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光子追捕鎖
第十二屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 林華川、蔡孟軒等】   2018年05月11日 星期五

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在重視保護個人隱私權益的社會環境下,即使是父母亦須尊重孩子,若是有一款獨特的私人收納箱可安心存放著不想公開的秘密,變成一種有趣的議題。本文作品跳脫傳統的設計方式,利用光波的偏振特性,再藉由光鑰匙來限制光波的偏振方向以控制光強度,進而設計出一種獨特的解鎖機制之私人收納箱。


作品之鎖芯及鑰匙的結構是先使用軟體 Solid Works 繪圖設計後,再進行 3D列印,材料採用 PLA塑料及光敏樹脂製作,不僅輕巧堅固,而且不會像機械鎖一樣會有老舊生鏽的問題,結構簡單又耐用。


作品系統使用 HT66F2390微控制器(MCU)作為中央核心控制,當鑰匙插入時,它會接收四組光檢測器感測的光強度值,根據每組感測器測得光強度的不同,轉換成一組密碼,當 MCU判斷光強度符合設定值時才會解開鎖具。本作品利用光的特性製做出的鎖芯及鑰匙,內部都有鑲入可以限制光波偏振方向的偏振片,每組偏振片的方向都不同,因此鑰匙的製作精細不易複製,讓隱私權益更有保障。


創作動機

近年網路資訊發達,許多人喜歡經營部落格或使用社交軟體抒發壓力,透過文字與照片在網路上紀錄生活瑣事已成常態,而如今資訊越來越氾濫,資料及照片竊取盜用事件不勝其數,網路隱私安全越來越不可靠,因此人們回歸手寫日記,記錄自己的心情與生活而不想讓其他人看見,同時實體日記也較網路日記更具有紀念性及保存價值。


有些人習慣手寫日記,紀錄生活點滴及回憶,相較於網路日記,親手描寫文字敘說自己的故事,隨著時間流淌,在為生活的現實與壓力感到疲憊不堪時,回頭看自己親筆紀錄的過往更加有感觸。每個人都有自己的秘密,不希望被其他人輕易取得或侵犯,貴重及珍視的物品想要自行收藏保管,我們因而設計一款私人收納箱保護個人隱私權益。


創新與實用性

顛覆傳統機械鎖,本作品設計的鎖芯和鑰匙是配合光的特性打造而成,內部都有鑲入可以限制光波偏振方向的偏振片,每組偏振片的方向都不同,因此鑰匙的製作精細不易複製,而且鑰匙輕巧方便攜帶,整體解鎖的機制不容易破解,使得安全性更上一層。圖1為市面上的鎖芯及鑰匙;圖 2 為本作品設計的鎖芯及鑰匙。



圖1 : 市面上的鎖芯及鑰匙圖
圖1 : 市面上的鎖芯及鑰匙圖

圖2 : 本作品之鎖芯及鑰匙圖
圖2 : 本作品之鎖芯及鑰匙圖

本作品鎖芯內部架構不僅減少繁雜的機械結構,也不必擔心內部老舊生鏽的問題;而光 鑰匙較一般鑰匙輕巧,也不會像磁卡一樣有被 消磁的風險。


工作原理

作品工作原理

光的電場和磁場振動的方向與波的行進方向垂直,而電場的振動方向,即為波的偏振方向。一般光波的振動並不會侷限在某些特定方向,就像太陽光的偏振是凌亂無序分布的,故屬於非偏振光。


我們使用偏振片將非偏振光變成偏振光之原理來設計,並製作獨特的鎖芯。當非偏振光垂直進入偏振片後,只有和偏振片相同偏振方向的光會通過,能成為單一偏振方向光波,圖 3為非偏振光通過兩片偏振片之示意圖。



圖3 : 非偏振光通過兩片偏振片之示意圖
圖3 : 非偏振光通過兩片偏振片之示意圖

如圖3所示,根據馬呂斯定律(Malus’ law)顯示,當有一偏振片方向垂直,出射的光就只有垂直的電場振幅(即偏振光)為 EO,若加上第二片偏振片,與第一片偏振片有一夾角 θ,其最後通過的偏振光為 EO cosθ,而光強度 I 可以由公式 I(θ)= I0 cos2θ計算得知,因此我們使用偏振片作為鎖的基礎,就可清楚設定解鎖的光強度。


當偏振片夾角不同時,出射光強度也會不同,圖 4為偏振片夾角 90度時,沒有出射光;圖 5 為偏振片夾角 45°時,出射光較強;圖 6 為偏振片夾角 75°時,出射光較弱。



圖4 : 偏振片夾角 90°沒有出射光之示意圖
圖4 : 偏振片夾角 90°沒有出射光之示意圖

圖5 : 偏振片夾角 45°出射光較強之示意圖
圖5 : 偏振片夾角 45°出射光較強之示意圖

圖6 : 偏振片夾角 75°出射光較弱之示意圖
圖6 : 偏振片夾角 75°出射光較弱之示意圖

功能

本款私人收納箱較著重於個人隱私的保護,一個屬於收藏自己秘密的空間。利用光作為解鎖機制,將光和鎖結合製作出結構簡單而不易被解開的收納箱,讓隱私財產得到更完善的保護。


使用盛群 HT66F2390系列 MCU 進行中央控制,當鑰匙剛插入鎖芯時,會先觸發微動開關做數值校正,當鑰匙插至底部後,再觸發底部的開關確保鑰匙上的偏振片位置有對齊光檢測器,MCU 接收四組光檢測器感測的光強度值, 根據每組感測器測得光強度的不同,透過內建 乘/除法單元做簡單的除法運算,將對應光強度 轉換成一組密碼,當 MCU 判斷光強度符合設定 值時才會解開鎖具。


整體結構

硬體架構

在鎖芯最上方設置四組 LED光源,中間內部裝設一片固定方向的偏振片,鑰匙孔底部有一個開關,最下方設置四組光檢測器;鑰匙內部則是鑲入四片不同方向的偏振片;收納箱上蓋的鑰匙孔內側安裝一顆微動開關。圖7為光子追捕鎖硬體架構圖。



圖7 : 光子追捕鎖硬體架構圖
圖7 : 光子追捕鎖硬體架構圖

光檢測器 S1133–光電二極體


普通二極體在逆向電壓作用時處於截止狀態,只能流過微弱的逆向電流。光電二極體 PN接面的面積相對較大,以便接收入射光。光電二極體在逆向電壓下工作,沒有光照時逆向電流極其微弱,稱為暗電流;有光照時,逆向電流會迅速增加到幾十微安培,稱為光電流。光的強度越大,逆向電流也會越大,光的變化引起光電二極體電流變化,這就可以把光信號轉換成電信號,成為光電感測元件。


本作品使用光檢測器 S1133 量測光強度,圖 8為光檢測器 S1133。實驗時光檢測器在最亮 時測得的電壓值為-0.3V;最暗時測得的電壓值為 5.3V,檢測波長範圍介於 320nm~730nm之間的光,圖9 為此光檢測器的光譜響應圖。


圖8 : 光檢測器 S1133 元件圖
圖8 : 光檢測器 S1133 元件圖

圖9 : 光檢測器之光譜響應圖
圖9 : 光檢測器之光譜響應圖

本作品之光檢測器電路有四組,每組都需要接電壓隨耦器穩定輸出,利用理想 OPA之輸入阻抗無窮大,輸出阻抗為零的特性,電壓不容易被衰減。我們外接電路阻抗高,使其輸出電壓不容易受負載效應的影響。在測試電路的過程中,有輸出負電壓準位的問題,於是我們在 OPA輸入端加上二極體,解決負電位的問題。 圖 10為光檢測器之實驗電路圖。


其中 LED及光檢測器 S1133 由 MCU 控制,平時為高電位,當鑰匙插入按下觸發開關後,腳位從高電位變為低電位,才會開啟 LED和光檢測器,可節省電流消耗並使電路更穩定。



圖10 : 光檢測器之實驗電路圖
圖10 : 光檢測器之實驗電路圖

鎖芯及光鑰匙–3D列印


本作品設計的鎖芯及光鑰匙是使用軟體Solid Works繪圖設計進行 3D列印。鎖芯結構分為兩部份,上半部固定 LED的部份使用黑色 PLA塑料印製,其目的為杜絕外界光干擾;下半部則因為配合鑰匙孔簍空,且底部需要配合光檢測器大小掏空,需要高精度的繪圖及印製,所以採用光敏樹脂製作。圖 11為本作品之鎖芯結構圖。



圖11 : 本作品之鎖芯結構示意圖
圖11 : 本作品之鎖芯結構示意圖

光鑰匙的部分使用PLA塑料製作,分為主體及上蓋兩部份,鑰匙主體前端設計凹槽,將四種不同方向的偏振片鑲入凹槽之後,再將鑰匙上蓋裝進凹槽裡即完成製作。鑰匙尾端有設計一個小洞,方便使用者串在鑰匙圈上攜帶,同時也有防呆的效果,圖 12 為本作品之鑰匙結構圖。



圖12 : 本作品之鑰匙結構示意圖
圖12 : 本作品之鑰匙結構示意圖

整體電路架構

本作品之整體電路圖如圖 13所示,圖中上半部為光檢測器之 OPA電路,我們使用運算放大器 IC TL074CN,IC內部共有 4組 OPA,需要接正負 12V才能驅動,為此我們使用輸入 5V轉輸出±12V之 DC 直流轉換模組,供應 IC驅動電壓。


至於電源部份,我們使用 RD-35A 雙輸出機殼型交換式電源供應器,有 5V及 12V雙輸出電壓通道,為了使電磁鎖可以穩定解鎖,12V電壓獨立輸出給電磁鎖,其餘的電路皆由 5V輸出驅動。


本作品由 HT66F2390進行中央控制,各級OPA 輸出分別接在 AN0~AN3 接腳做 A/D轉換, 各個光檢測器則分別接到 PB1~PB4接腳做控制。鎖芯內部 LED 由 PG0~PG3 控制;紅色及綠色指示燈由 PG4和 PG5控制;鑰匙孔內側之觸發開關及鑰匙孔底部之觸底開關則由 PA3和 PA4控制。電磁鎖與電源間有一顆繼電器,為了避免反電動勢,與繼電器內之電感並聯一顆二極體,再接到 MCU之 PG7腳位做控制。


當電磁鎖通電動作時,鎖舌會收起(解鎖)再彈出,這兩個動作的瞬間會使喚醒接腳 PA3產生雜訊,造成程式進入休眠模式後,又會馬


上被喚醒,為了解決此問題,我們在電磁鎖並聯電阻及電容,進而降低解鎖時產生的雜訊。



圖13 : 本作品之電路圖
圖13 : 本作品之電路圖

軟體流程

圖14 : 軟體流程圖
圖14 : 軟體流程圖

圖14為軟體流程圖,主程式啟動後,會依序開啟光強度感測器 S1133 和鎖芯內部 LED, 每組光強度感測器均會偵測三筆數值,第一筆 數值為偵測鎖芯內部最暗時的數值;第二筆數值為鎖芯內部 LED開啟偵測最亮時的數值;觸底開關觸發代表鑰匙已經插至定位,開始偵測第三筆數值鑰匙插入後的數值。


運用第一筆及第二筆數值,做簡易的亮度校正,接著將第三筆數值轉換為密碼,和內部設定的密碼是否相符,若相符即開啟電磁鎖,反之,電磁鎖將繼續鎖著,最後進入省電模式。


私人收納箱結構

本作品之私人收納箱如圖15所示,箱子前面裝設透明壓克力板,以方便展示內容物。箱子上蓋設計成可拆式,作品電路會裝置在箱子上蓋裡,蓋子右側則有一鑰匙孔,鑰匙孔內側有安裝一顆微動開關,此微動開關為鑰匙插入時,觸發程式的開關,如圖16所示。



圖15 : 本作品之私人收納箱成品圖
圖15 : 本作品之私人收納箱成品圖

圖16 : 鑰匙孔內部的微動開關位置圖
圖16 : 鑰匙孔內部的微動開關位置圖

測試方法

為了在報告中清楚的呈現測試方法,我們使用麵包板做電路功能測試。本作品之測試電路功能圖如圖 17所示,以下為測試步驟:


(1)觸發開關為模擬鑰匙插入收納箱時,啟動程式的開關。當按下觸發開關後,啟動程 式做簡易的亮度校正,並開啟鎖芯內部的LED,如圖 18所示。


(2)我們將密碼設定為白色鑰匙能解鎖,當鑰匙插入觸底時,程式比對密碼正確,亮起綠色指示燈,同時電磁鎖解鎖(圖中黃色LED亮起表示解鎖),如圖 19 所示。


(3)我們設定黑色鑰匙不能解鎖,當鑰匙插入觸底時,程式比對密碼錯誤,亮起紅色指示燈,同時電磁鎖不能解鎖(圖中黃色 LED未亮起),如圖 20所示。



圖17 : 本作品之測試電路功能圖
圖17 : 本作品之測試電路功能圖

圖18 : 模擬鑰匙插入啟動程式功能圖
圖18 : 模擬鑰匙插入啟動程式功能圖

圖19 : 白色鑰匙插入解鎖之功能圖
圖19 : 白色鑰匙插入解鎖之功能圖

圖20 : 黑色鑰匙插入未解鎖之功能圖
圖20 : 黑色鑰匙插入未解鎖之功能圖

結論

本作品使用 HT66F2390 作為中央核心控制,當鑲有偏振片的鑰匙插入特製鎖芯後,觸發開關使系統接收四組光檢測器感測的光強度值,根據每組感測器測得光強度的不同,轉換成一組密碼,MCU判斷光強度符合設定值時才能解開電磁鎖。


目前的作品方向為私人使用的收納箱,因此一個鎖芯只有搭配一組解鎖密碼。若未來 想要將光子追捕鎖應用在多人使用的解鎖機制上,光鑰匙的密碼數量可以增加,一個鎖芯能有多位使用者且每組密碼皆不同,實現判斷使用者身份的功能,使光子追捕鎖有更多發展的可能性。


(本文作者林華川為國立虎尾科技大學光電工程系教授,蔡孟軒 、呂易庭為國立虎尾科技大學光電工程系學生)


參考文獻


[1] 光檢測器 S1133,Datasheet http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/62775/HAMAMATSU/S1133.html


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


[3] 圖檔設計建議(Nobel 1.0A) - XYZprinting http://wiki.xyzprinting.com/nobel/zh_tw/design-specs/


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


[5] 鍾啟仁 HT66Fxx Flash MCU 原理與實務


-組合語言篇,全華圖書股份有限公司, 民國 99 年初版。


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