Quando falamos em cartões perfurados ou em leitora de cartões, a maioria dos leitores vai logo imaginando um microcomputador acoplado a uma interface. Embora essa seja a aplicação mais comum para os cartões perfurados, isso não significa que eles não possam ser usados com outras finalidades. Assim, o que apresentamos nesse artigo é um dispositivo de segurança que, através de um cartão com a senha do portador, libera o acionamento de um aparelho, a abertura de uma porta ou mesmo a ignição de um carro. Se for introduzido um cartão com a senha errada, a leitora se encarrega de acionar um alarme, trava ou qualquer outro circuito de proteção.
Nota: Artigo publicado na Revista Saber Eletrônica 193 de 1988
Uma leitora de cartões perfurados pode ser de grande utilidade em circuitos de proteção. Podemos, por exemplo, controlar o acionamento de um computador, autorizando apenas algumas pessoas (portadoras dos cartões) a operá-lo. Da mesma forma, podemos programar a leitora para acionar até 15 aparelhos diferentes, conforme a senha do cartão que for introduzido.
Outra aplicação interessante é no controle da abertura de portas, quando então a leitora será ligada a uma fechadura eletromagnética (como por exemplo a Fr-61, da Amelco) e a uma bateria de 12V, necessária para os casos de interrupção no fornecimento de energia elétrica.
O circuito conta com dois leds para monitoração, que indicam se o cartão introduzido contém ou não a senha correta; uma tecla de entrada (ENTRA), que autoriza a execução da instrução contida no cartão; e uma tecla de reset (TRAVA), que reposiciona o circuito, desligando o dispositivo acionado pela senha do cartão e colocando a leitora novamente na posição de espera.
CARACTERÍSTICAS DO CIRCUITO
- Alimentação através da rede local (110/220V)
- Implementação com três integrados TTL
- Saídas comutadas por relés
- Monitoração das saídas através de leds
- Leitura dos cartões através de chaves ópticas
- Programação através de dip switches
- Memorização do estado de saída
- Potência máxima de comutação de saída: 30W/60VA
- Corrente máxima de comutação de saída: 2A resistivos
O CIRCUITO
O circuito sugerido consiste basicamente de três etapas: os sensores ópticos (chaves ópticas), responsáveis pela leitura do cartão; um demultiplexador, que decodifica a leitura efetuada e indica a saída que deve ser ativada; e um circuito de memória (flip-flop), que aciona os dispositivos controlados e memoriza a última instrução executada pela leitora.
Para que você possa entender perfeitamente o funcionamento do circuito como um todo, analisaremos detalhadamente cada uma dessas etapas, dando maior ênfase aos componentes "menos conhecidos".
Em primeiro lugar temos as chaves ópticas (CO-1 a CO-4), que fazem a leitura propriamente dita dos cartões perfurados, transformando variações luminosas (incidência ou ausência de luz) em níveis lógicos (1 e O).
Na figura 1 temos o aspecto físico e o circuito interno de uma chave óptica, por onde observamos que esse componente é composto por um diodo e um fototransistor. Num encapsulamento plástico em forma de U, temos o diodo de um lado e o fototransistor do outro, sendo que por uma pequena abertura o feixe luminoso proveniente do diodo atinge a junção do fototransistor.
Sem perturbações externas, o feixe de luz incidente no fototransistor faz com que esse componente entre em saturação, apresentando uma resistência de saída (coletor-emissor) bastante baixa. Já se interrompermos o feixe de luz, quer seja com um pedaço de papel, cartão ou placa metálica, o feixe de luz não mais atingirá o fototransistor, o que fará com que esse componente deixe de conduzir corrente, entrando em corte e apresentando uma elevada resistência de saída.
Entretanto, para que o funcionamento de uma chave óptica seja satisfatório, e se adapte ao circuito no qual ela deverá operar, é necessário que o projetista conheça o procedimento de polarização do led e do fototransistor da chave.
Para a excitação do led não devemos esquecer que esse elemento precisa sempre de um resistor limitador de corrente. No cálculo desse resistor consideramos a tensão sobre o led igual a 1,2V e a corrente pelo circuito igual a 20mA, utilizando a seguinte fórmula:
R = [ (Vcc -1,2) / 0,02 ]
onde VCC é a tensão de alimentação do circuito.
Para que o fototransistor da chave óptica excite convenientemente o resto do circuito, é necessário um interfaceamento TTL através de um Schmitt Trigger. Nessa simples interface utilizamos o circuito integrado 7414, que é composto por seis inversores Schmitt Trigger. Um resistor de 10k entre o positivo da alimentação e o coletor do fototransistor garante a polarização desse componente, montado em configuração emissor comum.
A chave óptica usada em nosso projeto é a MCC 860T, da MC Microcircuitos. Na figura 2 damos as dimensões e as principais características das chaves dessa série.
Na figura 3 temos o diagrama esquemático completo da leitora de cartões, por onde podemos observar que são utilizadas quatro chaves ópticas.
As saídas dessas chaves, após passarem pelos respectivos inversores, são levadas às entradas de um demultiplexador/decodificador de 4 x 16 (Cl-2). O circuito integrado usado para essa finalidade é o 74154, cujo diagrama lógico e tabela verdade podem ser vistos na figura 4.
Através da tabela verdade visualizamos facilmente as duas formas de operação do 74154: mantendo as entradas G1 e G2 em "0", o integrado funciona como um decodificador de 4 para 16, acionando cada uma de suas saídas de acordo com o número binário presente nas entradas A, B, C, D; para que o integrado funcione como um demultiplexador de 16 linhas, ligamos o contador de endereços às entradas A, B, C, D e mantemos G1 em "0", aplicando o sinal de entrada (multiplexado) à G2.
No nosso projeto utilizamos o 74154 na função de decodificador. Conforme os furos do cartão introduzido nas chaves ópticas, teremos nas entradas do integrado um determinado número binário, que será decodificado e resultará no acionamento da saída correspondente.
Nas saídas do 74154 temos as chaves de programação (dip switches) e uma série de 30 diodos, que garantem a proteção contra curtos-circuitos nas saídas do integrado.
A chave que estiver fechada corresponderá ao código do cartão que aciona o dispositivo controlado. Veja que se fecharmos mais de uma chave teremos mais de um cartão, com códigos diferentes, que aciona o dispositivo
Suponhamos que apenas a chave (dip switch) correspondente à saída 6 do decodificador (Cl-2) esteja fechada. Enquanto não introduzirmos algum cartão entre o led e fototransistor das chaves ópticas teremos A = B = C = D = 1, pois todos os feixes de luz emitidos pelos leds estarão atingindo os seus respectivos fototransistores. Nessa situação, a saída 15 (pino 17) do 74154 será ativada, apresentando nível lógico 0, estando todas as demais em "1". Veja que essa saída do integrado é deixada em aberto pelo fato de que ela representa o estado de espera, e não deve então ser considerada.
Com todas as saídas do decodificador em "1", nenhum diodo irá conduzir, o que acarretará nível lógico 1 nas entradas de dados (D) de ambos os flip-flops e nível O nas entradas de clock (CK) e reset (CLR) do flip-flop correspondente ao relé K1. Com isso os dois transistores estarão em corte, os reles desligados e os leds apagados, o que já era de se esperar.
Os flip-flops usados são do tipo D e estão no integrado 7474. Para facilitar o entendimento do circuito, principalmente dos pontos que passaremos a explicar, será conveniente que você analise cuidadosamente a tabela verdade e diagrama lógico da figura 5.
Retomando então o nosso exemplo, em que apenas o dip switch correspondente à saída 6 de CI-2 está fechado, verificamos que ao introduzir o cartão com o código 6 (A = 0, B = 1, C = 1, D = O) aparecerá nível lógico O no pino 7 do decodificador e nas entradas de dados (pinos 2 e 12) dos flip-flops. Agora, ao pressionarmos a chave S1 (tecla "ENTRA"), o dado (nível lógico 0) presente na entrada D do respectivo flip-flop passará para a saída, fazendo Q = 0 e Q = 1; o relé K2 será ativado e o led2 acenderá, indicando que código do cartão liberou o acionamento do aparelho controlado.
Observe que o nível lógico 1 presente nas entradas de clock e reset do outro flip-flop permite que o "0" da entrada de dados também passe para saída, levando Q a 0 e Q a 1. Como consequência temos o relé K1 desligado e o led1 apagado.
Da mesma forma, se introduzirmos um cartão cujo código seja diferente de 6 (no exemplo dado), teremos nível lógico "1" nas entradas D de ambos os flip-flops e nas entradas de clock e reset do flip-flop correspondente ao relé K1. Nessa situação o relé K2 se manterá desligado, mesmo que pressionemos S1, e o relé K1 será acionado, ligando um alarme ou qualquer outro sistema de segurança. O led1 indicará esse estado.
A chave S2 ("TRAVA") permite ao Usuário desligar o aparelho controlado, colocando a leitora de cartões novamente na posição de espera. Essa tecla se faz necessária pelo fato de que, uma vez introduzido o cartão correto e pressionada a tecla "ENTRA", o aparelho controlado será ligado e assim permanecerá (graças ao circuito de memória), mesmo que retiremos o cartão.
A alimentação de todo o circuito provém da rede local através de um transformador de 6+6V e um regulador de tensão de 5V. O setor TTL é alimentado com os 5V do regulador, enquanto os drivers dos relés recebem a tensão diretamente dos diodos retificadores.
É importante observar que embora os relés sejam de 6V (MC2RC1), a alimentação desses elementos pode ser feita com os 7V provenientes da saída do retificador, sem que isso os danifique. De acordo com o fabricante (Metaltex), os relés da série MC suportam uma tensão máxima de bobina igual a 135% da tensão nominal (no caso 6V).
MONTAGEM
Na figura 6 temos uma sugestão para a placa de circuito impresso da leitora de cartões.
Cabe observar que, pelo fato da placa ser de dupla face, alguns componentes (diodos e resistores) deverão ser soldados dos dois lados. Do mesmo modo, deve-se fazer alguns jumpers verticais, soldando, dos dois lados da placa, um pequeno pedaço de fio ou terminal de componente; esses jumpers estão indicados pela letra J.
O uso de soquetes para os integrados é indispensável, da mesma forma que o radiador de calor o é para o regulador de tensão (CI-4).
As chaves ópticas (CO-1 a CO-4) são fixadas e soldadas diretamente na placa de circuito impresso, sendo usados dois parafusos para cada uma. Veja que a posição relativa entre essas chaves pode ser alterada à vontade, e isso mudará inclusive a posição dos furos no cartão.
Com o artifício de alterar a posição das chaves ópticas na placa, poderemos criar inúmeros cartões com posição de furos diferente, sendo que para cada um deles teremos 15 códigos diferentes (selecionados através dos dip switches).
Na figura 7 damos as medidas do cartão tomando como base a posição das chaves ópticas adotada na placa da figura 6. Os retângulos brancos que aparecem na parte inferior do cartão indicam os locais em que devem ser feitos os furos, de acordo, é claro, com o código selecionado nos dip switches (figura 8).
Os resistores são todos de 1/8 ou 1/4W; os capacitores eletrolíticos devem ser de 25V; e os interruptores S1 e S2 são de contato momentâneo, do tipo tecla.
PROVA E USO
Concluída a montagem, para testar o aparelho basta ligar a alimentação e fechar um dos dip switches. Introduzindo entre as chaves ópticas o cartão cujo código corresponda ao dip switch fechado devemos verificar o acionamento do relé K2, assim como o acendimento do led2 (verde). Lembre-se de que para o acionamento do relé é necessário pressionar a chave S1 (tecla "ENTRA").
A seguir, mesmo que retiremos o cartão o relé deverá continuar acionado. Para desativá-lo será necessário pressionar a chave S2 (tecla "TRA-VA"). Se colocarmos um cartão cujo código não corresponda ao dip switch fechado o led1 (vermelho) deve acender e o relé K1 ser acionado. Veja que nesse caso o acionamento do relé não depende de pressionarmos ou não a tecla "ENTRA".
Comprovado o funcionamento da leitora, basta fazer sua instalação numa caixa plástica ou metálica, não esquecendo de prever uma abertura com as dimensões exatas do cartão perfurado.
Uma opção interessante de uso, e que foi citada na introdução do artigo, é o acionamento de até 15 aparelhos diferentes, conforme o código do cartão. Para essa função não serão necessários os 30 diodos, os dip switches e a etapa com o 7474; basta ligar cada uma das saídas do 74154, através de um resistor de 1K, à base de um transistor PNP BC558, cujo emissor estará ligado diretamente ao +7V e em cujo coletor estarão, em paralelo, a bobina de um relé MC2RC1 e um diodo 1 N4148.
