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光子追捕锁
 

【作者: 林華川、蔡孟軒等】2018年05月11日 星期五

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在重视保护个人隐私权益的社会环境下,即使是父母亦须尊重孩子,若是有一款独特的私人收纳箱可安心存放着不想公开的秘密,变成一种有趣的议题。本文作品跳脱传统的设计方式,利用光波的偏振特性,再藉由光钥匙来限制光波的偏振方向以控制光强度,进而设计出一种独特的解锁机制之私人收纳箱。


作品之锁芯及钥匙的结构是先使用软体 Solid Works 绘图设计後,再进行 3D列印,材料采用 PLA塑料及光敏树脂制作,不仅轻巧坚固,而且不会像机械锁一样会有老旧生锈的问题,结构简单又耐用。


作品系统使用 HT66F2390微控制器(MCU)作为中央核心控制,当钥匙??入时,它会接收四组光检测器感测的光强度值,根据每组感测器测得光强度的不同,转换成一组密码,当 MCU判断光强度符合设定值时才会解开锁具。本作品利用光的特性制做出的锁芯及钥匙,内部都有镶入可以限制光波偏振方向的偏振片,每组偏振片的方向都不同,因此钥匙的制作精细不易复制,让隐私权益更有保障。


创作动机

近年网路资讯发达,许多人喜欢经营部落格或使用社交软体抒发压力,透过文字与照片在网路上纪录生活琐事已成常态,而如今资讯越来越泛滥,资料及照片窃取盗用事件不胜其数,网路隐私安全越来越不可靠,因此人们回归手写日记,记录自己的心情与生活而不想让其他人看见,同时实体日记也较网路日记更具有纪念性及保存价值。


有些人习惯手写日记,纪录生活点滴及回忆,相较於网路日记,亲手描写文字叙说自己的故事,随着时间流淌,在为生活的现实与压力感到疲惫不堪时,回头看自己亲笔纪录的过往更加有感触。每个人都有自己的秘密,不希??被其他人轻易取得或侵犯,贵重及珍视的物品想要自行收藏保管,我们因而设计一款私人收纳箱保护个人隐私权益。


创新与实用性

颠覆传统机械锁,本作品设计的锁芯和钥匙是配合光的特性打造而成,内部都有镶入可以限制光波偏振方向的偏振片,每组偏振片的方向都不同,因此钥匙的制作精细不易复制,而且钥匙轻巧方便携带,整体解锁的机制不容易破解,使得安全性更上一层。图1为市面上的锁芯及钥匙;图 2 为本作品设计的锁芯及钥匙。



图1 : 市面上的锁芯及钥匙图
图1 : 市面上的锁芯及钥匙图

图2 : 本作品之锁芯及钥匙图
图2 : 本作品之锁芯及钥匙图

本作品锁芯内部架构不仅减少繁杂的机械结构,也不必担心内部老旧生锈的问题;而光 钥匙较一般钥匙轻巧,也不会像磁卡一样有被 消磁的风险。


工作原理

作品工作原理

光的电场和磁场振动的方向与波的行进方向垂直,而电场的振动方向,即为波的偏振方向。一般光波的振动并不会局限在某些特定方向,就像太阳光的偏振是凌乱无序分布的,故属於非偏振光。


我们使用偏振片将非偏振光变成偏振光之原理来设计,并制作独特的锁芯。当非偏振光垂直进入偏振片後,只有和偏振片相同偏振方向的光会通过,能成为单一偏振方向光波,图 3为非偏振光通过两片偏振片之示意图。



图3 : 非偏振光通过两片偏振片之示意图
图3 : 非偏振光通过两片偏振片之示意图

如图3所示,根据马吕斯定律(Malus’ law)显示,当有一偏振片方向垂直,出射的光就只有垂直的电场振幅(即偏振光)为 EO,若加上第二片偏振片,与第一片偏振片有一夹角 θ,其最後通过的偏振光为 EO cosθ,而光强度 I 可以由公式 I(θ)= I0 cos2θ计算得知,因此我们使用偏振片作为锁的基础,就可清楚设定解锁的光强度。


当偏振片夹角不同时,出射光强度也会不同,图 4为偏振片夹角 90度时,没有出射光;图 5 为偏振片夹角 45。时,出射光较强;图 6 为偏振片夹角 75。时,出射光较弱。



图4 : 偏振片夹角 90。没有出射光之示意图
图4 : 偏振片夹角 90。没有出射光之示意图

图5 : 偏振片夹角 45。出射光较强之示意图
图5 : 偏振片夹角 45。出射光较强之示意图

图6 : 偏振片夹角 75。出射光较弱之示意图
图6 : 偏振片夹角 75。出射光较弱之示意图

功能

本款私人收纳箱较着重於个人隐私的保护,一个属於收藏自己秘密的空间。利用光作为解锁机制,将光和锁结合制作出结构简单而不易被解开的收纳箱,让隐私财产得到更完善的保护。


使用盛群 HT66F2390系列 MCU 进行中央控制,当钥匙刚??入锁芯时,会先触发微动开关做数值校正,当钥匙??至底部後,再触发底部的开关确保钥匙上的偏振片位置有对齐光检测器,MCU 接收四组光检测器感测的光强度值, 根据每组感测器测得光强度的不同,透过内建 乘/除法单元做简单的除法运算,将对应光强度 转换成一组密码,当 MCU 判断光强度符合设定 值时才会解开锁具。


整体结构

硬体架构

在锁芯最上方设置四组 LED光源,中间内部装设一片固定方向的偏振片,钥匙孔底部有一个开关,最下方设置四组光检测器;钥匙内部则是镶入四片不同方向的偏振片;收纳箱上盖的钥匙孔内侧安装一颗微动开关。图7为光子追捕锁硬体架构图。



图7 : 光子追捕锁硬体架构图
图7 : 光子追捕锁硬体架构图

光检测器 S1133-光电二极体


普通二极体在逆向电压作用时处於截止状态,只能流过微弱的逆向电流。光电二极体 PN接面的面积相对较大,以便接收入射光。光电二极体在逆向电压下工作,没有光照时逆向电流极其微弱,称为暗电流;有光照时,逆向电流会迅速增加到几十微安培,称为光电流。光的强度越大,逆向电流也会越大,光的变化引起光电二极体电流变化,这就可以把光信号转换成电信号,成为光电感测元件。


本作品使用光检测器 S1133 量测光强度,图 8为光检测器 S1133。实验时光检测器在最亮 时测得的电压值为-0.3V;最暗时测得的电压值为 5.3V,检测波长范围介於 320nm~730nm之间的光,图9 为此光检测器的光谱响应图。


图8 : 光检测器 S1133 元件图
图8 : 光检测器 S1133 元件图

图9 : 光检测器之光谱响应图
图9 : 光检测器之光谱响应图

本作品之光检测器电路有四组,每组都需要接电压随耦器稳定输出,利用理想 OPA之输入阻抗无穷大,输出阻抗为零的特性,电压不容易被衰减。我们外接电路阻抗高,使其输出电压不容易受负载效应的影响。在测试电路的过程中,有输出负电压准位的问题,於是我们在 OPA输入端加上二极体,解决负电位的问题。 图 10为光检测器之实验电路图。


其中 LED及光检测器 S1133 由 MCU 控制,平时为高电位,当钥匙??入按下触发开关後,脚位从高电位变为低电位,才会开启 LED和光检测器,可节省电流消耗并使电路更稳定。



图10 : 光检测器之实验电路图
图10 : 光检测器之实验电路图

锁芯及光钥匙-3D列印


本作品设计的锁芯及光钥匙是使用软体Solid Works绘图设计进行 3D列印。锁芯结构分为两部份,上半部固定 LED的部份使用黑色 PLA塑料印制,其目的为杜绝外界光干扰;下半部则因为配合钥匙孔篓空,且底部需要配合光检测器大小掏空,需要高精度的绘图及印制,所以采用光敏树脂制作。图 11为本作品之锁芯结构图。



图11 : 本作品之锁芯结构示意图
图11 : 本作品之锁芯结构示意图

光钥匙的部分使用PLA塑料制作,分为主体及上盖两部份,钥匙主体前端设计凹槽,将四种不同方向的偏振片镶入凹槽之後,再将钥匙上盖装进凹槽里即完成制作。钥匙尾端有设计一个小洞,方便使用者串在钥匙圈上携带,同时也有防呆的效果,图 12 为本作品之钥匙结构图。



图12 : 本作品之钥匙结构示意图
图12 : 本作品之钥匙结构示意图

整体电路架构

本作品之整体电路图如图 13所示,图中上半部为光检测器之 OPA电路,我们使用运算放大器 IC TL074CN,IC内部共有 4组 OPA,需要接正负 12V才能驱动,为此我们使用输入 5V转输出±12V之 DC 直流转换模组,供应 IC驱动电压。


至於电源部份,我们使用 RD-35A 双输出机壳型交换式电源供应器,有 5V及 12V双输出电压通道,为了使电磁锁可以稳定解锁,12V电压独立输出给电磁锁,其馀的电路皆由 5V输出驱动。


本作品由 HT66F2390进行中央控制,各级OPA 输出分别接在 AN0~AN3 接脚做 A/D转换, 各个光检测器则分别接到 PB1~PB4接脚做控制。锁芯内部 LED 由 PG0~PG3 控制;红色及绿色指示灯由 PG4和 PG5控制;钥匙孔内侧之触发开关及钥匙孔底部之触底开关则由 PA3和 PA4控制。电磁锁与电源间有一颗继电器,为了避免反电动势,与继电器内之电感并联一颗二极体,再接到 MCU之 PG7脚位做控制。


当电磁锁通电动作时,锁舌会收起(解锁)再弹出,这两个动作的瞬间会使唤醒接脚 PA3产生杂讯,造成程式进入休眠模式後,又会马


上被唤醒,为了解决此问题,我们在电磁锁并联电阻及电容,进而降低解锁时产生的杂讯。



图13 : 本作品之电路图
图13 : 本作品之电路图

软体流程

图14 : 软体流程图
图14 : 软体流程图

图14为软体流程图,主程式启动後,会依序开启光强度感测器 S1133 和锁芯内部 LED, 每组光强度感测器均会侦测三笔数值,第一笔 数值为侦测锁芯内部最暗时的数值;第二笔数值为锁芯内部 LED开启侦测最亮时的数值;触底开关触发代表钥匙已经??至定位,开始侦测第三笔数值钥匙??入後的数值。


运用第一笔及第二笔数值,做简易的亮度校正,接着将第三笔数值转换为密码,和内部设定的密码是否相符,若相符即开启电磁锁,反之,电磁锁将继续锁着,最後进入省电模式。


私人收纳箱结构

本作品之私人收纳箱如图15所示,箱子前面装设透明压克力板,以方便展示内容物。箱子上盖设计成可拆式,作品电路会装置在箱子上盖里,盖子右侧则有一钥匙孔,钥匙孔内侧有安装一颗微动开关,此微动开关为钥匙??入时,触发程式的开关,如图16所示。



图15 : 本作品之私人收纳箱成品图
图15 : 本作品之私人收纳箱成品图

图16 : 钥匙孔内部的微动开关位置图
图16 : 钥匙孔内部的微动开关位置图

测试方法

为了在报告中清楚的呈现测试方法,我们使用面包板做电路功能测试。本作品之测试电路功能图如图 17所示,以下为测试步骤:


(1)触发开关为模拟钥匙??入收纳箱时,启动程式的开关。当按下触发开关後,启动程 式做简易的亮度校正,并开启锁芯内部的LED,如图 18所示。


(2)我们将密码设定为白色钥匙能解锁,当钥匙??入触底时,程式比对密码正确,亮起绿色指示灯,同时电磁锁解锁(图中黄色LED亮起表示解锁),如图 19 所示。


(3)我们设定黑色钥匙不能解锁,当钥匙??入触底时,程式比对密码错误,亮起红色指示灯,同时电磁锁不能解锁(图中黄色 LED未亮起),如图 20所示。



图17 : 本作品之测试电路功能图
图17 : 本作品之测试电路功能图

图18 : 模拟钥匙??入启动程式功能图
图18 : 模拟钥匙??入启动程式功能图

图19 : 白色钥匙??入解锁之功能图
图19 : 白色钥匙??入解锁之功能图

图20 : 黑色钥匙??入未解锁之功能图
图20 : 黑色钥匙??入未解锁之功能图

结论

本作品使用 HT66F2390 作为中央核心控制,当镶有偏振片的钥匙??入特制锁芯後,触发开关使系统接收四组光检测器感测的光强度值,根据每组感测器测得光强度的不同,转换成一组密码,MCU判断光强度符合设定值时才能解开电磁锁。


目前的作品方向为私人使用的收纳箱,因此一个锁芯只有搭配一组解锁密码。若未来 想要将光子追捕锁应用在多人使用的解锁机制上,光钥匙的密码数量可以增加,一个锁芯能有多位使用者且每组密码皆不同,实现判断使用者身份的功能,使光子追捕锁有更多发展的可能性。


(作者林华川1、蔡孟轩2 、吕易庭3为国立虎尾科技大学光电工程系1教授、2-3学生;本文为第十二届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告)


叁考文献


[1] 光检测器 S1133,Datasheet http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/vi ew/62775/HAMAMATSU/S1133.html


[2] 运算放大器 TL074CN,Datasheet http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/vi ew/5777/MOTOROLA/TL074CN.html


[3] 图档设计建议(Nobel 1.0A) - XYZprinting http://wiki.xyzprinting.com/nobel/zh_tw/des ign-specs/


[4] Holtek Semiconductor Inc.,HT66F23390,http://mcu.holtek.com.tw/mcugame12/down load/paper/HT66F23xx_Data%20Sheet.pdf


[5] 锺启仁 HT66Fxx Flash MCU 原理与实务


━组合语言篇,全华图书股份有限公司, 民国 99 年初版。


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