1050325 Arduino教師研習(大安高工林家德老師)

AMA中級應用認證教師監評研習 1

AMA中級先進微控制器

應用認證Arduino教師研習

主講者：大安高工 林家德老師 105/3/25

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講師個人學經歷介紹

• 姓名：林家德 • 學歷：師大工業教育研究所 • 經歷： – 81～ 大安高工電子科教師 – 92～94 大安高工系統管理教師 • 編著： – Arduino微電腦控制實習 – InnoBasic單板電腦專題製作 – 專題理論與呈現技巧 – 8051原理與實習 • 其它： – 建置Topic專題網，提供專題分享平臺 – 指導學生參加人工智慧鼠競賽線迷宮鼠 獲1,3名。TDK避障競速1,3名 Email: jiader168@gmail.com

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課程大綱

105年3月25日 時間 課程內容 基礎 08:20～10:30 Arduino簡介/優勢分析 Arduino教學資源/程式語法 LED實驗：呼吸燈 實務 10:40～12:00 開關實驗+七段顯示器+類比 蜂鳴器實驗：音樂盒 家用紅外線遙控器簡介 遙控器＋直流馬達控制

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什麼是MCU?

• MCU （Micro-Controller Unit；MCU）

– 就是微控制器，為受控設備的核心元件。 – 將CPU、RAM、ROM、I/O 或A/D等周邊整 合在一起 – 簡單來說，MCU已經是一個微型的電腦， 麻雀雖小但五臟俱全，因此能夠搭配在任何 電子產品上。 – 依照規格的不同，具有不同等級的記憶與運 算功能。

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MCU的分類

• MCU分類 – 根據處理能力的不同，MCU又可以分為 8位元、16位元與32位元。 • 微控制器無所不在 – 手機、遊戲機、家電（冰箱、冷氣、洗衣機、 攝錄相機等）、汽車行車電腦、交通號誌控 制

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淺談Arduino

• Arduino是一塊基於開放原始碼所發展 出來的I/O微電腦控制板，使用類似C語 言的Arduino IDE整合開發環境，讓使 用者可以快速使用Arduino語言與Flash、 Processing或scratch...等軟體，作出互動 作品。

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歷史

• Arduino是在2005年1月由義大利米蘭互 動設計學院的教授David Cuartielles 和 Massimo Banzi 所設計出來 • 原始構想是希望讓非電子背景的設計師 及藝術家們，亦可透過Arduino快速學 習電子和感測器的基本知識，縮短設計、 製作原型作品的時間，使虛擬與現實的 互動更加容易，且便宜好用。

優勢

• 價美物廉 • 跨平台（Windows，Macintosh和Linux） • 簡單、清晰的編程環境 • 開放源碼和可擴展的軟體 • 開放源碼和可擴展的硬體 • 具備標準的串列傳輸介面

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優勢

•物理運算平臺，處理方便 •廣大社群，資源豐富

物理運算平臺

• Arduino內建ADC以及PWM方式輸出的 DAC，是個親和性很高的物理訊號處理 平臺。 • 透過感測器（sensor）可取得周遭生活中 的物理量，包含溫濕度、亮度等，經過C 語言處理後，以聲、光呈現，非常適合 藝術家、設計師、業餘愛好者。

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自造者運動

改變人類未來生活的趨勢潮 傑瑞米．里夫金 (Jeremy Rifkin) http://www.books.com.tw/products/0010583876

創客經濟當道

• 創客經濟 • 代工已死 自製當道 16 「自已製造」時代來臨！ Maker創客經濟發燒 https://www.youtube.com/watch?v=x_KUpB0v7IU Maker《自造世代》電影預告片 - 中文字幕 https://www.youtube.com/watch?v=VREirE8afgg

創意從小做起

• 【親子天下】「創客精神」動手做，開啟真學習

https://www.youtube.com/watch?v=heItyp0VOzU

Arduino 32位元板

• 繼Due板後，Arduino再度發表基於32位 元的開發板，命名為Arduino Zero。 – 主打穿戴式與物聯網應用。 – 配備了Atmel的嵌入式除錯器（EDBG） – 內建Atmel的MCU • Due基於ARM Cortex M3（84MHz） • Zero基於較低階的 Cortex M0+（48MHz）

EDBG

基於

Cortex M0+ 的MCU

物聯網方案

(IOT)

電子科 跨領域課程 23

Intel Edison

擴展板(shield)

• Arduino標準版I/O及電源均可透過杜邦母 座與外部電路連接，除了可使用跳線連 接至應用電路外，更可採疊接的方式， 擴展出不同的功能 • 擴展板（shield）有很多，例如馬達控制 擴展板、乙太網路擴展板、RFID擴展板 、Wifi擴展板、GPRS擴展板、藍牙擴展 板、GPS擴展板、按鍵搖桿擴展板等。

擴展板(shield)

RJ45 接頭 UNO板 乙太網路擴 展板

Arduino系統架構

Arduino系統架構

• Arduino採用Atmel公司的AVR（Alf and Vegard’s RISC processor）系列晶片

• AVR主要應用在Atmel公司8位元的AT90 、ATmega、ATtiny系列的單晶微控制器 上，後期AVR還有應用在8/16位元的

通用串列傳輸介面

• ATmega328提供三種通用的串列傳輸介面

– USART介面 （universal synchronous asynchronous receiver/transmitter）

– SPI介面 （serial peripheral interface bus）

– TWI介面：即IIC介面（inter-integrated circuit； 內部整合電路）

開機載入程式bootloader

• Arduino之所以平易近人，主因還有 bootloader（開機載入程式）。 • bootloader屬於韌體（firmware），是一 支前置在程式記憶體起動區中的程式， 透過bootloader便可以直接把待燒錄的程 式上傳到晶片上，不需要額外的AVR ISP 燒錄裝置。

Bootloader的缺點

• 會佔用部分flash，UNO板占約0.5KB， Leonardo板占約4 KB （ATmega328的flash為32KB） • 因啟動時需先等幾秒判斷是否要燒錄的 動作，故正常應用時也無法一開機就動 作，此問題在UNO板R3已改善，但 Leonardo板仍可看到此問題。

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整合開發環境Arduino IDE

• Arduino IDE軟體（integrated development environment，具有在一個程式環境下即 可完成所有系統開發，而不需切換至其 它程式環境的優點，非常方便。

認識USB傳輸線

• 電腦端接頭：Type A USB • UNO板：Type B USB

• Nano板與OZONE板：Mini-B USB • Leonardo板：Micro-B USB

安裝IDE軟體

• 下載：Arduino官方網站 http://arduino.cc • 解壓縮（C:\arduino-1.0.6）目前最新版為1.6.8 • 資料夾 – drivers：Arduino開發版第一次插上電腦時，需要的 USB驅動程式 – hardware：此資料夾存放bootloader的原始檔，也可 存放第三方廠商的硬體描述檔。 – libraries：包含了基本的函式庫，也可包含網路上其 它玩家或第三方廠商的函式庫 • 執行arduino.exe

第一次接上Arduino裝置時的硬體

安裝精靈

查看裝置管理員中的連接埠狀態

• 找到硬體後，可透過電腦管理→裝置管 理員查看USB連接後的使用COM埠狀態

編寫程式 燒錄程式 編譯及 建立燒錄檔 程式除錯 有錯誤 正確 正確 有錯誤 編輯原始檔案 *.ino 將原始檔→機器碼→ 燒錄檔 *.hex 將燒錄檔上傳至 Arduino 利用Serial Monitor 偵錯，或從實作中驗 證 結束

Arduino程式架構

• Arduino採用類似Java、C語言的語法，也參考 了Processing（是一個可對影像、動畫、聲音進 行程式編輯的開放原始碼開發環境）的架構 • 因此不像標準的C語言一樣程式是從main()開始 執行，而是由設置區setup()與重複執行區loop() 組成的結構，查看Arduino底層的程式可了解它 們之間的關係。

Arduino Core

int main(void) // Arduino內部的主程式 { init(); setup(); // 執行IDE中的設置區程式 for (;;) // 永久迴圈 loop(); // 執行IDE中的重複執行區程式 return 0; }

Arduino程式架構

• Arduino程式可分為標頭檔區、宣告區、 設置區setup()、重複執行區loop()、副程 式與函數區。 • 主程式區、副程式與函數區內又可分為 宣告區、程式區。 • 所有程式區塊皆可省略，但setup()與 loop()不可少 。

Arduino的程式語言

特殊用途保留字

• HIGH、LOW：表示數位腳的高準位、低 準位 • INPUT、OUTPUT、INPUT_PULLUP： 指定Arduino數位腳位的電氣特性 • true、false：用來指示一個條件或表示式 為真或假。 • 整數常數：不同進制表示的特殊前導關 鍵字

特殊用途保留字

• 整數常數 – 十進制：直接以數字表示者，皆為十進制 – 二進制：以0b或B開頭者均代表二進制 – 八進制：以0（數字0）開頭者代表八進制 – 十六進制：以0x開頭者代表十六進制 例如a=0x4A=4×161_{+10=74 =B1001010=0112}

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Arduino學習工具

• Arduino圖控程式

– ArduBlock

– S4A（Scratch for Arduino） – S2A+Transformer

– mBlock

• Arduino線上電路與程式模擬軟體123D

圖控程式 S4A

• Scratch是圖形化程式的優質作品，適合當做學 習程式設計、訓練邏輯概念的入門軟體。 • Scratch主要可以設計動畫、遊戲及音樂。 • 開放源碼的兩者Scracth與Arduino，一軟一硬的 結合剛剛好，很容易做出會動會叫的互動故事 、動畫、遊戲和藝術等，蹦出創意的火花，這 就是S4A 。

Arduino線上電路與程式模擬軟體

• 123D Circuits是一個免費的程式模擬軟體 ，除了可使用麵包板佈線、畫電路、程 式模擬，還可進行PCB佈線，為一款可 線上編碼協作的電子設計工具。 • 網址為http://123d.circuits.io/

方塊圖

Arduino UNO板 或 Leonardo板 LED USB 介面 D10

選擇板子及串列埠

• 選擇微控制器板 – 請點選Tools→Board→Arduino Leonardo • 選擇微控制器板使用的串列傳輸埠 – 每臺電腦配置給Arduino Uno板的埠號不 一樣相同，請依實際情況選取

上載燒錄

透過電腦端的Serial Monitor控

制閃爍時間

Serial Monitor串列傳輸溝通介面

• 除錯 – 可由Arduino微控制板傳送運算值或感測值 至電腦顯示，方便程式的除錯 – 使用的指令為Serial.print(val, format)、 Serial.println(val, format) – format為指定數值型態的格式，可為DEC、 BIN、HEX

Serial Monitor串列傳輸溝通介面

• 傳送控制命令 – Serial.available()：取得串列埠可用的字元數 ，我們可透斷此指令的字數判斷電腦端是否 有傳送字元過來。 – Serial.read()：從串列埠中讀取電腦端傳送過 來的一個字元。 – Serial.parseInt()：從串列埠緩衝區中讀取下 一個有效的整數資料。

串列傳輸

• 串列傳輸的速度通常是以每秒傳輸幾個 bit的方式來衡量，一般稱為鮑率（baud rate），單位為bps，目前常使用的鮑率 有4800、9600、19200、38400、57600等

chap5_2_set_delay_time.ino

int led = 10; // 宣告延遲時間的變數名稱，預設為 500 ms int delaytime=500; // 此 setup 程序只有在微控制器按 reset 時執行一次 void setup() { // 初始化指定的數位腳位為輸出模式 pinMode(led, OUTPUT); // 設定串列埠的鮑率為 9600 bps Serial.begin(9600); } void loop() { // 判斷串列埠緩衝區有無資料 if (Serial.available()) { delaytime=Serial.parseInt(); // 從串列埠緩衝區中讀取整數資料

Serial.print(delaytime); // 在 Serial Monitor 中顯示訊息

Serial.println(" ms"); }

digitalWrite(led, HIGH); // LED滅 (led輸出高準位)

delay(delaytime); // 等待一段時間

digitalWrite(led, LOW); // LED亮 (led輸出低準位)

delay(delaytime); // 等待一段時間

延伸思考：LED亮度控制

呼吸燈流程

1. 初始值亮度brightness=0、增減量fadeAmout=5 2. 利用analogWrite(led, brightness)指令，送出 PWM控制LED亮度 3. 計算brightness=brightness+fadeAmout，亦即 fadeAmout為+5或-5時，可決定brightness是遞 增或遞減。 4. 判斷brightness是否到達最大值或最小值，若 是，則fadeAmout=-fadeAmout。 5. 延遲一小段時間 6. 接著周而復始進行步驟２到５即可。

呼吸燈程式

• File→Examples→01.Basics→Fade • 開啟後，請將led改為10（接D10接腳） • 將程式燒錄後，我們可看到LED慢慢變 亮，然後慢慢變暗，呈現蠻有趣之呼吸 燈的燈光變化。

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講題第一部分告一段落！ 請先休息一下！

輸入控制～開關實驗

LED 按鈕開關 （Push Button） Arduino UNO板 或 Leonardo板 _D10 D2 USB 介面

程式

練習底下三個程式 1. 基本 File→Examples →02.Digital→Button。 2. 解決彈跳問題 1) 利用delay指令：第6章→chap6_3.ino 2) 使用millis()函式解決彈跳問題 File→Examples→02.Digital→Debounce

七段顯示器

USB 介面 a b c d e f g D11～D5 Arduino UNO板 或 Leonardo板 七段顯示器

程式

• 檔名：chap8_1.inb int seg7[] = {11, 10, 9, 8, 7, 6, 5}; // 共陰七段顯示器編碼表 char TAB[]={ 0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x 27,0x7F,0x67 };

輸出一byte的副程式想法

• 例：字碼

• 94=B1011110 =0x5E

程式

• chap8_5_2_4digit.ino – 固定顯示2013的簡易掃描程式 • chap8_5_23.ino – 可透過Serial Monitor下達顯示延遲時間。 • chap8_5_24.ino – 可透過Serial Monitor下達顯示數字。

類比電壓量測：可變電阻

Arduino UNO板 或 Leonardo板 可變電阻 分壓電路 USB 介面 A0

配線圖（AMA實驗板）

程式

1. 開啟Arduino IDE的範例 File→01.Basics→ReadAnalogVoltage 2. 從A0讀入可變電阻的分壓值，然後經 由 map 的映射函式，將0～1023的類比 值映射到0～9，方便顯示在七段顯示器 上。 範例：第10章→Analog2seg7

蜂鳴器

Arduino UNO板 或 Leonardo板 D10 USB 介面 蜂鳴器 Buzzer

發音方式

• 低音La（440Hz）的聲音頻率示意圖

音調產生指令 tone

• tone(pin, frequency, duration)

– 此指令可在指定的pin腳輸出一個工作週期 50%，頻率為frequency Hz的方波，持續輸出 duration（單位ms）後自動關閉 – tone指令背景動作，執行tone指令後主控權 會立即交回主程式，並非等待duration後才 交回） – 參數duration可省略，代表會持續發聲，直 到執行noTone(pin)指令時關閉。

程式

• 功能：在Serial Monitor偵錯視窗中，逐 字讀入資料並發聲的控制。 – 文字列的1～7代表要讓蜂鳴器發出第4八度 音的Do～Si – 字母C、D、E、F、G、A、B代表要發出第5 八度音的Do～Si – 每個單字音的音長固定為200ms

程式

• chap9_1.ino：此程式包含二個檔案 – 音調標頭檔：pitches.h – 主程式chap9_1.ino • 字元資料型態的運算 – 判斷字元是否介於'1'~'7'之間 if ((chr-'1')>=0 && (chr-'7')<=0)

上載燒錄測試

• 單音測試

• 連續音調測試

紅外線接收模組

• 1. 特點 – 體積小 – 內建專用濾波IC – 半角寬長接收距離 – 高抗光環境干擾 – 高保護電磁干擾能力 – 電源電壓範圍:2.7V~5.5V • 2. 應用範圍 – AV儀器（音響，電視機，錄像機，光盤） – 家用電器（空調，電風扇，光。） – 無線遙控裝置 VCC Output GND

紅外線接收模組

• 紅外線接收模組的 output 在沒有收到紅 外線信號時，其輸出為 high，當收到紅 外線信號輸出為 low。 紅外線接 收二極體

紅外線訊號分析

• 每一家遙控器的訊號格式大都類似，一 般每一按鍵的編碼為4bytes～5bytes，其 中最前面2碼或3碼為廠商固定代碼，最 後2碼為按鍵值代碼

IRRemote 函式庫

• 到 Ken Shirriff 的部落格或到這裏下載

IRRemote 函式庫 。

練習一：讀取練習

• 請開啟

File→Examples→ IRremote →IRrelay

實驗結果

• 以右圖的遙控器為例： 按了1後的編碼結果

• Decoded NEC: FF30CF (32 bits)

• Raw (68): 29090 8950 -4450 600 -600 550 -550 600 -500 550 -600 550 -550 600 500 550 600 550 550 600 1600 600 -1650 550 -1700 600 -1600 600 --1650 550 -1700 600 -1600 600 -1650 550 -550 600 550 600 1600 600 1650 550 550 600 550 600 500 550 550 600 1650 550 1700 600 500 550 550 600 1650 550 -1700 600 -1600 600 -1650 550

• 29090 • 8950 -4450 600 前導碼 • -500 550 -550 600 -550 600 -500 550 • -550 600 -550 600 -500 550 -550 600 • -1650 550 -1700 600 -1600 650 -1600 550 • -1700 600 -1600 600 -1650 500 -1750 600 • -500 500 -600 600 -1650 500 -1750 600 • -500 500 -600 600 -550 600 -500 500 • -1750 600 -1600 600 -550 600 -500 500 • -1750 600 -1600 600 -1650 500 -1750 600 • 0000 0 • 0000 0 • 1111 F • 1111 F • 0011 3 • 0000 0 • 1100 C • 1111 F

編碼解析

其它遙控器的編碼

相關知識：直流馬達

• 直流馬達方向控制 – 一般直流馬達有兩個線端，紅色為正端，黑 色為負端，只要在這兩線端輸入額定的直流 電壓VIN，便可使馬達轉動 – 若輸入電壓極性相反，則可使馬達反轉 – 若需兼具馬達正／反轉的控制能力，則需使 用由電晶體構成的H橋電路（H-bridge）來 達成，而VIN的電壓大小決定馬達的轉動速 度。

H橋電路動作原理

專用IC介紹

• 一般H橋都會採用電晶體或MOSFET作為 開關元件，由於控制四個開關元件需要 保護電路及速度控制的電壓調節（穩壓 ）電路，故為了方便使用，大都使用專 用IC來完成，例如實驗板上使用的 HT6751 。

HT6751

• HT6751為盛群半導體所開發的晶片，具 有1.5顆馬達的控制能力，HT6751的外觀 為8pins的SOP包裝。

功能

• 能利用紅外線家用遙控器 控制風扇馬達的啟動、停 止。啟動後，可以+、－兩 個按鈕控制速度。 加速 0xFFA857 減速 0xFFE01F 停止 0xFF6897 啟動 0xFF30CF 正/反轉 0xFF906F

程式

程式

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