魔改升級我們的武器——電蚊拍

夏天來了，又到了蚊子嗡嗡嗡的季節(jié)，在這一點上，國內和海外并沒有區(qū)別。

今天我們介紹的項目，就是魔改升級我們的武器——電蚊拍，讓我們與蚊子的斗爭更加有趣一些！

升級后的電蚊拍功能包括：

• 添加電子裝置來檢測殺傷力
• 增加一個4位數的計數器，統計“擊殺數”
• 支持USB充電
• 增加“擊殺聲音”以獲得更好的體驗

創(chuàng)作思路

作者的想法是，當蚊子撞上電蚊拍的金屬網并產生電弧時，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行計數和顯示分數，并播放聲音。

聲音功能可以用DFPlayer模塊很容易地在ATtiny上添加。

分數將會用一個4位7段的顯示器來顯示，它的板載TM1637只用兩根線（ATtiny的兩個IO引腳）就能驅動這個顯示器。

因為這些電子模塊是在5V下運行的，而電蚊拍通常是用2節(jié)1.5V的電池的，所以順便用USB充電電池升級一下電蚊拍的電源部分。

換句話說，這次的“武器升級”都是用相對容易找到的現成的電子模塊來改造的，唯一的 復雜一點的地方是在信號計算方面，這塊是由ATtiny通過編程處理的。

在下面的教程分享中，假定大家都對Ardiuno和如何編程有一些了解，如果沒有，可以先學習一下Arduino基礎教程。

在開始之前還需要說明一個安全問題：

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

注意不要讓小孩子玩這個。

材料

對于這個“終極”電蚊拍，我們需要：

• 一個電蚊拍
• Digispark pro (帶有ATtiny，在網上很容易找到)
• DFPlayer (DFRobot購買)
• 電阻器：1Ω、1kΩ
• 8Ω 揚聲器
• SD卡（一個小容量的卡即可，用來存儲一些聲音文件）
• 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，但高數值會限制通過電位器的電流消耗）
• 帶有TM1637的四位數LED顯示屏（確保是4位數顯示屏+TM1637，而不是只有4位數顯示屏）
• 電容：470μF
• 開/關撥動開關
• 按鈕
• 電線（重復使用舊的電話線或網線）

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

第1步：如何升級我們的電蚊拍？

如果你不關心它的工作方式，只是想要做“終極”電蚊拍，那可以跳過這個步驟。

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

它是振蕩電路和一個將電壓提升到數百伏的電路，再加上連接到拍子的金屬網組成的。

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

為了解決這個問題，第二個想法是測量電流消耗。

當金屬網上發(fā)生電弧，蚊子被電殺時，一定有一些能量消耗，應該可以通過ATtiny讀取。

測量這個消耗的最好方法是測一下電流消耗，而測量電流的最簡單方法是測量電阻上的電壓，這一點ATtiny可以做到。

因此，計數蚊子的方法是在電池和電蚊拍電路之間插入一個小電阻，并監(jiān)測這個電阻上的電壓。

除此之外，我們使用已經制作好的電子模塊（每個功能都有一個：聲音、顯示、充電器等），所以綜合來說，這是一個相對比較簡單的電子項目了。

第2步：準備電路

主要組件有：

• ATtiny (Digispark pro)
• DFPlayer
• USB充電器和電池
• 顯示器
• 重置按鈕
• 開/關開關
• 用于調節(jié)音量的電位器
• 兩個電阻和一個電容

我們最好先把它們擺放好，好確保它們能放進在手柄里，Digispark和DFPlayer可以靠近一點，根據它們在最終模塊中的位置，給其他組件留出合適的電線長度（即USB充電器上有一個USB端口，需要可以用來充電）。

第3步：拆開電蚊拍

卸下電池，拆開拍子（應該只有幾個螺絲）。

可以先看一下大概有多少空間留給我們來放附加的組件。

也可以順便看看你的拍子是否與這個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+號和拍子的電路之間。如果是這樣的話，就可以了（見照片）。

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

第4步：魔改電蚊拍

在這個步驟中，我們：

• 在為兩個AAA電池設計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：構建電路并焊接元件

根據所有元件的最終位置預先進行布局，估計一下各種線的長度，開始焊接。

在上一步中，為了清楚起見，沒有畫出地線和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。

對于VCC，Digispark有3個標有5V的引腳，它們是連在一起的，可以用來重新分配給其他元件。不要使用Digispark的VIN（VIN是一個需要高于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)進行電蚊拍電路、電池充電器、開關的連接：

• 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（按鈕有兩個接頭，一個與電池+連接，A12與另一個連接）
• 使用熱縮管來避免接觸和短路（在電容器/電阻上等等）。

第6步：隔離顯示屏與電蚊拍電路

在測試中發(fā)現會遇到顯示問題——當蚊子碰到電蚊拍的網眼時，顯示屏會關閉或者出錯。

懷疑這是由于高電壓變化產生的電子干擾影響了顯示電路和連接。

修復方法很簡單，在電路上貼一些膠帶，鋁箔（電磁屏蔽），再貼膠帶。

當然，不要把鋁箔直接放在電路上……

第7步：在SD卡上加載聲音

DFPlayer播放的聲音是存儲在SD卡上的。

做法很簡單，把卡裝好，然后復制選擇的聲音：

• 開機時播放的聲音（"準備好進行下一場戰(zhàn)斗"）
• 一個 "怪物被殺 "的聲音
• 一個 "等級提升 "的聲音
• 一些在檢測到擊殺時隨機播放的聲音文件

DFPlayer將根據 "軌道編號 "播放聲音。

根據觀察，發(fā)現文件不是根據它們的名字來排序的，而是根據它們在卡上的inode號來排序的（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始，軌道號/inode的順序將是聲音文件的復制順序（即復制在卡上的第一個文件就是1號）。

在下面的代碼中，文件/音軌的選擇是通過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：打印一個新的握柄

如果電蚊拍和上面的一樣，可以直接打印這個的手柄設計。

如果不一樣，可能需要自己設計一個。

不過，有些拍子的手柄很大，然后里面幾乎什么都沒有，也可以直接裝上附加電路。記得我們仍然需要為顯示屏和揚聲器找一個位置。

3D打印的文件可以到文末打包下載。

第9步：組裝起來

這邊用熱膠槍將零件固定在它們的最終位置。

揚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，你可以跳過這一步......或者之后再來看。

一旦我們把所有的元件都焊接在一起，如果在ATtiny上加載一個簡單的程序，只做一個模擬讀?。ˋ12），然后看一下原始數據：

原始數據看起來非常嘈雜，我們無法知道在圖上什么地方/什么時候有蚊子（或其他東西，我沒有等蚊子打我的球拍來調試代碼 :) 它自己撞到了電蚊拍的網眼上（見圖1）。

平均數是清理部分噪音的好方法，我的想法是將最后的平均數與 "長期 "平均數進行比較，但結果也有點讓人失望（見圖2）。

然后學習一下別人是怎么做的：https://www.iese.fraunhofer.de/blog/change-point-detection/

這看起來正是我們尋找的，計算信號的標準差應該能讓我們檢測到蚊子被擊殺了（見上面鏈接中的"Animation of change point detection via sliding window"部分）。

應用于我們的設置，會得到以下結果（圖3）。

在程序中，我們計算了標準差的平方，我們可以看到，當按下或釋放按鈕時，它達到非常高的值（這是預期的，信號從0V到接近5V），但一旦這些階段被排除，我們就可以監(jiān)測這個標準差，并假設如果它達到一些高值，我們在電路中有一個干擾，這一定就是一個蚊子被“擊殺”了（圖4）!

現在我們知道了如何判斷完成了“一次擊殺”，剩下的就簡單了（播放聲音，增加分數）。

為了更準確，我們又增加了一些東西：

• 一個470uF的電容器（它本身提供了一些更多的噪音過濾，并在需要大電流時作為“充電寶”）
• 我們有一個兩級平均機制（在代碼中可以看到，我們在原始狀態(tài)下測量了5次A12腳的電壓，取其平均值，然后將這個平均值存儲在標準差計算的滑動窗口中）。

第11步：在Digispark Pro上加載程序

這個比較簡單，可以使用Arduino IDE對ATtiny進行編程。

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

對代碼做一些解釋：

在setup()函數中，我們初始化DFPlayer所需的串行通信，讀取電位計值以調整音量（在設置時只讀取一次，這意味著拍子需要關閉/打開電源來考慮到音量調整）。

對于計數器的重置，如果你想把分數重置為零，你需要按下重置按鈕，打開拍子的電源，等待顯示屏顯示 "0"。

然后它就會讀取存儲在EEPROM中的分數。

它設置顯示屏的亮度（否則它將保持關閉）。

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

相關代碼可以在文末下載。

第12步：更新Digispark micronucleus（可選）

Digispark micronucleus是負責 "啟動 "Digispark的一段代碼。

它檢查我們是否上傳了一個新的程序，如果沒有就啟動已經加載的程序。

問題是它需要等待6秒鐘，這個時間對于我們想要啟動我們的武器來拍蚊子，就會顯得比較長了。

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

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，

一些提示，以防萬一......

1、工作不多......檢查電線和焊料；

2、如果電蚊拍自己重新啟動（你聽到了啟動的聲音，但沒有開/關），請給電池充電；

3、大約30秒后，電蚊拍就會自動關閉。

• 一些USB充電器電路有一個自動待機模式（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），就會進入待機模式。
• 第一個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 "鑰匙 "功能，可以開啟或關閉電源，在電路板上標有 "K"。上面建議的代碼中的watchdog()功能將保持電源正常工作。

4、如果拍子的檢測能力真的很差或經常檢測錯誤...那么可能要做一些代碼調整。

如果你想用USB端口來顯示一些變量，你必須修改代碼，以便使用DigiCDC庫并刪除SoftSerial（用于4位數顯示）。但更重要的是，當這樣做時，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的質量對我們計算的平均數和標準差有很大影響......

換句話說，在USB上連接時進行的任何調整，在用電池運行時可能會失效。

獲得一些小信息的方法是使用顯示器本身（即在按下復位按鈕時顯示最后的標準差）。

知道了這些，你就可以試著調整代碼中的以下數值，這些數值對我們的檢測有很大的影響。

單次讀取的樣本數：

intsamples=10;

平均滑動窗口的大小：

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

標準差的閾值：

intthreshold=110;
intmonster_threshold=250;

第14步：繼續(xù)改進電蚊拍，分享你的改進方法

如果你找到了更加簡單的改造電蚊拍的方法或者是設計，歡迎分享出來！

審核編輯 ：李倩