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tags: 單晶片
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# [2] Arduino講義: 環境與跑馬燈＋按鍵+多工七段顯示器＋鍵盤
## Install the Arduino
* 至Arduino官方網站下載開發環境： (https://www.arduino.cc/en/Main/Software)
* 開起「裝置管理員」，將 Arduino 接上，看一下是否有新增 USB 序列裝置(COM6)，**不一定為 COM6**。
* **若「USB序列裝置」出現無法辨識的裝置**
**方法一 : 按滑鼠右鍵，選擇「更新驅動程式」，並點選「自動搜尋更新的驅動程式軟體」，可以排除問題。**
**方法二 : 按滑鼠右鍵，選擇「更新驅動程式」，並點選「瀏覽電腦上的驅動程式軟體」，瀏覽下載Arduino的地方(arduino-1.8.8)，找到drivers檔，點選並安裝。**
**方法三 : 搜尋COM port安裝檔，下載後執行 https://sparks.gogo.co.nz/ch340.html**
* 開啟Arduino IDE
* 按下工具→序列埠，同時將arduino接上，選擇Uno，即可以使用。
* 在「開發板」的部分記得確認是**Arduino/Genuino Uno**。
## Arduino Common Function
**1.setup()**
設定程式參數，如：指定接腳的輸入輸出狀態，setup()裡的程式碼只會執行一次。
**2.loop()**
在loop()函式中的程式碼將會不停地重複執行，直到電源關閉為止。
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> ## Introduction of GPIO (General Purpose Input Output)
>通用輸入/輸出，每個 GPIO 端口可透過軟件分別配置成 INPUT 或者 OUTPUT ，其接腳可以供使用者由程式控制自由使用。
>* **Input mode：** MCU 透過 GPIO 腳從外面收資料/信號，可以進行外接感測器(溫度、紅外線感測器等)狀態、高低電位等資訊的獲取。
>* **Output mode：** MCU 透過 GPIO 腳將資料/信號送出，可用於控制LED、蜂鳴器及伺服馬達…等。
>* GPIO 端口可以當 I2C(**LCD 16x2**)、SPI (10~13)、UART(**Bluetooth**)…等多種用途，也能作為 IRQ (中斷要求)(2、3)的信號。
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**3.pinMode(pin,mode)**
用於設定接腳模式，該函數無返回值，pin代表所要配置的接腳，mode代表設置的模式-INPUT或OUTPUT。
Ex:
```C++=
pinMode(13,OUTPUT)//將第13腳設定成「輸出」模式
pinMode(12,INPUT)//將第12腳設定成「輸入」模式
```
**4.digitalWrite(pin,value)**
函數有兩個參數 digitalWrite(pin 接腳,電壓值), 電壓值為HIGH(高電位)與LOW(低電位)。
Ex:
```C++=
digitalWrite(13,HIGH)//第13腳位為輸出「高電位」
```
**5.digitalRead(pin)**
在接腳為輸入的情況下,可以獲取接腳的電壓情況—HIGH或LOW。
**6.delay(ms)**
設定程式運行停止時間長度，單位為ms，故delay(1000)為延遲1秒。
**7.millis()**
millis()函數會回傳Arduino從執行程式碼開始至目前為止的milliseconds數值，其資料型態為unsigned long，該數值大約在50天之後會溢位(overflow)，屆時會從0開始重新計數。
以上方程式碼為例，每一秒印出millis()的回傳值，利用delay(1000)產生1000毫秒的延遲。
然而，相鄰的兩個數值的差值可能並未完全為1000，則是Serial.print()印出資料需要的時間差。
## **Serial Library**
**1. Serial.begin()**
啟動Serial Port並設定鮑率(baud rate)
Ex:
``` C++=
Serial.begin(9600);//開啟Serial Port，且通訊速率為9600bps(Bits Per Second)
```
**2. Serial.print()**
將字串透過TX腳位傳遞出去，並且顯示在Serial Monitor中
**3. Serial.println()**
傳送資料到外部電腦並切換至下一行
**4. Serial.write()**
以二進位碼(byte)輸出
**5. Serial.read()**
讀取進來的第一個位元組 (first incoming byte)。
**6. Serial.available()**
取得 Serial Port 可讀取的資料位元組數目 (number of bytes)，如果 Serial port 有資料進來，Serial.available() 會回傳大於 0 的數值。
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通常我們會使用Serial.available()來檢查是否有資料進來，在使用Serial.read()把資料讀取出來放到變數後供後續使用。例如：
```c++=
int incomingByte = 0; // 用來儲存收進來的 data byte
void setup() {
Serial.begin(9600);
Serial.println("Hello");
}
void loop() {
// 檢查是否有資料可供讀取
if (Serial.available() > 0) {
// 讀取進來的 byte
incomingByte = Serial.read();
// 印出收到的資料
Serial.print("data received: ");
Serial.print(incomingByte, DEC);
Serial.print(", ");
Serial.print(incomingByte, HEX);
Serial.println(" (HEX)");
}
```
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**<<Note>>
Arduino其他相關語法請參考：[Arduino語言手冊](https://h2maker.wordpress.com/arduino/)**
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## **Arduino講義：跑馬燈 ＋ 按鍵 + 多工七段顯示器 ＋ 4 x 4鍵盤**
## **1.跑馬燈(Electronic Marquee)**
### 模組說明
**<<Note>>**
**<font color = "red">需要限流電阻(大概 220Ω 或 330Ω)，使 LED 流進電流不超過20mA。</font>**
## Arduino LED Blink
> ### 程式說明
```C++
const int LedPin = 8;
void setup() {
pinMode(LedPin, OUTPUT); //將第8腳位設定成OUTPUT模式
}
void loop() {
digitalWrite(LedPin, HIGH); //第8腳位輸出高電位，點亮LED
delay(500); //等待500ms
digitalWrite(LedPin, LOW); //第8腳位輸出低電位，熄滅LED
delay(500); //等待500ms
}
```
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## LAB 1-1
* 實驗目的：學習對Arduino的GPIO及LED基本控制方式。
* 實驗目標：設定5個GPIO來實現跑馬燈，模式如範例影片所示
* 參考程式碼（可任意新增改寫）
```c++=
int Led[5] = {8, 9, 10, 11, 12};
void setup() {
for(int i=0; i<5; i++)
pinMode(Led[i], OUTPUT);
}
void loop() {
/*
Do something
*/
}
```
* 範例影片
{%youtube Zk_hLzrvVO4 %}
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## LAB 1-2 (Bonus)
* 實驗目的：學習對Arduino的GPIO及LED基本控制方式。
* 實驗目標：設定5個GPIO來實現跑馬燈，模式如範例影片所示
* 參考程式碼（可任意新增改寫）
```c++=
#define ROW 30
#define COLUMN 5
int Led[COLUMN] = {8, 9, 10, 11, 12};
int pos[ROW][COLUMN] = {
/*
模式
*/
};
void setup() {
for(int i=0; i<COLUMN; i++)
pinMode(Led[i], OUTPUT);
}
void loop() {
/*
Do smoething
*/
}
```
* 範例影片
{%youtube Oh31ciRABMk %}
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## 2.按鈕(Button)
### **開關接法**
若未按下開關，Arduino的接腳沒接地，但也沒有接到高電位。輸入的訊號會在０到１之間飄移，造成浮動訊號，Arduino就無法正確判斷輸入值。
若開關沒有被按下，Pin2將會透過10kΩ接地，讀取到低電位(LOW)；按下開關時，5V電源將流入Pin2，產生高電位(HIGH)。
若將電阻接到電源，則此電阻稱為「**上拉(pull-up)電阻**」(在開關接通時，輸入為「低電位」)。
> ### 使用Arduino內部的上拉電阻
Arduino內部的pin腳考量到拿來做數位輸入，有內建上拉電阻（除了D13腳位），可取代外接上拉電阻。
```C++=
pinMode(pin,INPUT_PULLUP);
```
## LAB 2-1 Button & LED
* 實驗目的：知道上拉電阻與下拉電阻的接法差別，並用Button控制LED
* 實驗目標：按上拉電阻的Button時，LED向左一顆亮；按下拉電阻的Button時，LED向右邊一顆亮。
* 參考程式碼（可任意新增改寫）
```c++=
const int Led[5] = {8, 9, 10, 11, 12}; //LED
const int sw_up = 2; //按鈕1
const int sw_down = 3; //按鈕2
int pos = 2; //初始亮LED位置
void setup() {
for(int i=0; i<5; i++){
pinMode(Led[i], OUTPUT);
digitalWrite(Led[i], LOW);
}
digitalWrite(Led[2], HIGH);
pinMode(sw_up, INPUT_PULLUP); //內建上拉電阻
pinMode(sw_down,INPUT);
}
void loop() {
bool swstate_up = digitalRead(sw_up);
bool swstate_down = digitalRead(sw_down);
if(swstate_up==LOW){
/*
Do something
*/
}
else if(swstate_down==HIGH){
/*
Do something
*/
}
}
```
* 範例影片
{%youtube CJ8R-SKxiNw %}
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### 彈跳問題
機械式開關在切換的過程中，訊號並非立即從1變成0或從0變成1，而是會經過如下圖一般有忽高忽低的情況。
雖然彈跳的時間很短暫，但arduino仍會讀取到其連續變化的開關訊號，而導致誤差。
> ### 消除彈跳(de-bouncing)方法
在發現訊號開始變化時先讀取，在經過一段時間後，若訊號仍為HIGH，則視為按下第二次按鈕。
## LAB 2-2 de-bouncing
* 實驗目的：解決Button彈跳問題
* 實驗目標：無論長按或短按，按一下按鈕改變LED亮暗，且沒有不規則閃爍的問題；另外一顆LED燈，保持以每秒亮按的頻率持續閃爍，不受按壓按紐影響 ==Hint：不使用delay()函式==
* 參考程式碼（可任意新增改寫）
```c++=
const int button = 2;
const int led = 13; //UNO內建LED
const int tick_led = 8; //每秒亮暗的led
bool led_state = HIGH;
bool tick_led_state = HIGH;
void setup() {
pinMode(button, INPUT_PULLUP); //上拉
pinMode(led, OUTPUT);
digitalWrite(led, led_state);
pinMode(tick_led, OUTPUT);
digitalWrite(tick_led, tick_led_state);
}
void loop() {
if(digitalRead(button)==HIGH){ //沒按按鈕
/*
Do something
*/
}
else if(digitalRead(button)!=HIGH){ //按按鈕
/*
Do something
*/
}
if(/* What happen */){ //每秒閃爍LED
/*
Do something
*/
}
}
```
* 範例影片：
{%youtube BZmZqPAOyYQ %}
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# Arduino講義：多工七段顯示器與掃描鍵盤
## 3. 多工七段顯示器(Multiplexed Seven-Segment display)
> ### 七段顯示器
**<<Note>>**
**注意!!需額外增加限流電阻，否則內部可能會燒毀!!**
依據電源連接方式的不同，七段顯示器可以分成「**共陽極**」與「**共陰極**」兩種：
共陰極代表所有的LED接地端都相連，故LED的另一端接「高電位」就會發光；相反地，共陽極則是輸入「低電位」來發光。
| 十進位數 | a | b |c|d|e|f|g|
| - | - | - | - | - | - | - | - |
|0|1|1|1|1|1|1|0|
|1|0|1|1|0|0|0|0|
|2|1|1|0|1|1|0|1|
|3|1|1|1|1|0|0|1|
|4|0|1|1|0|0|1|1|
|5|1|0|1|1|0|1|1|
|6|1|0|1|1|1|1|1|
|7|1|1|1|0|0|0|0|
|8|1|1|1|1|1|1|1|
|9|1|1|1|1|0|1|1|
> ### 多工七段顯示器
* 實際接腳位置：
| 多工七段顯示器 | Arduino |
| :-----: | :-: |
| 0 |Pin10|
| 1 |Pin11|
| 2 |Pin12|
| 3 |Pin13|
| a |Pin2 |
| b |Pin3 |
| c |Pin4 |
| d |Pin5 |
| e |Pin6 |
| f |Pin7 |
| g |Pin8 |
| dp |Pin9 |
## LAB 3-1 多工七段顯示器
* 實驗目的：學習對Arduino的GPIO與多工七段顯示器掃描基本控制方式
* 實驗目標：控制多工七段顯示器顯示＂**2021**＂
* 參考程式碼（可任意新增改寫）
```c++=
const int SEG_COM[4] = {10, 11, 12, 13}; //控制線
const int SEG_data[10][8] = {{1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0}, //"0" //資料線
{0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0}, //"1"
{1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0}, //"2"
{1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0}, //"3"
{0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0}, //"4"
{1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0}, //"5"
{1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0}, //"6"
{1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0}, //"7"
{1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0}, //"8"
{1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0}}; //"9"
int display[4] = {2, 0, 2, 1}; //欲顯示數字
void setup() {
for(int i=2; i<=13; i++){
pinMode(i, OUTPUT);
digitalWrite(i, HIGH); //共陽極
}
}
void loop() {
for(int i=0; i<=3; i++){ //個、十、百、千位數
digitalWrite(SEG_COM[i], LOW); //觸發第i位數顯示數字
SEG_Drive(disp[i]); //資料線寫入數值
delay(5);
digitalWrite(SEG_COM[i], HIGH); //結束觸發第i位數
}
}
void SEG_Drive(char number){ //將字元變數從SEG_data[][]找到相對應的位置，並寫入a~g中
/*
Do something
*/
}
```
* 範例影片：
{%youtube -nnb3ZGt4ng %}
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## LAB 3-2 多工七段顯示器數數
* 實驗目的：學習對Arduino的GPIO與多工七段顯示器掃描基本控制方式
* 實驗目標：控制多工七段顯示器 每隔一秒計數加一
* 參考程式碼（可任意新增改寫）
```C++
const int SEG_COM[4] = {10, 11, 12, 13}; //控制線
const int SEG_data[10][8] = {{1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0}, //"0" //資料線
{0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0}, //"1"
{1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0}, //"2"
{1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0}, //"3"
{0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0}, //"4"
{1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0}, //"5"
{1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0}, //"6"
{1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0}, //"7"
{1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0}, //"8"
{1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0}}; //"9"
int disp[4]; //顯示數字
int number = 0;
int timer = 0;
void setup() {
for(int i=2; i<=13; i++){
pinMode(i, OUTPUT);
digitalWrite(i, HIGH); //共陽極
}
}
void loop() {
number_transfer(number); //數值轉換入陣列中
/*
Do something(改寫Lab3-1)
*/
}
void number_transfer(int Num){ //四位數拆成四個獨立的數字，存入陣列disp[]中
/*
Do something
*/
}
void SEG_Drive(char number){ //將字元變數從SEG_data[][]找到相對應的位置，並寫入a~g中
/*
Do something
*/
}
```
* 範例影片：
{%youtube gwezpV3jCTA %}
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## 4. 4x4鍵盤(Keypad)
> ### 按鈕偵測與掃描原理（1x3簡化版）
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假設開關的「行１」～「行３」輸入端全部都輸出高電位，則無論開關是否被按下，Arduino都將會接收到**高電位**。因此，為了偵測到使用者按下的開關鍵，撰寫程式時必須依序將「行１」～「行３」設置成**低電位**來檢測。
* 輪到「行１」腳被掃描時，「行１」腳輸入低電位，但Ａ開關沒有被按下，所以Arduino的微控腳接收到高電位(１)
* 在掃描到「行２」時，「行２」腳輸入低電位，且Arduino的微控腳也接收到低電位(0)，因此可以判斷出「行２」的Ｂ開關被按下。
* 輪到「行３」腳被掃描時，「行３」腳輸入低電位，但Ｃ開關沒有被按下，所以Arduino的微控腳接收到高電位(１)
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實際上的使用需要運用到**雙重迴圈(4x4)**，才能夠分批掃描到每一列：
> ### 實際腳位配置
| 4x4 Keypad | Arduino |
| :--------: | :-------: |
| 1(ROW1) | Pin A0 |
| 2(ROW2) | Pin A1 |
| 3(ROW3) | Pin A2 |
| 4(ROW4) | Pin A3 |
| 5(COL1) | Pin 2 |
| 6(COL2) | Pin 3 |
| 7(COL3) | Pin 4 |
| 8(COL4) | Pin 5 |
## LAB 4-1 掃描式鍵盤
* 實作目的：學習如何使用掃描式鍵盤
* 實作目標：<font color = "red">**在不使用<Keypad.h>的情況**</font>，以Keypad鍵入資料，將資料透過UART傳輸至內建的Serial Monitor
* 參考程式碼（可自行改寫）
```C++
const byte colPins[4] = {2, 3, 4, 5}; //行腳位
const byte rowPins[4] = {A0, A1, A2, A3}; //列腳位
const char keymap[4][4] = {{'1', '2', '3', 'A'}, //Keypad對應符號
{'4', '5', '6' ,'B'},
{'7', '8', '9', 'C'},
{'*', '0', '#', 'D'}};
void setup() {
Serial.begin(115200);
for(int i=0; i<=3; i++){
pinMode(rowPins[i], INPUT_PULLUP);
pinMode(colPins[i], OUTPUT);
digitalWrite(colPins[i], HIGH);
}
}
void loop() {
/*
Do something
*/
}
```
* 範例影片：
{%youtube T9IXItpW41M %}
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> ### 匯入Keypad函式庫
Keypad程式庫的運作方式與LAB 4-1 大致相同，且多了除彈跳(de-bouncing)的部分。LAB 4-1有助於了解掃瞄鍵盤的原理，實際使用上仍是Keypad程式庫為主。
[**Keypad Library下載**](https://www.arduinolibraries.info/libraries/keypad)
使用Keypad函式庫，程式碼需定義按鍵模組的**行(col)**、**列(row)**、**連接Arduino的腳位**以及**按鍵所代表的字元**。
```c++=
#include <Keypad.h> //引用Keypad函式庫
#define KEY_ROWS 4 //按鍵模組的列數
#define KEY_COLS 4 //按鍵模組的行數
const byte colPins[4] = {2, 3, 4, 5};
const byte rowPins[4] = {A0, A1, A2, A3};
const char keymap[KEY_ROWS][KEY_COLS] = {
{'1','2','3','A'},
{'4','5','6','B'},
{'7','8','9','C'},
{'*','0','#','D'}
};
Keypad myKeypad = Keypad(makeKeymap(keymap),rowPins,colPins,KEY_ROWS,KEY_COLS);
void setup(){
Serial.begin(115200);
}
void loop(){
//透過Keypad函式庫裡的getkey()方法讀取按鍵的字元
char key = myKeypad.getKey();
if(key){ //若有按鍵按下則顯示按下的字元
Serial.println(key);
}
}
```
## LAB 4-2 Keypad 輸出字串
* 實驗目的：學習如何使用掃描式鍵盤及其應用
* 實驗目標：利用Keypad輸入按鍵，並且將值暫存在buffer中，按下 '＃' 後會將之前輸入的字元依序Print到Serial Monitor上。
* 範例影片：
{%youtube sJYadVO4Eus %}
## LAB 4-3 碼錶 (Bonus)
* 實驗目的：學習如何使用掃描式鍵盤與七段顯示器之結合應用
* 實驗目標：利用Keypad輸入按鍵，按 'A' 會進入計時模式，按 'B' 則會進入倒數計時模式，按 'C' 為開始，按 'D' 為暫停，按 '*' 為重新開始，按 '#' 為離開並進入選擇模式。（註：進入倒數計時模式時須先輸入欲倒數秒數）
* 參考pin腳
| 多工七段顯示器 | Arduino | 4x4 Keypad|Arduino|
| :-------: | :-----: |:------:|:------:|
| 0 |Pin10|Row1|A0|
| 1 |Pin11|Row2|A1|
| 2 |Pin12|Row3|A2|
| a |Pin2 |Row4|A3|
| b |Pin3 |Col1|Pin13|
| c |Pin4 |Col2|Pin9|
| d |Pin5 |Col3|A4|
| e |Pin6 |Col4|A5|
| f |Pin7 |
| g |Pin8 |
註 : 要使用 Pin 0 & 1 也可以，但不能使用Serial.print()等函式
* 實驗結果：
{%youtube Eu8ZaBuxnWg %}
:::info
## 課後習題
1. Arduino微處理器不僅包含MCU，還內建記憶體、類比/數位訊號轉換器以及周邊控制介面，相當於將完整的電腦功能塞入一個矽晶片中，所採用的微處理器是ATmega328P。根據下圖，標示在Arduino UNO板上的digital 與 analog I/O的位置、數量以及相關用途(如：通訊、中斷...)。
2. (1)描述機械式開關的彈跳現象
(2)在ATmeg328p微控器的數位接腳有內建上拉電阻，預設沒有啟用，該上拉電阻值介於20kΩ至50kΩ之間；而一般外接10kΩ的上拉電阻，甚至在要求高反應速率的電子訊號切換時會使用4.7kΩ或是1kΩ的上拉電阻。試問：上拉電阻值的高低對於處理雜訊干擾的能力之間的關係?
3. 描述多工七段顯示器及鍵盤掃描的工作原理
4. 心得
:::
:::success
## 作業繳交格式
**W2結報_第X組.zip**
壓縮檔裡包含:
1.W2結報.pdf
2.資料夾:W2
Lab1-1.ino
Lab1-2.ino
...
:::
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