02 與擴展板的結合

(2021/07/04)

【原來學Arduino這麼簡單(二)】

昨天介紹完Arduino及PictoBlox後，為了讓Arduino有更多應用，而且不用自己去接線，因此採用擴展板來簡化我們的工作，今天就介紹Arduino與擴展板的結合....

各種模組介紹：https://cavedu.gitbook.io/cavedu/rk002/module

一、認識數位及類比

Ｑ：何謂數位訊號？
- Ａ：簡單來說，數位訊號只有兩種狀態。高電位跟低電位或者說1(ON)跟0(OFF)(可看做【電燈開關】，不是ON，就是OFF )。舉凡像是電腦、手機等等的電子產品幾乎都是輸送數位訊號。
Ｑ：何謂類比訊號？
- Ａ：類比訊號，簡單的說，就是除了數位訊號以外的訊號都叫作類比訊號。像是溫度的高低變化，聲音的大小變化等連續訊號都是類比訊號(可看做像【瓦斯開關】，不是只有開跟關而已，還有可大一點、小一點的調控 )。類比訊號為連續訊號，不像數位訊號只有0、1兩種狀態，而是在0、1間還有其他的值，像0.1、0.3888…等。

二、認識【輸出裝置】及【輸入裝置】

以大家熟悉的電腦為例：
- 輸出裝置（電腦利用【什麼】來告訴我們它執行的結果，電腦對外部裝置的控制）：螢幕、喇叭、印表機 ...
- 輸入裝置（我們利用【什麼】來告訴電腦做事情，外部裝置對電腦的控制）：鍵盤、滑鼠、麥克風、搖桿 ...
- 電腦 <===> 外部裝置
今天的主角 Arduino 也可看成是一台電腦，所以與Arduino連接在一起的元件或感應器，也有輸出及輸入之分！
- 輸出裝置：(Arduino對外部裝置的控制)
  - 又有分【數位輸出(DIGITAL OUT)】(ON/OFF)及【類比輸出(ANALOG OUT)】
    - 數位輸出(DIGITAL OUT)：
      - 像我們對【外部LED燈】做亮滅(不是亮就是滅)控制
      - Arduino的D0、D1、....D13的腳位都可以當數位輸出腳位來控制外部元件(或裝置)（D代表Digital）
      - 輸出高電位5V與低電位0V的數位訊號
    - 類比輸出(ANALOG OUT)：
      - 像我們對【外部LED燈】做漸亮或漸滅的控制
      - Arduino的D3、D5、D6、D9、D10、D11(有小蚯蚓的符號)的腳位都可以當類比輸出腳位
      - 上面的類比輸出腳位為PWM腳位，是將數位腳位模擬成類比腳位。
- 輸入裝置：(外部裝置對Arduino的控制)
  - 又有分【數位輸入(DIGITAL IN)】(就像開關 ON/OFF)及【類比輸入(ANALOG IN)】
    - 數位輸入(DIGITAL IN)：
      - 【按鍵】是我們最常見的數位輸入裝置(相當於鍵盤)，我們可以利用是否按下【按鍵】來控制Arduino的相關動作
      - Arduino的D0、D1、....D13的腳位都可以當數位輸入腳位來接收外部裝置訊號
    - 類比輸入(ANALOG IN)：
      - 【可變電阻器】、【光敏電阻】是我們最常見的類比輸入裝置，我們可以根據接收到的類比值來控制Arduino的相關動作，如天黑請開燈....
      - Arduino的A0、A1、....A5的腳位都可以當類比輸入腳位來接收外部裝置訊號（D代表Analog）

三、認識【擴展板】

我們這次使用的擴展板是Arduino Easy Module Shield V1 ，如下：
- 數位腳位(通常D0、D1不會用到，當RX與TX用)
  - D2腳位接了一顆【按鍵】
  - D3腳位接了一顆【按鍵】
  - D4腳位接了一顆【DHT11(溫濕度感應器)】
  - D5腳位接了一顆【蜂鳴器】
  - D6腳位接了一顆【紅外線接收器】
  - D7腳位沒有接東西，我們可以接我們想接的元件或感應器
  - D8腳位沒有接東西，我們可以接我們想接的元件或感應器
  - D9腳位接到了【三色LED的紅燈】
  - D10腳位接到了【三色LED的綠燈】
  - D11腳位接到了【三色LED的藍燈】
  - D12腳位接了一顆【紅色LED燈】
  - D13腳位接了一顆【藍色LED燈】
- 類比輸入腳位
  - A0：可變電阻器
  - A1：光敏電阻
  - A2：LM35溫度感測器模組
  - A3：沒有接東西，我們可以接我們想接的元件或感應器
  - A4：I2C接口（A4 SDA）
  - A5：I2C接口（A5 SCL）
- 其他
  - 1個I2C接口（A4 SDA、A5 SCL）、1個TTL串口

四、開始寫程式了

(一)點亮擴展板上的LED燈

- 擴展板上的LED燈有兩種
  - 單色LED燈：有兩顆，分別為LED1(D13)及LED2(D12)，所使用腳位為一般的數位腳位(0或1)
  - 三色LED燈：有一顆，分別用了R(D9)、G(D10)、B(D11)，這3個腳位為PWM腳位，可進行類比輸出控制
- 實作一：交互點亮LED1及LED2(點亮時間為1秒)
  - 先使用【舞台模式】，使用前記得先將【舞台模式】的韌體燒錄到板子去
  - 這實作應該很簡單哦！

- 實作二：交互點亮三色LED燈的紅燈、綠燈、藍燈(每燈點亮時間為1秒)
  - 程式跟上面很像，請問同學，能不能再把下面程式再簡化一下？

- 實作三：將三色LED燈的紅燈漸亮又漸滅，不停循環，這也就是所謂的【呼吸燈】
  - PWM腳位的輸出值為0~255間，其實0及255就是數位訊號的0及1，類比訊號就是在0與1間還有其他值
  - 這可能要用到變數及迴圈，請同學先想一想如何做？

(二)請大熊告知【輸入裝置】所輸入的值

擴展板的輸入裝置如下：
- 數位輸入：按鍵1(SW1、D2)及按键2(SW2、D3)
- 類比輸入：可變電阻器(Rotation、A0)、光敏電阻(Light、A1)
實作一：請大熊告知【按鍵】按下及沒有按下時的【輸入數位值】

發現：
- 當未按下按鍵時，其輸入值為1
- 當按下按鍵時，其輸入值為0
實作二：當按下SW1按鍵時，亮藍色LED1燈，當按下SW2按鍵時，亮紅色LED2燈，放開按鍵則燈滅
- 這邊要把我們上面所介紹過的【數位輸出】及【數位輸入】結合在一起
- 由於要判斷是否按下按鍵，所以這邊也要用到【邏輯】積木

實作三：請設計按一下鍵亮燈(一直亮)，再按一下滅燈(一直滅)
- 請同學想一想這要如何做？

實作四：請大熊告知【可變電阻器】的【輸入類比值】
- 類比輸入值介於0~1023間

實作五：天黑請開燈
- 在上例中，一樣可以請大熊說出光敏電阻的輸入類比值，發現
  - 全遮光時：其值靠近0
  - 很亮時，其值靠近1023
  - 以輸入類比值小於200代表天黑了
  - 當天黑時，請將藍色LED1點亮

(三)進階遊戲設計 (Arduino與舞台的互動)

- 實作一：跳大熊(恐龍)遊戲：按下按鍵，大熊(恐龍)會往上跳，避過障礙物
- 實作二：射擊遊戲：利用可變電阻器可以移動主角的位置，按下按鍵會射擊出子彈
- 實作三：大熊(猴子)接香蕉遊戲：利用可變電阻器可以移動大熊(猴子)的位置
- 實作四：天黑請開燈：太陽會隨著亮度做升降、舞台背景會隨著亮度做改變