Une serrure électronique à cartes magnétiques

Cet appareil active un relais quand on passe une des 15 cartes magnétiques préalablement mémorisées, dans un lecteur KDE de type LSB12. Le relais, activé par le passage d’une carte autorisée, peut commander toute charge électrique et, selon le paramétrage défini par l’usager, il peut travailler en mode monostable ou en mode bistable.


Il n’est pas rare de devoir subordonner l’accès d’un local ou l’allumage et l’extinction d’un appareil électrique ou électronique à la possession d’une clé, non pas la bonne vieille clé de métal, plate ou cylindrique et aux formes savamment aléatoires, mais une carte ou un code permettant de débloquer un système de sécurité et de libérer un accès. Comme l’automatisation est une de vos attentes majeures, vous avez trouvé ces dernières années dans "Schema-Electronique" de nombreux articles proposant de réaliser des clés électroniques : cela va de la simple prise mono 3,5 mm contenant une résistance au transpondeur sophistiqué, en passant par la carte à puce et la carte magnétique.

Notre montage
L’appareil que nous vous proposons dans le présent article est de cet ordre : il s’agit d’un interrupteur électronique doté d’une sortie à relais, activable, aussi bien en mode bistable que monostable, quand on passe dans la fente du lecteur dont il est pourvu, une carte magnétique dûment programmée. La figure 6 donne d’intéressantes informations sur ces dernières.
Cette programmation est exécutée au moyen d’une simple procédure d’auto-apprentissage pouvant être répétée au maximum 15 fois. Le circuit peut donc mémoriser un maximum de 15 cartes magnétiques caractérisées par différents codes.
Le circuit est géré par un seul circuit intégré spécialisé, un microcontrôleur déjà programmé en usine, doté d’une mémoire non volatile capable de maintenir les codes autoappris par les cartes et les paramètres de fonctionnement, même en l’absence de toute alimentation.
Les codes, de 8 mots, doivent être mémorisés sur la piste 2 d’une carte au standard ISO 7811. Avant de continuer la description du circuit, expliquons brièvement en quoi consiste ce standard. Il implique des caractéristiques de positionnement de la bande magnétique sur la carte et un protocole de codification. Avec la norme ISO 7811, la bande magnétique d’une carte comporte trois pistes ou traces distinctes. La piste 1, nommée IATA (International Air Transportation Association), est caractérisée par une densité de 82,6 bits/cm et peut contenir un maximum de 70 caractères de 7 bits. La piste 2, nommée ABA (American Bankers Association), offre une densité de 29,5 bits/cm et peut contenir jusqu’à 40 caractères de 5 bits.

Le schéma électrique
Mais voyons de plus près de quoi il s’agit en analysant le circuit de la figure 1. Sa simplicité et sa compacité vous frappent tout de suite : on trouve seulement un microcontrôleur 16F628 (U1) portant le programme MF408, un régulateur de tension pour fournir le 5 V, un relais* à 1 contact RT (Repos/Travail) et le transistor qui le pilote. On trouve encore quelques composants externes mais le plus complexe est sans doute le lecteur sériel de cartes, relié au circuit par l’intermédiaire de 5 fils. Ces derniers acheminent le positif et le négatif de l’alimentation (5 V) ainsi que les signaux d’horloge (RCL), de données (RDT) et de présence de la carte (CLS), nécessaires au dialogue entre le lecteur et le microcontrôleur.
La routine est relativement simple. Le microcontrôleur gère seulement deux événements possibles, la pression de P1 et le passage d’une carte dans la fente du lecteur. P1 permet d’activer la fonction d’auto-apprentissage du code mémorisé dans la carte. Le passage d’une carte active la routine de lecture du code et de comparaison avec ceux disponibles en mémoire EEPROM : s’il s’agit d’un flux de format compatible avec celui attendu et si les données sont celles d’une des cartes précédemment programmées, le logiciel active la ligne RB7 en la mettant au niveau logique haut (1) pour un certain temps, si le circuit a été paramétré pour un fonctionnement monostable, ou bien en la laissant dans cet état logique haut jusqu’à la lecture d’une autre carte habilitée (ou à une lecture ultérieure de la même carte), si vous avez paramétré le mode bistable.
En ce qui concerne la pression de P1 et l’auto-apprentissage des cartes, notez que si, pour une raison quelconque, vous lanciez cet auto-apprentissage mais que vous ne passiez aucune carte dans la fente, le programme sortirait automatiquement de la procédure au bout de 8 secondes. Si vous maintenez la pression sur P1 pendant au moins 8 secondes, la mémoire de caractérisation, c’est-à-dire la partie de l’EEPROM dans laquelle le microcontrôleur conserve les codes des cartes déjà programmées, est effacée (voir la figure 2).
Cette procédure est à exécuter à la première mise sous tension du circuit, de manière à effacer d’éventuelles données aléatoires qui pourraient occuper la mémoire. Tout ceci concernait le paramétrage du système mais voyons maintenant comment fonctionne la serrure à cartes magnétiques, comment on l’utilise et comment l’installer.
*Note : Le contact du relais peut être utilisé pour commander tout appareil électrique alimenté en 250 Vca maximum et consommant 1 A maximum.
Pour la commande de tout appareil de puissance supérieur, RL1 pourra servir à piloter un relais de plus forte puissance.

Figure 1 : Schéma électrique de la serrure électronique à cartes magnétiques.

Figure 2 : Les paramétrages initiaux.
Voici une petite explication des paramétrages possibles de notre circuit.

RÉGLAGE TEMPS



Description
Dispositif éteint. Tenir appuyé et alimenter . Début procédure de paramétrage temps (phase 2).
3 clignotements indiquent début phase de paramétrage temps.
Chaque pression incrémente d'une seconde le temps de relaxation relais en mode monostable. Eteindre le dispositif une fois terminé.

Paramétrage temps
En fonctionnement monostable, chaque fois qu’une carte valide (c’est-à-dire dont le code est disponible dans la mémoire du microcontrôleur) est glissée dans le lecteur, la platine active le relais pour une durée de 3 secondes. Ce temps d’activation peut être modifié par la procédure suivante : presser P1, le maintenir pressé et alimenter le circuit ; la LED verte clignote 3 fois ; relâcher P1 ; presser P1 et le relâcher un nombre de fois égal aux secondes d’activation du relais : de 1 à 20 fois (correspond de 1 à 20 secondes) ; la LED verte clignote à chaque pression ; couper l’alimentation du circuit ; la nouvelle durée d’activation est mémorisée dans la mémoire du microcontrôleur.

AUTO-APPRENTISSAGE



Description
Entrée dans le mode autoapprentissage (phase2).
Mémorisation carte. Si OK passe phase 3, sinon retourne phase 1.
Retourne en mode fonctionnement normal.

Auto-apprentissage
En fonctionnement normal, presser P1 : la LED verte clignote 3 fois ; glisser une carte : la LED verte clignote 3 fois, le code de la carte est mémorisé dans le microcontrôleur ; si la LED rouge clignote 3 fois, la mémorisation n’a pas fonctionné.

EFFACEMENT MÉMOIRE



Description
Effacement mémoire EEPROM (phase 2).
Eteindre le dispositif.

Effacement mémoire
En fonctionnement normal, presser P1 et le maintenir pressé plus de 8 secondes ; la LED rouge clignote 3 fois, tous les codes des cartes disponibles dans la mémoire du microcontrôleur sont effacés.

Le fonctionnement de la serrure
Le circuit commande un relais chaque fois que l’usager fait glisser une carte dont le code a déjà été auto-appris par l’appareil. L’activation est à impulsion ou à niveau, selon le paramétrage du cavalier J1 (voir figure 3) : en fermant ce cavalier, on obtient le mode de fonctionnement monostable alors que si J1 est ouvert, RL1 change d’état chaque fois que, dans le lecteur, est glissée une carte habilitée (déjà apprise). Par conséquent, la première fois, le relais colle et reste excité jusqu’à ce qu’une nouvelle carte soit lue, il retourne alors au repos et attend une nouvelle commande.
Est-il besoin de préciser que le mode monostable trouve son emploi dans la commande des serrures ou des portails électriques, des tourniquets, etc., réclamant la fermeture d’un contact pour une brève durée. En revanche, si l’on utilise le mode bistable, le relais peut commander la mise en marche ou en circuit des appareils les plus variés comme les antivols, les systèmes de surveillance, d’éclairage, etc.
En ce qui concerne le paramétrage, vous devez vous souvenir que le cavalier J1 est à manipuler lorsque le circuit est éteint car le logiciel contenu dans le microcontrôleur ne lit l’état des broches correspondantes (11 et 12) qu’après l’alimentation du dispositif.
Le cavalier J2 n’est pas mis en oeuvre dans cette application.
Au repos, la LED bicolore du lecteur est allumée en rouge et elle devient verte quand le relais colle : lorsque le relais est excité, vous voyez la LED allumée en vert et lorsque RL1 retombe, la LED s’allume en rouge. Cela vaut pour les deux modes, bistable ou monostable.

Figure 3 : Le fonctionnement du circuit.


FONCTIONNEMENT
Nous récapitulons ici le fonctionnement du circuit.
Si le code mémorisé dans la carte ne correspond pas avec un de ceux disponibles en mémoire, il ne se produit tout simplement rien !
Si le cavalier J1 est fermé, le relais fonctionne en mode monostable (serrure) : LED rouge allumée ; nous glissons une carte valide ; la LED rouge s’éteint ; la LED verte s’allume et le relais se ferme pour la durée paramétrée ; le délai passé, la LED rouge se rallume.
Si le cavalier J1 est ouvert, le relais fonctionne en mode bistable (insertion d’appareil) : LED rouge allumée = relais ouvert ; LED verte allumée = relais fermé ; nous glissons une carte valide, on bascule d’un état à l’autre.

Figure 4a : Schéma d’implantation des composants de la serrure électronique à cartes magnétiques.

Lors du montage en boîtier, n’oubliez pas de percer un petit trou à la hauteur du poussoir P1 pour pouvoir faire les réglages à l’aide d’un petit tournevis, sans être obligé d’ouvrir.

Figure 4b : Photo d’un des prototypes de la serrure électronique.

Nous avons utilisé 5 picots en bande sécable pour connecter le lecteur LSB12 (à gauche). Les 3 picots, en dessous, vont vers la LED qui sera installée dans le boîtier du lecteur (simple question de pratique).

Figure 4c : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de la serrure électronique à cartes magnétiques.

Eventuellement, ses faibles dimensions lui permettront de prendre place dans un boîtier électrique, encastré dans le mur, derrière le lecteur LSB12.

Liste des composants
R1 = 4,7 kΩ
R2 = 10 kΩ
R3 = 470 Ω
R4 = 470 Ω
R5 = 4,7 kΩ
R6 = 10 kΩ
R7 = 100 Ω 1/2 W
C1 = 470 μF 35 V électrolytique
C2 = 470 μF 35 V électrolytique
C3 = 100 nF multicouche
C4 = 100 nF multicouche
D1 = Diode 1N4007
D2 = Diode 1N4007
T1 = Transistor NPN BC547
LD1 = LED bicolore rouge/verte cathode commune
U1 = μcontrôleur PIC16F628-MF408
U2 = Régulateur 7805
P1 = Micropoussoir pour ci
RL1 = Relais min. 12 V pour ci

Divers :
1 Lecteur de cartes magnétiques LSB12
1 Support 2 x 0 broches
2 Cavaliers (voir texte)
1 Bornier 2 pôles
1 Bornier 3 pôles
1 Strip 5 pôles mâle
1 Strip 3 pôles mâle
1 Strip 3 pôles femelle
1 Coupe 20 cm câble plat 3 fils


Figure 5 : Le lecteur de cartes magnétiques.


Du point de vue électrique, le lecteur à glissement LSB12 dispose de 5 fils de sortie de couleurs différentes. Voici la correspondance entre couleurs des fils et les signaux :

Broche          Couleur          Signal          Description
1 Rouge Vcc Alimentation 5 Vcc
2 Noir GND Masse
3 Marron CLS Card Loading Signal
4 Jaune RCL Read Clock
5 Orange RDT Read Data

Les signaux de sortie sont TTL compatibles : niveau haut = 2,4 V minimum ; niveau bas = 0,8 V maximum.
A l’arrière plan : le lecteur LSB 12 d’origine.
Au premier plan, le lecteur modifié, avec sa LED bicolore.
Le passage de la carte, si elle est reconnue, déclenchera le relais.
Le circuit proposé dans cet article utilise, comme élément d’entrée, le lecteur LSB12 de KDE.

Voici ses caractéristiques principales :
- Standard de lecture ISO 7811
- Piste de travail ISO2 (ABA)
- Méthode de lecture F2F (FM)
- Alimentation 5 Vcc
- Consommation maximum 10 mA
- Vitesse maximum de 10 à 120 cm/sec
- Durée de vie de la tête < 300 000 lectures
- Température de fonctionnement de 0 à 50 °C
- Dimensions 30 X 99 mm (hauteur 29 mm)
- Poids 45 grammes

Figure 6 : Les cartes à utiliser.


Les cartes magnétiques, aptes à travailler avec notre circuit, doivent être conformes au standard ISO 7811 et contenir, dans la trace 2 nommée ABA, une donnée composée de 8 mots, 8 nombres décimaux de 0 à 9.
Au début de cette séquence de données doit être mémorisé un 11 hexadécimal correspondant au caractère ISO SS (Start Sentinel).
A la fin du code, en revanche, doit être mémorisé le nombre 15 hexadécimal correspondant au caractère ISO ES (End Sentinel).
Les nombres composant le code doivent être mémorisés en format à 5 bits : un quartet de donnée exprimant le nombre en binaire plus un bit de parité. Par exemple, le nombre 6 est mémorisé dans la carte comme : 01101 (du bit le moins significatif au bit le plus significatif, plus la parité).
Le quartet exprime les nombres de 0 à F hexadécimaux, notre circuit accepte les numéros de 0 à 9.

La réalisation pratique
Nous pouvons maintenant passer à la construction de notre serrure à cartes magnétiques. Tout d’abord, il faut vous procurer ou réaliser le circuit imprimé dont le dessin est donné, à l’échelle 1, en figure 4c.
Si vous décidez de graver vous-même votre circuit imprimé, nous vous conseillons la méthode décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?". Une fois gravé (au fait, vous savez qu’on ne boit pas plus le perchlo après gravure que le rince-doigts à la fin d’un dîner chic ?) et percé le circuit, commencez à placer les composants en gardant un oeil sur les figures 4a et 4b.
Le régulateur 7805 doit rester debout et avoir le dos métallique tourné vers le condensateur électrolytique C1.
Pour les connexions d’alimentation et les sorties du relais, employez des borniers pour circuit imprimé au pas de 5 mm. Quant au câblage du lecteur, après avoir coupé sa prise, soudez les fils directement dans les trous correspondants du circuit imprimé. Si vous voulez faire plus professionnel, soudez une file de cinq picots en bande sécable (strip) dans laquelle vous enfoncerez le connecteur femelle dont il est normalement doté. Les connexions de la LED bicolore sont, par contre, des fils libres devant aller aux points GKR : le premier est l’anode de la LED verte (Green), le dernier l’anode de la LED rouge (Red) et K, la cathode (Kathod) commune.
La LED doit être bien visible : installez-la à l’intérieur du lecteur LSB12, l’opération est simple : il suffit de pratiquer un trou de 3 mm dans le couvercle du lecteur (voir le lecteur sur l’illustration de début d’article). Quant aux connexions d’alimentation et de données, notez que le contact relié au fil orange doit se trouver du côté des 3 fils de la LED bicolore alors que le rouge devra se trouver vers le bord externe du circuit imprimé (évitez d’inverser car cela ne fonctionnerait pas).
Encore une fois, la photo de première page vous rendra la chose évidente.
La figure 5 donne un certain nombre de détails sur le lecteur de cartes magnétiques.
Quand tous les composants sont montés, le circuit est prêt à l’emploi. Avant de le mettre sous tension, n’oubliez pas d’insérer le microcontrôleur dans son support : la figure 4a vous aidera à orienter le repère-détrompeur dans le bon sens, c’est-à-dire vers R1. Installez aussi le cavalier J1 dans la position correspondant au mode choisi (voir figure 3).
Comme nous l’avons déjà dit, J2 n’est pas utilisé dans cette application.
Le circuit est à alimenter avec une tension continue de 12 à 15 V et consomme un courant de 70 mA environ.
Vous pouvez donc prélever cette tension sur le dispositif que vous voulez commander, serrure électrique ou autre, pourvu qu’il soit alimenté dans cette gamme de tensions. Si c’est le cas, connectez cette alimentation aux points "VAL" du circuit. La diode D1 redressera la demie onde de la tension alternative, ce qui donnera 16 Vcc (pour 12 Vca) aux bornes du condensateur électrolytique C1, lequel pourvoira, dans ce cas, au lissage.

Figure 7 : Une vue, sous un autre angle, du circuit imprimé portant l’électronique de notre serrure à cartes magnétiques.

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