魔改升级我们的武器——电蚊拍

 

 

夏天来了，又到了蚊子嗡嗡嗡的季节，在这一点上，国内和海外并没有区别。

今天我们介绍的项目，就是魔改升级我们的武器——电蚊拍，让我们与蚊子的斗争更加有趣一些！

升级后的电蚊拍功能包括：

• 添加电子装置来检测杀伤力
• 增加一个4位数的计数器，统计“击杀数”
• 支持USB充电
• 增加“击杀声音”以获得更好的体验

创作思路

作者的想法是，当蚊子撞上电蚊拍的金属网并产生电弧时，电蚊拍的威廉希尔官方网站 上一定有一些电流的变化。如果能在威廉希尔官方网站 中找到一个可以被Arduino或ATtiny读取的地方（即0到5伏之间），那么就可以很容易地进行计数和显示分数，并播放声音。

声音功能可以用DFPlayer模块很容易地在ATtiny上添加。

分数将会用一个4位7段的显示器来显示，它的板载TM1637只用两根线（ATtiny的两个IO引脚）就能驱动这个显示器。

因为这些电子模块是在5V下运行的，而电蚊拍通常是用2节1.5V的电池的，所以顺便用USB充电电池升级一下电蚊拍的电源部分。

换句话说，这次的“武器升级”都是用相对容易找到的现成的电子模块来改造的，唯一的 复杂一点的地方是在信号计算方面，这块是由ATtiny通过编程处理的。

在下面的教程分享中，假定大家都对Ardiuno和如何编程有一些了解，如果没有，可以先学习一下Arduino基础教程。

在开始之前还需要说明一个安全问题：

电蚊拍使用高电压（按下按钮时网状物上有几百伏的电压），即使电流很低，在连接电池时也要注意不要接触它或其内部威廉希尔官方网站 。

注意不要让小孩子玩这个。

材料

对于这个“终极”电蚊拍，我们需要：

• 一个电蚊拍
• Digispark pro (带有ATtiny，在网上很容易找到)
• DFPlayer (DFRobot购买)
• 电阻器：1Ω、1kΩ
• 8Ω 扬声器
• SD卡（一个小容量的卡即可，用来存储一些声音文件）
• 锂离子充电电池：废旧电池
• 电池充电器
• 电位器（我用的是1MΩ的，这不是很重要，但高数值会限制通过电位器的电流消耗）
• 带有TM1637的四位数LED显示屏（确保是4位数显示屏+TM1637，而不是只有4位数显示屏）
• 电容：470μF
• 开/关拨动开关
• 按钮
• 电线（重复使用旧的电话线或网线）

工具部分，我们需要用到电烙铁、一把热胶枪和一台3D打印机（一些创意来修改拍子的手柄......)

第1步：如何升级我们的电蚊拍？

如果你不关心它的工作方式，只是想要做“终极”电蚊拍，那可以跳过这个步骤。

解释电蚊拍如何工作的资源可以在互联网上找到。https://www.homemade-circuits.com/mosquito-swatter-bat-circuit/

它是振荡威廉希尔官方网站 和一个将电压提升到数百伏的威廉希尔官方网站 ，再加上连接到拍子的金属网组成的。

首先遇到的问题是，找不到什么东西可以在这里挂上ATtiny（由于ATtiny的5伏限制，高压侧不能直接使用）。

为了解决这个问题，第二个想法是测量电流消耗。

当金属网上发生电弧，蚊子被电杀时，一定有一些能量消耗，应该可以通过ATtiny读取。

测量这个消耗的最好方法是测一下电流消耗，而测量电流的最简单方法是测量电阻上的电压，这一点ATtiny可以做到。

因此，计数蚊子的方法是在电池和电蚊拍威廉希尔官方网站 之间插入一个小电阻，并监测这个电阻上的电压。

除此之外，我们使用已经制作好的电子模块（每个功能都有一个：声音、显示、充电器等），所以综合来说，这是一个相对比较简单的电子项目了。

第2步：准备威廉希尔官方网站

 

主要组件有：

• ATtiny (Digispark pro)
• DFPlayer
• USB充电器和电池
• 显示器
• 重置按钮
• 开/关开关
• 用于调节音量的电位器
• 两个电阻和一个电容

我们最好先把它们摆放好，好确保它们能放进在手柄里，Digispark和DFPlayer可以靠近一点，根据它们在最终模块中的位置，给其他组件留出合适的电线长度（即USB充电器上有一个USB端口，需要可以用来充电）。

第3步：拆开电蚊拍

卸下电池，拆开拍子（应该只有几个螺丝）。

可以先看一下大概有多少空间留给我们来放附加的组件。

也可以顺便看看你的拍子是否与这个教程分享中使用的拍子一样。

需要注意的主要区别是拍子的推钮的 "位置"。在图中，它位于电池的+号和拍子的威廉希尔官方网站 之间。如果是这样的话，就可以了（见照片）。

在某些拍子上，这个按钮位于地线-和威廉希尔官方网站 之间。在这种情况下，下面修改和代码将不起作用。将会需要在硬件和软件方面进行一些调整。

第4步：魔改电蚊拍

在这个步骤中，我们：

• 在为两个AAA电池设计的隔间里给电池腾出一些空间（并重新使用充电电池的电池接头）。

第5步：构建威廉希尔官方网站 并焊接元件

根据所有元件的最终位置预先进行布局，估计一下各种线的长度，开始焊接。

在上一步中，为了清楚起见，没有画出地线和VCC（5V）线，但所有的地线都需要相互连接，所有的VCC都需要相互连接。

对于VCC，Digispark有3个标有5V的引脚，它们是连在一起的，可以用来重新分配给其他元件。不要使用Digispark的VIN（VIN是一个需要高于6V的电压输入，我们不使用它，而是使用电池充电器的5V输出）。

建议从Digispark开始：

• 将Digispark焊接到DFPlayer上
• 将Digispark焊接到显示屏、按钮和电位器上
• 使用热缩管避免接触和短路（比如在Digispark和DFPlayer之间的电阻）

然后，继续进行电蚊拍威廉希尔官方网站 、电池充电器、开关的连接：

• 电池 -到充电器 电池 - 输入
• 电池+到充电器 电池+输入
• 电蚊拍威廉希尔官方网站 上的1欧姆电阻+
• 电蚊拍威廉希尔官方网站 的+和-上的电容器，注意电容器的极性!
• Digispark的A12脚与按钮相连（按钮有两个接头，一个与电池+连接，A12与另一个连接）
• 使用热缩管来避免接触和短路（在电容器/电阻上等等）。

第6步：隔离显示屏与电蚊拍威廉希尔官方网站

在测试中发现会遇到显示问题——当蚊子碰到电蚊拍的网眼时，显示屏会关闭或者出错。

怀疑这是由于高电压变化产生的电子干扰影响了显示威廉希尔官方网站 和连接。

修复方法很简单，在威廉希尔官方网站 上贴一些胶带，铝箔（电磁屏蔽），再贴胶带。

当然，不要把铝箔直接放在威廉希尔官方网站 上……

第7步：在SD卡上加载声音

DFPlayer播放的声音是存储在SD卡上的。

做法很简单，把卡装好，然后复制选择的声音：

• 开机时播放的声音（"准备好进行下一场战斗"）
• 一个 "怪物被杀 "的声音
• 一个 "等级提升 "的声音
• 一些在检测到击杀时随机播放的声音文件

DFPlayer将根据 "轨道编号 "播放声音。

根据观察，发现文件不是根据它们的名字来排序的，而是根据它们在卡上的inode号来排序的（在Linux上可以用 ls -id 查看）

ls -id * | more
647 1_Monster_kill.mp3
648 2_mixkit-final-level-bonus-2061.wav
649 3_get_ready_to_the_newt_fight.mp3
650 mixkit-arcade-retro-scoring-counter-273.wav
651 mixkit-arcade-video-game-bonus-2044.wav
652 mixkit-arcade-video-game-scoring-presentation-274.wav
653 mixkit-game-bonus-reached-2065.wav
654 mixkit-game-experience-level-increased-2062.wav
655 mixkit-winning-an-extra-bonus-2060.wav

如果你从一张新成型的卡开始，轨道号/inode的顺序将是声音文件的复制顺序（即复制在卡上的第一个文件就是1号）。

在下面的代码中，文件/音轨的选择是通过setTrack()完成的。

 // 0 is random betwen tracks 4 to 9
 // 1 is monster kill = track 1 (listed by inode on card (ls -id))
 // 2 is level up
 // 3 is power on
 if (sound_type==0)  setTrack(int(random(4,9))); //SD card contains 9 files
 if (sound_type==1)  setTrack(1); // monster kill
 if (sound_type==2)  setTrack(2); //level up
 if (sound_type==3)  setTrack(3); //power on

你可以自行修改这部分，让动作sound_type和播放的音频之间匹配上。

音频可以到文末打包下载。

第8步：打印一个新的握柄

如果电蚊拍和上面的一样，可以直接打印这个的手柄设计。

如果不一样，可能需要自己设计一个。

不过，有些拍子的手柄很大，然后里面几乎什么都没有，也可以直接装上附加威廉希尔官方网站 。记得我们仍然需要为显示屏和扬声器找一个位置。

3D打印的文件可以到文末打包下载。

第9步：组装起来

这边用热胶枪将零件固定在它们的最终位置。

扬声器也是直接粘在拍子上的。

第10步：蚊子在哪里？

再次重申，如果你不关心它的工作方式，只是想得到你的“终极”电蚊拍的玩家，你可以跳过这一步......或者之后再来看。

一旦我们把所有的元件都焊接在一起，如果在ATtiny上加载一个简单的程序，只做一个模拟读取（A12），然后看一下原始数据：

原始数据看起来非常嘈杂，我们无法知道在图上什么地方/什么时候有蚊子（或其他东西，我没有等蚊子打我的球拍来调试代码 :) 它自己撞到了电蚊拍的网眼上（见图1）。

平均数是清理部分噪音的好方法，我的想法是将最后的平均数与 "长期 "平均数进行比较，但结果也有点让人失望（见图2）。

然后学习一下别人是怎么做的：https://www.iese.fraunhofer.de/blog/change-point-detection/

这看起来正是我们寻找的，计算信号的标准差应该能让我们检测到蚊子被击杀了（见上面链接中的"Animation of change point detection via sliding window"部分）。

应用于我们的设置，会得到以下结果（图3）。

在程序中，我们计算了标准差的平方，我们可以看到，当按下或释放按钮时，它达到非常高的值（这是预期的，信号从0V到接近5V），但一旦这些阶段被排除，我们就可以监测这个标准差，并假设如果它达到一些高值，我们在威廉希尔官方网站 中有一个干扰，这一定就是一个蚊子被“击杀”了（图4）!

现在我们知道了如何判断完成了“一次击杀”，剩下的就简单了（播放声音，增加分数）。

为了更准确，我们又增加了一些东西：

• 一个470uF的电容器（它本身提供了一些更多的噪音过滤，并在需要大电流时作为“充电宝”）
• 我们有一个两级平均机制（在代码中可以看到，我们在原始状态下测量了5次A12脚的电压，取其平均值，然后将这个平均值存储在标准差计算的滑动窗口中）。

第11步：在Digispark Pro上加载程序

这个比较简单，可以使用Arduino IDE对ATtiny进行编程。

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

对代码做一些解释：

在setup()函数中，我们初始化DFPlayer所需的串行通信，读取电位计值以调整音量（在设置时只读取一次，这意味着拍子需要关闭/打开电源来考虑到音量调整）。

对于计数器的重置，如果你想把分数重置为零，你需要按下重置按钮，打开拍子的电源，等待显示屏显示 "0"。

然后它就会读取存储在EEPROM中的分数。

它设置显示屏的亮度（否则它将保持关闭）。

在loop()函数中，我们基本上是处理拍子功率的平均值process_average()和标准差的平方，它告诉我们是否有杀伤力process_std_dev()

相关代码可以在文末下载。

第12步：更新Digispark micronucleus（可选）

Digispark micronucleus是负责 "启动 "Digispark的一段代码。

它检查我们是否上传了一个新的程序，如果没有就启动已经加载的程序。

问题是它需要等待6秒钟，这个时间对于我们想要启动我们的武器来拍蚊子，就会显得比较长了。

不过，micronucleus有一些变种有不同的检查机制。如果你按照这些说明更新micronucleus（使用 "推荐 "配置），拍子将在一两秒后准备好。

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

在更新micronucleus固件后重新加载你的程序即可。

第13步：故障排除

希望你不需要读这个，

一些提示，以防万一......

1、工作不多......检查电线和焊料；

2、如果电蚊拍自己重新启动（你听到了启动的声音，但没有开/关），请给电池充电；

3、大约30秒后，电蚊拍就会自动关闭。

• 一些USB充电器威廉希尔官方网站 有一个自动待机模式（我的就是这种情况，使用的是芯片IP5306），如果消耗的电流低于一定量（IP5306为45mA），就会进入待机模式。
• 第一个可能的解决方法是定期按下拍子按钮......比如每20秒。威廉希尔官方网站 板（含IP5306）有一个 "钥匙 "功能，可以开启或关闭电源，在威廉希尔官方网站 板上标有 "K"。上面建议的代码中的watchdog()功能将保持电源正常工作。

4、如果拍子的检测能力真的很差或经常检测错误...那么可能要做一些代码调整。

如果你想用USB端口来显示一些变量，你必须修改代码，以便使用DigiCDC库并删除SoftSerial（用于4位数显示）。但更重要的是，当这样做时，我们将从USB口而不是电池充电器口获得电源，这就有很大的区别......VCC的质量对我们计算的平均数和标准差有很大影响......

换句话说，在USB上连接时进行的任何调整，在用电池运行时可能会失效。

获得一些小信息的方法是使用显示器本身（即在按下复位按钮时显示最后的标准差）。

知道了这些，你就可以试着调整代码中的以下数值，这些数值对我们的检测有很大的影响。

单次读取的样本数：

int samples=10;

平均滑动窗口的大小：

int nbr_slot=15;
int value[16];  // array of (nbr_slot + 1)

标准差的阈值：

int threshold=110;
int monster_threshold=250;

第14步：继续改进电蚊拍，分享你的改进方法

如果你找到了更加简单的改造电蚊拍的方法或者是设计，欢迎分享出来！

 

 

审核编辑 ：李倩