【S4A小專案】倒數計時 (7段數字顯示器)

一個嘗試把arduino與S4A導入國小資訊課程的探索紀錄

【實做影片】一開始先來看看實際運作的影片

這是執行的影片(畫面有數字，顯示器也會秀數字)，arduino旁的是七段數字顯示器，筆電上的是S4A程式，這樣的軟體與硬體互動是如何做出來的？，請看以下說明。


【使用硬體】arduino UNO r3(內已有S4A韌體) 、七段數字顯示器(共陽極)
                       、小麵包板、麵包線

【使用軟體】S4A  (基本安裝設定請參考科藝實作坊文章)

【數字顯示器原理】

七段數字顯示器是7段LED組成的電子零件，可在數位式電子鐘或計時器上發現，可以此引起小學生的學習動機與好奇心，下面是七段數字顯示器的腳位與數字筆劃關係圖

a~g針腳是控制數字筆劃(小數點本例不使用)，上與下邊的最中間是7個LED的共同接腳，共同接腳有分成接到正極(共陽極)，以及接到負極(共陰極)兩種。2個共同接腳只要一個有接即可。

本文的範例採用共陽極的數字顯示器。為何用共陽極呢？根據參考資料，通常為怕 LED的電壓過高而燒毀，會在a~g針腳上分別串上一個220歐姆的電阻，這樣比較安全，但相對地，接線也會比較複雜。

因為教學的對象是設定在小學生，所以想要簡化電路。我採用的做法是使用共陽極，然後把共陽極接到arduino的3.3V以達降低電壓的功效，也因此省去了接電阻的部份電路達到簡化的目的。但用共陽極有個小缺點，那就是arduino腳位為輸出ON(HIGH)時，會不亮；腳位輸出為OFF(LOW)時才會亮(共陰極則與共陽極相反)，所以經過取捨，採用共陽極。如果要去電子材料行買的話，要注意是哪一種。

【arduino接線】
S4A(韌體1.5)預設的數位輸出腳位有10、11、12、13，這樣只有4個，要接數字顯示器還少了3個，怎麼辦？還好還有3個類比輸出腳位可用，分別是5、6、9。以下為元件連接的概念圖，有註明數位輸出或是類比輸出。

接下來的圖是與arduino、小麵包板的接法。

注意共同接腳是接到3.3V，其他的就依概念圖的腳位接線。這樣硬體就完成了

【S4A程式解析】

接下來是S4A的程式(程式檔案下載)。程式裡最核心的積木是以下兩組。

如果數字顯示器上的筆劃是接到數位輸出的話，就要用數位on、off那一組來控制筆劃的亮暗暗；如果是接到類比輸出的話，就要用類比on、off那一組來控制筆畫的亮暗(類比輸出採PWM，最低的0與最高的255直接當成數位輸出使用)。

在實作時，可以先接共同接腳(3.3V)以及一個筆劃的針腳做測試(注意採共陽極數字顯示器時，on時會暗，off時會亮。)一個筆劃成功了，就可以接到7個來組合數字。

其實到此，只要再配合S4A程式，與個人的創意即可。以下簡單介紹我做的程式：

角色arduino(白色電路板)是隱藏，不但是與arduino相連的角色，也是主要迴圈程式

所在，程式如下圖。 

上圖的主要迴圈一直重複判斷數字筆畫的亮與暗，我的做法是用造型當開關，造型如果是「開」，就會讓數字顯示器的筆畫亮起來，反之亦然。

上圖是位於中間筆畫角色的程式，滑鼠點的時候會亮；另外當收到號碼廣播時，會依情形亮或暗，其他筆畫亦然。(配合廣播可一次即秀可數字)

上圖是筆畫的造型(橫或直要依位置而定)，全部的筆畫名稱以位置而定。有左上、上、右上、中、左下、下、右下7種。

當一筆一筆ok後，就可以做數字按鈕如上圖，按下去會廣播數字，相關的筆畫會依情形做調整。

等到各別數字好了，可以再做倒數功能，如上圖

【教學規畫】

     1、一開始，可以用日常生活中的例子引起學生興趣(如數位式時鐘，或計時器)。

     2、教學時，先接數位接腳的一條線，找出控制的方法；再來試類比接腳的

           一條線。

     3、七段都接上後，再做測試。

     4、先完成七段筆畫的角色，並有亮與暗的程式。

     5、再進階內容為點選電腦上數字，數字顯示直接秀出數字。

     6、更進階內容為數字倒數(或正數)。

     8、若還有時間，可再做錄音的延伸，如用麥克風錄下9、8…、1的語音，最後

           錄下happy new year，即可做出跨年倒數的情境。

     7、視內容深淺，可設定為一至二節電腦課。

【延伸閱讀】

書籍：超圖解arduino互動設計入門第七章(趙英傑)
Arduino練習：seven-segment display七段顯示器與時鐘Arduino入門教學(7) – 使用七段顯示器製作倒數功能 (作者：Cooper Maa)