Arduino 新手村的基本教學，利用Arduino 數位I/O的輸入與輸出特性，可以輕鬆最一些簡單的應用，例如開關按鈕的偵測觸發訊號與輸出控制以及使用LCD液晶顯示器作為資訊輸出，瞭解Arduino C語言架構後即可自造一個裝置。
Arduino 新手村基本教學資料如下：
任務提示：解國中數學題目-無窮級數求和
今天的教學內容以國中數學無窮級數求和的問題自造一個計算器。首先複習國中數學無窮級數的定義：
無窮級數中1 + 2 + 3 + 4 + …的數列，這個數列的起始與結束自然數是可以被設定，這個數列自然數的和則是我們要計算的數值。
舉例：1+2+3+4+5+6+7+8+9+10=55
參考資料：維基百科
硬體分析
要設計一款自動加總計算器需要一個人機介面以及數列的起始數值、結束數值的設定，硬體功能需要以下幾個特點：
- 使用LCD 1602作為資訊的顯示，輸入資訊與計算結果顯示。
- LCD 1602操作背景知識請參閱【04 Arduino輸出訊息利器-LCD 1602液晶顯示器】
- 設計【設定按鈕】，主要用於最大值、最小值輸入值設定。
- 設計【執行按鈕】，按下按鈕後開始進行結果計算。
- 按鈕的操作等同開關電路，背景知識請參閱【03 模擬練習Arduino C的程式架構】
硬體分析後即可透過Tinkercad設計模擬的環境，電路圖如下所示。
軟體分析
設計硬體電路之後，還需要設計軟體進行硬體I/O的輸入輸出控制，軟體功能需要以下特點：
- 起始、結束與計算按鈕偵測：程式監測按鈕按下與按鈕釋放的處理。
- 利用迴圈計算數列和的計算：利用迴圈從最小值逐一執行至最大值的加總。
- LCD 1602 資訊顯示的副程式：每一次按鈕觸發後都需要處理 LCD 1602的文字內容，透過副程式的方式讓按鈕觸發時進行呼叫。
系統設計
清楚定義出硬體與軟體的功能後，開始著手規劃系統介面。
- 數位I/O介面輸入偵測：當按鈕按下時，數位I/O的 pinMode()為INPUT時，會收到高電位(HIGH)的資訊；當按鈕未按下時(釋放的狀態)，數位I/O會收到低電位(LOW)的資訊。按鈕功能與數位I/O對應關係如下：
- 起始按鈕-> Arduino.D8
- 結束按鈕-> Arduino.D7
- 計算按鈕-> Arduino.D6
- LCD 1602介面與Arduino連接定義
| LCD 1602 介面 | Arduino 介面 |
| RS | D12 |
| RW | GND |
| ENABLE | D11 |
| DB4 | D5 |
| DB5 | D4 |
| DB6 | D3 |
| DB7 | D2 |
程式設計
基本宣告，宣告起始值、結束值的變數，使用程式庫控制LCD 1602參數設定。
int nI = 0; //BtnI計數器變數(儲存起始值)
int nJ = 0; //BtnJ計數器變數(儲存結束值)
#include <LiquidCrystal.h>
// 建立 LiquidCrystal 的變數 lcd
// LCD 接腳: rs, enable, d4, d5, d6, d7
// 對應到 Arduino 接腳: 12, 11, 5, 4, 3, 2
LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);
setup()初始化設定，定義LCD1602類型、數位I/O輸入設定與按鈕的對應
控制要點：利用pinMode()，將Arduino 數位I/O D8, D7, D6 設定為輸入偵測。
void setup() {
// 設定 LCD 的行列數目 (2 x 16)
lcd.begin(16, 2);
// 列印 "Hello World" 訊息到 LCD 上
lcd.print("hello, world!");
//D8(BtnI), D7(BtnJ), D6(BtnRun) 設定為INPUT, 接收按鈕開關的事件
pinMode(8, INPUT); //每按一次起始按鈕(BtnI)，nI +1
pinMode(7, INPUT); //每按一次結束按鈕(BtnJ)，nJ +1
pinMode(6, INPUT); //(BtnRun)計算按鈕
}
loop()處理按鈕按下偵測
控制要點：
- digitalRead()偵測 Arduino 數位I/O的狀態，當偵測按鈕按下後將變數的內容+1。
- 參考範例行號 3, 15, 27
- 再次料用digitalRead()偵測按鈕是否備釋放，避免造成連續觸發事件。
- 參考範例行號 7, 19, 28
- 依據按鈕的功能，分別呼叫副程式 DrawNumber() 或 DrawCalculator()。
- 範例參考行號 11, 23, 32
void loop(){
//當BtnI 按下後
if (digitalRead(8)==HIGH){
nI++;
//Arduino 執行速度很快，當Btn按鈕未鬆開，程式停留在此，避免重複做nI++
while (digitalRead(8)==HIGH){
delay(2);
}
DrawNumber(); //呼叫副程式(DrawNumber(), 顯示nI, nJ 的內容訊息
}
//當BtnJ 按下後
if (digitalRead(7)==HIGH){
nJ++;
//Arduino 執行速度很快，當Btn按鈕未鬆開，程式停留在此，避免重複做nJ++
while (digitalRead(7)==HIGH){
delay(2);
}
DrawNumber(); //呼叫副程式(DrawNumber(), 顯示nI, nJ 的內容訊息
}
//當BtnRun按下後
if (digitalRead(6) == HIGH){
while (digitalRead(6)==HIGH){
delay(2);
}
DrawCalculator(); //呼叫副程式(DrawCalculator(), 顯示nI+...+nJ 的內容
}
}
DrawNumber() 當【起始按鈕】或【結束按鈕】按下後，觸發副程式進行LCD1602資訊顯示
//副程式：1602顯示器內容更新 nI+nJ = ?
void DrawNumber(){
String sOutString;
//組合LCD顯示的字串內容
sOutString = String(nI);
sOutString += "+.abc..+";
sOutString += String(nJ);
sOutString +="=?";
//清除LCD內容，顯示LCD內容
lcd.clear();
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print(sOutString);
}
當【計算】按鈕按下時，呼叫副程式DrawCalculator()進行迴圈的方式，計算開始至結束期間內和的計算。
//副程式：處理BtnRun動作 (計算I+...+J 的和)
void DrawCalculator(){
int nY=0, nZ=0, nResult=0;
lcd.setCursor(0, 1);
//判斷nI < nJ 不需要調整nI, nJ先後順序
if (nI < nJ){
nY = nI;
nZ = nJ;
}
//判斷nI > nJ, 進行nI, nJ先後順序調整
if (nI > nJ){
nY = nJ;
nZ = nI;
}
//判斷nI = nJ, 不做處理
if (nI == nJ){
lcd.print("nothing!!");
return;
}
//計算nI+...+nJ 的和
for(int a = nY; a <= nZ; a++){
nResult += a;
}
//顯示結果
lcd.print(nResult);
}
實際成果影片
結論
透過前面幾篇的新手村教學文章，瞭解Arduino 數位I/O的控制應用，再搭配適合的人機介面，很快速就可以完成一個互動裝置的自造。
在Arduino Open Source領域上充斥許多各類型的輸入與輸出裝置，常見的輸入裝置有雙軸搖桿、紅外線偵測 IR、超音波、亮度…等，都很適合自造一些創意的主題，未來在分單元逐一示範。