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自助烘洗衣机防盗系统
第十届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 王勝寬、余展鋒等人】2016年08月26日 星期五

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在现今的社会中,随着都市的发展,上班族、租屋族及外宿学生日益增加,因应这些族群的生活方式,各式的便利商店及自助式烘洗衣店在街道上随处可见。因现代人的工作时间增长,或是因轮班制的工作模式,再者因居住空间问题,使得在家洗衣或晒衣服的情况相对减少。另外,在冬天或雨季来临时,衣服不容易干,使得消费者会想要用烘干机烘干衣物,而在一般人的观念中,电热器型式的烘衣机较耗电,瓦斯式的烘衣机不够安全。在寸土寸金的城市中,不论是电热式或瓦斯式干衣机体积都过于庞大,需要有足够的地方放置。


因此,大部分人们在家中很少购置干衣机,若生活空间太狭小,或家庭人口数不多,也不太会购置洗衣机。若要至一般非自助式的干洗衣店烘衣物时,因他们是论件计酬,在价格上较无法让一般上班族或学生消费族群所接受,故此时离住家不远处的自助式烘洗衣机,便成了许多人共同的选择。


而在目前自助式烘洗衣店内之烘洗衣机完全没有防盗装置,故当衣物洗净或烘干后,任何人都可以私自将店内烘洗衣机的门打开,导致一些流浪汉或有心人士,私自取走依物或观看他人衣物,除了侵犯他人隐私权外,且常发生如在电视上时常报导的自助式烘洗衣店衣服被偷事件。


为了保障消费者在自助式烘洗衣店消费时的个人隐私,及预防衣物遭窃,本专题将发展一套较人性化的自助式烘洗衣店内烘洗衣机的防盗装置,期望不增加​​消费者消费金额上的负担,且亦不会造成在经营自助式烘洗衣店业者成本上增加太多的情况下,来设计本系统。另外,在此防盗系统在外观及操作上,务必达到安全及简易操作的设计目标。


基于以上的说明,本自助烘洗衣机防盗装置专题,共有四种操作模式:1.Welcome模式,2.Running模式,3.Locking模式及4.Stop模式,其中Locking模式又分为两阶段。开机时系统处于等待投币的Welcome模式,投币后马达开始运转,烘洗衣物行程启动时,系统处于Running模式。电磁锁将自动上锁,若烘洗衣物行程尚未结束,中途要开门加衣物时,需要输入密码才能开启,门开启后系统进入Stop模式。因密码必需是消费者易记或时常使用的号码,故在本专题内,将采用自己的手机号码当成密码,除了有密码功能外,当烘洗衣物行程结束时,可直接拨号通知消费者。


若烘洗衣物行程正常结束时,本防盗系统将进入第一阶段1分钟的Locking模式,当消费者在现场直接取衣时,直接输入密码即可开门,系统不会以电话通知消费者。当第一阶段Locking模式后消费者仍未取衣物时,之后系统开始拨号铃响约15秒后自动挂断,系统进入第二阶段约10分钟(可设定)的Locking模式,请消费者尽速到店内取衣。在消费者未取衣物前,烘洗衣机一直保持在锁住状态,当消费者经第二阶段的Locking模式后仍未取衣时,系统自动解除锁定状态,此举为预防消费者长时间未取衣物,而导致下一位消费者无法烘洗衣物,造成店家及其他消费者的损失。


工作原理

本专题原为利用盛群公司HT48C50单晶片来做主要的控制核心,并配合盛群的双音多频拨号产生器HT9200A,来做为拨出电话号码的功能;而在作品即将完成前,本专题选用与原先HT48C50较相近的66系列MCU—HT66F70A参赛以符合比赛规则,这个MCU的功能确实较48系列功能强大许多,然而在程式转换过程当中,除了需注意GPIO接脚的规划外,软体上设定及计时计数器的变革也需特别留意。


目前自助式烘洗衣机店其内之烘洗机本身即有投币及LCE显示幕装置,为了要达到防盗的效果,消费者必需输入密码,故需在原本的烘洗衣机的外观上,加上一个现成的4×4键盘,其中仅使用4×3。而为了要通知消费者烘洗衣物已完成,需要在烘洗衣机内部加入可拨出电话号码电路及电磁锁装置。


当本次所展的自助烘洗衣机防盗装置侦测到有投币的动作时,即启动本专题所发展的防盗装置,当消费者投币完成后,LCD萤幕会显示投币值或烘洗时间,接着要求消费者输入电话号码,此电话码有两种功能,其一为当烘洗衣完成时,通知消费者取衣,其二为当要开启洗衣机或烘衣机的门时,需输入正确的密码。


当烘洗衣物行程完成时,MCU透过HT9200A将消费者所输入的电话号码或密码数字转成音频,拨号通知消费者取衣,而为了不让消费者或自助式烘洗衣店家多负担通讯费,本系统设定只铃响15秒即挂断。目前手机及家用电话皆有来电显示功能,只要消费者看到烘洗衣店所公布的电话号码,即可知衣物已完成烘洗,即可尽速到店内取衣,此时装置于门上的电磁开关保持吸磁且计时器开始计时,除非在烘洗衣机上输入正确的密码,否则无法开启,当计时器计时到所设定的时间(预计为15分钟)后,消费者若仍未到店取衣,为了保障下一位顾客烘衣机物的权利,电磁开关将开启。


当烘洗衣机在行程中,消费者若要开门加入或取出衣物时,必需在键盘上输入正确的密码,电磁开关才会解除吸磁,且当消费者开启烘洗衣机门时,装置于门上的微动开关动作,使机器停止运转,当门关闭时,烘洗衣机再次继续运转。此自助烘洗衣机防盗装置使用盛群的MCU HT66F70A担任系统的控制核心,系统内所有的控制命令都是藉由写在此MCU内的程式做判断及控制。而另一颗HT9200A拨号IC则用于拨出电话号码通知消费者烘洗衣行程已结束,请尽速到店取衣。此装置已委托技诺公司完成新型专利撰写及申请,并经过经济部智慧财产局审查后,已核发证书。


作品结构

硬体架构

本系统采用HT66F70A微处理器做为控制核心,并加入LCD及键盘分别做为与消费者沟通的输出及输入装置,在开始烘洗衣物时,门锁控制电路会将烘洗衣机门以电磁阀锁住,消费者可透过键盘输入电话号码当成密码,并可由LCD看到所输入的号码,当烘洗衣机运转中要加入衣物或烘洗完成要取出衣物时,需输入先前所键入的电话号码才能开启。


除此之外,当烘衣完成后系统也会透过HT9200A拨号IC所建构的拨号电路,切换至电话线路拨出消费者所输入的电话号码,通知衣物已经烘洗完成,此时系统亦同时进入计时状态,若计时到所设定的时间,消费者仍未来取衣物时,系统将自动解锁,以完成整个防盗系统。图1为系统方块图,其中烘衣机马达部分为模拟实际的自助洗衣店内的烘洗衣机旋转机构,不限定使用电能传动。



图1 : 系统方块图
图1 : 系统方块图

拨号电路说明

在一般电话上,准备拨打电话时,必需先拿起电话筒,在电话线路上被视为拨号的起始讯号,在拨号前皆需有此讯号。然而,此系统为无人值守,从开始拨号至挂断电话皆必需自动完成。所以在本系统内,利用继电器启闭a接点的动作代替拿起话筒接通电话的准备拨号讯号,由HT66F70A送出欲拨号的数位讯号到HT9200A 的输入端,再藉由HT9200A产生双音多频DTMF(Dual Tone Multi Frequency)的拨号信号,经音频专用变压器ST-71将其电压升到目前电话线所使用的40V电压,再耦合到市话的电话线路上,其电路图如图2所示。在图2中,连接到市话的电话盒无正/负端的分别,接上市电的两条电话线即可。



图2 : 拨号系统电路图
图2 : 拨号系统电路图

烘洗衣机模型之马达运转控制

为了模拟烘洗衣机的动作情况,本专题必需自制烘洗衣机模型,因目前自助式烘洗衣店内的机器不论是单独烘衣或是烘洗衣机都是采滚筒式,故此模型以一直流马达驱动滚筒运转,模拟实际自助式洪洗衣机。当消费者在烘洗衣机键盘输入密码,且按下确认键后HT66F70A会送出驱动讯号至GPIO接脚,使继电器动作让马达开始运转,其电路图如图3所示。当计时时间到,或消费者输入正确密码后,马达才会停止运转。


图3 : 直流马达驱动控制电路
图3 : 直流马达驱动控制电路

烘洗衣机门锁控制电路

当消费者放置完衣物,关上烘洗衣机门后,会接触到微动开关,微动开关的a接点导通,因它与电磁锁串联,故接下来由HT66F70A控制电磁锁。烘洗衣机门关上后当将投币器侦测到有硬币投入时,HT66F70A会送出讯号使继电器动作,若烘洗衣机门关上时电磁锁会顺便将门锁上,此时若要开启烘洗衣机门必需输入密码才能顺利开启。另外,当防盗计数器的计数时间结束后,烘洗衣机的防盗HT66F70A也会送出讯号使继电器的a接点开启,烘洗衣机门上的电磁锁将解锁,其电路图如图4所示。



图4 : 烘洗衣机门锁控制电路
图4 : 烘洗衣机门锁控制电路

烘洗衣机防盗装置软体概述

本专题所发展的烘洗衣机防盗装置主要利用八位元微处理器HT66F70A为其控制核心,此系统的控制程式部分为利用组合语言撰写,最后录至HT66F70A程式记忆体中。在此程式中使用到一个外部中断及一个一般型的计时计数器溢位中断,外部中断使用于投币系统,使用外部中断原因在于当消费者在投币时,有可能会输入密码,或在输入密码时,有可能会投币,故投币及输入密码两个动作,需在同一个时段内执行,当投币时,即触发外部中断,停止密码输入,投币后程式回到密码输入程式继续执行密码输入作业。


图5 : 自助式烘洗衣机防盗装置系统流程图
图5 : 自助式烘洗衣机防盗装置系统流程图

另一个一般计时器的中断用于烘洗衣行程中、烘洗衣行程结束后第一次及第二次电磁锁锁住计时共三处。在这三处使用中断原因与外部中断相同,因为在这三个时间点,一方面要计时,另一方面必需侦测按键是否有被按下,故主程式在此时主要执行侦测按键是否有被按下的工作,若计时时间到,利用中断通知MCU处理,HT66F70A的中断程式写法与MCS-51类似,且盛群所发行的MCU资料文件内,对于中断使用方式也有详细的说明,十分容易上手。除了中断的应用以外,程式内第二个重点为密码比对,在本专题内,使用了间接定址法储存消费者所输入之手机号码,因此号码也需要显示在LCD萤幕上,故需将使用输入的手机号码转换成ASCII码,比对密码时,亦使用间接定址法呼叫出先前所储存的使用者密码交互比对,HT66F70A共有两组暂存器可供使用间接定址,程式撰写上也是相当容易达成。


整个自助式烘洗衣机防盗系统的控制流程图,如图5所示,程式开始时,LCD第一行会先显示Welcome等待消费者投币,待消费者投币后,LCD萤幕上第一行显示金额,因目前自助洗衣店内投币机仅能投10元硬币,故在此可计数投币次数,并同时计算烘洗衣物行程时间。之后消费者开始输入密码(即手机号码),此时会显示在LCD第二行处,若输入错误,可按下「清除」键重新输入密码。输入密码完成后按下「确认」键,电磁锁将门锁住,滚筒马达开始运转,系统进入Running模式。程式进入等待侦测消费者是否按下任何按键后,LCD萤幕显示Password?,系统会进入密码输入模式。若消费者中途还要再放入衣物时,可输入密码,若比对不正确,系统不做任何反应,LCD萤幕显示Running;若比对正确,LCD萤幕显示Stop,马达停止运转、计时计数器停止动作及电磁锁解锁,当消费者再次关门后,按下「确认」键,LCD萤幕显示Running,电磁锁再次将门锁住,滚筒马达开始运转,计时计数器继续计数。


当烘洗衣物行程时间结束后,系统进入第一阶段Locking模式,LCD萤幕显示Locking,马达停止运转、电磁锁仍上锁、计时计数器重新计时1分钟,此时若消费者在洗衣店内等待,则可按下任何按键,LCD萤幕显示Password?直接输入密码,比对成功后电磁锁解锁,消费者可直接取衣物,系统回到Welcome模式,等待下一个消费者,此时因消费者就在店内直接取衣,故系统不会拨号给消费者。若第一阶段Locking模式结束,消费者仍未取衣时,表示此时消费者不在店内,或在店内但未注意到机器已停止运转。


此时系统会进入第二阶段Locking模式,以密码为电话号码,拨号给消费者,15秒后挂断,且计时计数器重新开始计时约10分钟(此时间可依自助洗衣店离市区之距离而调整)。在此方面,通知消费者的方法大部分都会想到以「简讯」通知,但使用简讯通知消费者或自助洗衣店店家一定要多付此笔费用,会增加消费者或是店家的负担。


在此,因目前手机或市内电话上,都会有来电显示及电话薄功能,在自助洗衣店内入口处,贴上告示,请消费者将自助洗衣店电话号码登记在手机或市话的电话薄内,名称上使用”衣物已烘洗完成请速到店取衣”,当烘洗衣机自动拨号后,手机或市电的来电显示即会显示这些字样,消费者不必接听,即可知到衣物已烘洗完成。以此方式通知消费者,暨有简讯的功能,又能节使简讯费用,且​​铃响时间比简讯长,为此系统另一个创意的应用。


若在第二阶段Locking模式结束前,消费者到店内取衣,则可按下任何按键,LCD萤幕显示Password?直接输入密码,比对成功后电磁锁解锁,消费者可直接取衣物,系统回到Welcome模式,等待下一个消费者。若密码输入不正确时,则LCD萤幕显示Locking,系统不做任何处理,电磁锁持续上锁,防止衣特遭不法人士窃取。之后,在第二阶段Locking模式结束后,消费者仍然未到店内取衣时,为了维护下一位消费者权益,电磁锁自动解锁,系统回复Welcome模式,等待下一位消费者莅临使用。


测试方法

以HT66F70A所计的烘洗衣机防盗装置,其完整电路图如图6所示。在此图中也包含先前所介绍的马达、键盘、LCD、HT9200A、微动开关及电磁锁控制电路。实做自助烘洗衣机防盗装置硬体电路如图7所示,背面Layout如图8所示。



图6 : 自助式烘洗衣机防盗装置整体电路图
图6 : 自助式烘洗衣机防盗装置整体电路图

图7 : 自助烘洗衣机防盗装置硬体电路
图7 : 自助烘洗衣机防盗装置硬体电路

图8 : 硬体PCB板Layout电路图
图8 : 硬体PCB板Layout电路图

而为了展示系统功能,本专题所制作的滚筒式烘洗衣机模型正面面板如图9所示,右边蓝色面板为LCD、键盘及投币器;白色面板内有圆型门、微动开关及电磁开关。模型背面组成元件如图10所示,其浅蓝色圆形滚筒直接与直流马达连接,图中亦可看到LCD、键盘、电话接线盒与电路板利用杜邦线连接。电路板由图7中可更清楚的观察,其中可变电阻为调整LCD亮度使用,在HT66F70A转接板上第7、8及50、51脚位上焊有2pin杜邦公头为方便下载烧录程式使用,不需拔转接板,可直接烧录,达到真正ISP(In System Programmable)功能,非常方便使用。



图9 : 自助烘洗衣机防盗装置模拟硬体面板
图9 : 自助烘洗衣机防盗装置模拟硬体面板

图10 : 自助烘洗衣机防盗装置模拟硬体背面
图10 : 自助烘洗衣机防盗装置模拟硬体背面

此自助烘洗衣机防盗装置,在常温常压环境下测试,测试场所需有110V电源,以及一条可拨打外线的电话线路,此自助式洪洗衣机开始测试时,其门可以任意启闭,等待消费者放入衣物后,开始启动整个系统,当消费者投币时,LCD可显示投币金额(或可改为洗烘衣行程时间),当投币完成后,消费者即可输入10码的电话号码,此电话号码亦为开启烘洗衣机门的密码,输入完密码后电磁锁即开始通电致能,当烘洗衣机门关闭触动微动开关后,马达开始启动,烘洗衣计时器开始计时,若此时消费者要开启烘洗衣机门时,需输入密码,若烘洗时间计时到,系统先等待一小段时间后,消费者仍未取衣时,系统将拨出消费者所输入的电话号码,铃响约15秒后系统会挂断电话,此时室内电话或手机上会显示自助式烘洗衣店的电话号码或「衣物已烘洗完成请速到店取衣」字样,消费者看到后不需接通电话,即可知道衣物已烘洗完成,尽速到店拿取,可节省通讯费用,此时烘洗衣机的门尚被锁住,可防止衣物失窃或任意被他人翻阅,延迟计时器开始计时,若使用者在10分钟内没有到取衣,为了维护下一位消费者权益,烘洗衣机门将自动解锁。


结论

一般市面上的自动烘洗衣机店,防盗措施只有安装摄影机及张贴警告标语,所以未能确实地达到防盗的效果。不过只要安装本专题所发展的烘洗衣机防盗装置,就能大大降低失窃率及增加个人隐私。此套装置有加装电磁锁及打电话提醒的功能,所以更能让消费者不用担心衣服被偷,也可以让消费者在烘衣服的这段时间安心地去做别的事情。当烘衣完毕后也会以电话通知让消费者不会忘记取衣。这套装置未来可以结合手机APP功能,在还没出门时就可以知道是否有空的机台,或是显现出正在使用的烘洗衣机结束时间,时间到时自动提醒消费者来提高便利性。


(本文作者王胜宽为明志科技大学电机系教授;余展锋、黄柏翰、廖展毅、游珺雯为明志科技大学电机系学生)


参考文献

1.http://www.holtek.com.tw/chinese/products/default.htm.


2.http://www.holtek.com.tw/pdf/uc/48x50_1v201.pdf.


3.http://www.holtek.com.tw/english/tech/appnote/comm/pdf/ha0037e.pdf.


4.张庆龙,单晶片控制与网路传输应用-使用HT48R系列晶片。


5.盛群第10届竞赛培训会明志场讲义。


6.刘铭中,MCS-51单晶片原理与I/O应用。


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