描述

光學(xué)斬波器是一種周期性地中斷外部光束的裝置。雖然在科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中使用了幾種不同類型的光束斬波器，但這類似于光學(xué)快門，它會(huì)定期打開和關(guān)閉以允許光線按規(guī)定的時(shí)間間隔通過。這種類型的斬波器可以在許多類型的實(shí)驗(yàn)（例如光電化學(xué)）中實(shí)現(xiàn)一致且可重復(fù)的暗與光比較。有關(guān)使用光斬波器的一種實(shí)驗(yàn)的簡要示例，請考慮對用 Pt 或 CoPi 裝飾的氧化鐵 (III) 進(jìn)行的光電流密度測量，與黑暗中的電流密度相比，光照下的光電流明顯增加。光學(xué)斬波器可以實(shí)現(xiàn)這種類型的比較。

Simple Arduino Optical Chopper 本質(zhì)上是一個(gè)光學(xué)快門，它通過用伺服臂（10 度）阻擋光束并以設(shè)定的間隔打開光束（90 度）來操作。這是我以前通過使用一張紙或紙板并在密切監(jiān)視秒表的同時(shí)手動(dòng)阻擋光束來完成的任務(wù)（令人沮喪）。與手動(dòng)操作相比，使用 arduino 和伺服電機(jī)可以進(jìn)行更可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)和更一致的斬波間隔。最重要的是，我不必一直站在實(shí)驗(yàn)旁邊。

一般操作

按一次按鈕開關(guān)啟動(dòng)斬波器程序。該程序包括兩個(gè)階段：安靜時(shí)間和波束斬波。安靜時(shí)間的量由變量 quietTime 指定，可用于允許在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)延長“黑暗”時(shí)間（例如，允許電流密度達(dá)到光電化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的基線）。在安靜時(shí)間結(jié)束時(shí)，斬波階段在總時(shí)間的剩余時(shí)間（由變量 totalTime 指定）開始，伺服電機(jī)以變量 chopInterval 指定的時(shí)間間隔在閉合角和打開角之間交替。

當(dāng)?shù)竭_(dá)總時(shí)間后，程序結(jié)束，伺服臂返回到閉合角度。按一次按鈕開關(guān)可隨時(shí)停止正在運(yùn)行的程序，將伺服電機(jī)設(shè)置到指定的閉合角度。arduino 的板載 LED 13 用于監(jiān)控程序當(dāng)前是否正在運(yùn)行。

該項(xiàng)目分為兩部分，第一部分演示如何構(gòu)建簡單光學(xué)斬波器的基本版本，第二部分添加 LCD 等功能以查看指定的時(shí)間間隔和電位器以操縱這些間隔而不更改它們代碼。您可以通讀教程或在附件中找到這兩部分的原理圖和代碼。

簡單的光學(xué)斬波器

本節(jié)將介紹如何構(gòu)建和編碼光斬波器所需的最低限度。這個(gè)斬波器由三個(gè)主要部件組成：一個(gè)伺服器，它在物理上進(jìn)行斬波；一個(gè)觸覺按鈕，用于啟動(dòng)和停止印章程序；和 arduino，它處理兩者之間的邏輯。

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首先，根據(jù)圖 2 將伺服電機(jī)連接到面包板和 arduino。請注意，我的特定伺服與 Fritzing 接線圖不匹配，因此請密切注意您的引腳分配。包括一個(gè)橋接伺服器 5V 和 GND 引腳的去耦電容器。當(dāng)伺服電機(jī)開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，它消耗的電流比它已經(jīng)運(yùn)動(dòng)時(shí)要大，從而導(dǎo)致電路板上的電壓下降。仔細(xì)檢查電容器的陰極是否接地。

簡單的光學(xué)斬波器代碼

在設(shè)置功能之前，我們必須包含伺服庫和變量以跟蹤運(yùn)行時(shí)間和斬波間隔。在這里，我將安靜時(shí)間、斬波間隔和總時(shí)間分別設(shè)置為 2 分鐘、4 秒和 4 分鐘。本質(zhì)上，我們希望程序在斬波器關(guān)閉的情況下運(yùn)行 2 分鐘，然后開始斬波，每 4 秒在打開和關(guān)閉之間切換一次，直到達(dá)到 4 分鐘的總運(yùn)行時(shí)間。這些是我的應(yīng)用程序的最佳值，但顯然可以為您的應(yīng)用程序隨意修改它們。

#include 
Servo myServo; 
unsigned long quietTime = 120000; 
unsigned long chopInterval = 4000; 
unsigned long totalTime = 240000; 

下一組變量將存儲(chǔ)程序的不同狀態(tài)（例如，斬波程序是否正在運(yùn)行，是否按下開關(guān)，經(jīng)過的時(shí)間等）

// variable used to indicate that the chop program is running 
// value of 1 or true means program is running 
int programRunning = 0;
// previous state of the start button 
int previousSwitchState = 0; 
// start button input pin 
const int startButtonPin = 8; 
// onboard LED used to indicate that chop program is running 
const int ledPin = 13; 
// time of previous interval 
unsigned long previousMillis = 0; 
// time that the start button was pressed 
unsigned long programStartTime = 0; 
// servo angles for both open and closed positions 
const int closedAngle = 10; 
const int openAngle = 90; 

光學(xué)斬波器將在兩種不同的“狀態(tài)”下運(yùn)行，運(yùn)行和不運(yùn)行。觸覺按鈕開關(guān)將允許我們在兩者之間切換，當(dāng)前狀態(tài)將存儲(chǔ)在變量中：programRunning。

下一個(gè)變量不太直觀。由于 arduino 的循環(huán)功能每秒運(yùn)行數(shù)千次，我們不可能在一個(gè)程序循環(huán)中按下按鈕，因此最好監(jiān)視連接到按鈕的引腳上信號從低電平到高電平的變化，因此我們將比較previousSwitchState 與代碼后面的當(dāng)前按鈕狀態(tài)。

該按鈕將連接到引腳 8，我們將使用 LED 13 作為印章程序正在運(yùn)行的板載視覺指示器。

因?yàn)閿夭ǔ绦蛟诤艽蟪潭壬弦蕾囉跁r(shí)間間隔，所以我們必須跟蹤兩者：按下開始按鈕的時(shí)間以及自上次更改伺服位置以來已經(jīng)過了多長時(shí)間。為此，我們定義了 previousMillis 和 programStartTime。

最后，我們定義打開和關(guān)閉對應(yīng)的伺服角度（即光束暢通，或光束被阻擋）。90 度和 10 度最適合我使用的伺服。

現(xiàn)在讓我們看看設(shè)置函數(shù)：

void setup() { 
  // pin 8, the start button is an input 
  pinMode(startButtonPin, INPUT); 
  // pin 13, the program running indicator LED is an output 
  pinMode(ledPin, OUTPUT); 
  // servo is attached to pin 9 
  myServo.attach(9); 
  // console for diagnostics 
  //Serial.begin(9600)
} 

這里沒有什么太復(fù)雜的。開始按鈕連接到引腳 8，我們使用引腳 13 作為印章程序正在運(yùn)行的指示器（否則在安靜的時(shí)候可能很難分辨，這些觸覺按鈕切換很容易不小心按兩次），我們正在聽寫通過引腳 9 確定伺服的位置。最后，我在注釋中包含了 Serial.begin() 函數(shù)，這對于故障排除很有用。

現(xiàn)在讓我們處理代碼的核心部分，即循環(huán)函數(shù)：

void loop() { 
  // gets the current runtime in milliseconds 
  unsigned long currentMillis = millis(); 
  // reads the start button switch state 
  int switchState = digitalRead(startButtonPin);
}

要通過循環(huán)開始每次運(yùn)行，我們需要根據(jù) arduino 的內(nèi)部時(shí)鐘以及開關(guān)是否被按下來跟蹤當(dāng)前時(shí)間。

接下來讓我們編寫開始按鈕的行為代碼，

// start/stop button
if (switchState != previousSwitchState) {
  if (switchState == HIGH) {
    programStartTime = currentMillis;
    programRunning = !programRunning;
  }
} 

由于我們通過循環(huán)在每次迭代中檢查開關(guān)的狀態(tài)，因此我們可以將其與上一次迭代期間的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行比較，尋找最初按下時(shí)從 LOW 到 HIGH 的變化。注意：我們將在循環(huán)結(jié)束時(shí)將 previousSwitchState 的值分配給 currentSwitchState，以便在下一次迭代中進(jìn)行有意義的比較。

如果開關(guān)狀態(tài)從 LOW 變?yōu)?HIGH，則將開始時(shí)間分配給當(dāng)前時(shí)間并切換 programRunning 的值。

接下來，我們將解決 chop 程序運(yùn)行時(shí)的行為（programRunning 為 true）。

// if the program running state is true as a result of pressing the start button 
if (programRunning) { 
  //turn the program running indicator LED on 
  digitalWrite(ledPin, HIGH); 
  // if quiet time has passed and total time has not been exceeded 
  if (currentMillis >= programStartTime + quietTime) { 
    // if the current time is still less than the total run time 
    if (currentMillis <= totalTime + programStartTime) { 
      // if the interval time has passed 
      if (currentMillis - previousMillis >= chopInterval) { 
        // stores the current time as previous time 
        // switches the state of the servo motor 
      }
    }
  }
}

一旦 chop 程序開始運(yùn)行，我們的程序?qū)⒆鲆恍┎煌氖虑椋旱褂?jì)時(shí)指定的安靜時(shí)間，決定伺服器何時(shí)允許光束通過，確定程序何時(shí)結(jié)束。嵌套條件包含打開伺服必須滿足的要求。首先，安靜的時(shí)間一定已經(jīng)結(jié)束；第二，程序一定不能超過規(guī)定的總運(yùn)行時(shí)間；最后，定義的斬波間隔必須已經(jīng)過去。

如果滿足所有這些條件，我們檢查舵機(jī)的位置，如果它處于關(guān)閉角度，我們通過將以下代碼添加到上面最內(nèi)層的條件來打開它：

// stores the current time as previous time
previousMillis = currentMillis;
if (myServo.read() == closedAngle) {
  myServo.write(openAngle);
} else {
  myServo.write(closedAngle);
}

我們還想將之前的 Millis 變量（我們用來確定是否超過斬波間隔的變量）分配給當(dāng)前時(shí)間。

但是，如果斬波間隔還沒有過去怎么辦？或者如果安靜時(shí)間還沒有結(jié)束？我們希望光斬波器如何工作？

查看每個(gè)條件，如果安靜時(shí)間尚未結(jié)束，舵機(jī)應(yīng)保持其關(guān)閉角度。如果我們已經(jīng)超過了程序的總運(yùn)行時(shí)間（即程序剛剛結(jié)束），舵機(jī)應(yīng)該處于關(guān)閉角度并且我們應(yīng)該將 programRunning 變量的值更改為 false。最后，如果斬波程序沒有運(yùn)行，我們希望 LED 指示燈 (13) 熄滅并且伺服移動(dòng)到關(guān)閉位置。我們可以通過填寫以下 else 語句來完成此操作：

// if the program running state is true as a result of pressing the start button 
if (programRunning) { 
  //turn the program running indicator LED on 
  digitalWrite(ledPin, HIGH); 
  // if quiet time has passed and total time has not been exceeded 
  if (currentMillis >= programStartTime + quietTime) { 
    // if the current time is still less than the total run time 
    if (currentMillis <= totalTime + programStartTime) { 
      // if the interval time has passed 
      if (currentMillis - previousMillis >= chopInterval) { 
        // stores the current time as previous time 
        previousMillis = currentMillis; 
        if (myServo.read() == closedAngle) { 
          myServo.write(openAngle); 
        } else { 
          myServo.write(closedAngle); 
        } 
      } 
      // the servo returns to original position and the program is stopped 
      // when total run time is reached 
    } else { 
      myServo.write(closedAngle); 
      programRunning = !programRunning; 
    } 
  // servo remains in original position if still in quiet time   
  } else { 
    myServo.write(closedAngle); 
  } 
// servo remains in original position when chopper program is not running   
} else { 
  digitalWrite(ledPin, LOW); 
  myServo.write(closedAngle); 
}  

這是光學(xué)斬波代碼的核心。我們需要包括最后一行，它與開始/停止按鈕有關(guān)。我們需要包括，

previousSwitchState = switchState;

這允許我們通過存儲(chǔ)它并在循環(huán)的下一次迭代中將其與 switchState 的值進(jìn)行比較來監(jiān)視按鈕按下，如前所述。

就是這樣！這就是基本光學(xué)斬波器所需的全部！繼續(xù)閱讀以添加 LCD 顯示屏以及即時(shí)讀取和修改斬波間隔、運(yùn)行時(shí)間和安靜時(shí)間的能力……

帶 LCD 和電位器的光斬波器

基本的光學(xué)斬波器為您的光化學(xué)應(yīng)用增加了一致性，但如果能夠即時(shí)更改時(shí)間并讀取斬波程序中剩余的時(shí)間量而不是進(jìn)入代碼會(huì)更方便。我們將使用 LCD 和一系列電位計(jì)來添加此功能。

首先，連接 LCD 屏幕并將其接線，如圖 3 和 4 所示。如果您對為什么需要這么多電線感興趣，請查看adafruit lcd 教程。

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最終，我們將能夠?qū)崟r(shí)查看 chop 程序的剩余時(shí)間。但這還不是全部......通過添加一系列電位器，我們將能夠調(diào)整安靜時(shí)間的長度、程序運(yùn)行時(shí)間和只需轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)旋鈕（或十字頭螺絲刀，如果你有和我一樣的鍋）。因此，下一步是添加電位器并將它們連接起來，如下所示：

此時(shí)，您的斬波器應(yīng)如下所示：

現(xiàn)在一切都已連接好，讓我們修改之前的代碼以適應(yīng)新功能。

帶LCD和電位器的光斬波器代碼

我們將首先從花盆開始，但最好繼續(xù)將 arduino LCD 庫添加到我們的 arduino 代碼的頂部，

#include

此外，我們需要告訴 arduino 我們是如何連接到 LCD 的（即哪些引腳）。在對 LCD 庫的調(diào)用下面添加這一行，

LiquidCrystal lcd(2, 3, 4, 5, 6, 7);

好吧，讓我們處理電位器。由于我們將根據(jù)電位器的可變電阻更改變量 quietTime、chopInterval 和 totalTime 的值，因此讓我們刪除之前給它們的值。此外，我還添加了另一個(gè)變量 programTime，它將存儲(chǔ) chop 程序在安靜時(shí)間結(jié)束后運(yùn)行的時(shí)間長度。用鍋來控制這個(gè)時(shí)間比總時(shí)間更直觀。您的代碼現(xiàn)在應(yīng)該如下所示：

// include the servo library and assign to myServo 
#include 
Servo myServo; 
#include 
LiquidCrystal lcd(2, 3, 4, 5, 6, 7); 
// quiet time, chop interval, and run time defined in milliseconds 
unsigned long quietTime; 
unsigned long chopInterval; 
unsigned long programTime; 
unsigned long totalTime; 

此外，我們需要將模擬輸入引腳分配給一個(gè)變量，該變量指示連接的電位器正在修改的內(nèi)容：

// pin assignments for the potentiometers 
int const chopIntervalPin(A0); 
int const programTimePin(A1); 
int const quietTimePin(A2); 

這就是變量。下一個(gè)代碼修改發(fā)生在 chop 程序未運(yùn)行時(shí)。當(dāng) chop 程序未運(yùn)行時(shí)，我們希望 arduino 將來自電位器的模擬值轉(zhuǎn)換為毫秒，以用于 quietTime、programTime 和 chopInterval。看看我們在 else 條件中添加了什么。

// if the program running state is true as a result of pressing the start button 
if (programRunning) { 
 // do all that stuff we described previously   
} else { 
  digitalWrite(ledPin, LOW); 
  myServo.write(closedAngle); 
  // the potentiometers that manipulate the time variables 
  // quiet time between 0 and 300 seconds 
  quietTime = analogRead(quietTimePin); 
  quietTime = map(quietTime, 0, 1023, 0, 10); 
  quietTime *= 30000; 
  // chop time between 0 and 300 seconds 
  programTime = analogRead(programTimePin); 
  programTime = map(programTime, 0, 1023, 1, 10); 
  programTime *= 30000; 
  // chop interval between 1 and 10 seconds 
  chopInterval = analogRead(chopIntervalPin); 
  chopInterval = map(chopInterval, 0, 1023, 1, 10); 
  chopInterval *= 1000; 
  totalTime = quietTime + programTime;  
}  

映射函數(shù)非常適合將模擬值從原始 0 到 1023 范圍轉(zhuǎn)換為 1 到 10“增量”。通過將這些值乘以毫秒值，我們定義了每個(gè)電位器的增量幅度（例如 quietTime 和 programTime 為 30s，chopInterval 為 1s）。我發(fā)現(xiàn)這種方法效果最好，因?yàn)橹苯佑成涞胶撩耄ɡ?0 到 300000）會(huì)導(dǎo)致難以將電位計(jì)設(shè)置為精確時(shí)間，例如恰好 4 分鐘或 2 秒。相反，這種方法為我們提供了很好且容易使用的時(shí)間增量。

如果我們不知道要將它們更改為什么，那么能夠在實(shí)驗(yàn)之間更改時(shí)間值毫無意義。在本節(jié)中，我們將為 LCD 添加代碼。

我們已經(jīng)添加了 LCD 庫并告訴 arduino 使用哪些引腳與 LCD 通信，但是我們需要添加，

lcd.begin(16, 2);

命令設(shè)置功能，它啟動(dòng)顯示并告訴arduino顯示有多大。

與 chop 程序本身類似，我們希望將 LCD 編程為在兩種狀態(tài)下運(yùn)行：“開”和“關(guān)”。當(dāng)斬波程序運(yùn)行時(shí)，我們希望LCD顯示還剩多少安靜時(shí)間或斬波時(shí)間。為此，我添加了兩個(gè)條件語句，一個(gè)將顯示剩余安靜時(shí)間，一個(gè)將顯示剩余切割時(shí)間：

if (programRunning) {
  digitalWrite(ledPin, HIGH);
  if ((currentMillis - programStartTime) % 500 == 0) {
    // if quiet time has passed and total time has not been exceeded
    if (currentMillis >= programStartTime + quietTime) {
      lcd.clear();
      lcd.print("Quiet Time:"); 
      lcd.setCursor(12, 0); 
      lcd.print((quietTime - (currentMillis - programStartTime)) / 1000); 
    }
  }
}

最初，我發(fā)現(xiàn) LCD 刷新方式很快使它難以閱讀，因此我添加了，

if ((currentMillis - programStartTime) % 500 == 0)

有條件的，因此顯示每秒僅更新兩次。刷新后，LCD 清除其顯示，打印“安靜時(shí)間：”或“運(yùn)行時(shí)間：”，移動(dòng)光標(biāo)并以秒為單位打印剩余時(shí)間（我認(rèn)為四舍五入到最接近的整秒）。

當(dāng)斬波程序停止時(shí)，我們希望 LCD 動(dòng)態(tài)顯示斬波間隔、安靜時(shí)間和總運(yùn)行時(shí)間的值以及“程序已停止”消息。

在我們計(jì)算出電位器的值后，我們可以添加以下代碼：

if (currentMillis % 500 == 0) { 
  lcd.clear(); 
  lcd.print("Program Stopped"); 
  lcd.setCursor(0, 1); 
  lcd.print("Q:"); 
  lcd.print(quietTime / 1000); 
  lcd.print(" R:"); 
  lcd.print(programTime / 1000); 
  lcd.print(" I:"); 
  lcd.print(chopInterval / 1000); 
} 

與上面類似，這會(huì)清除顯示并顯示 quietTime、programTime 和 chopInterval 變量的值，因?yàn)樗鼈円迅摹?/font>

在這一點(diǎn)上，你應(yīng)該有一個(gè)像這樣工作的顯示器，

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就是這樣！現(xiàn)在剩下的就是連接一塊硬紙板或類似伺服電機(jī)的東西，將電機(jī)安裝到環(huán)形支架上，開始您的實(shí)驗(yàn)，并且忘記再次手動(dòng)切斷光束！

我希望你喜歡這個(gè)教程！