Détecteur fumée 1

Le présent détecteur permet de déclanche une alarme sonore et / ou lumineuse en cas de présence de fumée. Il ne met en oeuvre que des composants courants et bon marché, et peut fonctionner de façon autonome, sur pile 9V. Pour cela, le système de détection n'est réellement actif qu'environ une seconde toutes les trente secondes, afin de réduire la consommation générale du système et en augmenter l'autonomie. Au repos, la consommation moyenne totale est inférieure à 0,5 mA. Une autre version (fortement simplifiée) à base de microcontrôleur verra très probablement le jour, dans un futur que je ne peux pas pour l'instant qualifier de proche.

Le schéma

Schéma complet ci-après.

detecteur_fumee_001

Principe général

Deux couples [émetteur de lumière + détecteur de lumière] identiques sont placés côte à côte, l'un dans un boitier hermétique à la fumée (le boitier peut être transparent), l'autre restant à l'air libre. En temps normal (pas de fumée), les deux couples fonctionnent de la même façon : l'émetteur de lumière N° 1 éclaire le détecteur de lumière N° 1 (couple dans le boitier hermétique), et l'émetteur de lumière N° 2 éclaire le détecteur de lumière N° 2 (couple à l'air libre). Les deux émetteurs de lumière - qui sont en fait de simples LEDs - envoient la même quantité de lumière, et les deux détecteurs reçoivent la même quantité de lumière. Si maintenant, de la fumée atteint le détecteur, elle va se faufiler entre l'émetteur de lumière et le détecteur de lumière qui sont à l'air libre, occasionnant au niveau du récepteur une baisse de luminosité. Par contre, rien ne viendra perturber la réception de lumière au niveau du capteur enfermé dans son boitier hermétique, qui recevra donc toujours la même quantité de lumière. Et voilà le travail : il suffit de mesurer la différence de luminosité perçue par les deux détecteurs, pour en déduire que tout va bien (attendre la prochaine période d'activation) ou qu'il est l'heure de faire quelque chose (activer l'alarme). Le système peut être décomposé en quatre parties distinctes :

- un oscillateur
- un générateur de lumière
- un comparateur avec signalisation lumineuse
- un avertisseur sonore

Oscillateur

Cette première partie ne sert qu'à une seule chose : réduire la consommation électrique du montage, en ne l'activant réellement que pendant une seconde toutes les trente secondes environ. La plus grosse partie du courant consommé est celui circulant dans les LEDs qui émettent la lumière visible, partie qui sera vue plus loin. Le courant continu circulant dans les LEDs est de 10 mA, ce qui réduit à 330 uA environ la consommation moyenne du montage, au repos (rapport cyclique 1 / 30). Pour cet oscillateur, un timer de type "NE555" basse consommation (modèle CMOS) est utilisé. On le retrouve en configuration "astable" avec les pattes 2 et 6 reliées entre elles, un condensateur relié entre ces deux pattes et la masse, une résistance entre patte 7 et la borne positive d'alimentation. Et puis bien sûr l'indispensable résistance reliée entre bornes 2/6 et 7, matérialisée ici par deux résistances assorties à deux diodes petits signaux de type 1N4148. Pourquoi pas une simple résistance ? Tout simplement pour disposer d'un signal, en sortie du NE555, qui possède un rapport cyclique faible, en d'autres termes dont l'état logique haut dure bien moins longtemps que l'état logique pas. Car c'est l'état haut du signal périodique produit par ce circuit qui va définir les périodes d'activité du détecteur. D'une part en allumant les LEDs, et d'autre part  en validant la sortie finale, pendant cette seule période, qui dure donc environ une seconde et qui a lieu toutes les trente secondes. Les temps réels ne sont pas vraiment critiques et dépendent fortement du condensateur chimique C1, dont la valeur réelle peut être bien supérieure à la valeur indiquée dessus.

Modification des temps d'attente et de validation

Si la période d'inactivité de trente secondes vous semble trop longue, vous pouvez parfaitement la réduire, par exemple en remplaçant le condensateur C1 par un 22 uF, voire pourquoi pas par un 10 uF. Le rapport cyclique étant déterminé par le rapport de valeur entre les deux résistances R2 et R3, vous devrez augmenter la valeur de R3 pour compenser la diminution de la durée d'activation, qui doit quant à elle toujours durer environ une seconde. Par exemple, pour une durée d'inactivité de huit secondes et une durée d'activité de 1 seconde, prendre C1 = 10 uF et R3 = 120 KO (ordre de grandeur).

Suppression de la section oscillateur

Si l'alimentation se fait sur batterie de forte capacité ou sur secteur, ou encore si le système doit être en permanence en veille active, la section oscillateur peut être supprimée. Dans ce cas, procéder aux modifications suivantes :

- supprimer U1 / 555 et les composants qui vont avec, à savoir C1, R1, R2, R3, D1 et D2.

- supprimer les deux transistors Q2 et Q3 et leur résistance associée R4 et R8.
- relier la cathode de la LED D4 à la masse.
- relier la borne 1 de U2 / LM311 à la masse.

Générateur de lumière

La quantité de lumière émise par une LED dépend du courant qui la traverse. Dans le cas qui nous intéresse, il est important que la luminosité ne varie pas trop même quand la tension de la pile chute un peu, et que de plus elle soit la même pour les deux LEDs. C'est pourquoi un générateur de courant constant est mis en oeuvre pour alimenter les deux LEDs, montées en série pour qu'elles soient parcourues par un même courant. Petit détail : optez pour deux LEDs identiques d'un même lot. Le générateur de courant est construit avec un transistor à effet de champs (FET Q1 / BF244 ou BF245) dont deux des trois pattes sont reliées ensemble. C'est une méthode que j'ai déjà utilisée plusieurs fois pour réaliser un indicateur lumineux en sortie d'alimentations régulées ajustables. Pour que les LEDs ne soient allumées que pendant les périodes d'activité du détecteur, un transistor darlington Q2 / BC517 a été ajouté dans la circuiterie du générateur de courant constant. Ce transistor n'est passant que quand sa base reçoit une tension continue positive de valeur suffisante, ce qui ne se produit que quand la sortie du NE555 passe à l'état haut (liaison au travers de R4). La LED D5 profite elle aussi du générateur de courant constant, elle s'allume en même temps que les deux autres LEDs, et sert d'indicateur de bon fonctionnement. Pour se faire, elle doit être visible de l'extérieur.

Comparateur avec signalisation lumineuse

Les deux photorécepteur R6 et R7, qui sont de simples LDR (LDR03, LDR05 ou autres), sont respectivement associés aux deux potentiomètres RV1 et RV2, formant deux diviseur de tension résistifs identiques. La tension présente au point commun R6 / RV1 et celle présente au point commun R7 / RV2 sont toutes deux dépendante de la quantité de lumière perçue par R6 et R7. Plus la lumière reçue par ces éléments est importante, et plus la tension au point commun concerné diminue. A l'inverse, une diminution de l'intensité lumineuse se traduit par une augmentation de tension. Les deux tensions issues de ces diviseurs résistifs sont comparées grâce au circuit intégré U2 / LM311, qui - cela tombe bien - est justement un comparateur de tension. Ce dernier fonctionne de façon fort simple : 

- si la tension présente sur sa borne non-inverseuse (patte 2) est supérieure à la tension présente sur sa borne inverseuse (patte 3), alors la sortie est à l'état haute impédance (sortie sur collecteur ouvert d'un transistor qui reste bloqué), et la LED d'alarme D6 reste éteinte.

- si la tension présente sur sa borne non-inverseuse (patte 2) est inférieure à la tension présente sur sa borne inverseuse (patte 3), alors la sortie passe à l'état bas (sortie sur collecteur ouvert d'un transistor qui se met à conduire), et la led d'alarme D6 s'allume.

Cette deuxième condition se produit si la cellule photorésistive R7 reçoit moins de lumière - s'il y a de la fumée - faisant augmenter la tension au point commun R7 / RV2.

Avertisseur sonore

L'avertisseur sonore est composé de plusieurs portes logiques de type NAND à trigger de Schmidt, incluses dans un unique CI U3 / CD4093. Tout ça pour dire que le schéma peut laisser supposer un circuit monstrueux alors qu'en réalité il n'y a presque rien. Deux portes parmi les quatre sont montées en oscillateur rectangulaire avec entrée de commande, comme décrit à la page Oscillateur rectangulaire avec CD4093. Les deux portes NAND restantes sont montées en simple inverseur. Le signal d'alarme est présent au point noté "Al" sur le schéma, juste en sortie du comparateur de tension U2 / LM311. Il est de type logique négative, et passe à 0V quand il y a alarme. La première porte U3:A sert à inverser ce signal de commande d'alarme, de sorte que l'on dispose d'un état logique positif quand alarme il y a. Une fois inversé en logique positive, le signal d'alarme charge instantanément le condensateur C4 au travers de la diode D7. Et quand la condition d'alarme disparait, le condensateur C4 se décharge lentement au travers de R12. Cette fonction simple permet de disposer d'une durée d'alarme sonore longue, même si le signal d'alarme n'est présent que pendant une seconde. C'est en quelque sorte un monostable du pauvre. La seconde porte NAND U3:B profite de cette impulsion rallongée. Montée en oscillateur à basse fréquence, elle délivre un signal carré changeant d'état environ trois ou quatre fois par seconde, tant que son entrée patte 5 reste à l'état haut. Cet oscillateur permet d'entrecouper la tonalité sonore créée par la suite. La troisième porte NAND U3:C inverse l'état logique du signal produit par la précédente porte, qui reste malheureusement à l'état haut au repose. Une fois inversé, le signal disponible en sortie de U3:C commande la quatrième porte NAND montée en oscillateur BF, et qui produit la tonalité sonore d'alarme. Pour en finir avec cette section, le transistor Q4 permet d'attaquer dans de bonnes conditions un petit buzzer "passif" (sans électronique interne) qui saura se faire entendre.

Réalisation pratique (mise en boite)

La mise en boite est laissée à votre choix, mais il faut que la fumée puisse entrer... et sortir ! Il est donc nécessaire de pratiquer des ouies dans la partie inférieure du coffret (entrée fumée), ainsi que dans la partie haute des parois latérales (sortie fumée). La LED D5 sera de préférence située en-dessous du coffret, de sorte qu'elle soit visible sur un large angle de vue. Il en sera de même pour la LED d'alarme D6, pour la même raison.

Réglages

La procédure de réglage est fort simple, et doit être effectuée une fois le couple [émetteur de lumière + détecteur de lumière] N°1 enfermé dans son habitacle hermétique. Elle consiste dans un premier temps à vérifier le bon fonctionnement du montage, et ensuite à procéder aux ajustage pour un fonctionnement correct.

1 - Mettre en place le cavalier JP1 pour court-circuiter temporairement le transistor Q3 / BC517 et activer en permanence l'étage de sortie du comparateur de tension U2 / LM311.

2 - Placer les deux potentiomètres RV1 et RV2 en position centrale. Vous devez mesurer au voltmètre, une tension à peu près égale (au maximum 1 V d'écart) sur les deux entrées 2 et 3 du comparateur de tension U2 / LM311. Si ce n'est pas le cas, vérifier votre montage, il y a quelque chose qui ne va pas.

3 - A ce stade, la LED d'alarme D6 peut être allumée ou éteinte. Tourner le potentiomètre RV1 dans un sens puis dans l'autre, par rapport à sa position centrale. Si tout va bien, la LED d'alarme D6 s'allume quand on déplace le curseur vers le pôle positif de l'alimentation, et s'éteint quand on déplace le curseur vers l'entrée non-inverseuse de U2.

4 - Vérification de l'action de RV1 terminée, replacer son axe en position centrale.

5 - Tourner le potentiomètre RV2 dans un sens puis dans l'autre, par rapport à sa position centrale. Si tout va bien, la LED d'alarme D6 s'éteint quand on déplace le curseur vers le pôle positif de l'alimentation, et s'allume quand on déplace le curseur vers l'entrée inverseuse de U2.

6 - Vérification de l'action de RV2 terminée, replacer son axe en position centrale.

7 - Ajuster RV2 de telle sorte que l'alarme se déclanche tout juste, puis revenir en arrière pour que la LED d'alarme D6 s'éteigne. 

8 - Placer un bout de plastique translucide ou un morceau de papier calque entre la LED D4 et la photorésistance R7, pour simuler la présence de fumée (moins de lumière sur R7). L'alarme doit se déclanche instantanément. En retirant l'obstacle translucide, la LED d'alarme D6 doit s'éteindre aussitôt.

 

 

 

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