Introduction: S4A Sensor Board

By www.edumakerlab.org

在進行Arduino教學前，S4A是 Scratch 與 Arduino 無縫銜接的學習工具。在教學現場，S4A Sensor Board 內建了許多基本的學習元件與Sensor，是教師進行Scratch for Arduino教學時，非常方便，整合性又高，擴充性好的一塊擴充板。

進行本課程前，您需要準備準備的硬體是一片由台灣 慧手科技 所出品的Arduino擴展板：S4A Sensor Board，和一片Arduino UNO或其相容板。

S4A Sensor Board for Arduino主要設計給Arduino/Motoduino 或S4A初學者使用的一塊互動板，結合麥克風、按鍵開關、光源感測、滑桿式可變電阻、LED 、蜂鳴器等元件，以及四組RJ11的接頭可供外部連接其他裝置或元件，如溫濕度感測器、土壤濕度感測器等。另外預留一個藍芽孔位給需要無線傳輸的使用者。可利用此無線傳輸跟Android手機或電腦溝通。AIS板子上也預留六根數位腳位給其他需要外部電源的裝置使用，例如連接多個伺服馬達。RJ11端可接至少十米長的電話線連接感測器。（原文引用自motoduino慧手科技：S4A感測互動擴充板商品簡介）

參考資料：

  1. 使用手冊下載
  2. 圖書：用S4A(Scratch for Arduino)：玩出科技創意大未來
  3. S4A (Scratch for Arduino)互動智能積木。

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Step 1: 認識 Arduino！

Arduino是一種硬體開放授權的互動環境開發板，互動裝置其實無所不在，例如冷氣的恆溫裝置，便是透過溫度感測器偵測環境溫度，再進行室內溫度的自動調節；還有汽車的倒車雷達，當過於靠近障礙物體時，會發出聲音警告駕駛者。這些裝置為生活增加不少安全及便利，甚至在互動玩具上，帶給使用者驚喜，有時候，也會利用藝術品呈現在生活當中，增添生活上的精采。

Arduino 主要可區分為三個部分，Arduino硬體(例如 UNO、Leonardo...)、Arduino軟體及Arduino擴充元件(Sensor；傳感器)。Arduino 學習門檻較為簡單，不需要電子電機相關科系的背景，也可以很容易學會 Arduino 相關互動裝置的開發。由於 Arduino 以公開共享為基礎，多數人都樂於分享自己的的創品，網路上能找的創作案子非常豐富。以此會基礎，有時只需要參考分享者的作品，依據自身的需求行調整，就可以在短時間內完成自己的創作。 (更多內容請參考 - ITs通訊：認識 Arduino)

Step 2: 甚麼是 S4A？

S4A(Scratch for Arduino)是由歐盟的Citilab 開發團隊，從 Scratch 的原生程式所開發出來的 Arduino 圖形化程式，讓學習者可以藉由 Scratch 的基礎，進而學習 Arduino 及其模組的開發應用。

下列是收集的一些資源，供大家參考：

  1. 課程: S4A介紹與入門 - 臺中市教育局-數位教學平台。
  2. 宜蘭縣國華國中-創客教育教學網 young maker 創造孩子的無限可能。
  3. 互動科技游藝館。
  4. Arduino 與 S4A ‧ 小學教師的學習筆記。

Step 3: 安裝軟體：安裝Arduino、 S4A 應用程式與主控板 Firmware

主要步驟：

開始使用S4A之前，基礎環境的建置是相對的重要。接下來，要為大家先介紹如何建置 S4A 的軟體環境， 如果您對這一段環境建置已經熟悉，可以直接往下一個Session學習。

安裝過程主要是 Arduino 應用程式的安裝與 S4A 環境建置這兩個部分：Arduino 環境建置與S4A 環境建置。

Arduino 環境建置

  1. 下載開發環境：至官網(arduino.cc)，點選download後，依據您的電腦作業系統下載ArduinoIDE (建議下載1.0.6下載版)。
  2. 安裝開發環境：有2種下載檔，如下載install檔，直接執行；如為zip檔，直接解壓縮後，進入資料夾找執行檔即可使用。
  3. 安裝arduino驅動程式：電腦連接arduino(若需驅動程式，位置在arduinoIDE安裝資料夾內drivers資料夾)。本課程為了教學相容性，選擇USB CH340G晶片 的 Arduino UNO R3 開發板，在主控板驅動程式部分請點選連結下載(或本Session下的檔案下載)。
  4. 找出板子的COM Port號碼：於裝置管理員找到「連接埠」，內有Arduino Uno連結的COM Port 編號(這是接下來要上傳 S4A Firmwarm的位置)。

  5. 連接 Arduino UNO 和 S4A Sensor Board，並確認與電腦連結完成。

S4A 環境建置（S4A應用程式 ＆ Firmware）

  1. 至S4A官網下載(網址s4a.cat)，下載S4A主程式(電腦用；WindowsPC、MacPC)及另一個是S4A韌體(arduino用。
  2. 下載S4A軟體並安裝。下載S4A韌體，並利用Arduino軟體上傳至Arduino UNO上。

您也可以參考用S4A(Scratch for Arduino)：玩出科技創意大未來這本書，裡面也有非常詳盡的介紹與設定說明。

參考閱讀：

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Step 4: Session 01 - 讓 LED 燈亮起來

這一個 Session 開始，將要以 Arduino UNO 搭配 S4A Sensor Board 進行傳感器的控制與應用。

課堂的第一步~ LED 燈的控制，這個 Session 總共有三個範例，提供你練習。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_01.sb)
按下綠旗執行程式，讓S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) 亮起來

Step 2：(範例：S4A_Sensor_Board_02.sb)
按下綠旗執行程式，讓S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) 亮起來，3 秒後再熄燈。

Step 3：(範例：S4A_Sensor_Board_03.sb)
按下綠旗執行程式，讓S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) 閃爍兩次。

Step 4：(範例：S4A_Sensor_Board_04.sb)
按下綠旗執行程式，讓S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) 和綠色 LED 燈(D11)輪流閃爍兩次。

Step 5：(範例：S4A_Sensor_Board_04_1.sb)
按下綠旗執行程式，讓S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) 和綠色 LED 燈(D11)重複輪流閃爍共十次。

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Step 5: Session 02 - 用按鈕控制 LED 燈

除了讓 LED 亮起來，這個Session 的課程內容，要學習如何透過按鈕，控制 LED 燈的開關。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_05.sb)
按下綠旗執行程式，讓S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) ，可以透過按鍵(D2)控制，讓燈亮起來。

Step 2：(範例：S4A_Sensor_Board_06.sb)
按下綠旗執行程式，控制 S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) ，按下按鍵(D2)控制，讓燈亮起來。否則紅色 LED 燈(D10)就不亮。

功課：

  1. 按下綠旗執行程式，可有透過按鍵(D2)，啟動 S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) 不斷閃爍。
  2. 請您設計一個程式，按下按鍵(D2)時，啟動 S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) 和綠色 LED 燈(D11)，交互不斷閃爍。

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Step 6: Session 03 - 請你利用鍵盤搭配 S4A 控制 Sensor

請您利用 S4A 中的「偵測指令」積木，操作 S4A Sensor Board的按鍵與LED燈。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_07.sb)
執行一次，按下鍵盤的「上移鍵」，啟動執行動作：按下按鍵(D2)，啟動 S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) 亮起來，等待3秒後熄燈。

Step 2：(範例：S4A_Sensor_Board_08.sb)
重複執行，按下鍵盤的「下移鍵」，啟動執行動作：按下按鍵(D2)，啟動 S4A Sensor Board 的綠色 LED 燈(D11) 亮起來，等待3秒後熄燈。

練習：

  • 請將上面兩個練習範例，放在同一個執行緒中。

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Step 7: 練習一：

請將學習一的兩個範例題，整合在同一個執行緒中。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_09.sb)
按下鍵盤的「上移鍵」，啟動執行動作：按下按鍵(D2)，啟動 S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) 亮起來，等待3秒後熄燈。
按下鍵盤的「下移鍵」，啟動執行動作：按下按鍵(D2)，啟動 S4A Sensor Board 的綠色 LED 燈(D11) 亮起來，等待3秒後熄燈。

Step 2：(範例：S4A_Sensor_Board_10.sb)
重複執行動作，直到新的條件出現，判斷新條件後執行動作。

提示：

  • 執行緒中，需要有「條件」判斷式。

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Step 8: Session 04 - 讀取電位器(可變電阻)的偵測值

類比埠的輸出值是0~1023。在S4A Sensor Board 上，類比埠除了應用在RJ11的擴充腳位上，在板子上也預設使用3組類比埠，即 A0：電位器(可變電阻)、A1：光源感測器(也可透過D3 PWM)、A2：麥克風。從這個 Session 開始，我們要練習電位器的控制與應用。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_11.sb)
讀出電位器 (A0) 的偵測值，將電位器(可變電阻)的偵測值顯示在舞台區。

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Step 9: Session 5 - 讀取電位器(可變電阻)的偵測值，判斷數值的大、中、小

這個 Session 主要在練習「運算」與「變數」的條件式應用，透過操作練習，了解「運算」指令積木的功能，能夠運用「運算」指令在程式的數學運算。同時學習利用「變數」的功能來增加效率，讓重複的指令，透過變數的宣告，直接執行，簡化程式的架構。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_12.sb)
利用變數作為宣告電位器(可變電阻)的偵測值讀取值，再透過「運算」指令的功能，判斷變數值得大小。

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Step 10: Session 6 - 「運算」與「變數」的應用

這個 Session 主要在練習應用「運算」與「變數」的執行結果，將讀取值作為其他感測器應用的輸入值。以本範例來說，就是利用電位器(可變電阻)的偵測值，作為判斷讓蜂鳴器聲音變大或變小的數據。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_蜂鳴器.sb)
在 S4A Sensor Board 上，蜂鳴器的位置腳位是 D9 的PWM腳，可以透過電位器提供輸出的電壓值，控制蜂鳴器音量，電壓的計算公式為 V=(n/255)*5，所以當 n=0 時，電壓為 0 V；當 n=255 時，電壓為 5 V。

電位器本身透過電阻的大小，改變電壓的輸出值，取得不同的類比訊號。S4A Sensor Board 上的電位器是接在類比埠A0 ，電位器的類比輸入值是 0~1023；但是，PWM 的類比輸出值是 0~255，因為類比輸入數值與PWM的值不符，會出現錯誤提示。所以，通常會再將(類比訊號的值/4)之後取整數，再修正 >255設定為255，<0的值設定為 0，最後再將其值送出給PWM。

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Step 11: Session 7 - 使用光源感測器

S4A Sensor Board 的光源控制器是透過 D3 或 A1 腳位引出，在這個 Session 的學習課程，光源感測器與電位器(可變電阻)一樣，都是利用類比埠輸出，輸出值介於0~1023。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_13.sb)
讀出光源感測器 (A1) 的亮度偵測值，將亮度的偵測數值顯示在舞台區。

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Step 12: Session 8 - 使用光源感測器控制燈光的開關

承接上一個 Session 的課程內容，這個Session 將利用「運算」與「變數」的執行結果，將讀取值作為判斷值。透過光源的明暗變化，控制 LED 燈的動作與開關。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_14.sb)
利用光源感測器(A1)的偵測值，判斷光線的明暗，當亮度大於620時，說：你好。當亮度不足(小於400)時，閃爍紅色 LED 警示。

Step 2：(範例：S4A_Sensor_Board_15.sb)
利用光源感測器(A1)的偵測值，判斷光線的明暗，當亮度大於620時，關閉 LED燈。當亮度不足(小於400)時，開啟LED 燈。

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Step 13: Session 9 - 偵測聲音的大小數值

在 S4A Sensor Board 的 A2 腳位，設有一個類比埠的麥克風，可以透過麥克風的聲音輸入，偵測聲音值得大小。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_16.sb)
讀出麥克風 (A2) 的偵測值，將麥克風偵測的聲音大小數值顯示在舞台區。

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Step 14: Session 10 - 聲控開關

延續上一個單元 (Session 9)，利用麥克風偵測的聲音值，判斷值得大小，作為啟動 LED 燈的開關。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_17.sb)
利用麥克風 (A2) 偵測聲音的大小，當聲音大於開燈預設值 (範例：300) 時，讓LED (D10) 燈亮起來。
利用麥克風 (A2) 偵測聲音的大小，當聲音小於關燈預設值 (範例：200) 時，讓LED (D10) 燈熄燈。

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Step 15: Session 11 - 控制舵機 (Servo) 角度

這個 Session ，我們將學習控制外接的傳感器：Servo(舵機)，透過指令調整舵機的角度變化。（範例舵機型號 SG90 或 SG90）

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_18.sb)
透過動作指令的程式積木，設定不同的轉度角度位置 (範例：20、60、90、180)，讓 Servo (舵機；D4)依序重複變換轉動的角度位置。

注意：
連接 Servo (舵機)時，要注意接線與 S4A Sensor Board上的腳位位置：S(訊號；黃線)、V (5V電源；橘紅線)、G (地線；棕色線)。

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Step 16: Session 12 - 製作停車場閘門

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_19.sb)
結合 Servo (舵機；D4)與按鍵 (D2) 的程式指令積木，設計一個類似停車場出入口的閘門，透過按鍵 (D2) 控制閘門的開關。
當閘門關閉時，Servo (舵機；D4)的角度位置是在 20 度。
當按下開關，閘門開啟時，Servo (舵機；D4)的角度位置是在 90 度。開啟閘門後，於 10 秒鐘後自動關閉閘門。

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Step 17: Session 13 - 利用「變數」控制 Servo 的角度變化

這個 Session 將利用變數來作為 Servo 角度的變化，控制 Sevo 的轉動。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_20.sb)
預設 Servo 的角度起始位置是 0 度，每隔 0.01 秒增加 1 度(時間的設定值可以控制 Servo轉動的平順度)。由於 Servo 的轉動角度只有 180 度 (SG90 或 MG90)，當舵機依序從 0 度轉動到 180 度時，回到 0 度，重複步驟轉動。

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Step 18: Session 14 - 利用電位器(可變電阻)控制 Servo 的變化

這個 Session 是這一堂課程的最後一單元，利用先前所學的電位器(可變電阻)控制方法，控制 Servo (舵機)的轉動角度。由於電位器(可變電阻)的讀取值是 0~1023，我們將把電位器(可變電阻)的讀取值分成大、中、小三段，作為控制 Servo (舵機)角度的值。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_21.sb)
利用變數設定 Servo (舵機)的起始位置是 90 度，angle 作為 Servo (舵機)轉動角度位置的變數，範例設定當電位器(可變電阻)變數的讀取值大於 612 時，Servo (舵機)的角度隨讀取值增加而增加。
反之，當電位器(可變電阻)變數的讀取值小於 412 時，Servo (舵機)的角度隨讀取值減少而角度變小。

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