2015年2月27日

自製電擊器(TENS)電手指

最近對人機界面的訊號溝通很感興趣,打算要作一個擷取自己肌肉電訊號然後再去控制別人的肌肉的裝置,也就是human-human interface這個專題,不過那得改裝一個低周波治療器才行。

雖然那個低周波治療器自己也有啦,不過想想應該可以自己作。原理很簡單,一個振盪器送出頻率訊號,比如說100 Hz,再送到一個電晶體,去控制電流流進變壓器就行了。

怎麼會是變壓器呢?其實也就是「千人震」這種玩具的原理,變壓器反過來接就行。變壓通常是高壓變低壓,反過來接就可以低壓變高壓。

網路上搜尋一下「TENS CIRCUIT」就可以找到很多電路圖了,挑自己喜歡的組一組就行
http://www.webtfg.com/rls.htm
http://chemelec.com/Projects/Tens/Tens.htm


什麼是TENS?全文是transcutaneous electrical nerve stimulation,中文翻作「經皮神經電刺激」,是用電訊號刺激感覺神經用來止痛或是復健的一種方式。當然這也會刺激到肌肉,我就利用這點來玩玩吧,作一個真正的「手作玩具」...用手來當玩具的意思。



本來電其他手指的時候,都是電擊的時候手指抖。後來把貼片一個放拇指根部,一個放手肘時,小指開始抖,而且抖的時機很奇妙,是「沒放電的時候」抖。這影片拍的就是這個奇怪的時機。(LED燈亮時,就是放電的時候)

看著看著,覺得自己手指變成了一個超精確的節拍器啊。


TENS


我打算為這電路作一塊電路板來作一些玩身體的應用吧,像是輸入音樂訊號,擷取高頻、低頻的聲音,然後讓身體自動跟著音樂動作!就像是之前拿音樂來刺激蟋蟀腳動作的那個實驗

2015年2月14日

高精度音效卡計時器的擴充板

學生的專題研究上,常常需要一些做一些和時間有關係的測量和紀錄,比方說測物體的速度或是聲速啦、週期、重力加速度值、顏色變化週期、震波...等等,可是該怎麼作呢?

其實有太多中小學科展和國際科展的作品都有作這方面的研究,那就是利用電腦音效卡來作這件事,也就是麥克風插孔(或是line in孔)。

簡單的說,麥克風接收聲波轉成電壓變化,音效卡接收這些電壓變化,然後就能夠變回聲音,或是紀錄呈現那些「波動」。前幾篇寫了好幾篇「示波器」的應用,也就是這麼一回事。如果要讓音效卡偵測光線、振動等,就只要更換感測器就行(這篇底下的感測器與應用有提一些)。



其實我前幾年看人家科展作品之後,也跟著做了一些應用,不過一直到看到傅學海老師這篇《音效卡高精度計時器之拓展》之後,我才發現原來還可以有更多應用。

怎麼說呢?音效卡的輸入有左右兩聲道,以前做這個《雙頻脈搏計》的時候,是讓兩個聲道,各自連一個紅外線接收器,這樣可以同時偵測兩個訊號。還有以前弄那個測神經電位的Spikerbox時,也是可以用兩個聲道接兩個Spikerbox來測「神經束的傳導速度」。

其實兩個聲道不是只能接兩個感測器的,傅老師的文章提醒了我,原來單獨一個聲道,就可以並聯多個感測器。這就像是你要測一個跑者的跑步速度時,你可以在跑道邊安排5個計時人員。當槍聲響時,五個計時人員同時按下碼表,當跑者通過計時人員面前時,計時人員就按停。這麼一來,就可以計算出四個區間的速度了。相對來說,如果只是一個聲道接一個感測器,那也才兩個感測器而已,頂多測出一個區間的速度。

單獨一個聲道要並聯多個感測器,如果每個感測器都要焊接到立體聲接頭,然後換一個感測器,又要焊一個新的,那不就很麻煩嗎?

因為最近一直跟電路板玩耍,所以就想出了一個「高精度音效卡計時器的擴充板」的作法。
叫「高精度」是因為音效卡的取樣頻率可以到44.1 kHz甚至到96 kHz,如果是44.1kHz,就是每秒紀錄 44100次,對於一般測量聲速或是重力加速度值都是足夠的。

叫做擴充板又是怎麼回事呢?我的目的是「模組化」做出這樣的裝置。

有以下特點:
  1. 各種感測器可以直接插入母對母的杜邦端子線,不需要焊接,如果要延伸長度(例如測量聲速,兩感測器的距離拉1公尺的話),則可以用其他公對公或公對母的杜邦端子線繼續延伸。
  2. 每個聲道的擴充座有十多個,同時插入多個感測器是很方便的。
  3. 擴充板的接頭是用立體聲接頭,換不同接線就可以連接電腦、平板或是手機


音效卡計時器擴展板


材料很簡單,只要排針很多根、立體聲母座、電木板(洞洞板)
音效卡計時器擴展板2



至於板子底下的線怎麼接呢?就是這樣。
圖示

做完之後發現,未來再做的話,可以跟這個示波器的保護電路結合在一起,然後再加一個切換開關來決定訊號要不要走那個保護電路。之後我再來用Eagle設計個電路板送工廠打樣吧,這樣做出來比較漂亮,而且不用底下再走線。

2015年2月12日

把聲音反過來的裝置

幾年前看這個TED talk《Beau Lotto + Amy O’Toole: 科學是為每一個人存在的, 包括孩子們》看到這個把聲音反過來的裝置,覺得好感興趣,很想作一個。(關於這個talk相關的研究,可以看這篇《質疑自己算不算科學家嗎?看看八歲小孩的論文找回初衷吧!》)


(戴上裝置後,左邊耳朵聽到右邊的聲音,右邊耳朵聽到左邊的聲音)
聲音反過來5
圖片擷取自TED.com

看起來好像是兩根水管就可以吧?不過實際做了發現好像沒那麼簡單,於是乎我這計畫擱置了好久,直到最近又開始動起來了。

我買了兩個音頻放大器的套件,然後把它做了小改裝,把原本需要焊在電路板上的麥克風變成外接式的。
聲音反過來2



分別把左右兩邊的麥克風對調,再把整個裝置鎖在木板上。
聲音反過來



然後再作轉接線,連到耳機上。於是乎一個能夠把聲音反過來的裝置就做好了。
聲音反過來3



那個轉接線是這樣的,兩個公頭是輸入端,母頭是用來跟耳機相接的輸出端。
聲音反過來4


轉接線是這樣作的,目的在把右邊放大的聲音送到左邊耳朵,左邊放大的聲音送到右邊。
聲音反過來7


這個裝置重點有二,一是左右聲音個別放大,二是把左右聲音對調,因此這樣的裝置也可以改裝做出生物律動展的《聽見空間》那樣的展品。我想到的作法是把麥克風接在遠端一個豬頭骨耳孔處,你在遠處對豬頭說話,這邊的人帶著耳機就能聽到那個聲音,彷彿自己就是個豬頭。

此外,也可以把這個音頻放大器改裝成可以聽地底聲音的裝置,或是水下聲音的裝置,只要把麥克風再做延伸就可以了。





2015年2月11日

手機平板的示波器實作


接頭
介紹手機示波器的裝置前,要先認識一下這幾種用在耳機或是麥克風的聲源接頭。

一般最常見到的接頭,是中間的那種立體聲接頭,上面金屬的部份會有兩條黑環,如果是用在電腦上面的,通常都是3.5mm的尺寸。而最左邊那種單聲道的,一般比較少用到,除非你特別去找。最右邊那種則是用在手機或是平板電腦上面的,為什麼比中間的多出一節,有什麼用處呢?等一下會說。
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這種立體聲的接頭,一般的規範都是頂端是左聲道,接下來分別是右聲道和地線。
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一般手機或平板電腦的耳機孔和麥克風都是同一個,因為它們用的是TRRS的接頭,但是不同的廠商用的標準不一樣,所以規範也不同。

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iPhone和iPad系列應該都是用CTIA的標準(由頂端下數,分別是左、右、地和麥克風),而其他android和windows phone則兩種都有可能,哪家屬於哪種規格,可以參考這篇文章《手機耳機接口國家標準(OMTP)與國際標準(CTIA)區別》的說法。


既然要把訊號輸入手機、平板或電腦裡,所以我們只要注意麥克風和地線在那個位置就行。


示波器接頭製作
先以電腦音效卡用的接頭來說吧,這篇《自製示波器看閃爍頻率》的接法,就是像下圖這樣。做好之後,插入麥克風孔,就可以輸入訊號進電腦了。
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理論上,要把訊號輸入手機或平板電腦裡,應該也是直接接就可以了,但一般不能這樣作,必須在麥克風和地線之間並聯一個電阻,這樣子,我們自製的示波器接線才會被裝置辨識為麥克風,這樣才能輸入訊號。再來,需要串聯一個電容來抑制雜訊,不過有時我會省略掉這個零件。
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至於那個電阻應該要多少,圖上我寫4.7k歐姆,但是不同裝置所需的阻值卻可能不同,舉例來說:

  • 小米2手機需要用到30K歐姆
  • iPad用1K到4.7K都是可以的
這篇文章中,也整理了一些裝置對應的阻值,像他就整理了三星手機可能用到1K-1.5K的阻值。


製作好的手機示波器線就像這樣,可以把電阻和電容藏在接頭的黑環裡。
小米示波器連接線30k


而我為了實驗不同的阻值,所以另外做了一個可插拔不同電阻的接線,藏在熱縮套裡的是一個切割成小塊的電木板。
示波器測試線4.7k


把線材插入手機後,如果有順利被手機辨識出「麥克風」的話,小米2手機會出現這樣的圖示,沒成功的話就只有耳機圖示。如果是其他家,如iPad的話,不管有沒有成功,都不會看到圖示。

那些看不到圖示的都只能從app去作測試,才知道成功與否。

手機顯示



有保護電路的示波器裝置
前面寫的和電腦相接或是手機平板相接的示波器線材,都必須小心使用,如果輸入的電壓過高,有可能會讓裝置損壞。因此需要一個能作到電路保護的電路,就如同我這篇《有保護電路的音效卡示波器》所作的,加上一個有分壓電路的裝置就可以。再加上一些改變,還可以把這樣的電路給手機示波器使用喔。
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感測器與應用
手機示波器或是電腦示波器可以作哪些應用呢?結合以下各種感測器就可以作相關的檢測和紀錄喔。其實也不用糾結於示波器啦,換成錄音機的app或是電腦軟體(如audacity)就可以作資料擷取紀錄囉。
感測器
上述的感測器由左至右分別是壓電片、紅外線發射與接收、光電晶體、光敏電阻、電容式麥克風。


  • 壓電片可以偵測振動,當然聲音也是一種振動,所以也能偵測聲音,此外也可以拿來偵測固體的振動。
  • 紅外線發射和接收組,是把示波器的鱷魚夾夾住紅外線接收器(黑的那顆),然後拿紅外線LED(透明那顆)去照射接收器。當紅外線被遮斷,示波器就會有峰出現。
  • 光電晶體,類似紅外線接收器,不過感受的是可見光,比起光敏電阻來說,優點是反應時間快。
  • 光敏電阻,當然是偵測光照的,缺點就是有延遲時間,大約是數毫秒,所以若要偵測快速出現的訊號,請使用光電晶體。
  • 麥克風,當然是偵測聲音的。雖然手機或平板就有內建麥克風,但如果你想偵測固定位置或是遠端的訊號,還是要外接麥克風比較好。




測試實例
以下是幾個實作偵測的例子,這是利用光電晶體來偵測數位相機快門的時間,兩個峰值分別代表快門開和快門關的時間點。



作法是把光電晶體對著鏡頭,光線則是由觀景窗射入,快門一關的時候,產生第一個訊號,快門再開則產生第二個訊號。這個測試的概念是來自這篇文章《用手機測量你的相機快門速度!》,測試了之後會發現數位單眼相機的快門時間,都可能有一點點略長或略短的誤差時間。
相機快門



接下來的應用是結合光電晶體或是光敏電阻,直接讓室內日光燈或是檯燈照射感測器,就可以看出這些光線閃爍的波型,再用有FFT功能的app,則可以測量出閃爍的頻率。
日光燈



這個是測試閃光燈的持續時間。由於我的外接閃光燈的規格書沒有說它的閃光持續時間是多少,因此我使用了光電晶體來偵測,當使用全光輸出的時候,閃光燈的持續時間是3.5毫秒,而且可以看出亮度會逐漸衰減。
閃光燈-3.5ms


而調整到不同設定值時,可以作到光線閃快一點,弱一點。但是有多快呢?還是要用示波器來測。透過檢測可以發現閃光持續時間大約是230微秒,而且光線並沒有突然衰減。
閃光燈-250us


用來檢測閃光燈是因為我用photoduino來拍攝觸發攝影,我需要知道到底我需要設定閃光燈到哪一個設定值,才能符合我的需求。


App建議

上面幾個測試畫面都是使用Sound Oscilloscope這個app,是android的平台上,我目前認為最好用的,也可以直接作頻譜分析。

如果是特別要看頻譜分析,可以使用Sound Frequencies這個軟體


至於iOS系列的免費app,有以下幾個可以參考。(我覺得付費的有幾個應該更合用,但是我沒買,所以不知道好不好用)


  • 2015年2月8日

    有保護電路的音效卡示波器

    之前用音效卡來作示波器時,就只是拿個立體聲接頭,接上四條附線鱷魚夾,就是之前這篇《自製示波器看閃爍頻率

    用起來倒也輕鬆愉快,不過是會有風險的,因為音效卡能接受的輸入電壓大概在上下0.6v-0.8v,如果測量的訊號是電壓比較高的,很有可能會把音效卡弄壞,因此這就需要一些電路來作防護了。

    上個月初看到江老師在科學maker社團貼了篇make雜誌的文章《Sound Card Oscilloscope》就是教怎麼組那樣的一個電路。

    材料也很簡單,因為利用雙聲道的音效卡,所以以下材料都需要兩份
    4.7k歐姆電阻*1
    1M可變電阻*1
    1N4148*2
    鱷魚夾附線*2

    另外再準備個洞洞板,而我因為還想把這個裝置轉給手機使用,所以再多準備了一個3.5mm的立體聲耳機座。

    零件少,焊起來很快。一開始先把零件焊上去
    示波器01


    這是正面圖
    示波器02


    底部的部份,只有那紅線、黑線是另外加的線,其他的線都是原本零件的接腳,我只是彎過來折過去,剛剛好都能用。
    示波器03


    在偵測較高電壓時,拿這個裝置再接上一個3.5mm公對公的線,插上電腦的麥克風孔,就可以方便使用了。因為有分壓、電流保護,基本上30v之內是沒問題的。

    linux上比較常使用的示波器軟體是xoscope
    如果是windows就用http://www.zeitnitz.eu/scope_en
    若是要長期看波形變化,那當然選audacity

    像這樣的裝置,只要再作一條給手機專用的線,就可以讓手機變示波器了,這個就另外一篇了。


    如果要再精緻一點,可以去切割壓克力,然後四角鎖螺絲,把它夾起來,就會很精美了

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