基于Arduino的视觉暂留现象和频闪效应演示系统程序设计

【前言】：
此项目是为了初学Arduino而做的小练习，耗时3天多，在此做一个记录。
该系统可以演示频闪效应和视觉暂留现象，硬件设计已给出，需在此基础上设计程序，满足演示需求。

【演示需求】：

风扇共有7个扇叶，其中一个扇叶上写有标记图案。启动系统，风扇转动，此时并不能观察到标记图案。当按下按键1后，可以观察到1个静止的标记图案。继续按下按键1，观察到多个标记图案，最多7个。
第8次按下按键1后，可以观察到标记图案一会儿向前旋转，一会儿向后旋转。
按下按键2，系统停止运行。

【原理概述】：
每当标记图案转动到同一个位置，亮一次灯，因为视觉暂留现象，即可观察到“静止的”标记图案。
激光器接收激光信号，风扇转动，不停打断信号，每打断7次即风扇转动一圈。LED灯带以一定频率闪烁。
每转一圈，在前两次打断时亮灯，即可观察到2个图案。以此类推，每次打断都亮灯可观察到7个图案。
继续改变LED闪烁频率，使其每打断9次亮一次灯，因为频率不同步，可观察到标记图案向前向后交替旋转。

【概念介绍】：
首先解释视觉暂留现象：
如图纸片上一面画了鸟，一面画了笼子，快速转动纸片，可以看到“笼中鸟”的“幻觉”，这就是一种“视觉暂留”现象。

平常看的动画、电影等，其实就是将图片快速切换，每秒钟切换24张静止的图片，人眼却觉得看到了栩栩如生的画面。
为什么我们的眼睛会受到这样的“欺骗”？
现代医学发现，人眼在观察物体时，物体成像于视网膜上，并由视神经输入大脑，感觉到物体的像。光的作用结束后视觉形象并不立即消失，而是会延续0.1-0.4秒的时间，视觉的这一现象被称为“视觉暂留”。
观察“笼中鸟”时我们还可以察觉到“破绽”，而电影选择24帧则意味着约每0.04秒就切换一张图片，在人眼还没反应过来时已经切换了10张图片了，人眼更加察觉不到这其实是一幅幅静止的图片了。

其次解释频闪效应：
频闪效应是在以一定频率变化的光线照射下，观察到的物体运动呈现出静止或不同于其实际运动状态的现象。
频闪仪就是一种利用频闪效应和视觉暂留现象的设备，用以观察高速运动物体的表面状况或运行状况，广泛应用于检查各类转子、齿轮啮合、振动情况，诊断纺织、印刷、馐、钢板等场景。

【项目代码】：

#include<MsTimer2.h>
int sensor = 2;                                  //传感器引脚
int laser = 3;                                   //激光引脚
int led = 4;                                     //LED引脚
int fan =5;                                      //风扇引脚
int button1 = 8;                                 //按键1引脚
int button2 = 7;                                 //按键2引脚
int currentVal = 0;                              //按键1当前值
int previousVal = 1;                             //按键1前值
int i = 0;                                       //激光中断次数
int j = 0;                                       //图案数量计数
int Fan_Blade = 7;                               //风扇扇叶数量void setup() {                                   //初始化程序Serial.begin(9600);pinMode(sensor,INPUT);                         //初始化各引脚状态pinMode(laser,OUTPUT);pinMode(led,OUTPUT);pinMode(fan,OUTPUT);pinMode(button2,INPUT);pinMode(button1,INPUT);delay(100);digitalWrite(laser,HIGH);                      //打开激光、风扇，检测2引脚上升沿中断digitalWrite(fan,HIGH);attachInterrupt(0,Flash,RISING);
}void loop() {                                    //主体程序Press_button1();                               //按下按键1，开始呈现视觉暂留效果，连续按可循环增加图案Press_button2();                               //按下按键2，关闭系统（方便调试，省插拔）
}void Flash() {                                   //频闪程序，每当风扇转动到相同位置时亮灯，每转到多个位置时亮灯则显示多个图案delay(1);                                      //消抖：延时1毫秒后再次判定，确定仍是高电平，过滤刚中断时的信号抖动if(digitalRead(sensor) == HIGH) {i++;}if(i > Fan_Blade) {                            //以7扇叶为例，i在1到7循环。按下按键1，j=1，每当i=1时亮灯。j=2时则每当i=1和2时都亮灯。i = 1;}if(i <= j) {digitalWrite(led,HIGH);MsTimer2::set(1,Turn_off_led);              //定时器：亮灯1毫秒后关灯。不关则常亮，立即关则常灭，必须延时后再关。MsTimer2::start();}Serial.println(i);                             //向串口打印i值
}void Turn_off_led() {                            //关灯digitalWrite(led,LOW);
}void Press_button1() {                           //按下按键1，j在0到7循环，显示图案数量增加previousVal = currentVal;                      //时刻保存button1当前值和前值currentVal = digitalRead(button1);if(previousVal != currentVal) {                //消抖delay(50);}if(previousVal == 1 && currentVal == 0) {      //通电后按键1处于高电平，按下时变为低电平，此时符合条件，j+1j++;}if(j > Fan_Blade) {j = 1;//Fan_Blade = 9;                            //可在观察完全部扇叶静止图案之后，观察图案正转和反转交替现象}
}void Press_button2() {                           //按下按键2，关闭各组件。可用RESET键重启程序。if(digitalRead(button2) == 0) {digitalWrite(sensor,LOW);digitalWrite(laser,LOW);digitalWrite(led,LOW);digitalWrite(fan,LOW);}
}

【遇到的问题及解决办法】：

中断。一开始检测方式使用digitalRead(sensor)检测高电平来计数打断，引脚输出的信号不太规律，后经陈工提醒可使用上升沿检测，学习了中断相关知识后改为attachInterrupt(0,Flash,RISING)，检测更加准确，语句更加简洁。
消抖。①传感器消抖。设计过程中发现，扇叶打断一次，激光传感器却触发了多次中断。经过示波器观察信号，分析是有信号抖动，传感器很灵敏，刚打断时很小的波动也被检测到，故需要消除抖动。采取的方式是在中断刚开始时延时1毫秒，之后再次检测引脚电平，如果仍然是高电平，即可排除掉抖动。②按键消抖。发现有时按下一次按键，图案却增加了两个，分析是按键也存在抖动，用同样的逻辑，每当按键电平变化时延时50毫秒即可消抖。③为什么传感器消抖选择只延时1毫秒：风扇转动间隙很短，更久的延时会造成错过下一次打断，图案显示将不规则。④除了软件消抖，也学习了硬件消抖，了解到可以加上电容进行滤波。
定时器。在设计Flash()闪烁程序时，调试发现，不关则常亮，立即关则常灭，必须延时后再关。使用delay(1)关灯发现图案晃动严重，尝试多种方案后采用MsTimer2定时器实现延时功能，图像稳定。
亮度。发现图像虽然稳定，但是亮度很低，看不太清楚，希望能调高亮度。分析原因：当检测到中断时，如果能越快开灯，图案就越亮。之前将Serial.println(i)这一语句添加在了开灯之前，使其先去将i值打印到串口再闪烁，浪费了一些时间，将其调整到闪烁之后亮度更亮了，问题解决。

【可改进的地方】：
频闪效应除了能观察高速运动物体“静止”的状态，还应该演示与其实际运动状态不相符时的现象。以本系统为例，风扇顺时针旋转，如果能展示图案“倒转”，则可以更充分地演示频闪效应，提高演示过程的趣味性，激发观众兴趣和引起思考。

【改进办法】：
改变LED闪烁频率。当闪烁频率高于风扇旋转频率时，图案转向都是顺时针的；当闪烁频率低于风扇旋转频率时，偶尔能观察到“倒转”。经测试，当闪烁频率为每9次和每12次中断闪烁一次时，能观察到正转反转交替的现象。对于扇叶数量不为7的风扇，也可以经过简单测试找到合适的闪烁频率。
代码改动：将Fan_Blade = 9;添加到判断按键次数循环的if语句中即可。

【项目总结】：
此项目既适合向观众介绍视觉暂留现象和频闪效应，也适合光电相关专业学生/从业者入门Arduino软件。
因其有趣的视觉现象可以立刻引起人的兴趣，进而引发思考：为什么会产生这样的现象？
了解过视觉暂留现象和频闪效应后，就会思考：该系统的实现原理是什么？如何设计代码？

经过几天的学习，从对Arduino软件一窍不通，到能够动手完成一个小演示系统的代码设计，我学到了很多。
从视觉暂留现象和频闪效应的原理和应用，到Arduino的编程结构、数值和函数，再到中断、定时器和消抖，以及对用到的硬件比如Arduino开发板、风扇、LED灯带、激光、激光传感器、按键、示波器等都有了新的认识和实践经验。

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