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自製電擊器(TENS)電手指

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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。





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

高精度音效卡計時器的擴充板

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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: 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。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。擴充板的接頭是用立體…

把聲音反過來的裝置

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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)

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。




分別把左右兩邊的麥克風對調,再把整個裝置鎖在木板上。




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。




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。



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。



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。





手機平板的示波器實作

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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。



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。



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。





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。




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。




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 在這篇文章中,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。

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。



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。





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…

有保護電路的音效卡示波器

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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



這是正面圖



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。



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

人群控制的學問

最近很喜歡看國家地理雜誌的《人群控制學問多》,主持人是寫過《未來在等待的人才》的丹尼爾.品克 (Daniel Pink),他也曾在站上TED舞台講「叫人意想不到的激勵科學」。

 《人群控制學問多》的內容介紹了非常多人類行為控制的觀察實驗,要透過某些手段來讓人群作某件事情,或是不做某些事情,基本上都是行為主義的策略,像是增強、處罰等。

以下就是看了好幾集,很振奮的寫出的筆記啊

如何丟垃圾
就先從丟垃圾來說起吧,要讓人群主動把垃圾丟到垃圾桶,看似簡單,但對人群來說其實沒那麼容易。那要怎麼作呢?

有人改裝了垃圾桶,讓它變成全世界最深的垃圾桶,當把垃圾丟進去之後,會聽到很長的下墜聲 (影片連結)。所以每次丟垃圾都會讓人很驚訝「哇,那裡發生什麼事情了」

回收空瓶的資源回收箱,要怎麼讓人願意丟回收物品進去呢?在投擲口裝了感應器和燈光,弄得像是打地鼠一樣,你得把瓶罐投擲在亮燈的洞口才能得分,然後回收箱會紀錄最高分數,吸引其他人前來挑戰(影片連結

在紐奧良也做了類似的實驗,街頭的垃圾桶變成冷笑話猜謎機,螢幕秀出謎題,你得把垃圾丟進標示ABC的洞口來答題,答對了就給你聲光鼓勵。不過路上還是會有人亂丟垃圾啊,怎麼讓人願意撿垃圾來丟呢?於是團隊做了改裝,每答對一題,垃圾桶就會吐一張兌換卷出來,得收集五張才能兌獎,這可就成功吸引人們撿垃圾了。

在狗狗運動公園裡,要讓人們主動把狗大便撿起來放在收集筒,團隊做了兩種方式。第一種設置了一種機器名稱叫Poop For Treats,撿起狗大便丟進去,就會跑出一些狗零食可以餵自家小狗。這是有趣的事情,獎品並不是給人,而是給他們喜歡的狗,用意是我們會因為為了他人作事而得到滿足。

另外的作法則是作一個便便溫度計,把狗大便丟進去之後,機器會顯示狗便的溫度,然後秀出一個有評分意謂的評語,像是熱情如火啦、冷若冰霜。可想而知,你要獲得更高分,就得更快速撿起狗便丟進去。

讓人們願意丟垃圾,也有其他比較費工的手段,像是一群人躲在資源回收筒旁邊,只要有人做了正確回收,他們就會衝出來快閃慶祝,或是把垃圾桶弄成互動式垃圾桶,有嘴巴會說話,會叫住路人把垃圾餵給它吃,這只差沒有長出腳來追著人跑啊。我想到很多縣市的垃圾桶都會作得擬人化,我看過五色鳥造型的垃圾桶,很小的時候還看過外星人造型的垃圾桶(一定要講很小的時候,不能說自己老,文章後面會說為什麼)。我常在想,做成動物或人類…

photoduino相機控制器

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這幾張照片,都是用photoduino來控制相機和閃光燈拍攝的。

三年前作了兩組photoduino2.0之後,又看到作者又弄了一個液滴控制器,而且photoduino還設計了第三版,於是心又癢癢,又想組第三版的,可是硬體怎麼取得呢?本來想要用買的,不過看到作者將所有硬體、韌體、軟體全部開源,於是我就開心的拿著他的電路圖去給廠商打樣。

作者的電路板檔案是Eagle作的,不過廠商收的是Gerber檔案,所以就上網學了怎麼轉檔,也算是藉此獲得新技能。

本來只想自己作一個,不過因為電路板一批要作基本數量,所以乾脆採買全套零件,開一個工作坊吧!