Arduino 課堂實作：感測器、LED 與中斷控制

這份課堂紀錄從 Arduino 與 Tinkercad 的練習開始，涵蓋串列輸出、感測器、LED、七段顯示器與中斷。內容依上課日期排列，搭配電路畫面和程式碼，方便回顧每次實作。

本篇重點

依日期查找電路配置與程式範例
觀察感測器輸入與 LED、顯示器的輸出
比較傳值方式、函式與中斷控制的實作

原始實作記錄於 2019 年；以下操作畫面與程式範例保留當時版本。

以下依上課日期保留電路、程式與當時結果。先核對電路接線與腳位，再閱讀程式中的輸入、判斷與輸出，較容易理解各次練習的變化。

請至 Tinkercad 註冊帳號。
若已有 Autodesk 帳號，可依 Tinkercad 的登入方式使用既有帳號。
登入後，開啟原紀錄中的左上方 LOGO，找到Circuits(電路)，再建立電路專案並加入元件。這是 2019 年介面紀錄，實際入口以使用版本為準。

2019年10月24日

先練習把資料送到電腦，再用週期性資料觀察波形與公式輸出。確認串列傳輸速率與監視器設定一致，才能正確閱讀數值。

傳資料到 PC

const byte ledPin = 13;

void setup(){
Serial.begin(9600);  // 初始化序列埠，以9600bps速率連線
Serial.println("Hello," );  // ln換行
Serial.print("\tLED pin is: ");
Serial.print(ledPin);
Serial.print("\nBYE!");          
}
void loop(){
}

執行後，結果為
1
2
3
Hello,
LED pin is: 13
BYE!

修改後的練習

const long ledPin = 525566;

void setup(){
Serial.begin(9600);  // 初始化序列埠，以9600bps速率連線
Serial.println("Hello," );  // ln換行
Serial.print("\tYongCheng: ");
Serial.print(ledPin);
Serial.print("\nBYE!");             
}
void loop(){
}

執行後，結果為
1
2
3
Hello,
YongCheng: 525566
BYE!

顯示正弦波

void setup(){
    Serial.begin(9600); // 初始化序列埠，以9600bps速率連線
}

void loop(){
    float angle = 0;float sineData;
    for (angle = 0.0; angle <= 90; angle += 0.1)
    {
        sineData = sin(angle);
        Serial.println(sineData);
        delay(1);
    }
}

執行後，顯示為

串列監視器畫出心形

先參考前面的「顯示正弦波」，了解資料輸出，再嘗試心形公式。我自己Google到的心形公式

(sqrt(cos(x))*cos(200*x)+sqrt(abs(x))-0.7)*(4-x^2)^0.01)
Arduino 的 C++ 語法中，^ 是位元 XOR，不是次方；次方可用 pow，平方也可寫成 x*x。下方保留原公式，但其中 4-x^2 仍需修正為相符的數學運算；也要注意平方根與分數次方的定義域。（pow的意思可以參考這裡連結）
(sqrt(cos(x))*cos(200*x)+sqrt(abs(x))-0.7)*pow((4-x^2),0.01)

void setup(){
    Serial.begin(9600);  // 初始化序列埠，以9600bps速率連線
    double angle = 0;float sineData;
    for (angle = -4.5; angle <= 4.5; angle += 0.008){
        double x=angle;
        Serial.println(sqrt(cos(x))*cos(200*x)+sqrt(abs(x))-0.7)*pow((4-x*x),0.01);
    }
}

void loop(){
}

執行後，顯示為

老師找到的心形公式

(sqrt(cos(x))*cos(300*x)+sqrt(abs(x))-0.2)*pow((4-x*x),0.01)

void setup(){
    Serial.begin(9600);  // 初始化序列埠，以9600bps速率連線
    double angle = 0;float sineData;
    for (angle = -4.5; angle <= 4.5; angle += 0.008){
        double x=angle;
        Serial.println(sqrt(cos(x))*cos(300*x)+sqrt(abs(x))-0.2)*pow((4-x*x),0.01);  //
    }
}

void loop(){
}

執行後，顯示為

試做一個電壓調節器

建立新的電路專案，加入一個Arduino Uno R3和電位器。先核對電源、接地及訊號腳位，再測試輸入數值如何變化。程式碼新增：

// 詳細的程式說明，請參閱第六章，6-4頁。
const byte potPin = A0;
int val;  // 接收類比輸入值的變數，類型為整數。

void setup(){
    Serial.begin(9600);  // 初始化序列埠，以9600bps速率連線
}
void loop(){
    val = analogRead(potPin);
    Serial.println(val);
    delay(500);
}

執行後，顯示為

修改後的練習

以類比讀值 512 為門檻控制 LED：先看程式使用 > 還是 >=，再判斷恰好等於 512 時屬於哪個分支。
讀值在另一個分支時關閉 LED。門檻與比較方向應依實際電路及程式確認。

const byte potPin = A0;
int val;  // 接收類比輸入值的變數，類型為整數。

void setup(){
    Serial.begin(9600);  // 初始化序列埠，以9600bps速率連線
    pinMode(13,OUTPUT);
}
void loop(){
    val = analogRead(potPin);
    Serial.println(val);
    if(val>512){
        digitalWrite(13,HIGH);
    }
    else
    {
        digitalWrite(13,LOW);
    }
}

執行後，顯示為

2019年10月28日

這週把感測器輸入接到 LED 與七段顯示器。先只改變一個輸入，觀察數值，再確認程式判斷與輸出是否一致。

使用光敏電阻控制LED

const byte LED = 13;
const byte CdS = A0;

void setup()
{
  Serial.begin(9600); // 以 9600bps 速率初始化序列埠
  pinMode(13, OUTPUT);
}

void loop(){
  int val; // 接收類比輸入值的變數，類型為整數
  val = analogRead(CdS);
  Serial.println(val); // 印val數值
  if(val>=700){
    digitalWrite(13,HIGH);
  }  
  else{
    digitalWrite(13,LOW);
  }
}

執行後，顯示為

74HC595控制「七段顯示器」

利用 74HC595 控制七段顯示器，依序顯示 0～9；先對照接線與各段編碼，再觀察輸出順序。

const byte datePin = 2;  // 74HC595 序列輸入腳接「數位2」
const byte latchPin = 3; // 74HC595 暫存器時脈腳接「數位3」
const byte clockPin = 4; // 74HC595 序列時脈腳接「數位4」

byte index = 0;

const byte LEDs[10] = {  // 七段顯示器索引
  B01111110,  // 0
  B00110000,  // 1
  B01101101,  // 2
  B01111001,  // 3
  B00110011,  // 4
  B01011011,  // 5
  B01011111,  // 6
  B01110000,  // 7
  B01111111,  // 8
  B01110011}; // 9

void setup()
{
  pinMode(datePin, OUTPUT);
  pinMode(latchPin, OUTPUT);
  pinMode(clockPin, OUTPUT);
}

void loop()
{
  digitalWrite(latchPin, LOW); // 關閉閘門
  // 底下的函數將從 LEDs 陣列取出一個位元組資料(從 0 的元素開始取)
  // 並以序列方式傳入 74595 IC
  shiftOut(datePin,clockPin, LSBFIRST, LEDs[index]);
  digitalWrite(latchPin, HIGH); // 開啟閘門
  delay(1000); // 暫停一秒
  
  index ++;
  if (index == 10){  // 10個數字
    index = 0;
  }
}

執行後，顯示為

修改後的練習

將七段顯示器顯示為「9、7、5、3、1」
電路配置與上一個範例相同，這次主要修改顯示順序。

const byte datePin = 2;
const byte latchPin = 3;
const byte clockPin = 4;

byte index = 0;

const byte LEDs[5] = {
  B01110011,  // 9
  B01110000,  // 7
  B01011011,  // 5
  B01111001,  // 3
  B00110000}; // 1

void setup()
{
  pinMode(datePin, OUTPUT);
  pinMode(latchPin, OUTPUT);
  pinMode(clockPin, OUTPUT);
}

void loop()
{
  digitalWrite(latchPin, LOW);
  shiftOut(datePin,clockPin, LSBFIRST, LEDs[index]);
  digitalWrite(latchPin, HIGH);
  delay(1000); // Wait for 1000 millisecond(s)
  
  index ++;
  if (index == 5){  // 5個數字
    index = 0;
  }
}

顯示結果為，依序「9、7、5、3、1」循環。

2019年11月11日

本段保留超音波與輸出控制練習。測距需對照模組接線與觸發方式；控制馬達時，也需確認驅動電路，而不是僅靠程式輸出腳位。

超音波

課本範例（9-29）

const byte trigPin = 10;  // 超音波模組的觸發腳
const int echoPin = 9;    // 超音波模組的接收腳
unsigned long d;          // 儲存高脈衝的持續時間

// 自訂 ping()函數將傳回 unsigned long 類型的數值
unsigned long ping(){
  digitalWrite(trigPin, HIGH); // 觸發腳設定成高電位
  microseconds(10);            // 持續 10 毫秒
  digitalWrite(trigPin, LOW);  // 觸發腳設定成低電位
  return pulseIn(echoPin, HIGH);  //傳回高脈衝的持續時間
}
void setup()
{
  pinMode(trigPin, OUTPUT);  // 觸發腳設定成[輸出]
  pinMode(echoPin, INPUT);  // 接收腳設定成[輸入]
  
  Serial.begin(9600);  //初始化序列埠
}

void loop()
{
  d = ping() /58;  // 把高脈衝時間值換算成公分單位

  Serial.print(d); // 顯示距離
  Serial.print("cm");
  Serial.println();

  delay(1000); // 等待一秒鐘(每隔一秒量測一次)
}

修改後的練習

const int pingPin = 7;
const int ledPin = 13;

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop()
{
  long duration, cm;
  pinMode(pingPin, OUTPUT);
  digitalWrite(pingPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(pingPin, HIGH);
  delayMicroseconds(5);
  digitalWrite(pingPin, LOW);
  pinMode(pingPin, INPUT);
  duration = pulseIn(pingPin, HIGH);
  cm = microsecondestToCentimeters(duration);
  Serial.print("Distance: ");
  Serial.print(cm);
  Serial.print("cm");
  Serial.println();
  if (cm < 100){
    digitalWrite(ledPin, HIGH);
  }
  else {
    digitalWrite(ledPin, LOW);
}
  delay(100);
}
long microsecondestToCentimeters(long microseconds){
  return microseconds / 29 / 2;
}

依此配置，執行後，結果為

電壓輸出

void setup(){
   analogWrite(10,102);}  // 指定10腳位輸出電壓為2v
void loop(){
}

電路依此配置，執行後，結果為

變頻控制LED燈光和馬達

2019年11月18日

傳值、傳址、傳參考

call by value（傳值）：函式使用參數值的副本。
call by address（傳址）：以指標傳入位址，函式可透過指標操作原資料。
call by reference（傳參考）：以參考參數操作呼叫端的資料。

void swap(int* x,int* y){
  int temp = *x;
  *x = *y;
  *y = temp;
}
void setup(){
  int a=10, b=20;
  Serial.begin(9600);
  // 交換之前的a和b值
  Serial.println(String("Before swap: ")+ "\t" + a + "\t" +b);
  swap(&a,&b);
  // 交換之後
  Serial.println(String("After swap: ")+ "\t" + a + "\t" +b);
}
void loop(){
  // 這裡沒有程式
}

顯示如下：
1
2
Before swap: 10 20
After swap: 20 10

8-1 函數

coid cirArea(){  // cirArea 為自定義函數名稱
  int r=5;
  float area = 3.14 *r *r;
  Serial.println(area);
}
void setup(){
  Serial.begin(9600);
}
void loop(){
  cirArea(); //執行函數
  delay(2000);
}

// 動手做8-1：建立自訂函數
// 詳細的程式說明，請參閱第八章，8-5頁。

float ans;   // 接收運算結果的變數

float cirArea(int r) {
  float area = 3.14 * r * r;
  return area;
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  ans = cirArea(10);   // 計算半徑 10 的圓面積
  Serial.println(ans); // 顯示結果
  ans = cirArea(20);   // 計算半徑 20 的圓面積
  Serial.println(ans); // 顯示結果
}
void loop() {
}

執行結果如下
1
2
314.00
1256.00

double result = 0;
double i;
double SumCC()
{
  double SumC=0;
  for (int n=1; n<101;n++){
    SumC=(n*5/3)+SumC;
  }
  return SumC;
}
void setup()
{
  Serial.begin(9600);
  for( i=0 ; i<300 ; i++){
    result=SumCC()+result;
  }
  Serial.println(result);
}

void loop(){
  
}

2019年12月02日

2019年12月02日：原文圖片 11

double fun(double t)
{
  double A=2;
  double f=60;
  double result;
  double pi=3.1415926;
  
  result = A*sin(2*pi*f*t);

  return result;
}

void setup()
{
Serial.begin(9600);
for(double t=0;t<=(1);t=t+0.001)
  {
	double result = fun(t);
	Serial.println(result);
  }
}

void loop()
{
}

執行後，結果為

t = 0 度 ~ 360 度
x = A sin ( 2 π f t ) + B cos ( 2 π f t )
A = 0.2
B = 0.3
f = 60

double fun(double t)
{
  double A=0.2;
  double B=0.3;  
  double f=60;
  double result;
  double pi=3.1415926;
  
  result = A*sin(2*pi*f*t) + B*cos(2*pi*f*t);

  return result;
}

void setup()
{
  Serial.begin(9600); // 初始化序列埠，以9600bps速率連線
  for(double t=0;t<=(1);t=t+0.001)
  {
  double result = fun(t);
  Serial.println(result);
  }
}

void loop()
{
}

執行後，結果為

老師上課補充

中斷可在觸發條件發生時執行對應的服務函式，暫時處理事件後再回到原流程。它不是所有情況都具有「最高權限」的意思，實際行為依晶片與設定而定。

中斷

線路配置圖

程式內容：

int pbInt = 0; // 定義中斷引腳為0，也就是D2引腳
int ledOut = A0; // 定義輸出指示燈引腳
volatile int state = LOW; // 定義默認輸入狀態
 
void setup()
{
pinMode(ledOut, OUTPUT); // 置ledOut引腳為輸出狀態
attachInterrupt(pbInt, stateChange, CHANGE); // 監視中斷輸入引腳的變化
}
void loop()
{
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
delay(100); // 什麼都不做，等待10毫秒
} // 模擬長時間運行的進程或複雜的任務
}
 
void stateChange()
{
state = !state;
digitalWrite(ledOut, state);
}

2019年12月09日

斜率

x^2+5

2019年12月16日

外部中斷（FALLING）

FALLING 表示訊號由高轉低時觸發；CHANGE 表示訊號電位改變時觸發。可使用的中斷腳位與模式依板子而異，請先查閱對應規格。

線路布線圖

/*
   ShakeSwitch
   中斷檢測振動感測器，控制LED燈亮滅
*/
int SensorLED = 9;       //定義LED為數字引腳9
int SensorINPUT = 2;      //連線震動開關到中斷0，也就是數字引腳2
char state = LOW;

void setup() {

  pinMode(SensorLED, OUTPUT);         //LED為輸出模式
  pinMode(SensorINPUT, INPUT_PULLUP);        //震動開關為輸入模式

  //下降沿觸發，觸發中斷0，呼叫blink函式
  attachInterrupt(0, blink, FALLING);
}

void loop() {

  if (state == HIGH) {        // 如果state為HIGH
    state = LOW;
    digitalWrite(SensorLED, HIGH);  // 亮燈
    delay(500);          //延時500ms
  }
  else {
    digitalWrite(SensorLED, LOW);    // 否則，關燈
  }
}
void blink() {               //中斷函式blink()
  state = !state;             //一旦中斷觸發，state狀態反轉
}

進階(CHANGE)

線路布線圖

/*
   ShakeSwitch
   中斷檢測振動感測器，控制LED燈亮滅
*/
int SensorLED = 9;       //定義LED為數字引腳9
int SensorINPUT = 2;      //連線震動開關到中斷0，也就是數字引腳2
char state = LOW;

void setup() {

  pinMode(SensorLED, OUTPUT);         //LED為輸出模式
  pinMode(SensorINPUT, INPUT_PULLUP);        //震動開關為輸入模式

  //下降沿觸發，觸發中斷0，呼叫blink函式
  attachInterrupt(0, blink, CHANGE);
}

void loop() {

  if (state == HIGH) {        // 如果state為HIGH
    state = LOW;
    digitalWrite(SensorLED, HIGH);  // 亮燈
    delay(500);          //延時500ms
  }
  else {
    digitalWrite(SensorLED, LOW);    // 否則，關燈
  }
}
void blink() {               //中斷函式blink()
  state = !state;             //一旦中斷觸發，state狀態反轉
}

模擬與實體實作要分開確認

Tinkercad 畫面可協助觀察電路與程式，但實體板子仍需核對供電、腳位、元件規格及接線。修改時先測試單一感測器或輸出，再整合；中斷服務函式應保持簡短，避免在其中安排長時間等待。

參考：Arduino 官方語言參考。

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Arduino 課堂實作：感測器、LED 與中斷控制

2019年10月24日

傳資料到 PC

修改後的練習

顯示正弦波

串列監視器畫出心形

試做一個電壓調節器

修改後的練習

2019年10月28日

使用光敏電阻控制LED

74HC595控制「七段顯示器」

修改後的練習

2019年11月11日

超音波

課本範例（9-29）

修改後的練習

電壓輸出

變頻控制LED燈光和馬達

2019年11月18日

傳值、傳址、傳參考

8-1 函數

2019年12月02日

老師上課補充

中斷

2019年12月09日

斜率

2019年12月16日

外部中斷（FALLING）

進階(CHANGE)

模擬與實體實作要分開確認

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顯示正弦波

串列監視器畫出心形

試做一個電壓調節器

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2019年11月11日

超音波

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2019年12月09日

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2019年12月16日

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