*運算思維的物理計算*

111會考

111分科測驗

教學目標

抽象與真實的物理世界

資料引用

https://towardsdatascience.com/physical-computing-using-jupyter-notebook-fb9e83e16760

物聯網(IOT)概念

資料引用:MicroPython 陳會安老師

嵌入式系統(Embeded System)

圖片引用:梁文耀博士嵌入式智慧應用開源軟硬整合新趨勢

開源系統概念

1.開放硬體及開源系統的價值

開放硬體的價值不是在學習哪一片電路板(不需拘泥在各種開發版硬體)而是學習自由軟體開源系統(Linux base)及參與社群

2.MPU及MCU

MCU開發版簡介

1.硬體

2.開發程式軟體

開發Arduin及ESP32 程式，有幾種語言選擇：

(1)C/C++

(2)MicroPython

Arduino與MicroPython差異性

Python程式設計

為何選擇Python程式語言?

資料引用:政大應用數學系蔡炎龍老師

文字型程式設計怎麼學?難處在哪裡?

Python程式設計怎麼教?教什麼?

從Scratch邁向Python

資料引用:國北教顏榮泉老師

(0)Python電子書(簡體)

https://github.com/IThawk/learning/tree/master/Python

(1)Python基礎語法

(2)物件導向概念

活動設計:Python體驗遊戲

活動設計:體驗線上嵌入式系統Online-MicroBlock(泰國)

線上版(積木與文字並存)

離線版(實機運作)

MCU積木程式類別

1.Blockly based(C語言)

• 陳會安老師
• 劉正吉老師吉哥積木
• 慧手motoBlockly
• 慶奇科技Webdurino(綁硬體)
• http://pyblock.ptivs.tn.edu.tw/stone/(綁硬體)
• 北京師大Mixly(大陸)

2.Scratch based

• PRG AI Blocks
  
• 蔡嘉倫老師bDesigner
• 陳國全老師OSEP
• Pictoblox
• Mblock(大陸)
• Mind+(大陸)
• 詹智傑老師

3.MicroPython based

• microBlock IDE(web版)-Micropython中文化開發中
• https://en.vittascience.com/code
• ESP Gyro 二合一擴充板(陳爸開發.退休科學園區工程師)
• https://www.easy-py.net/(綁硬體)
• Myblockly
  

4.Javascript

• MakeCode Maker - Blocks / Javascript editor
• https://makecode.microbit.org/88836-74127-67032-09694
• https://makecode.microbit.org/52259-34065-15112-30939
• 小彼特創客趣

Arduino模擬器(simulator)

資料引用https://all3dp.com/2/best-arduino-simulators-online-offline/

活動設計:體驗線上Arduino模擬器\

1.簡介

Wokwi 是一個線上電子模擬器。您可以使用它來模擬 Arduino、ESP32 和許多其他流行的開發板和感測器器。

2.範例

以下是您可以使用 Wokwi 製作的一些簡單示例：

• https://wokwi.com/projects/335098691483337300(1#.1234)
• Arduino Uno“你好世界”
• 閃爍 ESP32 上的 LED
• 在 ATtiny85 上監控天氣
• 使用 Arduino Mega 控制 32 個伺服系統
• 使用 FastLED 為 LED 矩陣設置動畫
• ESP32 上帶有 MicroPython 的 7 段計數器

3.特色

https://blog.wokwi.com/avr8js-simulate-arduino-in-javascript/

邏輯分析儀模擬器

Why Wokwi is the Best Arduino Simulator in 2021?

https://hackaday.io/project/175329-why-wokwi-is-the-best-arduino-simulator-in-2021/details

4.參考網站

• https://github.com/wokwi
• https://docs.wokwi.com/
• https://docs.wokwi.com/zh-CN/
• https://www.facebook.com/wokwi/
• https://m.facebook.com/groups/wokwi/
• https://blog.wokwi.com/
• https://forum.arduino.cc/t/virtual-online-arduino-and-esp32-simulator-wokwi-arduino-simulator-features/698481
• https://onlinesimulators.quora.com/How-to-simulate-ESP32-online-1
• https://tawjaw.github.io/Arduino-Robot-Virtual-Lab/followwall.html
• https://www.hackster.io/Hack-star-Arduino/esp32-online-simulator-you-were-looking-for-2022-327d42
• https://swf.com.tw/?p=1671(趙英傑老師)
• https://www.bilibili.com/video/BV1Da411v7qZ?spm_id_from=333.999.0.0
• https://www.youtube.com/watch?v=NjEOZyIyukI
  
• https://www.youtube.com/channel/UCVQKFpTsW4qdsBIqZoDzRkQ/videos?view=0&sort=da
• https://sites.google.com/view/yjmtechnology/%E8%B3%87%E8%A8%8A%E7%A7%91%E6%8A%80/%E5%9C%8B%E4%B8%89%E8%B3%87%E8%A8%8A%E7%A7%91%E6%8A%80/%E7%A8%8B%E5%BC%8F%E5%B0%88%E9%A1%8C
• https://www.yiboard.com/thread-1616-1-1.html(簡中)
• https://tool-lab.com/wokwi-1-what-is-wokwi/(日文)

MicroPython on ESP32簡介

資料引用:張文宏老師

資料引用:https://www.youtube.com/watch?v=l9OhMBk_lUE&t=41s

小結

資料引用:陳豐生業師(豐爸)

資料引用:MicroPython for kids

實作先備知識(國中九年級理化電學及資訊科技數位化原理.基礎程式設計Scratch...)

1.電路原理(基本迴路)

2.開發板硬體三核心

口訣:人要腳踩實地(G)先吃飯(V)，才能接受指令做事(S)

3.數位/類比訊號(Digital/Analog)

資料引用:https://hackmd.io/x3cd61mySQyJ9Op5iN3jeA?view&fbclid=IwAR1tQbVtawH58JlAmZ-_5QV2RMrP3yMRC5puHjUT23XiUIGtEizMwc5FdJ8

微電腦、電路及程式設計 in 30 days

https://jasonworkshop.com/b20220801/

Wokwi模擬器實作

實作1: -ESP32內建 LED Blink(閃爍)

原理篇

模擬器實作篇

程式執行成果

實作步驟

1.硬體接線

REPL(Read–Eval–Print- Loop)-交互式直譯器環境

每一種腳本語言都擁有自己的直譯器

1.寫一句程式碼如print("Hello, ESP32!")（read讀入）

2.按下模擬器後執行一句（evaluate執行）

3.印出輸出"Hello ESP32!"（print印出）

4.繼續循環以上步驟（loop循環）

每次新的REPL循環開始的時候，總會有>>> 在一行的最開始，我們把>>>稱作命令提示符號

文字型程式設計的方法

1.嘗試一點點.動手打出來.一行一行打.熟能生巧(刷題)

2.程式出錯(bug)怎麼辦?專家也是由失敗中不斷地修正

3.將大問題拆解成小問題.觀察錯誤在哪裡.縮小錯誤的範圍

4.培養失敗及挫折力(容錯力).細心耐心之培養

2.撰寫程式碼

程式碼:下載(程式補填法)

平版同學

專案分享(半成品)

程式流程圖講解:

程式碼講解:

資料引用:https://www.geniopy.com.tw/index.html

3.測試.按一下模擬器畫面的三角形（開始模擬）鈕，內建藍色LED將重複一閃一滅

存檔.下載及分享

思考問題:

如何控制LED閃滅的時間?

程式碼可以優化嗎?

專安分享I

專案分享II

實作2:外接 LED+電阻 Blink

程式執行成果

教學影片

1.硬體接線

平板手機同學(無法畫圖)

專案分享

2.撰寫程式碼

程式碼:下載(程式除錯法+填補法)

https://wokwi.com/projects/333051415802937939

提示:紅色框處之程式碼(修改及增加)

3.測試.按一下模擬器畫面的三角形（開始模擬）鈕，外接LED將重複一閃一滅

思考問題1:如何控制LED閃滅的時間?

思考問題2:

(1)LED的顏色可以改變嗎?

(2)電阻的值可以改變嗎?

(3)導線的顏色可以改變嗎?

(4)電阻的方向可以改變嗎?

A.選取電阻物件按R鍵

B.點導線變虛線刪除

參考Wokwi教學文件

專案分享

教學影片

思考問題:

上述電路圖一定要這要接嗎?

專案分享

實作3: 紅綠燈

程式執行成果

實作步驟

1.硬體接線

(若教學時間不足將圖先畫完然後分享給學生.運算思維(程式設計.才是我們資訊科技教學的核心.而非硬體接線)

平板同學

專案分享(半成品)

2.撰寫程式

程式碼-下載(非完整.需自行增加程式碼)

3.按一下模擬器畫面的三角形（開始模擬）鈕，測試紅綠燈LED

專案分享

實作4:霹靂燈

程式執行結果

1.硬體接線

專案分享(半成品)

2.修改程式碼

3.測試

專案分享

4.自行創作

思考問題:

1.這樣的程式碼寫法好嗎?有無改進的空間(優化)?

專案分享1

專案分享2

如果led要這樣顯示則要如何修改程式碼?

REF

2.上述的程式控制有一定的規律性無法任意控制(只能由最左或最右邊控制)?

專案分享

Arduino sequential LED project | led chaser with 7 effects

專案1

https://wokwi.com/projects/279897423635022344

專案2

https://wokwi.com/projects/279890929738842636

專案3

https://wokwi.com/projects/332411280056910420

評量:心型燈

程式執行結果

電路圖忽略限流電阻

1.硬體接線

專案分享(半成品)

2.撰寫程式

程式碼分享(需自行修改)

3.測試.按一下模擬器畫面的三角形（開始模擬）鈕，12個LED構成的心型可否符合題目的要求

專案分享1

程式碼REF

專案分享2

實作5-Led+外接電阻+開關(Button)+上升電阻(Pull_up)

程式執行結果

原理篇

1.按鈕種類

2.按鈕接點

3.按鈕彈跳訊號

範例-無上拉電阻

https://wokwi.com/projects/333687372925370962

4.消除按鈕彈跳訊號

(1)上拉(提升)電阻(Pull-up resistors)

(2)下拉電阻(Pull-down resistors)

資料引用:https://www.youtube.com/watch?v=I4Rbh-7RgYs

範例-有上拉電阻

https://wokwi.com/projects/333687135739576914

實作篇

1.硬體接線

2.撰寫程式

程式碼下載(要自己修改)

3.測試.按一下模擬器畫面的三角形（開始模擬）鈕，按下開關LED是否會亮?

專案分享

思考問題:

1.無上升電阻的程式寫法

專案分享

2.多開關控制霹靂燈

專案分享

原理篇

VR(可變電阻)

ADC(類比訊號轉為數位訊號)

PWM(脈衝寬度調變)

程式執行結果

實作篇

1.硬體接線

手機平板筆電PC

https://wokwi.com/projects/333865133477462610

2.撰寫程式

程式碼下載

3.測試.按一下模擬器畫面的三角形（開始模擬）鈕，改變電阻值大小看LED是否會漸亮?

專案分享

實作7-PWM控制蜂鳴器Buzzer

原理篇

蜂鳴器(Buzzer)

利用PWM產生音頻，驅動蜂鳴器讓空氣產生震動，便能發出聲音

實作篇

1.硬體接線

手機平板筆電PC

https://wokwi.com/projects/333866298216809044

2.撰寫程式

程式碼下載

3.測試

專案分享

MicroPython音樂

專案分享2

實作8-RGB呼吸燈

程式執行成果

實作步驟

1.硬體接線(RGB共陽極.COM接點接VCC)

2.撰寫程式

專案分享(修改程式碼方法.調整frq.duty)

ESP32的duty取值範圍為0 <= duty <= 1023

ESP32的PWM頻率範圍為0 < freq <= 78125

3.按一下模擬器畫面的三角形（開始模擬）鈕，測試RGB LED

實作9: NeoPixel(霓虹像素)（WS2812）

RGB燈條的應用

原理篇

實作篇

1.硬體接線

2.撰寫程式

16顆WS2812循環亮

專案分享

(修改rainbow列表RGB的值)

程式碼:下載

修改程式中RGB顏色代碼

3.按一下模擬器畫面的三角形（開始模擬）鈕，NeoPixel模組的RGB LED將輪流發光

實作10:DTH11(22)溫溼度感測器

通信——物聯網之魂

(1)串列通訊匯流排（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）

實作步驟

1.硬體接線

2.撰寫程式

程式碼:下載(程式仿作或程式碼識讀)

3.按一下模擬器畫面的三角形（開始模擬）鈕，測試是否有顯示出溫溼度

專案分享

(2)I²C(積體電路之間.積體匯流排電路 Inter-Integrated Circuit）

I²C通訊只需要2條雙向線：

SDA（serial data:串列資料線）

SCL（serial clock:串列時脈線）

實作11:OLED液晶模組 0.96吋 白色 12864點陣 SSD1306驅動 3.3V-5V 4線I2C介面規格書

教學影片

1.硬體接線

2.程式碼

esp32-oled-main-py

esp32-oled-ssd1306-py

3.修改程式碼修文字內容(中文無法顯示)測試

專案分享

實作12:OLED SSD1306+DTH11(22)

專案分享

實作13:OLED溫溼度蒐集及警報系統

專案分享

其他

https://wokwi.com/projects/333864909661012562