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自助烘洗衣機防盜系統
第十屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 王勝寬、余展鋒等人】   2016年08月26日 星期五

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在現今的社會中,隨著都市的發展,上班族、租屋族及外宿學生日益增加,因應這些族群的生活方式,各式的便利商店及自助式烘洗衣店在街道上隨處可見。因現代人的工作時間增長,或是因輪班制的工作模式,再者因居住空間問題,使得在家洗衣或曬衣服的情況相對減少。另外,在冬天或雨季來臨時,衣服不容易乾,使得消費者會想要用烘乾機烘乾衣物,而在一般人的觀念中,電熱器型式的烘衣機較耗電,瓦斯式的烘衣機不夠安全。在寸土寸金的城市中,不論是電熱式或瓦斯式乾衣機體積都過於龐大,需要有足夠的地方放置。


因此,大部分人們在家中很少購置乾衣機,若生活空間太狹小,或家庭人口數不多,也不太會購置洗衣機。若要至一般非自助式的乾洗衣店烘衣物時,因他們是論件計酬,在價格上較無法讓一般上班族或學生消費族群所接受,故此時離住家不遠處的自助式烘洗衣機,便成了許多人共同的選擇。


而在目前自助式烘洗衣店內之烘洗衣機完全沒有防盜裝置,故當衣物洗淨或烘乾後,任何人都可以私自將店內烘洗衣機的門打開,導致一些流浪漢或有心人士,私自取走依物或觀看他人衣物,除了侵犯他人隱私權外,且常發生如在電視上時常報導的自助式烘洗衣店衣服被偷事件。


為了保障消費者在自助式烘洗衣店消費時的個人隱私,及預防衣物遭竊,本專題將發展一套較人性化的自助式烘洗衣店內烘洗衣機的防盜裝置,期望不增加消費者消費金額上的負擔,且亦不會造成在經營自助式烘洗衣店業者成本上增加太多的情況下,來設計本系統。另外,在此防盜系統在外觀及操作上,務必達到安全及簡易操作的設計目標。


基於以上的說明,本自助烘洗衣機防盜裝置專題,共有四種操作模式:1.Welcome模式,2.Running模式,3.Locking模式及4.Stop模式,其中Locking模式又分為兩階段。開機時系統處於等待投幣的Welcome模式,投幣後馬達開始運轉,烘洗衣物行程啟動時,系統處於Running模式。電磁鎖將自動上鎖,若烘洗衣物行程尚未結束,中途要開門加衣物時,需要輸入密碼才能開啟,門開啟後系統進入Stop模式。因密碼必需是消費者易記或時常使用的號碼,故在本專題內,將採用自己的手機號碼當成密碼,除了有密碼功能外,當烘洗衣物行程結束時,可直接撥號通知消費者。


若烘洗衣物行程正常結束時,本防盜系統將進入第一階段1分鐘的Locking模式,當消費者在現場直接取衣時,直接輸入密碼即可開門,系統不會以電話通知消費者。當第一階段Locking模式後消費者仍未取衣物時,之後系統開始撥號鈴響約15秒後自動掛斷,系統進入第二階段約10分鐘(可設定)的Locking模式,請消費者儘速到店內取衣。在消費者未取衣物前,烘洗衣機一直保持在鎖住狀態,當消費者經第二階段的Locking模式後仍未取衣時,系統自動解除鎖定狀態,此舉為預防消費者長時間未取衣物,而導致下一位消費者無法烘洗衣物,造成店家及其他消費者的損失。


工作原理

本專題原為利用盛群公司HT48C50單晶片來做主要的控制核心,並配合盛群的雙音多頻撥號產生器HT9200A,來做為撥出電話號碼的功能;而在作品即將完成前,本專題選用與原先HT48C50較相近的66系列MCU—HT66F70A參賽以符合比賽規則,這個MCU的功能確實較48系列功能強大許多,然而在程式轉換過程當中,除了需注意GPIO接腳的規劃外,軟體上設定及計時計數器的變革也需特別留意。


目前自助式烘洗衣機店其內之烘洗機本身即有投幣及LCE顯示幕裝置,為了要達到防盜的效果,消費者必需輸入密碼,故需在原本的烘洗衣機的外觀上,加上一個現成的4×4鍵盤,其中僅使用4×3。而為了要通知消費者烘洗衣物已完成,需要在烘洗衣機內部加入可撥出電話號碼電路及電磁鎖裝置。


當本次所展的自助烘洗衣機防盜裝置偵測到有投幣的動作時,即啟動本專題所發展的防盜裝置,當消費者投幣完成後,LCD螢幕會顯示投幣值或烘洗時間,接著要求消費者輸入電話號碼,此電話碼有兩種功能,其一為當烘洗衣完成時,通知消費者取衣,其二為當要開啟洗衣機或烘衣機的門時,需輸入正確的密碼。


當烘洗衣物行程完成時,MCU透過HT9200A將消費者所輸入的電話號碼或密碼數字轉成音頻,撥號通知消費者取衣,而為了不讓消費者或自助式烘洗衣店家多負擔通訊費,本系統設定只鈴響15秒即掛斷。目前手機及家用電話皆有來電顯示功能,只要消費者看到烘洗衣店所公布的電話號碼,即可知衣物已完成烘洗,即可儘速到店內取衣,此時裝置於門上的電磁開關保持吸磁且計時器開始計時,除非在烘洗衣機上輸入正確的密碼,否則無法開啟,當計時器計時到所設定的時間(預計為15分鐘)後,消費者若仍未到店取衣,為了保障下一位顧客烘衣機物的權利,電磁開關將開啟。


當烘洗衣機在行程中,消費者若要開門加入或取出衣物時,必需在鍵盤上輸入正確的密碼,電磁開關才會解除吸磁,且當消費者開啟烘洗衣機門時,裝置於門上的微動開關動作,使機器停止運轉,當門關閉時,烘洗衣機再次繼續運轉。此自助烘洗衣機防盜裝置使用盛群的MCU HT66F70A擔任系統的控制核心,系統內所有的控制命令都是藉由寫在此MCU內的程式做判斷及控制。而另一顆HT9200A撥號IC則用於撥出電話號碼通知消費者烘洗衣行程已結束,請儘速到店取衣。此裝置已委託技諾公司完成新型專利撰寫及申請,並經過經濟部智慧財產局審查後,已核發證書。


作品結構

硬體架構

本系統採用HT66F70A微處理器做為控制核心,並加入LCD及鍵盤分別做為與消費者溝通的輸出及輸入裝置,在開始烘洗衣物時,門鎖控制電路會將烘洗衣機門以電磁閥鎖住,消費者可透過鍵盤輸入電話號碼當成密碼,並可由LCD看到所輸入的號碼,當烘洗衣機運轉中要加入衣物或烘洗完成要取出衣物時,需輸入先前所鍵入的電話號碼才能開啟。


除此之外,當烘衣完成後系統也會透過HT9200A撥號IC所建構的撥號電路,切換至電話線路撥出消費者所輸入的電話號碼,通知衣物已經烘洗完成,此時系統亦同時進入計時狀態,若計時到所設定的時間,消費者仍未來取衣物時,系統將自動解鎖,以完成整個防盜系統。圖1為系統方塊圖,其中烘衣機馬達部分為模擬實際的自助洗衣店內的烘洗衣機旋轉機構,不限定使用電能傳動。



圖1 : 系統方塊圖
圖1 : 系統方塊圖

撥號電路說明

在一般電話上,準備撥打電話時,必需先拿起電話筒,在電話線路上被視為撥號的起始訊號,在撥號前皆需有此訊號。然而,此系統為無人值守,從開始撥號至掛斷電話皆必需自動完成。所以在本系統內,利用繼電器啟閉a接點的動作代替拿起話筒接通電話的準備撥號訊號,由HT66F70A送出欲撥號的數位訊號到HT9200A 的輸入端,再藉由HT9200A產生雙音多頻 DTMF(Dual Tone Multi Frequency)的撥號信號,經音頻專用變壓器ST-71將其電壓升到目前電話線所使用的40V電壓,再耦合到市話的電話線路上,其電路圖如圖2所示。在圖2中,連接到市話的電話盒無正/負端的分別,接上市電的兩條電話線即可。



圖2 :  撥號系統電路圖
圖2 : 撥號系統電路圖

烘洗衣機模型之馬達運轉控制

為了模擬烘洗衣機的動作情況,本專題必需自製烘洗衣機模型,因目前自助式烘洗衣店內的機器不論是單獨烘衣或是烘洗衣機都是採滾筒式,故此模型以一直流馬達驅動滾筒運轉,模擬實際自助式洪洗衣機。當消費者在烘洗衣機鍵盤輸入密碼,且按下確認鍵後HT66F70A會送出驅動訊號至GPIO接腳,使繼電器動作讓馬達開始運轉,其電路圖如圖3所示。當計時時間到,或消費者輸入正確密碼後,馬達才會停止運轉。


圖3 : 直流馬達驅動控制電路
圖3 : 直流馬達驅動控制電路

烘洗衣機門鎖控制電路

當消費者放置完衣物,關上烘洗衣機門後,會接觸到微動開關,微動開關的a接點導通,因它與電磁鎖串聯,故接下來由HT66F70A控制電磁鎖。烘洗衣機門關上後當將投幣器偵測到有硬幣投入時,HT66F70A會送出訊號使繼電器動作,若烘洗衣機門關上時電磁鎖會順便將門鎖上,此時若要開啟烘洗衣機門必需輸入密碼才能順利開啟。另外,當防盜計數器的計數時間結束後,烘洗衣機的防盜HT66F70A也會送出訊號使繼電器的a接點開啟,烘洗衣機門上的電磁鎖將解鎖,其電路圖如圖4所示。



圖4 : 烘洗衣機門鎖控制電路
圖4 : 烘洗衣機門鎖控制電路

烘洗衣機防盜裝置軟體概述

本專題所發展的烘洗衣機防盜裝置主要利用八位元微處理器HT66F70A為其控制核心,此系統的控制程式部分為利用組合語言撰寫,最後錄至HT66F70A程式記憶體中。在此程式中使用到一個外部中斷及一個一般型的計時計數器溢位中斷,外部中斷使用於投幣系統,使用外部中斷原因在於當消費者在投幣時,有可能會輸入密碼,或在輸入密碼時,有可能會投幣,故投幣及輸入密碼兩個動作,需在同一個時段內執行,當投幣時,即觸發外部中斷,停止密碼輸入,投幣後程式回到密碼輸入程式繼續執行密碼輸入作業。


圖5 : 自助式烘洗衣機防盜裝置系統流程圖
圖5 : 自助式烘洗衣機防盜裝置系統流程圖

另一個一般計時器的中斷用於烘洗衣行程中、烘洗衣行程結束後第一次及第二次電磁鎖鎖住計時共三處。在這三處使用中斷原因與外部中斷相同,因為在這三個時間點,一方面要計時,另一方面必需偵測按鍵是否有被按下,故主程式在此時主要執行偵測按鍵是否有被按下的工作,若計時時間到,利用中斷通知MCU處理,HT66F70A的中斷程式寫法與MCS-51類似,且盛群所發行的MCU資料文件內,對於中斷使用方式也有詳細的說明,十分容易上手。除了中斷的應用以外,程式內第二個重點為密碼比對,在本專題內,使用了間接定址法儲存消費者所輸入之手機號碼,因此號碼也需要顯示在LCD螢幕上,故需將使用輸入的手機號碼轉換成ASCII碼,比對密碼時,亦使用間接定址法呼叫出先前所儲存的使用者密碼交互比對,HT66F70A共有兩組暫存器可供使用間接定址,程式撰寫上也是相當容易達成。


整個自助式烘洗衣機防盜系統的控制流程圖,如圖5所示,程式開始時,LCD第一行會先顯示Welcome等待消費者投幣,待消費者投幣後,LCD螢幕上第一行顯示金額,因目前自助洗衣店內投幣機僅能投10元硬幣,故在此可計數投幣次數,並同時計算烘洗衣物行程時間。之後消費者開始輸入密碼(即手機號碼),此時會顯示在LCD第二行處,若輸入錯誤,可按下「清除」鍵重新輸入密碼。輸入密碼完成後按下「確認」鍵,電磁鎖將門鎖住,滾筒馬達開始運轉,系統進入Running模式。程式進入等待偵測消費者是否按下任何按鍵後,LCD螢幕顯示Password?,系統會進入密碼輸入模式。若消費者中途還要再放入衣物時,可輸入密碼,若比對不正確,系統不做任何反應,LCD螢幕顯示Running;若比對正確,LCD螢幕顯示Stop,馬達停止運轉、計時計數器停止動作及電磁鎖解鎖,當消費者再次關門後,按下「確認」鍵,LCD螢幕顯示Running,電磁鎖再次將門鎖住,滾筒馬達開始運轉,計時計數器繼續計數。


當烘洗衣物行程時間結束後,系統進入第一階段Locking模式,LCD螢幕顯示Locking,馬達停止運轉、電磁鎖仍上鎖、計時計數器重新計時1分鐘,此時若消費者在洗衣店內等待,則可按下任何按鍵,LCD螢幕顯示Password?直接輸入密碼,比對成功後電磁鎖解鎖,消費者可直接取衣物,系統回到Welcome模式,等待下一個消費者,此時因消費者就在店內直接取衣,故系統不會撥號給消費者。若第一階段Locking模式結束,消費者仍未取衣時,表示此時消費者不在店內,或在店內但未注意到機器已停止運轉。


此時系統會進入第二階段Locking模式,以密碼為電話號碼,撥號給消費者,15秒後掛斷,且計時計數器重新開始計時約10分鐘(此時間可依自助洗衣店離市區之距離而調整)。在此方面,通知消費者的方法大部分都會想到以「簡訊」通知,但使用簡訊通知消費者或自助洗衣店店家一定要多付此筆費用,會增加消費者或是店家的負擔。


在此,因目前手機或市內電話上,都會有來電顯示及電話薄功能,在自助洗衣店內入口處,貼上告示,請消費者將自助洗衣店電話號碼登記在手機或市話的電話薄內,名稱上使用”衣物已烘洗完成請速到店取衣”,當烘洗衣機自動撥號後,手機或市電的來電顯示即會顯示這些字樣,消費者不必接聽,即可知到衣物已烘洗完成。以此方式通知消費者,暨有簡訊的功能,又能節使簡訊費用,且鈴響時間比簡訊長,為此系統另一個創意的應用。


若在第二階段Locking模式結束前,消費者到店內取衣,則可按下任何按鍵,LCD螢幕顯示Password?直接輸入密碼,比對成功後電磁鎖解鎖,消費者可直接取衣物,系統回到Welcome模式,等待下一個消費者。若密碼輸入不正確時,則LCD螢幕顯示Locking,系統不做任何處理,電磁鎖持續上鎖,防止衣特遭不法人士竊取。之後,在第二階段Locking模式結束後,消費者仍然未到店內取衣時,為了維護下一位消費者權益,電磁鎖自動解鎖,系統回復Welcome模式,等待下一位消費者蒞臨使用。


測試方法

以HT66F70A所計的烘洗衣機防盜裝置,其完整電路圖如圖6所示。在此圖中也包含先前所介紹的馬達、鍵盤、LCD、HT9200A、微動開關及電磁鎖控制電路。實做自助烘洗衣機防盜裝置硬體電路如圖7所示,背面Layout如圖8所示。



圖6 : 自助式烘洗衣機防盜裝置整體電路圖
圖6 : 自助式烘洗衣機防盜裝置整體電路圖

圖7 : 自助烘洗衣機防盜裝置硬體電路
圖7 : 自助烘洗衣機防盜裝置硬體電路

圖8 : 硬體PCB板Layout電路圖
圖8 : 硬體PCB板Layout電路圖

而為了展示系統功能,本專題所製作的滾筒式烘洗衣機模型正面面板如圖9所示,右邊藍色面板為LCD、鍵盤及投幣器;白色面板內有圓型門、微動開關及電磁開關。模型背面組成元件如圖10所示,其淺藍色圓形滾筒直接與直流馬達連接,圖中亦可看到LCD、鍵盤、電話接線盒與電路板利用杜邦線連接。電路板由圖7中可更清楚的觀察,其中可變電阻為調整LCD亮度使用,在HT66F70A轉接板上第7、8及50、51腳位上焊有2pin杜邦公頭為方便下載燒錄程式使用,不需拔轉接板,可直接燒錄,達到真正ISP(In System Programmable)功能,非常方便使用。



圖9 : 自助烘洗衣機防盜裝置模擬硬體面板
圖9 : 自助烘洗衣機防盜裝置模擬硬體面板

圖10 : 自助烘洗衣機防盜裝置模擬硬體背面
圖10 : 自助烘洗衣機防盜裝置模擬硬體背面

此自助烘洗衣機防盜裝置,在常溫常壓環境下測試,測試場所需有110V電源,以及一條可撥打外線的電話線路,此自助式洪洗衣機開始測試時,其門可以任意啟閉,等待消費者放入衣物後,開始啟動整個系統,當消費者投幣時,LCD可顯示投幣金額(或可改為洗烘衣行程時間),當投幣完成後,消費者即可輸入10碼的電話號碼,此電話號碼亦為開啟烘洗衣機門的密碼,輸入完密碼後電磁鎖即開始通電致能,當烘洗衣機門關閉觸動微動開關後,馬達開始啟動,烘洗衣計時器開始計時,若此時消費者要開啟烘洗衣機門時,需輸入密碼,若烘洗時間計時到,系統先等待一小段時間後,消費者仍未取衣時,系統將撥出消費者所輸入的電話號碼,鈴響約15秒後系統會掛斷電話,此時室內電話或手機上會顯示自助式烘洗衣店的電話號碼或「衣物已烘洗完成請速到店取衣」字樣,消費者看到後不需接通電話,即可知道衣物已烘洗完成,儘速到店拿取,可節省通訊費用,此時烘洗衣機的門尚被鎖住,可防止衣物失竊或任意被他人翻閱,延遲計時器開始計時,若使用者在10分鐘內沒有到取衣,為了維護下一位消費者權益,烘洗衣機門將自動解鎖。


結論

一般市面上的自動烘洗衣機店,防盜措施只有安裝攝影機及張貼警告標語,所以未能確實地達到防盜的效果。不過只要安裝本專題所發展的烘洗衣機防盜裝置,就能大大降低失竊率及增加個人隱私。此套裝置有加裝電磁鎖及打電話提醒的功能,所以更能讓消費者不用擔心衣服被偷,也可以讓消費者在烘衣服的這段時間安心地去做別的事情。當烘衣完畢後也會以電話通知讓消費者不會忘記取衣。這套裝置未來可以結合手機APP功能,在還沒出門時就可以知道是否有空的機台,或是顯現出正在使用的烘洗衣機結束時間,時間到時自動提醒消費者來提高便利性。


(本文作者王勝寬為明志科技大學電機系教授;余展鋒、黃柏翰、廖展毅、游珺雯為明志科技大學電機系學生)


參考文獻

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.張慶龍,單晶片控制與網路傳輸應用-使用HT48R系列晶片。


5.盛群第10屆競賽培訓會明志場講義。


6.劉銘中,MCS-51單晶片原理與I/O應用。


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