Arduino S4A 生活中的科技與原理實作

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1 Arduino S4A 生活中的科技與原理實作
南門國小資訊組 張文宏

2 Arduino？ Open hardware？ 開放硬體？
...makes people to learn about the way things work in this world we live in where there are more computers than people. by David Cuartielles 讓人們在這個電腦比人多的世界裡， 學習事物運作的原理。 by David Cuartielles(Arduino發起人之一)

3 電腦比人多…？ 電(電子零件、設備) 智慧(邏輯、判斷、程式規劃) 控制 感受 (光、聲音、力、空氣、溫度…) 電梯是電腦嗎？
電梯如何運作？ 電(電子零件、設備) 智慧(邏輯、判斷、程式規劃) 控制 感受 (光、聲音、力、空氣、溫度…)

4 1、Arduino與S4A環境建置 Arduino要怎麼唸？

5 1-1 Arduino環境建置(1) (以Windows環境為例)
下載開發環境：至官網(arduino.cc)，點選download後，下載ArduinoIDE (目前1.5.6r2) 安裝開發環境：有2種下載檔，如下載installer檔，直接執行；如為zip檔，直接解壓縮後，進入資料夾找執行檔即可使用。 (可於研習下載檔案直接使用zip檔)

6 1-1 Arduino環境建置(2) 驅動arduino板：電腦連接arduino(若需驅動程式，位置在arduinoIDE安裝資料夾內drivers資料夾) 找出板子的COM port號碼：於裝置管理員找到「連接埠」，內有Arduino Uno的號碼

7 1-2 S4A(Scratch for Arduino)軟體安裝
S4A是一個Scratch的修改版本，提供額外積木以支援Arduino。 如自行下載，至S4A官網下載(網址s4a.cat)，有兩個要下載，一個是S4A程式(pc用)及另一個是S4A韌體(arduino用) 請於PC端安裝S4A程式 S4A程式(PC用) S4A韌體(Arduino用) 這樣就可以使用Arduino了嗎？

8 1-3 將S4A韌體安裝至Arduino電路板(1)
1、開啟ArduinoIDE 3、設定Arduino板子 的com port號碼 (要與裝置管理員內的相同)

9 1-3 將S4A韌體安裝至Arduino電路板(2)
5、檢驗程式並上傳 至Arduino 訊息區 (回報成功或錯誤訊息)

10 1-4 連結Arduino與S4A S4A程式與S4A韌體的連結 (用search board或選擇序列埠均可)
S4A與Arduino連線關閉 何時要連線關閉？ 若看到感應器數字跳動即成功。 連結Arduino的com port號碼 類比輸入的值會一直跳動 (因有浮動訊號)

11 1-5 Arduino與S4A概念圖(1) 維基百科定義 韌體（firmware）…是一種嵌入在硬體裝置中的軟體。 2、透過USB線
以序列(Serial)通訊 傳送韌體 3、韌體儲存於 Arduino的Atmega 內的記憶體 1、以ArduinoIDE 編寫韌體程式上傳

12 1-5 Arduino與S4A概念圖(2) Arduino電路板 (內有S4A韌體) 以序列通信方式 傳送資料及控制Arduino
(Scratch for Arduino) 在PC上

13 麵包板介紹 麵包板 (大型與小型) 麵包板底部有直與橫的金屬片 左圖中連接的線代表電路是連接的

14 線材及零件 麵包板跳線 (雙公頭) 碳膜電阻，本次課程使用 電阻有100 、300、10K、1M 及10M歐姆 杜邦線 (雙母頭)

15 2、簡單的LED電路

16 2-1 生活中的LED指示燈 看一看電腦面板，找出LED指示燈 LED指示燈有什麼功能？ 還有什麼東西也會有LED指示燈？

17 2-2 什麼是LED 發光二極體(Light Emitting DiodeLED)，簡稱為LED，
是一個單向導通時會發光，體積小、不發熱、消耗功率低且耐用的電子元件 負極處 有切口 + LED 電路符號 - 短腳是 負極(-) (Cathode) 長腳是 正極(+) (Anode)

18 2-3 簡易電路 – LED電路圖 正極(5V or Vcc) 電阻 發光二極體 (LED) 負極(GND) 微電腦專案常用電路圖

19 2-4 簡易電路 – LED電路實作(1) 依左邊的接線示意圖 連接一個簡單的電路 讓LED亮起來吧！ 能看出電路的流動路徑嗎？

20 2-4 簡易電路 – LED電路實作(2) 接續上例， 在麵包板左方接出另一組電路 哪一個LED較亮？為什麼？

21 2-4 簡易電路 – LED電路實作(3) 接續上例， 將右方300電阻換成100歐姆 並改變左方LED的電路 哪一個LED較亮？為什麼？

22 2-5 歐姆定律與限流電阻 驗證歐姆定律 電路中電阻的作用是什麼？ 情況一：電壓固定，給予不同電阻 情況二：電阻固定，給予不同電壓
電阻有限制電流，及降低LED工作電壓的功能， 以防燒毀零件

23 2-6 數位輸出控制LED電路圖 Arduino 數位輸出 輸出值ON，輸出的電壓為5V 輸出值OFF，輸出的電壓為0V
在S4A(1.5韌體)的預設 數位輸出針腳有四個 (分別是D10、D11、D12 、D13)

24 2-7 數位輸出控制LED實作 接續上例， 2組接線改變 成如接線圖 並連接S4A 以上方積木來操作看看 使用上方積木 會發生什麼事？

25 本單元結束

26 3、調光與RGB LED

27 3-1 生活中的跑馬燈 還有什麼地方可以看到 跑馬燈或電視牆？ 跑馬燈或電視牆的 亮度及顏色可以有哪些變化 ？ 靠近一點看看
3-1 生活中的跑馬燈 還有什麼地方可以看到 跑馬燈或電視牆？ 跑馬燈或電視牆的 亮度及顏色可以有哪些變化 ？ 靠近一點看看 文字是由什麼組成的？

28 3-2 Arduino類比輸出–PWM變頻 Arduino 類比輸出 輸出值255，輸出的電壓為5V 輸出值0，輸出的電壓為0V
不同的輸出電壓 對LED會有什麼影響？ PWM是一種以變頻方式 模擬類比輸出的一種技術， 在Arduino中，PWM輸出 的值有0~255的變化 在S4A(1.5韌體)的預設 PWM針腳有三個， 分別是D5、D6、D9

29 3-3 類比輸出LED調光實作 延用2-2的例子 將2組LED電路 依圖更改 以上方積木來操作看看 模擬燭光 想一想，如何 做出呼吸燈呢？
(漸亮、漸暗、漸亮、 漸暗、不斷循環)

30 其他3個針腳為R(紅)、G(綠)、B(藍)
3-4 RGB(三原色) LED介紹 如果把3個LED的正極(長腳) 接在一起會怎麼樣？ 共陽極RGB LED 共同陽極接腳 最長針腳為共同陽極接腳，接5V 其他3個針腳為R(紅)、G(綠)、B(藍) 接類比輸出D5、D6、D9 註：也有共陰極RGB LED

31 3-5 RGB LED燈光實作 請依下圖說明 接線RGB LED (可一次接3色，也可一次接一色測試) 基本控制積木 紅、藍、綠三變數拉桿
做做看 請調出圖中的顏色 設定顏色主程式

32 本單元結束

33 4、數位開關與人體樂器

34 4-1 Makey Makey 與 人體樂器 這是如何運作的？ 人體樂器
MaKey MaKey - An Invention Kit for Everyone 這是如何運作的？

35 Makey Makey是用人體當做開關的一部份
4-2 數位輸入開關 Makey Makey是用人體當做開關的一部份 並以此產生訊號與電腦互動 認識數位開關 輕觸開關

36 4-3 數位輸入開關電路圖 Arduino 輸入 開關 Arduino 輸入 10K歐姆 上圖的開關在運作時OK嗎？ 開關打開(斷路)時
4-3 數位輸入開關電路圖 Arduino 輸入 開關 Arduino 輸入 10K歐姆 上圖的開關在運作時OK嗎？ 開關打開(斷路)時 Arduino會收到浮動訊號 解決浮動訊號問題 按下開關時Arduino收到1 沒按開關時Arduino收到0 [ 浮動訊號 ] 在0與1之間的模糊飄移訊號 所加入的電阻 一般稱為下拉電阻

37 4-4 數位輸入開關實作 註： D13已內建電阻 可先單獨測試 Digital 13 on Digital 13 off
4-4 數位輸入開關實作 註： D13已內建電阻 可先單獨測試 Digital 13 on Digital 13 off 及觀察Digital 2變化 開關操作積木 可將開關的功能相反嗎？ (改為按下時LED不亮)

38 如果說Makey Makey是用人體當開關
4-5 另一種數位輸入開關 Arduino 輸入 如果說Makey Makey是用人體當開關 那把剛剛的開關換成人體會怎樣？ 把開關的狀態反轉過來？ Arduino 輸入 以類似上拉電阻的方式來實作 簡易的人體樂器 採1M或10M歐姆的高電阻 (使電流微弱；訊號較靈敏) Arduino採類比輸入(0~1024變化) 在S4A中方便觀察觸碰後的變化 註：其實人體也有其電阻值，所以Makey不是純粹的上拉電阻，而是像類比輸入的電路，若要深究，可用電壓分配定則(Voltage Divider Rule)來觀察其特性。另網路上亦有稱Makey為電阻感應，此下仍不甚理解，待有心人研究。 上拉電阻 按下開關時Arduino收到0 沒按開關時Arduino收到1

39 4-6 人體樂器實作 先觀察以手接觸兩條線時，A0類比輸入值的下降程度 ，以決定偵測值(可嘗試1M或10M歐姆電阻)

40 本單元結束

41 5、繼電器與小夜燈

42 5-1 智慧家庭 想一想，影片裡有哪些技術整合應用？
5-1 智慧家庭 智慧家庭是利用微處理電子技術，集中管理與自動控制家中的電器產品及系統例如：照明燈、電視、保全系統、空調、視聽音響等… ---摘自天碩電網簡介 Smart Living智能家居服務 (香港電視廣告) 想一想，影片裡有哪些技術整合應用？

43 繼電器(Relay:用電磁鐵控制的開關)
5-2 繼電器模組介紹 Arduino的電源(USB)是5V的直流電，要如何控制110V的家電呢？ 繼電器(Relay:用電磁鐵控制的開關) IN(或S)接Arduino 數位輸出 Vcc接5V GND接GND Arduino 5V電路 電磁鐵 通電 繼電器 上下電路不相連 繼電器 模組 NC常閉 (本次不使用) NO 常開 NO與COM 分別接上 110V電路 市電 110電路 COM 共接點

44 5-3 安裝擴充板 以麵包板實做繼電器電路時，會變得較複雜與困難，怎麼辦呢？ 使用擴充卡(Shield)及 模組(module)
5-3 安裝擴充板 以麵包板實做繼電器電路時，會變得較複雜與困難，怎麼辦呢？ 使用擴充卡(Shield)及 模組(module) Arduino S4A Sensor Board (台灣motoduino團隊製作) 第一針腳接A5 正面圖 安裝與拆下時注意兩邊力量 要平均、漸進，不然針腳會歪掉 第一針腳接RX 0 背面有兩排針腳 短的那排接Arduino類比區(A5~A0 那邊) 長的那排接Arduino數位區(0~13那邊) Arduino與擴充板合體

45 5-4 測試及控制繼電器模組 接上繼電器模組 以杜邦線 擴充板D12 接連繼電器模組 與擴充板D12 (S:代表Signal)
5-4 測試及控制繼電器模組 接上繼電器模組 以杜邦線 接連繼電器模組 與擴充板D12 (S:代表Signal) (V:代表+) (G:代表-) 擴充板D12 繼電器控制積木 (數位輸出) 控制積木為ON時 繼電器會發生什麼事？ 為什麼？ 接上繼電器模組情形

46 5-5 接上110V 小夜燈電路(請務必注意安全) 完成後以剛剛的積木測試 因要使用110V電路，電流量較大，如未關閉110V電源前，
絕對不要觸摸繼電器(含背面焊接點)，或任何裸露電線、金屬，以免觸電。 小夜燈 (有個開關) 110V插頭 鬆開端子台上的鏍絲 (別太鬆，以免金屬片掉落) 將斷開的2條110v電線 接上端子台的COM及NO 將電線剪開其中一條線 分開的兩端準備接上繼電器 完成後以剛剛的積木測試

47 5-6 藍牙模組 藍牙模組位置 (使用藍牙時， S4A的連線必須斷開) 藍牙模組接腳說明
5-6 藍牙模組 藍牙模組位置 (使用藍牙時， S4A的連線必須斷開) 藍牙模組接腳說明 (若要與S4A連線，需設定速率為38400，才能連線，本次課程不實作) 藍牙模組接上擴充板時 藍牙上的Vcc接腳要接上板子的3V3 其他3針腳依序接好 (最前最後標示 x的地方不接) 接上藍牙情形

48 5-7 安裝app : Android BT on S4A
請上Google play 安裝 Android BT on S4A (本程式由台中市教育網路中心江昭漢老師開發，感謝辛苦無私的付出！)

49 5-8 藍牙遙控小夜燈 1、完成藍牙配對 (密碼1234) 3、先按連線裝置，連結藍牙 4、控制小夜燈的按鈕 2、開啟App

50 [安可篇] 5-? 類比輸入 – S4A擴充板介紹 註：上圖摘自臺中市數位教學平台 課程: S4A介紹與入門

51 [安可篇] 5-? 創意小夜燈實作 感光 小夜燈？ 音控 小夜燈？ 紅外線偵測 小夜燈？

52 AT LAST….. Remember! Build it, hack it , share it. Because Arduino is you! by Massimo Banzi 記得！ 動手實做、了解原理、與人分享！ 因為你就如同是Arduino ！ by Massimo Banzi(Arduino發起人之一)

53 延伸閱讀 書籍：超圖解 Arduino 互動設計入門(旗標) 書籍：程式設計邏輯訓練：使用Scratch (松崗)
Youtube: Arduino入門套件中文字幕教學 臺中市數位教學平台-科技教育開放硬體 SmetA科技玩創作(苗栗縣) 用Scratch及S4A動手玩資訊科學 S4A在台灣中小學的發展概況及其多元應用可能性 葉難:Arduino簡介 CooperMaa:Arduino 入門教學 當 Maker 只是好玩！