Chaque touche détecte la variation de capacité due au contact ou à la proximité immédiate d’un doigt et, si elle est activée, une LED située à l’arrière s’allume pour confirmer le déclenchement.
Caractéristiques techniques
- Alimentation : 12 VDC 200 mA
- Six interrupteurs à effleurement complètement indépendants utilisant le principe de transfert de charge
- Six sorties à relais
- Système de contrôle d’erreur AKS (“Adjacent Key Suppression”)
- Paramétrage des sorties : monostable (10 s, 60 s, illimité), bistable
- Autocalibration des capteurs.
Pour réaliser un clavier de commande d’une installation domotique (ouverture de portail, allumage/extinction d’éclairage ou de chauffage/climatisation, etc.) la solution la plus élégante consiste à remplacer les classiques interrupteurs à levier par un clavier à effleurement : chaque touche reçoit la commande dès qu’on l’effleure du doigt ou même dès qu’on l’approche. Les avantages en sont la grande sensibilité et l’absence de pièce en mouvement (aucune usure et donc très grande longévité).
Ce dispositif est basé sur la variation de la quantité de charge sur une électrode et aujourd’hui il ne fonctionne plus avec des transistors mais au moyen de la nouvelle puce QT160 de Quantum.
Le montage que cet ar ticle vous propose de réaliser est une application de ce circuit intégré : il se fonde sur une interface à transfert de charge électrique et un discriminateur capable de vérifier si cette charge a été prélevée sur un condensateur adéquatement chargé. L’étage d’entrée applique initialement un potentiel à l’électrode reliée à la broche SNSA puis, la partie réceptrice étant bien ajustée, il attend que la charge déposée sur C5 et donc sur l’électrode soit prélevée, ce qui ne peut arriver que si quelque chose ferme, directement ou au moyen d’un diélectrique, la broche SNSA vers la terre. Précisons que l’électrode est la première armature d’un condensateur dont la seconde est la terre : tout ce qui peut s’interposer entre les deux constitue un diélectrique. Le condensateur virtuel peut être déchargé quand on touche l’électrode d’entrée directement avec le doigt ou bien, si l’électrode est protégée par une membrane isolante (pas trop épaisse toutefois), quand on touche cette dernière : dans les deux cas la charge est transférée vers la terre (dans le second cas la membrane constitue un diélectrique). L’air est également un diélectrique et donc le capteur Quantum peut être excité même si l’on se contente d’approcher le doigt sans contact : dans ce cas une certaine quantité de charge électrique est prélevée, inversement proportionnelle à la distance et directement proportionnelle aux surfaces en présence (électrode et doigt).
Chacune des sections du QT160 fonctionne exactement ainsi : après chaque mise sous tension et à la suite de chaque contact détecté (le délai étant écoulé), l’étage d’entrée se calibre automatiquement (c’est-à-dire qu’il s’adapte à la condition trouvée). Si quelque chose a changé dans les conditions de travail, cela lui permet d’évaluer, après un nouveau contact, quel est le seuil à partir duquel déclencher la sortie correspondante.
Durant la calibration, chaque étage du QT160 prépare une certaine quantité de charge à appliquer au condensateur externe (relié entre les broches SNSA et SNSB) afin de maintenir l’entrée du détecteur à un niveau supérieur au seuil de déclenchement : la quantité de charge cédée dépend de l’isolation de l’électrode et de ses dimensions (plus grande est l’électrode, ou plus l’air ambiant est humide, plus importante est la quantité de charge devant être cédée). Du fait que le circuit intégré se calibre automatiquement, chaque section s’adapte à d’éventuelles différences d’isolation ou de géométrie du capteur (le système est donc complètement autonome et capable de se gérer tout seul sans que l’on ait à inter venir même pour un réglage).
Après chaque calibration le circuit est au repos et attend qu’un corps posé sur le sol s’approche suffisamment de l’électrode-capteur : l’étage d’entrée (avec son seuil) se déclenche alors, ce qui active la sortie selon le mode défini lors du paramétrage préalable (état logique des broches 24 et 25).
Le schéma électrique
Le schéma électrique de la figure 1 nous montre que le QT160 met en oeuvre ses six plaquettes détectrices (c’est-à-dire le maximum), avec six relais pour les six sorties (leurs états sont signalés par autant de LED). Ce sont ces dernières, associées à un façonnage un peu particulier du circuit imprimé du clavier proprement dit, qui permettent de voir la touche s’illuminer dès qu’un doigt l’effleure (solution élégante… et étanche). L’appareil est constitué de deux circuits imprimés : l’un contient le QT160, l’alimentation, les LED et les relais et les pastilles de l’autre constituent les contactscapteurs (ce dernier est un double face, avec plans de masse et six couronnes cuivrées, ce qui a permis d’éviter toute inter férence entre une touche et l’autre lors d’une commande).
Voir figures 2 et 3.
Le circuit intégré est alimenté en 5 V stabilisé par le régulateur U1 7805 (filtré par C3 et C4) à partir du 12 V d’entrée. En aval de la cathode de D1 (protégeant le circuit de toute inversion malencontreuse de polarité) le 12 V filtré par C1 et C2 alimente les enroulements des six relais et les LED. Chaque section du QT160 travaille dans la configuration classique conseillée par le constructeur : une résistance de 1 k en série avec l’électrode-capteur et un condensateur de 47 nF externe (cédant ensuite, à travers l’électrode, la quantité de charge emmagasinée) permettent d’attaquer le pilote interne.
La sensibilité est réglée par la capacité de ces condensateurs (plus grande est leur capacité, plus sensibles sont les entrées et vice versa).
À la suite de chaque détection (par proximité ou contact) la sortie correspondante (broche 18 pour le premier canal, 19 pour le deuxième… et 23 pour le dernier) prend le niveau logique haut et le garde selon le mode défini par les broches OPT1 et OPT2.
Pour comprendre la relation entre détection et comportement de chaque sortie, revenons à la calibration automatique pendant le fonctionnement : elle sert à adapter dynamiquement un capteur aux éventuelles variations des conditions de travail. Par exemple, si l’accumulation d’une certaine quantité d’humidité modifiait les caractéristiques diélectriques d’un contact au point de provoquer un déclenchement inopiné, l’entrée correspondante resterait toujours activée et un toucher du doigt n’aurait aucun effet : en revanche, grâce à la calibration automatique, le circuit peut “prendre conscience” (!) des changements de conditions intervenus et “savoir” (!) qu’il ne doit pas considérer les nouvelles conditions comme devant déclencher le relais de sortie.
Bien sûr, cela ne doit pas se produire chaque fois que le capteur est activé, sinon en peu de temps il deviendrait inutilisable : songez, en effet, à ce qui se passerait si, après le deuxième effleurement d’une touche, le QT160 se disposait à considérer le premier contact comme condition de repos… il ne répondrait plus !
C’est pourquoi les concepteurs (de chez Quantum) ont imposé un délai, c’est-à-dire une durée maximale pendant laquelle chacune des six touches peut être activée l’une après l’autre : le délai écoulé, si une section est encore déclenchée, cela veut dire qu’une anomalie s’est produite et donc le capteur correspondant doit reconsidérer ses propres conditions de fonctionnement, c’est-à-dire se régler à nouveau en prenant comme normale la situation qui l’a excité pendant une durée prolongée.
Pratiquement, il redétermine son seuil en se basant sur la moyenne des lectures de la charge au cours de la période suivant le délai. Si ensuite le contact est nettoyé (pavé de touches séché), une nouvelle calibration a lieu et tout redevient comme avant.
Pour plus de latitude d’utilisation, Quantum donne une marge pour fixer le délai : le paramétrage de l’état logique des broches 24 et 25 permet de choisir entre 10 et 60 secondes de délai ou alors de faire qu’il n’y ait aucun délai et d’empêcher de ce fait que le circuit ne se calibre automatiquement pendant le fonctionnement.
L’activité des sorties est étroitement corrélée au système de recalibration, comme le montre la figure 4 : trois modes possibles. Le premier, monostable, prévoit que la sortie soit au niveau logique haut pendant la durée du contact (proximité ou effleurement) du doigt avec l’électrode, sans dépasser cependant le délai : quand le délai est écoulé, la recalibration a lieu et la sor tie retourne au zéro logique.
Ce mode, dit DC-out monostable, prévoit deux durées de délai sélectionnables au moyen des broches OPT1 et OPT2 : dix secondes en fermant J2 à la masse (broche 24 au zéro logique) et J1 à 5 V (broche 25 au niveau logique 1) ; une minute si la broche 25 est au zéro logique et la 24 au niveau logique 1.
Le deuxième mode prévoit en revanche que la sortie reste inconditionnellement active pendant toute la durée de la détection de la proximité ou du toucher du doigt : aucun délai n’est à considérer et, pour cette raison, le circuit ne peut se recalibrer ni s’adapter à aucune situation (il se règle automatiquement à la mise sous tension et, jusqu’à l’extinction, les six sections fonctionnent avec la sensibilité paramétrée au moment de la mise sous tension).
En mode monostable le dépassement du délai met immédiatement la sortie du capteur au niveau logique bas, ce qui le désactive jusqu’à ce que la recalibration soit effectuée. Enfin, le mode “toggle” ou bistable, est paramétrable en mettant les broches 24 et 25 au niveau logique haut : là, une sortie change d’état chaque fois que la touche correspondante est effleurée ou approchée par le doigt. Dans ce mode, la recalibration est active et le délai est fixe (10 secondes). Cette durée écoulée, contrairement à ce qui se passe en mode monostable, bien que le QT160 se recalibre, la sortie ne retourne pas au repos mais reste dans le dernier état : ceci afin de garantir effectivement le fonctionnement bistable (il inverse sa condition si la sor tie correspondante est à nouveau déclenchée).
Figure 1 : Schéma électrique du clavier de six touches à effleurement.
Figure 2a : Schéma d’implantation des composants du clavier de six touches à effleurement (les deux platines).
Figure 2b-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de la platine de base du clavier à effleurement, côté composants.
Figure 2b-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de la platine de base du clavier à effleurement, côté soudures.
Figure 2c-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de la platine pavé à six touches du clavier à effleurement, côté interne (plan de masse).
Figure 2c-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de la platine pavé à six touches du clavier à effleurement, côté externe.
Figure 3 : Photo d’un des prototypes des deux platines du clavier à effleurement.Liste des composants
R1 ........................ 1 kΩ
R2 ........................ 1 kΩ
R3 ........................ 1 kΩ
R4 ........................ 1 kΩ
R5 ........................ 1 kΩ
R6 ........................ 1 kΩ
R7 ........................ 4,7 kΩ
R8 ........................ 4,7 kΩ
R9 ........................ 4,7 kΩ
R10 ....................... 4,7 kΩ
R11 ....................... 4,7 kΩ
R12 ....................... 4,7 kΩ
R13 ....................... 10 kΩ
R14 ....................... 10 kΩ
R15 ....................... 10 kΩ
R16 ....................... 10 kΩ
R17 ....................... 10 kΩ
R18 ....................... 10 kΩ
R19 ....................... 4,7 kΩ
R20 ....................... 4,7 kΩ
R21 ....................... 4,7 kΩ
R22 ....................... 4,7 kΩ
R23 ....................... 4,7 kΩ
R24 ....................... 4,7 kΩ
C1 ........................ 100 nF multicouche
C2 ........................ 470 μF 25 V électrolytique
C3 ........................ 100 nF multicouche
C4 ........................ 470 μF 25 V électrolytique
C5 ........................ 47 nF 100 V polyester
C6 ........................ 47 nF 100 V polyester
C7 ........................ 47 nF 100 V polyester
C8 ........................ 47 nF 100 V polyester
C9 ........................ 47 nF 100 V polyester
C10 ....................... 47 nF 100 V polyester
C11 ....................... 10 pF céramique
C12 ....................... 10 pF céramique
Q1 ........................ quartz 10 MHz
D1 ........................ 1N4007
D2 ........................ 1N4007
D3 ........................ 1N4007
D4 ........................ 1N4007
D5 ........................ 1N4007
D6 ........................ 1N4007
D7 ........................ 1N4007
U1 ........................ 7805
U2 ........................ QT160
T1 ........................ BC547
T2 ........................ BC547
T3 ........................ BC547
T4 ........................ BC547
T5 ........................ BC547
T6 ........................ BC547
LD1 ....................... LED 5 mm haute luminosité
LD2 ....................... LED 5 mm haute luminosité
LD3 ....................... LED 5 mm haute luminosité
LD4 ....................... LED 5 mm haute luminosité
LD5 ....................... LED 5 mm haute luminosité
LD6 ....................... LED 5 mm haute luminosité
RL1 ....................... relais 12 V
RL2 ....................... relais 12 V
RL3 ....................... relais 12 V
RL4 ....................... relais 12 V
RL5 ....................... relais 12 V
RL6 ....................... relais 12 V
Divers :
1 ......................... prise d’alimentation
6 ......................... borniers 3 pôles
1 ......................... support 2 x 14
4 ......................... entretoises 13 mm
4 ......................... entretoises 8 mm
4 ......................... boulons 3 MA
1 ......................... barrette mâle 6 pôles
Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.
La réalisation pratique
Nous pouvons maintenant passer à la construction de l’appareil. Il utilise deux circuits imprimés double face à trous métallisés. Afin d’éviter toute interférence, nous vous déconseillons de modifier le tracé des pistes et pastilles, surtout de la platine pavé.
La platine de base reçoit les composants : la figure 2b-1 et 2 en donne les dessins à l’échelle 1. La platine pavé à six touches constitue les capteurs : la figure 2c-1 et 2 en donne les dessins à l’échelle 1. Quand vous avez devant vous la platine de base, montez tous les composants comme le montrent les figures 2a et 3, en contrôlant bien la liste. Quant à la platine pavé à six touches, comme le montrent ces mêmes figures, il suffit de la relier à la platine de base à l’aide de sept (six capteurs plus le commun) morceaux de fil de cuivre rigide (ou nappe à sept fils). Comme le montre la photo de début d’article, la platine pavé vient ensuite par-dessus la platine de base à laquelle on la fixe au moyen de quatre entretoises.
Il ne vous reste alors qu’à intégrer votre appareil dans un boîtier existant (par exemple mural) ou dans un boîtier spécifique.
Les cavaliers J1 et J2 sont à 3 picots au pas de 2,54 mm : paramétrez-les selon votre préférence en vous aidant de la figure 4. Pour alimenter le circuit, utilisez un bloc secteur 230 V ou piquez-vous sur une source de tension de l’installation existante : de toute façon elle doit fournir une tension continue de 12 à 15 V pour un courant de 200 mA au moins. Les relais ont été choisis pour supporter jusqu’à 1 A sous 250 V : adaptez ce choix à vos besoins réels.
Enfin, si vous choisissez le mode bistable avec délai, évitez de maintenir le doigt proche d’un contact pendant une durée voisine ou supérieure à celle du délai, car le circuit se recalibrerait pour considérer comme normale la situation qui l’a fait se déclencher : autrement dit, si auparavant le rapprochement du doigt déclenchait le relais, après la calibration ce même rapprochement ne le déclencherait plus Pour revenir aux conditions initiales, il suffit d’éteindre l’appareil et, après quelques secondes, de le rallumer.
Résumons rapidement les conditions possibles de fonctionnement des sorties du QT160 et les paramétrages respectifs des deux cavaliers présents dans le circuit : le tableau montre comment les fermer si l’on veut obtenir le mode monostable (DC-out) avec délai, ou sans délai (DC-out pur) ou le mode bistable (“toggle”). Dans le premier cas (sortie active tant qu’on maintient le doigt sur le capteur, jusqu’à la fin du délai), on peut paramétrer deux durées limites (10 et 60 secondes), dans le deuxième la sortie suit inconditionnellement l’entrée et dans le troisième l’état change à chaque toucher du capteur (les contacts A, B, C, D sont indiqués sur la sérigraphie).
| Mode sortie | J1 | J2 | Délai (sec.) |
| monostable | A | D | 10 |
| monostable | C | B | 60 |
| monostable illimité | C | A | infini |
| bistable | D | B | 10 |
Attention : les durées indiquées dépendent strictement de la fréquence d’horloge de l’oscillateur commun aux six sections (elles sont inversement proportionnelles à la fréquence). Les valeurs indiquées sont référées à l’horloge recommandée (quartz de 10,00 MHz).