魔改升級(jí)我們的武器——電蚊拍

夏天來(lái)了，又到了蚊子嗡嗡嗡的季節(jié)，在這一點(diǎn)上，國(guó)內(nèi)和海外并沒(méi)有區(qū)別。

今天我們介紹的項(xiàng)目，就是魔改升級(jí)我們的武器——電蚊拍，讓我們與蚊子的斗爭(zhēng)更加有趣一些！

升級(jí)后的電蚊拍功能包括：

• 添加電子裝置來(lái)檢測(cè)殺傷力
• 增加一個(gè)4位數(shù)的計(jì)數(shù)器，統(tǒng)計(jì)“擊殺數(shù)”
• 支持USB充電
• 增加“擊殺聲音”以獲得更好的體驗(yàn)

創(chuàng)作思路

作者的想法是，當(dāng)蚊子撞上電蚊拍的金屬網(wǎng)并產(chǎn)生電弧時(shí)，電蚊拍的電路上一定有一些電流的變化。如果能在電路中找到一個(gè)可以被Arduino或ATtiny讀取的地方（即0到5伏之間），那么就可以很容易地進(jìn)行計(jì)數(shù)和顯示分?jǐn)?shù)，并播放聲音。

聲音功能可以用DFPlayer模塊很容易地在ATtiny上添加。

分?jǐn)?shù)將會(huì)用一個(gè)4位7段的顯示器來(lái)顯示，它的板載TM1637只用兩根線（ATtiny的兩個(gè)IO引腳）就能驅(qū)動(dòng)這個(gè)顯示器。

因?yàn)檫@些電子模塊是在5V下運(yùn)行的，而電蚊拍通常是用2節(jié)1.5V的電池的，所以順便用USB充電電池升級(jí)一下電蚊拍的電源部分。

換句話說(shuō)，這次的“武器升級(jí)”都是用相對(duì)容易找到的現(xiàn)成的電子模塊來(lái)改造的，唯一的 復(fù)雜一點(diǎn)的地方是在信號(hào)計(jì)算方面，這塊是由ATtiny通過(guò)編程處理的。

在下面的教程分享中，假定大家都對(duì)Ardiuno和如何編程有一些了解，如果沒(méi)有，可以先學(xué)習(xí)一下Arduino基礎(chǔ)教程。

在開(kāi)始之前還需要說(shuō)明一個(gè)安全問(wèn)題：

電蚊拍使用高電壓（按下按鈕時(shí)網(wǎng)狀物上有幾百伏的電壓），即使電流很低，在連接電池時(shí)也要注意不要接觸它或其內(nèi)部電路。

注意不要讓小孩子玩這個(gè)。

材料

對(duì)于這個(gè)“終極”電蚊拍，我們需要：

• 一個(gè)電蚊拍
• Digispark pro (帶有ATtiny，在網(wǎng)上很容易找到)
• DFPlayer (DFRobot購(gòu)買)
• 電阻器：1Ω、1kΩ
• 8Ω 揚(yáng)聲器
• SD卡（一個(gè)小容量的卡即可，用來(lái)存儲(chǔ)一些聲音文件）
• 鋰離子充電電池：廢舊電池
• 電池充電器
• 電位器（我用的是1MΩ的，這不是很重要，但高數(shù)值會(huì)限制通過(guò)電位器的電流消耗）
• 帶有TM1637的四位數(shù)LED顯示屏（確保是4位數(shù)顯示屏+TM1637，而不是只有4位數(shù)顯示屏）
• 電容：470μF
• 開(kāi)/關(guān)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)
• 按鈕
• 電線（重復(fù)使用舊的電話線或網(wǎng)線）

工具部分，我們需要用到電烙鐵、一把熱膠槍和一臺(tái)3D打印機(jī)（一些創(chuàng)意來(lái)修改拍子的手柄......)

第1步：如何升級(jí)我們的電蚊拍？

如果你不關(guān)心它的工作方式，只是想要做“終極”電蚊拍，那可以跳過(guò)這個(gè)步驟。

解釋電蚊拍如何工作的資源可以在互聯(lián)網(wǎng)上找到。https://www.homemade-circuits.com/mosquito-swatter-bat-circuit/

它是振蕩電路和一個(gè)將電壓提升到數(shù)百伏的電路，再加上連接到拍子的金屬網(wǎng)組成的。

首先遇到的問(wèn)題是，找不到什么東西可以在這里掛上ATtiny（由于ATtiny的5伏限制，高壓側(cè)不能直接使用）。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，第二個(gè)想法是測(cè)量電流消耗。

當(dāng)金屬網(wǎng)上發(fā)生電弧，蚊子被電殺時(shí)，一定有一些能量消耗，應(yīng)該可以通過(guò)ATtiny讀取。

測(cè)量這個(gè)消耗的最好方法是測(cè)一下電流消耗，而測(cè)量電流的最簡(jiǎn)單方法是測(cè)量電阻上的電壓，這一點(diǎn)ATtiny可以做到。

因此，計(jì)數(shù)蚊子的方法是在電池和電蚊拍電路之間插入一個(gè)小電阻，并監(jiān)測(cè)這個(gè)電阻上的電壓。

除此之外，我們使用已經(jīng)制作好的電子模塊（每個(gè)功能都有一個(gè)：聲音、顯示、充電器等），所以綜合來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)相對(duì)比較簡(jiǎn)單的電子項(xiàng)目了。

第2步：準(zhǔn)備電路

主要組件有：

• ATtiny (Digispark pro)
• DFPlayer
• USB充電器和電池
• 顯示器
• 重置按鈕
• 開(kāi)/關(guān)開(kāi)關(guān)
• 用于調(diào)節(jié)音量的電位器
• 兩個(gè)電阻和一個(gè)電容

我們最好先把它們擺放好，好確保它們能放進(jìn)在手柄里，Digispark和DFPlayer可以靠近一點(diǎn)，根據(jù)它們?cè)谧罱K模塊中的位置，給其他組件留出合適的電線長(zhǎng)度（即USB充電器上有一個(gè)USB端口，需要可以用來(lái)充電）。

第3步：拆開(kāi)電蚊拍

卸下電池，拆開(kāi)拍子（應(yīng)該只有幾個(gè)螺絲）。

可以先看一下大概有多少空間留給我們來(lái)放附加的組件。

也可以順便看看你的拍子是否與這個(gè)教程分享中使用的拍子一樣。

需要注意的主要區(qū)別是拍子的推鈕的 "位置"。在圖中，它位于電池的+號(hào)和拍子的電路之間。如果是這樣的話，就可以了（見(jiàn)照片）。

在某些拍子上，這個(gè)按鈕位于地線-和電路之間。在這種情況下，下面修改和代碼將不起作用。將會(huì)需要在硬件和軟件方面進(jìn)行一些調(diào)整。

第4步：魔改電蚊拍

在這個(gè)步驟中，我們：

• 在為兩個(gè)AAA電池設(shè)計(jì)的隔間里給電池騰出一些空間（并重新使用充電電池的電池接頭）。

第5步：構(gòu)建電路并焊接元件

根據(jù)所有元件的最終位置預(yù)先進(jìn)行布局，估計(jì)一下各種線的長(zhǎng)度，開(kāi)始焊接。

在上一步中，為了清楚起見(jiàn)，沒(méi)有畫出地線和VCC（5V）線，但所有的地線都需要相互連接，所有的VCC都需要相互連接。

對(duì)于VCC，Digispark有3個(gè)標(biāo)有5V的引腳，它們是連在一起的，可以用來(lái)重新分配給其他元件。不要使用Digispark的VIN（VIN是一個(gè)需要高于6V的電壓輸入，我們不使用它，而是使用電池充電器的5V輸出）。

建議從Digispark開(kāi)始：

• 將Digispark焊接到DFPlayer上
• 將Digispark焊接到顯示屏、按鈕和電位器上
• 使用熱縮管避免接觸和短路（比如在Digispark和DFPlayer之間的電阻）

然后，繼續(xù)進(jìn)行電蚊拍電路、電池充電器、開(kāi)關(guān)的連接：

• 電池 -到充電器 電池 - 輸入
• 電池+到充電器 電池+輸入
• 電蚊拍電路上的1歐姆電阻+
• 電蚊拍電路的+和-上的電容器，注意電容器的極性!
• Digispark的A12腳與按鈕相連（按鈕有兩個(gè)接頭，一個(gè)與電池+連接，A12與另一個(gè)連接）
• 使用熱縮管來(lái)避免接觸和短路（在電容器/電阻上等等）。

第6步：隔離顯示屏與電蚊拍電路

在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)會(huì)遇到顯示問(wèn)題——當(dāng)蚊子碰到電蚊拍的網(wǎng)眼時(shí)，顯示屏?xí)P(guān)閉或者出錯(cuò)。

懷疑這是由于高電壓變化產(chǎn)生的電子干擾影響了顯示電路和連接。

修復(fù)方法很簡(jiǎn)單，在電路上貼一些膠帶，鋁箔（電磁屏蔽），再貼膠帶。

當(dāng)然，不要把鋁箔直接放在電路上……

第7步：在SD卡上加載聲音

DFPlayer播放的聲音是存儲(chǔ)在SD卡上的。

做法很簡(jiǎn)單，把卡裝好，然后復(fù)制選擇的聲音：

• 開(kāi)機(jī)時(shí)播放的聲音（"準(zhǔn)備好進(jìn)行下一場(chǎng)戰(zhàn)斗"）
• 一個(gè) "怪物被殺 "的聲音
• 一個(gè) "等級(jí)提升 "的聲音
• 一些在檢測(cè)到擊殺時(shí)隨機(jī)播放的聲音文件

DFPlayer將根據(jù) "軌道編號(hào) "播放聲音。

根據(jù)觀察，發(fā)現(xiàn)文件不是根據(jù)它們的名字來(lái)排序的，而是根據(jù)它們?cè)诳ㄉ系?/span>inode號(hào)來(lái)排序的（在Linux上可以用 ls -id 查看）

ls-id*|more
6471_Monster_kill.mp3
6482_mixkit-final-level-bonus-2061.wav
6493_get_ready_to_the_newt_fight.mp3
650mixkit-arcade-retro-scoring-counter-273.wav
651mixkit-arcade-video-game-bonus-2044.wav
652mixkit-arcade-video-game-scoring-presentation-274.wav
653mixkit-game-bonus-reached-2065.wav
654mixkit-game-experience-level-increased-2062.wav
655mixkit-winning-an-extra-bonus-2060.wav

如果你從一張新成型的卡開(kāi)始，軌道號(hào)/inode的順序?qū)⑹锹曇粑募膹?fù)制順序（即復(fù)制在卡上的第一個(gè)文件就是1號(hào)）。

在下面的代碼中，文件/音軌的選擇是通過(guò)setTrack()完成的。

//0israndombetwentracks4to9
//1ismonsterkill=track1(listedbyinodeoncard(ls-id))
//2islevelup
//3ispoweron
if(sound_type==0)setTrack(int(random(4,9)));//SDcardcontains9files
if(sound_type==1)setTrack(1);//monsterkill
if(sound_type==2)setTrack(2);//levelup
if(sound_type==3)setTrack(3);//poweron

你可以自行修改這部分，讓動(dòng)作sound_type和播放的音頻之間匹配上。

音頻可以到文末打包下載。

第8步：打印一個(gè)新的握柄

如果電蚊拍和上面的一樣，可以直接打印這個(gè)的手柄設(shè)計(jì)。

如果不一樣，可能需要自己設(shè)計(jì)一個(gè)。

不過(guò)，有些拍子的手柄很大，然后里面幾乎什么都沒(méi)有，也可以直接裝上附加電路。記得我們?nèi)匀恍枰獮轱@示屏和揚(yáng)聲器找一個(gè)位置。

3D打印的文件可以到文末打包下載。

第9步：組裝起來(lái)

這邊用熱膠槍將零件固定在它們的最終位置。

揚(yáng)聲器也是直接粘在拍子上的。

第10步：蚊子在哪里？

再次重申，如果你不關(guān)心它的工作方式，只是想得到你的“終極”電蚊拍的玩家，你可以跳過(guò)這一步......或者之后再來(lái)看。

一旦我們把所有的元件都焊接在一起，如果在ATtiny上加載一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，只做一個(gè)模擬讀?。ˋ12），然后看一下原始數(shù)據(jù)：

原始數(shù)據(jù)看起來(lái)非常嘈雜，我們無(wú)法知道在圖上什么地方/什么時(shí)候有蚊子（或其他東西，我沒(méi)有等蚊子打我的球拍來(lái)調(diào)試代碼 :) 它自己撞到了電蚊拍的網(wǎng)眼上（見(jiàn)圖1）。

平均數(shù)是清理部分噪音的好方法，我的想法是將最后的平均數(shù)與 "長(zhǎng)期 "平均數(shù)進(jìn)行比較，但結(jié)果也有點(diǎn)讓人失望（見(jiàn)圖2）。

然后學(xué)習(xí)一下別人是怎么做的：https://www.iese.fraunhofer.de/blog/change-point-detection/

這看起來(lái)正是我們尋找的，計(jì)算信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)該能讓我們檢測(cè)到蚊子被擊殺了（見(jiàn)上面鏈接中的"Animation of change point detection via sliding window"部分）。

應(yīng)用于我們的設(shè)置，會(huì)得到以下結(jié)果（圖3）。

在程序中，我們計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)差的平方，我們可以看到，當(dāng)按下或釋放按鈕時(shí)，它達(dá)到非常高的值（這是預(yù)期的，信號(hào)從0V到接近5V），但一旦這些階段被排除，我們就可以監(jiān)測(cè)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，并假設(shè)如果它達(dá)到一些高值，我們?cè)陔娐分杏幸粋€(gè)干擾，這一定就是一個(gè)蚊子被“擊殺”了（圖4）!

現(xiàn)在我們知道了如何判斷完成了“一次擊殺”，剩下的就簡(jiǎn)單了（播放聲音，增加分?jǐn)?shù)）。

為了更準(zhǔn)確，我們又增加了一些東西：

• 一個(gè)470uF的電容器（它本身提供了一些更多的噪音過(guò)濾，并在需要大電流時(shí)作為“充電寶”）
• 我們有一個(gè)兩級(jí)平均機(jī)制（在代碼中可以看到，我們?cè)谠紶顟B(tài)下測(cè)量了5次A12腳的電壓，取其平均值，然后將這個(gè)平均值存儲(chǔ)在標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算的滑動(dòng)窗口中）。

第11步：在Digispark Pro上加載程序

這個(gè)比較簡(jiǎn)單，可以使用Arduino IDE對(duì)ATtiny進(jìn)行編程。

Wiki：http://digistump.com/wiki/Digispark/tutorials/connectingpro

對(duì)代碼做一些解釋：

在setup()函數(shù)中，我們初始化DFPlayer所需的串行通信，讀取電位計(jì)值以調(diào)整音量（在設(shè)置時(shí)只讀取一次，這意味著拍子需要關(guān)閉/打開(kāi)電源來(lái)考慮到音量調(diào)整）。

對(duì)于計(jì)數(shù)器的重置，如果你想把分?jǐn)?shù)重置為零，你需要按下重置按鈕，打開(kāi)拍子的電源，等待顯示屏顯示 "0"。

然后它就會(huì)讀取存儲(chǔ)在EEPROM中的分?jǐn)?shù)。

它設(shè)置顯示屏的亮度（否則它將保持關(guān)閉）。

在loop()函數(shù)中，我們基本上是處理拍子功率的平均值process_average()和標(biāo)準(zhǔn)差的平方，它告訴我們是否有殺傷力process_std_dev()

相關(guān)代碼可以在文末下載。

第12步：更新Digispark micronucleus（可選）

Digispark micronucleus是負(fù)責(zé) "啟動(dòng) "Digispark的一段代碼。

它檢查我們是否上傳了一個(gè)新的程序，如果沒(méi)有就啟動(dòng)已經(jīng)加載的程序。

問(wèn)題是它需要等待6秒鐘，這個(gè)時(shí)間對(duì)于我們想要啟動(dòng)我們的武器來(lái)拍蚊子，就會(huì)顯得比較長(zhǎng)了。

不過(guò)，micronucleus有一些變種有不同的檢查機(jī)制。如果你按照這些說(shuō)明更新micronucleus（使用 "推薦 "配置），拍子將在一兩秒后準(zhǔn)備好。

參考：https://github.com/ArminJo/micronucleus-firmware

在更新micronucleus固件后重新加載你的程序即可。

第13步：故障排除

希望你不需要讀這個(gè)，

一些提示，以防萬(wàn)一......

1、工作不多......檢查電線和焊料；

2、如果電蚊拍自己重新啟動(dòng)（你聽(tīng)到了啟動(dòng)的聲音，但沒(méi)有開(kāi)/關(guān)），請(qǐng)給電池充電；

3、大約30秒后，電蚊拍就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

• 一些USB充電器電路有一個(gè)自動(dòng)待機(jī)模式（我的就是這種情況，使用的是芯片IP5306），如果消耗的電流低于一定量（IP5306為45mA），就會(huì)進(jìn)入待機(jī)模式。
• 第一個(gè)可能的解決方法是定期按下拍子按鈕......比如每20秒。電路板（含IP5306）有一個(gè) "鑰匙 "功能，可以開(kāi)啟或關(guān)閉電源，在電路板上標(biāo)有 "K"。上面建議的代碼中的watchdog()功能將保持電源正常工作。

4、如果拍子的檢測(cè)能力真的很差或經(jīng)常檢測(cè)錯(cuò)誤...那么可能要做一些代碼調(diào)整。

如果你想用USB端口來(lái)顯示一些變量，你必須修改代碼，以便使用DigiCDC庫(kù)并刪除SoftSerial（用于4位數(shù)顯示）。但更重要的是，當(dāng)這樣做時(shí)，我們將從USB口而不是電池充電器口獲得電源，這就有很大的區(qū)別......VCC的質(zhì)量對(duì)我們計(jì)算的平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差有很大影響......

換句話說(shuō)，在USB上連接時(shí)進(jìn)行的任何調(diào)整，在用電池運(yùn)行時(shí)可能會(huì)失效。

獲得一些小信息的方法是使用顯示器本身（即在按下復(fù)位按鈕時(shí)顯示最后的標(biāo)準(zhǔn)差）。

知道了這些，你就可以試著調(diào)整代碼中的以下數(shù)值，這些數(shù)值對(duì)我們的檢測(cè)有很大的影響。

單次讀取的樣本數(shù)：

intsamples=10;

平均滑動(dòng)窗口的大?。?/span>

intnbr_slot=15;
intvalue[16];//arrayof(nbr_slot+1)

標(biāo)準(zhǔn)差的閾值：

intthreshold=110;
intmonster_threshold=250;

第14步：繼續(xù)改進(jìn)電蚊拍，分享你的改進(jìn)方法

如果你找到了更加簡(jiǎn)單的改造電蚊拍的方法或者是設(shè)計(jì)，歡迎分享出來(lái)！

審核編輯 ：李倩