專題-S4A-燈光調色盤-PWM輸出與類比輸入的練習

專題-S4A-燈光調色盤-PWM輸出與類比輸入的練習

利用S4A偵測旋轉電位計或滑動電位計模組輸入，在RGB全彩LED模組上輸出想要的顏色。

教學目標：

1.         了解Arduino如何使用基礎類比輸入與類比輸出

2.         了解基礎電路運作原理

3.         了解RGB全彩LED與電位計模組使用方式

4.         能使用Scratch程式設定讀取類比輸入、PWM輸出至RGB全彩LED

5.         能使用Scratch程式做多媒體輸出與控制流程進行

6.         能運用上述學習天馬行空產生多元的創意

7.          能克服困難將創意展現製作出自己的作品

設計理念：

學習Arduino所需要的電路基礎常識，這些常識國小五年級其實就已經具備，這裡，我們運用簡單的模組(初步組裝即可)或電路(進階電路DIY)，讓學生知道開放式硬體的電路部分其實很簡單，利用簡易的硬體加上千變萬化的程式設計，就能讓自己的創意無限延伸，創gk4ru4sxu3su04造出屬於自己的獨特作品，成為小小發明家。

主題架構：

材料：(本教案使用預設為粗體設備)

1.      Arduino開放式硬體，建議預先上傳好S4A韌體

2.      感測器擴充板，V4或V5均可使用，有擴充板接線比較簡單，無擴充板也能使用

3.      旋轉電位計(0~1023)、滑動電位計模組均可使用

4.      RGB全彩LED共陰模組(0-255)，共陽極也行(數值要取255補數)。

5.    雙母頭杜邦彩虹排線

電路連接：

電位計模組電路連接說明：

電位計模組為類比輸入，因此其訊號輸出(OUT)要接到Arduino的A0~A5輸入端(本案例三個輸入接在A0、A1、A2)，使用擴充板則接在A0~A5的S端，S代表信號的意思，連接腳位如下：

電位計1   Arduino =======    ====== OUT  ←→ S(A0) VCC  ←→ V GND  ←→ G

電位計2   Arduino =======    ====== OUT  ←→ S(A1) VCC  ←→ V GND  ←→ G

電位計3   Arduino =======    ====== OUT  ←→ S(A2) VCC  ←→ V GND  ←→ G

RGB全彩LED連接電路說明：

RGB全彩LED模組有分共陽或共陰，接線和控制方法各有不同，本例以比較直覺之共陰極模組為主，除了“-”即為接地GND外，另三隻接腳分別為三原色的控制訊號，這次我們使用PWM控制，所以我們把它分別接至擴充板上的S5、S6、S9，也就是Arduino板上的D5、D6、D9，連接腳位如下：

   RGB模組     Arduino

   =======       =======

    - (GND)   ←→ G(GND)

    R(RED)   ←→ S5(D5)

    G(GREEN) ←→ S6(D6)

    B(BLUE)  ←→ S9(D9)

模組測試、程式撰寫與說明

電位計測試：

本專題將電位計輸入接在Arduino的A0、A1、A2類比輸入接腳，因此在S4A中請觀察sensor board上的Analog0、Analog1、Analog2欄位的值，當我們將連接在A0的電位計逆時針旋轉到最左邊時，Analog0的値為0，當順時針旋轉到最右邊時，Analog0的値為1023，任意旋轉時，Analog0的値為0~1023之間，同樣的方法測試另兩個電位計，會得到一樣的結果，Sensor Board的顯示如下圖。

因為電位計模組將0~5V切分成1024份以數位方式來模擬類比輸入，所以數值1相當於0.00488V的電壓，我們可以用一個小程式來轉換顯示目前的輸入電壓，程式如下圖：

  

我們可以寫一小段程式來轉換電位計類比輸入(0~1023)，將它變成音階輸出(50~84)，因此靠著轉動電位計我們可以達到不同的音樂音階輸出，範例如下。

RGB全彩LED測試：

本例中因為要使用PWM控制全彩LED，因此將R(紅色)、G(綠色)、B(藍)三隻接腳分別接在D5、D6、D9，每一支接腳單獨控制一個顏色，由於S4A的PWM輸出可以從0~255一共有256種變化，因此三隻接腳即可變化出全彩1677萬色(256*256*256)，我們先來測試單一顏色，確認一下程式輸出與各接腳亮燈是否正常。

首先，拿出三個“analog 9 value 255 ”積木，將接腳全部改成5用來控制紅色，並將值分別改成255、128、0，然後分別雙擊點選積木，會發現模組紅燈全亮、半亮、不亮，因此可以知道“值”就是輸出的功力(PWM，脈波頻寬調變)，可以控制燈的亮度。

   

測試完畢之後，記得點選“analog 5 value 0”積木，將紅燈關掉，以免測試其他顏色時混到色，接下來請以同樣方法依序測試綠燈(D6)和藍燈(D9)，以確認你的三個顏色分別都能正常運作。

※如果你的顏色和接腳搭配錯誤，則以實際發生的情形來做設計即可，因為對岸製造的模組品質不一，有時接腳標示會錯誤，有時零件品質有問題某個燈不亮也是常有的事、還有線材接觸不良也會發生，可以交叉測試一下就會知道問題出在哪裡。

燈光調色盤程式製作

首先我們要將Analog 0旋轉電位計的輸入(0~1023)轉化成控制D5的PWM輸出範圍(0~255)，因此要做一點簡單運算，於是將Analog 0的值除以1023再乘上255，然後因為PWM輸出訊號得用整數，因此再將結果四捨五入即可，將得到的結果放進點亮D5不斷地做PWM輸出，程式如下圖：

當我們按下綠旗執行後，只要旋轉A0上面的旋轉電位計，就能調整紅燈的亮度，同時為了能將亮度數值顯示在螢幕上，我們增加一個紅燈變數“紅燈R”

然後我們將剛剛運算的結果先放在這個變數中，然後再以這個變數輸出PWM，所以程式修改成下圖：

這時，再次旋轉A0上面的旋轉電位計，除了能調整紅燈的亮度，還能顯示紅燈R的亮度數值在螢幕上，如圖。

接下來產生“綠燈G”和“藍燈B”的變數，同時將整個程式複製成三份，分別修改第二隻程式使用變數“綠燈G”、“value of sensor Analog 1”、“analog 6 value 綠燈G”、以及第三隻程式改成使用變數“藍燈B”、“value of sensor Analog 2”、“analog 9 value藍燈B”，程式如下圖：

恭喜你，完成這樣就完成本次燈光調色盤專案，你可以參考網路上的RGB配色表，分別調整三個電位計所代表的三原色，自由調配出想要的顏色了！

教學影片