après chaque lecture, le programme inhibe l’entrée reliée à la photorésistance et donne un temps de pause pendant lequel aucune variation d’éclairement n’est relevée. Ce temps est réglé (1 à 180 secondes) par le trimmer R3 : il est utile pour laisser un certain délai entre une alarme et une autre, même si le dispositif continue à détecter des mouvements de personnes ou de choses. Pendant l’intervalle d’inhibition, le microcontrôleur se met en veille et ne consomme pratiquement plus rien. Aucune lecture du dipôle photorésistance/trimmer n’est faite et tout reste au repos.
Après le temps de pause consécutif à une détection, le microcontrôleur effectue à nouveau des lectures, détermine la valeur moyenne à prendre comme référence, c’est-à-dire comme conditions de repos.
C’est pourquoi, même si les conditions d’éclairement dans le local surveillé changent (dans une certaine limite…), par exemple si une lampe s’est allumée et le demeure (après l’alarme produite dans ce cas par l’allumage de la lampe), après le temps de pause paramétré, le microcontrôleur est en mesure de s’adapter aux nouvelles conditions et de considérer comme alarmes les variations (même minimes) par rapport à ces nouvelles conditions.
On voit bien à quoi servent et comment sont lus les trois trimmers du circuit : R1 règle le temps pendant lequel le relais reste actif à chaque détection, intervalle pouvant durer 1 à 60 secondes (si toute la résistance est insérée, on a le minimum de temps, alors que le maximum correspond, en revanche, au court-circuit du trimmer). R2 détermine la sensibilité du capteur, soit la différence d’éclairement entre la condition de repos et celle déterminée par une présence ou un mouvement (personne ou chose) devant le capteur. R3 règle le temps d’inhibition.
Tout le circuit fonctionne avec une tension continue de 12 à 14 V appliquée sur le bornier +/– VAL, alors que le microcontrôleur fonctionne sous 5 V stabilisés par le régulateur U1.

La photorésistance utilisée
La photorésistance utilisée présente une résistance minimum de 1,5 kilohm et maximum de 300 kilohms environ.
Il est important de noter que le petit tube plastique (ou gaine thermorétractable) utilisé sert à rendre notre capteur plus sélectif.

Caractéristiques techniques :

Spectre de réponse avec pic à :..........................550 nm
Résistance de la cellule à 10 lux
(minimum/maximum) :......................................10 kilohms/50 kilohms
Résistance dans l’obscurité (minimum) :..................1 mégohm
Tension maximum en pointe :..............................100 V
Puissance dissipée (maximum) :...........................80 mW
Temps de montée (typique) :..............................35 msec.
Temps de descente (typique) :............................5 msec.
Température de fonctionnement :..........................–40 à +75 °C

Figure 2a.


Figure 2b.


Figure 2c.
Dimensions physiques.
Figure 2 : La photorésistance utilisée.

Les trimmers
R1 règle le temps d’activation du relais à la suite d’une détection, intervalle pouvant durer de 1 à 60 secondes. Si toute la résistance est insérée, on obtient la durée minimum, si le trimmer est en court-circuit la durée maximum. R2 détermine la sensibilité du capteur.
La sensibilité maximum correspond au minimum de résistance (curseur tourné dans le sens horaire) et la sensibilité minimum à la résistance maximum (curseur tourné dans le sens anti-horaire).
Enfin, R3 règle le temps d’inhibition entre une activation et la suivante, de 1 seconde (curseur tourné à fond dans le sens anti-horaire) à 3 minutes (curseur sens horaire).

Figure 3 : Les trimmers.

Organigramme du programme de fonctionnement du microcontrôleur PIC12C672-MF385
Le programme charge les valeurs lues et ne prend plus en considération aucune variation des positions des curseurs des trimmers, du moins jusqu’à la période de lecture suivante.
R2 est lue continuellement pour comparer le seuil de sensibilité qu’elle paramètre aux diverses valeurs ohmiques que prend la photorésistance.
En revanche, R1 et R2 sont lues quand il faut lancer les subroutines, respectivement de contrôle du relais et d’inhibition.
Donc, si le capteur détecte quelque chose et s’il faut activer RL1, le programme va lire l’état de R1 puis commander la broche 5 pour le temps correspondant. Quand le relais est relaxé, le microcontrôleur, devant établir la période de repos, lit sur R3 la durée de cette période.

Figure 4 : Organigramme du programme de fonctionnement du microcontrôleur PIC12C672- MF385.

La réalisation pratique
Voyons comment construire et utiliser notre capteur en nous reportant aux figures 5, 6 et 7. Une fois réalisé, gravé et percé le circuit imprimé, vous n’avez rien d’autre à faire que d’enfiler et souder les résistances, les trimmers et le support à 2 x 4 broches du microcontrôleur, en prenant soin de bien orienter le repère-détrompeur vers C3.
Insérez et soudez les condensateurs, en respectant la polarité des électrolytiques, puis pensez aux composants restants.
La photorésistance devra avoir une valeur résistive de 1 kilohm à 2 mégohms maximum. Presque toutes celles travaillant dans ce domaine conviennent.
Par exemple, celle utilisée dans notre prototype a une résistance minimum de 1,5 kilohm et une résistance maximum de 300 kilohms environ.
Pour le montage, vous pouvez décider de la laisser sur le circuit imprimé ou bien de la déporter vers la zone à surveiller, à l’aide de deux fils isolés dont la longueur ne doit pas dépasser deux mètres.
Il est également important que la photorésistance soit placée dans un tube de plastique opaque fermé au fond (c’est-à-dire du côté où sortent les deux fils) ou dans une gaine thermorétractable de diamètre convenable : la longueur de ce tube (ou gaine) sera de 1,5 à 2 cm ; son diamètre égal à celui de la photorésistance. Ceci afin de rendre plus efficace le fonctionnement du capteur.
Enfin, insérez le PIC12C672-MF385 déjà programmé dans son support et passez au réglage.

Figure 5 : Schéma d’implantation des composants du capteur optique de mouvement.

Figure 6 : Photo d’un des prototypes du capteur optique de mouvement.

Figure 7 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du capteur optique de mouvement.

Liste des composants
R1 = 4,7 kΩ trimmer
R2 = 4,7 kΩ trimmer
R3 = 4,7 kΩ trimmer
R4 = 4,7 kΩ
C1 = 100 μF 25 V électrolytique
C2 = 100 μF 25 V électrolytique
C3 = 100 nF multicouche
C4 = 1 μF polyester
C5 = 100 nF polyester
C6 = 100 nF polyester
C7 = 100 nF polyester
D1 - D2 = Diode 1N4007
U1 = Régulateur 78L05
U2 = μcontrôleur PIC12C672-MF385
T1 = NPN BC547B
RL1 = Relais 12 V 1 RT min. c.i.
FT1 = Photorésistance min.

Divers :
1 Bornier 2 pôles
1 Bornier 3 pôles
1 Support 2 x 4 broches
4 Entretoises bases autocollantes
1 Coupe 4 cm gaine thermorétractable


La lumière et le mouvement
Le principe de fonctionnement se fonde sur la variation de luminosité qu’un objet en mouvement détermine en passant devant une photorésistance.
Cette variation a un effet majeur si la photorésistance est montée à l’intérieur d’un tube opaque permettant d’orienter le capteur, ainsi réalisé, vers une zone précise.

Figure 8 : La lumière et le mouvement.

Le réglage
Pour cela, après avoir tourné vers le minimum le curseur des trimmers R1 (temps relais) et R3 (temps d’inhibition) et vers le milieu celui de R2 (sensibilité), alimentez la platine avec une alimentation qui puisse produire 12 à 15 V (stabilisé si possible) sous 50 mA. Faites bien attention à la polarité de cette connexion.
Attendez quelques instants pour vous assurer que le relais n’est pas activé.
S’il l’est, attendez sa relaxation, ce qui, étant donné le réglage des trimmers, devrait prendre 1 seconde.
Effectuez maintenant les réglages des relais selon vos exigences. Testez le système en tenant compte du fait que chaque modification du réglage ne prend effet qu’à la fin de la procédure en cours. Par exemple, si vous faites passer R1 du temps minimum au temps maximum alors que le relais est activé, la nouvelle temporisation ne prendra effet qu’à la prochaine activation.