Le principe retenu pour réaliser ce détecteur est basé sur une transmission infrarouge entre une diode infrarouge et une photodiode. La fumée passant entre l’émetteur et le récepteur créé par son opacité une atténuation du signal reçu par la photodiode. C’est la détection de ce signal atténué qui déclenchera un dispositif d’alerte, tel une sirène ou une retransmission vers une centrale d’alarme.
Le schéma du principe est présenté ci-dessous :

Pour réaliser une liaison infrarouge, il est intéressant d’émettre un signal (ou train d’onde) plutôt qu’un rayonnement constant pour des raisons d’utilité et d’économie d’énergie. De plus, la diode infrarouge accepte des courants maximums pendant un temps très court : on peut donc générer une plus grande puissance d'émission en utilisant le mode impulsionnel.
Le signal de référence retenu est constituer de deux signaux successifs : un premier de période 1,3 ms et l’autre de période 25 m s.

• Le mode monostable est utilisé pour réaliser des minuteries. En envoyant une impulsion sur une entrée, on obtient un état haut en sortie pendant tout le temps de la charge du condensateur extérieur au circuit.
• Le mode astable est utilisé pour générer un signal périodique, réglable à partir de composants extérieurs au circuit. Il a deux positions stables et passe de l'une à l'autre sans arrêt.

Fonctionnement du 555 en astable :

Le circuit interne du 555 est constitué de deux comparateurs (C₁ et C₂) dont seuls, l’entrée non inverseuse de C₁ et l’entrée inverseuse de C₂ sont accessibles de l’extérieur. Les deux autres entrées de ces comparateurs sont alimentées en interne par un diviseur de tension constitué par trois résistances R de valeurs égales. De ce fait, le seuil de changement des comparateurs est égal à 1/3 de Vdd pour C₂ et 2/3 de Vdd pour C₁. Supposons que le condensateur C est déchargé : Il se charge à travers de R_a en série avec R_b.
Lorsque la tension à ses bornes atteint 2/3 de Vdd, le comparateur C₁ change d’état et fait basculer la bascule R-S (Q = 1) Le transistor est donc rendu conducteur et C se décharge alors à travers R_b.Cette décharge se poursuit jusqu’à ce que la tension aux bornes de C soit égale à 1/3 de Vdd.
A ce moment là, le comparateur C₂ change d’état et fait basculer la bascule R-S (Q = 0), bloquant à nouveau le transistor. Ce cycle se répète ainsi indéfiniment.

Avec un tel shéma d'utilisation, on obtient donc un signal ayant un état haut plus grand que l'état bas, car la charge du condensateur C à travers R_a + R_b est plus longue que sa décharge qui se fait à travers R_b seul. Les signaux composants le signal de référence sont présentés ci-dessous :

Le signal 1 à un état haut plus petit que l'état bas : ceci donne un rapport cyclique inférieur à 50 % :

t =

= 7,7 %      < 50 %

Il faut donc placer une diode en parallèle sur R_b pour que la charge de C se fasse à travers R_a et sa décharge à travers R_b , avec Valeur de R_a < Valeur de R_b (voir shéma)

Formules caractéristiques du 555 :

T_high = 0,693.(R_a + R_b).C
T_low = 0,693.(R_b).C

Le signal 1

Pour ce signal, on a T_high = 0,693.(R_a).C₁ à cause de la diode court-circuitant R_b

                          et T_low = 0,693.(R_b).C₁

On prend une valeur de C₁ qui nous arrange : C₁ = 10 nF

Ra =

=

= 14,4 KW

on prendra Ra = 15 KW

Rb =

=

= 173,2 KW

on prendra Rb = 180 KW

A partir des valeurs de C₁, R_a et R_b prises en pratique, on trouve un fréquence du signal 1

f1 =

= 738 Hz

Cette valeur pratique de f₁ est relativement proche de la valeur souhaitée (f₁ = 769 Hz) étant donné qu'aucune extrême précision n'est nécessaire pour la valeur de ce signal.

Le signal 2

Pour ce signal, on a T_high = 0,693.(R_c+ R_d).C₂ = 12,5 µs

                          et T_low = 0,693.(R_d).C₂ = 12,5 µs

On a T_high = T_low , le rapport cyclique est donc de 50%, donc R_c << R_d ,

soit Rc =

(Règle du dixième)

On prend C₂ = 0,1 nF (valeur courante)

Rd =

= 180,3 KW

on prendra Rd = 180 KW

Rc =

= 18 KW

on prendra Rc = 18 KW

Test :

Un premier test sur plaque lab nous a donné à l'oscilloscope :

pour le signal 1 : T = 1,36 ms      (théorie : T = 1,3 ms)
                        T_high = 110 µs      (théorie : T_high = 100 µs)

pour le signal 2 : T = 30 µs      (théorie : T = 25 µs)

Ce signal relevé à l'oscillo n'est pas rigoureusement le même que celui attendu.
Des parasites apparaissent sous forme d'ondulations de faible amplitude et de haute fréquence, et les temps de montée et de descente ne sont pas nulles.

   2.2) Amplification et conversion du signal

D'après un Data Sheet, on a un courant de 15 mA en sortie du TLC 555 M (avec V_dd=15V)

Or, d'après un Data Sheet sur la diode infrarouge de la série SFH 41*, on a un courant maximum de 100 mA. (Forward curent : I_f)

On a déjà expliquer qu'on voulait que la diode infrarouge émette avec de la puissance en utilisant donc le courant maximum. (voir 2.1)

La sortie du générateur de signaux n'est donc pas assez puissante pour commander directement la diode infrarouge. Il est nécessaire d'amplifier le courant de sortie.
Pour cela, on utilise un transistor bipolaire de type NPN.

Ce montage amplificateur de courant permet d'émettre le signal de référence en infrarouge par l'intermédiaire de la diode infrarouge qui est un convertisseur Electrique/Optique.

Remarque :
On utilise un condensateur de découplage Cd pour filtrer les fréquences parasites. La patte 5 de chaque Timer n'a pas besoin d'être relié à un condensateur car nous ne travaillons pas en haute fréquence.

   2.3) Conversion et écrétage du signal reçu

La convertion Optique/électrique se fait par l'intermédiaire d'une photodiode.
Le principe est de détecter le courant inverse traversant la photodiode, qui varie en fonction de l'intensité du signal reçu.

Pour cela, on commence par redresser la tension V_S au bornes de la résistance de protection de la photodiode. Le redressement se fait par une diode D, une résistance R_r et un condensateur C_r. La tension V_S charge le condensateur C_r lorsque V_S est positif , et le condensateur se décharge à travers R_r lorsque V_S est négatif, la diode protègeant la charge de C_r . C'est en utilisant la décharge de C_r qu'on peut obtenir un signal quasi constant, un signal écrété.

Oscillogrammes :

   2.4) Traitement du signal reçu

• Le Comparateur

Le principe est de comparer le signal reçu redressé (la tension V_R) avec une tension de référence V_Réf , à l'aide d'un comparateur.
Pour cela, nous utilisons l'amplificateur opérationnel TL 082 : il contient deux AOP. Nous n'en utiliserons qu'un seul.
Pour créer la tension de référence, on utilise un pont diviseur de tension réglable par une résistance variable. Cette dernière est en série avec une résistance pour pouvoir utiliser le maximum de la course de l'ajustable qui permet un réglage précis.

La tension de référence V_réf varie donc entre 1,36V et 3,6V.
Cette tension est appliquée sur l'entrée inverseuse du comparateur.
En absence de fumée, la tension V_R est environ de 4V, elle est donc supérieure à V_réf .
La sortie du comparateur est donc à -V_sat = -15V
Lorsqu' il y a présence de fumée, V_R est environ à 3V, elle est donc inférieure à V_réf .
La sortie du comparateur passe donc à +15V, elle est redressée par une diode de façon à ne laisser passer que le +15V : création d'un front descendant +15V þ 0V et elle est protégée par une résistance pour être appliquée ensuite à l'horloge de la bascule.

• La bascule JK à front descendant

La composant utilisé est le 74 HCT 73 : il contient 2 bascules JK à fronts descendant.
La table de vérité de cette bascule est décrite ci-dessous :

J	K	Front	Sortie Q
0	0	â	Qt-1
0	1	â	0
1	0	â	1
1	1	â	Qt-1

On utilise l'avant dernière ligne : on place l'entrée J à "1" (+5V) et l'entrée K à "0" (0V).
Ainsi, dès qu'un front descendant sera détecté sur l'entrée d'horloge (CLK), la sortie Q passera à l'état "1" (LED Rouge) et la sortie Q passera à "0" (LED Verte).
Un bouton poussoir permet de réinitialiser la bascule, faisant basculer la sortie Q à "0" (état de repos).
Le LED Rouge peut être relié à un buzzer, qui sert de sirène d'alerte.

• L'alimention du circuit

	Fonctionnement du LM 317

Schéma complet du détecteur de fumée

3) Problèmes rencontrés

Nous avons rencontré quelques problèmes avec la bascule JK :
nous avons pensé faire un pont diviseur de tension pour créer une tension d'environ 5V à l'entrée de l'horloge de la bascule lorsqu'il y a une tension de +15V à la sortie du comparateur. Mais, le circuit intégré consommant du courant, la tension d'horloge baisse. On s'est rendu compte qu'en plaçant une résistance en série sur la sortie du comparateur, on pouvait retrouver cette tension de 5V. On a donc tester, et en diminuant progressivement la valeur de la résistance R₃ on a trouvé une valeur optimale de 1,8 KW.

La bascule JK qui nous a été fournie était une front descendant et était dans un boitier contenant 2 bascules (74 HCT 73). On a du modifier notre schéma en conséquence, notamment, en plaçant la tension de référence (V_R) sur l'entrée inverseuse de l'AOP.

Pour générer la tension d'alimentation du 74 HCT 73, on avait pensé à prendre un régulateur 5V : le L7805. Mais nous n'avons pas pu en avoir, seul, un régulateur variable était disponible : le LM 317.
Nous avons donc recherché une documentation pour pouvoir le cabler.

BILAN :

Les essais effectués ont montrés que l'étude théorique est parfois très loin de la pratique.
Ainsi, les signaux de référence générés par les deux timers n'ont pas tout à fait la même forme en théorie qu'en pratique. Ceci est due d'une part, aux formules du Timer 555 qui ne sont que des formules d'approche, les signaux de sortie n'étant donc obtenue sans grande précision; d'autre part, à la fabrication des composants : même si les techniques évoluent, les composants ne sont pas tous parfaits et il peut y avoir une légère différence de caractéristique entre deux même composants.
Cependant, les tests intermédiaires et le test final nous ont amenés une pleine satisfaction Le détecteur de fumée fonctionne, même si les essais ne sont pas évidents à réaliser. On a préférer placer une une feuille translucide dans la zone de détection pour simuler la fumée, plutôt que de créer de la fumée à chaque essai réalisé (sécurité et facilité).