prof. Jacques Lepot
Transmission de données par ultrasons
Microcontrôleurs

Nous alons réaliser un émetteur et un récepteur à ultrasons. Ce projet poura être utilisé pour différentes applications, par exemple:

  • Détection de passage,barrière invisible
  • Mesure de distance, sonar
  • Mesure de la vitesse de l'air
  • Transmission de données sans fils


Pour produire des ultrasons, il nou faudras un émetteur (tranciever ou transducer) et un capteur. Les plus courants fonctionnent autour d'unefréquence de 40Khz. Nous pouvons comparer l'émetteur à un petit haut-parleur car il transforme un signal électrique en vibration de la pression de l'air. Cependant il existe 2 différences importantes.

  • Un haut parleur utilise généralement une inductance et un aimant pour faire vibrer la membranne,
    l'émetteur ultrasons utilise par contre l'effet piezoélectrique qui fait se déformer un cristal lorsque on applique dessus une tension.
  • Un bon haut parleur doit reproduire un maximum de fréquence dans la gamme audible (20hz à 20khz),
    pour l'émetteur à ultrasons, on désire plutôt un maximum de puissance à une seule fréquence.

Le récepteur à ultrasons est comparable à un microphone, il transforme les variations de pression en signaux électriques. L'effet piezoélectrique est encore utilisé, mais dans l'autre sens.

Schéma général

schéma1

PREMIERE PARTIE: EMETTEUR

Nous devons produire un signal à 40KHz, pour cela, nous pourions utiliser un des timers du microcontrôleur mais nous ne le ferons pas dans ce projet pour les 2 raisons suivantes.
-Pour fonctionner efficacement les émetteurs ultrasons on besoin d'une tension élevée (voir la doc), 12V est un minimum.
Notre microcontrôleur ne peut fournir plus que 5V sur ses sorties.
-Nous désirons que le circuit émetteur puisse fonctionner sans le microcontrôleur.

osc; Nous avons choisi un oscillateur basé sur 2 portes inverseuses avec rétroaction,
la première porte commande la deuxième et la deuxième commande la première.
Ceci constitue un circuit logique instable qui se met à osciller.

La fréquence est déterminée par les résistances et le condensateur.

L'utilisation de porte en technologie CMOS permet de travailler avec des tensions élevées (18V MAX)
Cet oscillateur devra pouvoir être commandé par un signal extérieur ON/OFF, nous remplacons la première porte par une porte NAND, la deuxième entrée servant alors au contrôle du fonctionnement de l'oscillateur.
Nous ne pouvons cependant pas commander directement la porte avec l'arduino, 5V ce n'est pas suffisant. Pour cela, nous ajoutons un transistor dont la base est commandée par l'arduino.
Il faut noter que les portes CMOS ne peuvent fournir qu'un très petit courant (+/-1mA), c'est pourquoi nous en placerons 2 en parallèle pour doubler le courant dans l'émetteur à ultrasons.
Enfin, plutôt que de connecter l'émetteur ultrasons entre la sortie d'une porte et la masse, nous le connectons entre les sorties de 2 portes qui produisent des signaux inverses l'une de l'autre. De cette manière, l'émetteur "verra" une tension double de celle de l'alimentation (effet push-pull).

SCHEMA COMPLET (Downloadez les fichiers eagle)

Notez que mis à part la première porte à gauche, toutes les portes NAND sont utilisées comme des portes NOT.
Nous pourions donc utiliser un 4009 avec le 4011, mais il est plus pratique d'utiliser 2 fois le même composant.
On n'oublieras pas l'éternel condensateur de découplage entre Vcc et GND.

3d

DEUXIEME PARTIE: RECEPTEUR

Le schéma général en haut de page décrit le fonctionnement du récepteur.

  • Le capteur transforme les variations de pression acoustique en signal électrique.
  • Ce signal électrique analogique de quelques milivolts est amplifié.
  • Le siganl amplifié est mis en forme pour pouvoir attaquer le microcontrôleur ou une commande de sortie (led, buzzer)

L'amplificateur

Le signal fourni par le capteur a une amplitude de l'ordre de 10mv. Cette amplitude diminue avec la distance (voir acoustique).
Pour pouvoir être utilisé par le microcontrôleur, le signal doit avoir une amplitude de plusieurs volts (0-5V).

Il est assez facile de réaliser un amplificateur de ce type avec des amplificateurs opérationnels,
les schémas de base sont présentés sur la page abc des AOP.

Cependant il faut savoir que les schémas "classiques" sont généralement concu pour fonctionner avec une alimentation symétrique
double [-V GND +V] Ceci constitue un inconvénient majeur pour tous les systèmes fonctionnant sur piles, batteries
ou avec un petit adaptateur secteur DC.

Il est donc nécessaire d'adapter les schémas d'amplificateur pour fonctionner avec une alimentation asymétrique (0-5V dans notre cas)

La technique générale consiste à déplacer le point de repos 0V vers le haut, à mi hauteur entre la masse et VCC,
et de connecter l'alimentation négative de l'ampli-op à la masse GND.

inverseur Voici le résultat pour un amplificateur inverseur à 1 étage.

Les 2 résistances R3 forment un diviseur de tension qui fixe la "masse virtuelle" à 2.5V, leur valeur sera choisie pour que le courant qui part dans l'entrée + soit négligeable vis à vis du courant qui passe du 5V à la masse par R3 et R3 en série.
En pratique, entre 100ohm et 1K.

R1 et R2 ddonnent le gain Av = R2/R1.

Le condensateur assure que le signal d'entrée n'est pas polarisé (pas de composante DC)

Attention, tous les AOP ne supportent pas ce type de configuration. Le 741 est un ancêtre datant de l'époque néolithique et ne fonctionnera pas. Le MCP602 (601 et 604) est parfaitement adapté à cette configuration.

En théorie, un amplificateur peut avoir un gain très grand, il suffirait de choisir R1=1 ohm et 2=1 Mohm pour obtenir un gain de 1.000.000
Ce n'est malheureusement pas réaliste. Le gain maximum est donné par le paramètre GAIN BANDWITH PRODUCT dans les datasheet.
Il nous donne le gain maximum pour une fréquence de 1Hz. Pour obtenir notre gain maximum, nous devons diviser cette valeur par la fréquence la plus élevée utilisée dans notre projet c'est à dire 40Khz.
Pour le MCP602, la valeur du GBWP est de 2.8Mhz, divisé par 40Khz, cela donne 70 et c'est la valeur maximum que nous pouvons espérer pour notre gain.

Pour notre projet, ce gain est insufisant, nous aimerions un gain d'au moins 100 à 200. Il nous faut donc utiliser 2 amplificateurs.

Voici le schéma complet ( (Downloadez les fichiers Eagle et Multisim)

ampli2

Les condensateurs C1 et C3 découplent l'alimentation. Le condensateur C4 fait de même avec l'alimentataion "virtuelle" VCC/2.

La résistance RPOL est nécessaire si on utilise un microphone piezo, elle n'est pas nécessaire avec le capteur à ultrasons.

 

 

aop2