Arduino双模式风扇频闪系统实现：静态定点与动态循环效果指南

基于Arduino控制器搭建的风扇频闪系统，可通过简单硬件组合实现静态固定与动态循环两种频闪效果，兼具低成本、易调试、实用性强等特点，对于物理、光电、仪器、测控等专业是一个非常好的闭环综合实验。本文将从硬件构成、工作原理、模式特性及调试要点等方面，系统拆解该系统的实现逻辑。

实验原理

物体在快速运动时，当人眼所看到的影像消失后，人眼仍能继续保留其影像0.1~0.4秒左右，这种现象被称为视觉暂留现象。频闪效应就是通过视觉暂留现象实现的，通过周期性闪烁的光源照射运动的物体，物体每次运动到某一固定位置时恰好被照亮，被照亮的物体的影像会在眼中停留0.1~0.4秒，所以会看到运动的物体“静止”在某处的现象。频闪现象对光源闪烁的稳定性要求较高，如果光源闪烁的频率不固定，会有多个“物体”叠加在一起的现象，不能观察到清晰的像。

核心硬件构成（双模式通用）

• 主控单元：Arduino UNO，承担信号采集、算法运算及执行器控制核心任务，保障系统时序精度。
• 位置检测单元：风扇切割扇叶后的红色激光器，光电探测器用于采集叶片位置信号和风扇转速信息，通过模拟量变化反馈叶片是否经过检测点。
• 执行单元：白光LED模块，采用低电平触发模式，响应控制器指令实现精准亮灭，作为频闪视觉输出载体。
• 载体单元：9叶电脑风扇，叶片数量为相位定位提供基准，旋转过程中形成周期性位置触发信号，保障频闪效果稳定性。
• 辅助：杜邦线若干、USB拓展坞一个，BNC转鳄鱼夹线，SMA转鳄鱼夹线，不同型号固定支撑座若干，立柱若干，光学平台。

整体硬件是多轴笼式结构搭建而成，结构如下图所示。

系统核心工作原理

两种模式的底层工作逻辑一致，均通过“叶片位置检测-信号滤波处理-微秒级时序控光”的闭环机制实现频闪效果，核心依托位置识别精度与时序控制稳定性，具体流程如下：

1. 位置信号采集：风扇旋转时，叶片切割激光触发光电探测器模拟信号突变，当信号值超过预设阈值，初步判定叶片到位。
2. 信号滤波防抖：通过“连续2次有效信号确认+2毫秒时间间隔滤波”算法，排除环境光干扰、传感器抖动导致的误触发，确保叶片位置识别精准。
3. 时序控光执行：控制器根据预设程序逻辑触发光源点亮，采用450微秒固定点亮时长（可按需微调），避免视觉残影，随后自动关闭光源，完成单次频闪动作。
4. 循环执行：风扇持续旋转带动叶片依次经过检测点，系统重复上述流程，形成连续、稳定的频闪效果，频闪相位由程序逻辑精准控制。通过内部控制程序调整照明频率，可以看到扇叶上一个字母或者多个字母的频闪效果，这是一个简单的闭环系统。

频闪系统框图如下：

双模式功能特性与实现

模式一：手动固定频闪（静态相位模式）

功能特性：采用相位锁定机制，通过串口指令标定叶片基准后，手动指定目标叶片编号，光源仅在该叶片经过检测点时触发频闪，频闪相位固定不变，适用于静态标识展示、定点亮化等场景。

调试流程：

1. 将程序烧录至Arduino控制器，打开串口监视器并设置波特率为115200，等待系统初始化完成。
2. 缓慢转动风扇，将待标定为“1号”的叶片对准光电探测器检测点，通过串口发送指令 s 完成叶片基准同步。
3. 发送1-9范围内的数字指令，设定目标频闪叶片，系统自动锁定该叶片相位，实现定点频闪，相位变更需重新发送数字指令。

核心优势：相位锁定精度高，无漂移现象，调试流程简洁，对硬件时序稳定性要求较低。

模式二：自动循环频闪（动态相位模式）

功能特性：在静态模式基础上引入非阻塞式时序调度机制，叶片基准同步完成后，系统按1秒固定间隔（可自定义）自动切换频闪相位，相位递进方向与风扇旋转方向自适应匹配，呈现动态流动光效，适用于氛围亮化、动态演示等场景。

功能亮点：

1. 手动干预兼容：支持通过串口数字指令直接重置频闪相位，重置后自动延续循环逻辑，兼顾手动控制与自动运行需求。
2. 时序稳定性：采用millis()函数实现非阻塞计时，避免计时逻辑阻塞叶片检测与防抖流程，保障频闪与相位切换精准度。
3. 方向自适应：通过程序参数配置（isClockwiseRotation）匹配风扇实际旋转方向（顺时针/逆时针），确保相位递进与风扇运动逻辑一致。

两种频闪模式都可以通过改变代码里displayBladeCount的值，设定扇叶上的成像数量，效果对比如下图。

总结

本文设计的基于Arduino的双模式风扇频闪系统，以光电探测器为位置检测核心、白光LED为执行载体，构建了“检测-处理-执行-反馈”的闭环控制架构，实现了静态固定与动态循环两种频闪模式。系统兼具低成本、高稳定性、易调试的优势，硬件选型通用且无需复杂改装，软件逻辑采用防抖滤波与非阻塞计时算法，保障了频闪相位精准度与时序稳定性。两款模式均支持串口手动干预，兼顾灵活性与实用性。如果你想获取更多类似的开源实战项目代码或进行技术交流，可以到云栈社区逛逛。

附录1：手动调节相位代码

// 核心配置参数
const int lightPin = 11;
const int detectorPin = A0;
const unsigned long lightOnUs = 450;
const int analogThreshold = 90;

const int bladesPerRevolution = 9;
int targetBlade = 1;          // 默认目标
int displayBladeCount = 1;//设定扇叶上成像数量
unsigned long triggerDelayUs = 0;

// 防抖参数
const unsigned long debounceUs = 2000;
const int pulseConfirmCount = 2;

// 状态变量
bool isLightOn = false;
unsigned long lightOnStartTime = 0;
unsigned long lastTriggerTime = 0;
int pulseCount = 0;
int currentBlade = 0;
unsigned long lastPrintTime = 0;

const bool isClockwiseRotation = false; //风扇转动方向 true=顺时针, false=逆时针

// 同步状态
bool syncCompleted = false;   // 是否已完成同步

void setup(){
  pinMode(lightPin, OUTPUT);
  digitalWrite(lightPin, HIGH); // 光源初始关闭
  Serial.begin(115200);
  delay(500); // 等待串口稳定

  Serial.println("=== 风扇屏显 - 相位可控模式 ===");
  Serial.println("📌 操作步骤：");
  Serial.println("1. 缓慢转动风扇，将【你想作为1号的叶片】对准传感器");
  Serial.println("2. 在串口监视器输入 's' 并发送");
  Serial.println("3. 系统会将下一个经过的叶片设为1号");
  Serial.println("4. 输入数字(1-9)设置目标显示位置");
  Serial.print("风扇旋转方向: ");
  Serial.println(isClockwiseRotation ? "顺时针" : "逆时针");
  Serial.println("----------------------------------");
}

bool detectValidFanPulse(){
  int analogValue = analogRead(detectorPin);
  unsigned long currentTime = micros();

  // 调试打印（每200ms）
  if (currentTime - lastPrintTime >= 200000) {
    Serial.print("ADC=");
    Serial.print(analogValue);
    Serial.print(" | Blade=");
    Serial.print(currentBlade);
    Serial.print(" | Target=");
    Serial.print(targetBlade);
    Serial.print(" | Light=");
    Serial.println(isLightOn ? "ON" : "OFF");
    lastPrintTime = currentTime;
  }

  if (analogValue > analogThreshold) {
    pulseCount++;
    if (pulseCount >= pulseConfirmCount && currentTime - lastTriggerTime > debounceUs) {
      pulseCount = 0;
      lastTriggerTime = currentTime;
      return true;
    }
  } else {
    pulseCount = 0;
  }
  return false;
}

bool isBladeInDisplayRange(){
  int step = isClockwiseRotation ? 1 : -1;
  for (int i = 0; i < displayBladeCount; i++) {
    int bladeToCheck = targetBlade + i * step;
    if (bladeToCheck < 1) bladeToCheck += bladesPerRevolution;
    if (bladeToCheck > bladesPerRevolution) bladeToCheck -= bladesPerRevolution;
    if (currentBlade == bladeToCheck) {
      return true;
    }
  }
  return false;
}

void loop(){

  // 处理串口命令
  if (Serial.available()) {
    String cmd = Serial.readStringUntil('\n');
    cmd.trim();

    if (cmd == "s") {
      // 触发同步：重置状态，等待下一个叶片作为1号
      syncCompleted = false;
      currentBlade = 0;
      Serial.println("🔄 等待叶片同步... 请让目标叶片通过传感器");
    }
    else if (cmd.length() == 1 && isDigit(cmd[0])) {
      int num = cmd.toInt();
      if (num >= 1 && num <= bladesPerRevolution) {
        targetBlade = num;
        Serial.print("🎯 目标叶片已设为: ");
        Serial.println(targetBlade);
      }
    }
  }

  // 仅在完成同步后才处理叶片计数和点亮
  if (detectValidFanPulse()) {
    if (!syncCompleted) {
      // 第一个有效脉冲 → 设为1号叶片
      currentBlade = 1;
      syncCompleted = true;
      Serial.println("✅ 同步成功！当前叶片 = 1");
    } else {
      currentBlade++;
      if (currentBlade > bladesPerRevolution) {
        currentBlade = 1;
      }
    }
    // 如果已同步且当前叶片在显示范围内，则点亮
    if (syncCompleted && isBladeInDisplayRange() && !isLightOn) {
      delayMicroseconds(triggerDelayUs);
      digitalWrite(lightPin, LOW);
      lightOnStartTime = micros();
      isLightOn = true;
    }
  }
  // 自动关灯
  if (isLightOn && (micros() - lightOnStartTime >= lightOnUs)) {
    digitalWrite(lightPin, HIGH);
    isLightOn = false;
  }
}

附录2：自动调节相位代码

// 核心配置参数
const int lightPin = 11;
const int detectorPin = A0;
const unsigned long lightOnUs = 450;
const int analogThreshold = 90;

const int bladesPerRevolution = 9;
int targetBlade = 1;          // 默认目标
int displayBladeCount = 1;    // 设定扇叶上成像数量
unsigned long triggerDelayUs = 0;

// 防抖参数
const unsigned long debounceUs = 2000;
const int pulseConfirmCount = 2;

// 状态变量
bool isLightOn = false;
unsigned long lightOnStartTime = 0;
unsigned long lastTriggerTime = 0;
int pulseCount = 0;
int currentBlade = 0;
unsigned long lastPrintTime = 0;

const bool isClockwiseRotation = false; // 风扇转动方向 true=顺时针, false=逆时针

// 同步状态
bool syncCompleted = false;   // 是否已完成同步

// 新增：自动相位循环参数
unsigned long lastPhaseChangeTime = 0;  // 记录上次相位切换的时间
const unsigned long phaseChangeInterval = 1000; // 相位切换间隔（1000毫秒=1秒）

void setup(){
  pinMode(lightPin, OUTPUT);
  digitalWrite(lightPin, HIGH); // 光源初始关闭
  Serial.begin(115200);
  delay(500); // 等待串口稳定

  Serial.println("=== 风扇屏显 - 自动相位循环模式 ===");
  Serial.println("📌 操作步骤：");
  Serial.println("1. 缓慢转动风扇，将【你想作为1号的叶片】对准传感器");
  Serial.println("2. 在串口监视器输入 's' 并发送");
  Serial.println("3. 系统会将下一个经过的叶片设为1号，同步后自动每隔1秒相位前进");
  Serial.print("风扇旋转方向: ");
  Serial.println(isClockwiseRotation ? "顺时针" : "逆时针");
  Serial.println("----------------------------------");
}

bool detectValidFanPulse(){
  int analogValue = analogRead(detectorPin);
  unsigned long currentTime = micros();

  // 调试打印（每200ms）
  if (currentTime - lastPrintTime >= 200000) {
    Serial.print("ADC=");
    Serial.print(analogValue);
    Serial.print(" | Blade=");
    Serial.print(currentBlade);
    Serial.print(" | Target=");
    Serial.print(targetBlade);
    Serial.print(" | Light=");
    Serial.println(isLightOn ? "ON" : "OFF");
    lastPrintTime = currentTime;
  }

  if (analogValue > analogThreshold) {
    pulseCount++;
    if (pulseCount >= pulseConfirmCount && currentTime - lastTriggerTime > debounceUs) {
      pulseCount = 0;
      lastTriggerTime = currentTime;
      return true;
    }
  } else {
    pulseCount = 0;
  }
  return false;
}

bool isBladeInDisplayRange(){
  int step = isClockwiseRotation ? 1 : -1;
  for (int i = 0; i < displayBladeCount; i++) {
    int bladeToCheck = targetBlade + i * step;
    if (bladeToCheck < 1) bladeToCheck += bladesPerRevolution;
    if (bladeToCheck > bladesPerRevolution) bladeToCheck -= bladesPerRevolution;
    if (currentBlade == bladeToCheck) {
      return true;
    }
  }
  return false;
}

void loop(){
  // 处理串口命令（保留手动同步功能）
  if (Serial.available()) {
    String cmd = Serial.readStringUntil('\n');
    cmd.trim();

    if (cmd == "s") {
      // 触发同步：重置状态，等待下一个叶片作为1号
      syncCompleted = false;
      currentBlade = 0;
      lastPhaseChangeTime = millis(); // 重置相位切换计时
      Serial.println("🔄 等待叶片同步... 请让目标叶片通过传感器");
    }
    // 保留手动设置目标叶片的功能（可选）
    else if (cmd.length() == 1 && isDigit(cmd[0])) {
      int num = cmd.toInt();
      if (num >= 1 && num <= bladesPerRevolution) {
        targetBlade = num;
        lastPhaseChangeTime = millis(); // 重置计时，从新目标开始循环
        Serial.print("🎯 手动设置目标叶片为: ");
        Serial.println(targetBlade);
      }
    }
  }

  // 新增：自动相位循环逻辑（仅同步完成后生效）
  if (syncCompleted) {
    unsigned long currentTime = millis();
    // 判断是否达到1秒切换间隔
    if (currentTime - lastPhaseChangeTime >= phaseChangeInterval) {
      lastPhaseChangeTime = currentTime; // 更新上次切换时间

      // 根据风扇旋转方向，计算下一个目标叶片
      int step = isClockwiseRotation ? 1 : -1;
      targetBlade += step;

      // 处理叶片编号循环（1-9）
      if (targetBlade < 1) {
        targetBlade += bladesPerRevolution;
      } else if (targetBlade > bladesPerRevolution) {
        targetBlade -= bladesPerRevolution;
      }

      // 串口打印相位变化提示
      Serial.print("🔄 自动切换相位 → 目标叶片: ");
      Serial.println(targetBlade);
    }
  }

  // 仅在完成同步后才处理叶片计数和点亮
  if (detectValidFanPulse()) {
    if (!syncCompleted) {
      // 第一个有效脉冲 → 设为1号叶片
      currentBlade = 1;
      syncCompleted = true;
      lastPhaseChangeTime = millis(); // 同步成功后，初始化相位计时
      Serial.println("✅ 同步成功！当前叶片 = 1，开始自动相位循环");
    } else {
      currentBlade++;
      if (currentBlade > bladesPerRevolution) {
        currentBlade = 1;
      }
    }

    // 如果已同步且当前叶片在显示范围内，则点亮
    if (syncCompleted && isBladeInDisplayRange() && !isLightOn) {
      delayMicroseconds(triggerDelayUs);
      digitalWrite(lightPin, LOW);
      lightOnStartTime = micros();
      isLightOn = true;
    }
  }

  // 自动关灯
  if (isLightOn && (micros() - lightOnStartTime >= lightOnUs)) {
    digitalWrite(lightPin, HIGH);
    isLightOn = false;
  }
}