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，电蚊拍的电路上一定有一些电流的变化。如果能在电路中找到一个可以被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电路。

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/

它是振荡电路和一个将电压提升到数百伏的电路，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电路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：准备电路

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+号和拍子的电路之间。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-和电路之间。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：构建电路并焊接元件

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，继续进行电蚊拍电路、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
• 电蚊拍电路上的1欧姆电阻+
• 电蚊拍电路的+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电路

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电路和连接。

修复方法很简单，在电路上贴一些胶带，铝箔（电磁屏蔽），再贴胶带。

当然，不要把铝箔直接放在电路上……

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
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。

//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电路。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，我们在电路中有一个干扰，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充电器电路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。电路板（含IP5306）有一个 "钥匙 "功能，可以开启或关闭电源，在电路板上标有 "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：

intsamples=10;

平均滑动窗口的大小：

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

标准差的阈值：

intthreshold=110;
intmonster_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