第二章 設計電路

在這個章節，你將可以學到：

• 電壓、電流與電阻的基本電學觀念。
• 電子元件與Arduino的搭配應用。

CH2-1 基本電學

2-1. 認識電壓、電流、電阻

電壓

• 簡單來說：
  • 驅使電荷流動的能力。電學符號為「v」。

• 說得仔細點：
  • 電壓，也稱作電勢差或電位差，是衡量單位電荷在靜電場中由於電勢不同所產生的能量差的物理量。此概念與水位高低所造成的「水壓」相似。每1庫侖的電荷做了1焦耳的功，等於一「伏特」（Volta）。

電流

• 簡單來說:
  • 電荷的流動，稱之為「電流」。電學符號為「I」。

• 說得仔細點:
  • 電流是指一群電荷的流動。電流的大小稱為電流強度，是指單位時間內通過導線某一截面的電荷量，每秒通過一庫侖的電量稱為一「安培」（Ampere）。

• 歷史的錯誤：
  • 最早的電學發展，物理學家認為電荷既然有正、負，兩者應該都會流動。直到霍耳(Hall)才證明在金屬中流動的不是帶正電的粒子而是帶負電的粒子(即，電子)。但物理學家已經養成習慣，完整的電學體系也已建立，因此也就錯就錯地使用「電流」，而非「電子流」。因此，負電粒子往左流，我們可以等效看成電流往右流。

電阻

• 簡單來說：
  • 電荷在導體中流動的難易度。電學符號為『R』。

• 說得仔細點：
  • 電路欲阻止電流通過，同時使電能轉換為熱能之性質，謂之電阻。電阻以R 表示，單位為歐姆或簡稱歐，以希臘字母Ω（omega）表示。

電壓、電流、電阻快速理解聯想法

聯想方法:

1. 把「電壓」當成「錢」，電壓會隨著電荷在電路中損耗。

2. 把「電流」當成「人」，電流是原本就存在電路中的，並不會消失

3. 把「 電阻」當成「商店」：消費的地方。

4. 把「電壓」當成「家」：每個人從家庭中獲得錢。

實例說明：

有2人(2A)外出消費，他們從家中帶錢(10V)出發，每個人經過電路上的商店(燈泡)時，每個人便幾乎把錢(10V)在商店花完，離開商店時已所剩無幾(0V)，電荷（2A)便會從商店再返回家中( 電源) 補充驅動力—錢(10V)，然後再繼續外出消費，週而復始。

電跟水類比

水流是水的流動，電流是電荷的流動；水從水位高的地方流向水位低的地方，電流從電位高的地方流向電位低的地方；水位高低之差叫水位差或水壓，電位高低之差 叫電位差或電壓；當水流流動時，遇到石投擋住，會因為石頭阻力水流變小。相對電流遇到電阻時，電流也會變小。

因此水壓-->水流-->石頭 的關係

就像電壓-->電流-->電阻 的關係

歐姆定律

德國物理學家格奧爾格·歐姆（G. Ohm）於1827年指出同一導體中，通過導體的電流I與導體兩端的電壓V成正比，與導體的電阻R成反比。也就是 V=IR

串聯電路

串聯電路是指電路中的所有元件，以首尾相接的方法串聯在一起，且電路中僅有一電流通過所有元件，這種單一路徑的電路，稱為串聯電路。

• 串聯電路的特性

E=V1+V2+V3+.....

RT=R1+R2+R3+.....+Rn

• 串聯電路像一下

電路中串聯電阻，有如流出都同一條河流中，不同位置放置石頭阻止水流的前進，因此在同一條河流的水流都是一樣的。而總電阻為各別電阻相加相於總石頭各數為不同位置石頭相加。

並聯電路

並聯電路是指在電路中所有元件，輸入端和輸出端分別被連接在一起，電路中每一元件兩端的電壓相同，流過每一元件的電流都是獨立，不會受其他元件影響，這種多路徑的電路，稱為並聯電路。

• 並聯電路的特性

$$I$$ =$$ I1 $$+$$I2$$+$$I3$$+ ......+ $$In$$

V1 = V2 .... =Vn = E

• 並聯電路 想像一下

電路中並聯電阻，有如河流流出分成很多支流，水流不用擠再同一條支流上，因此並聯電阻值會下降。

CH 2-2 數位接腳的運用與按鈕開關

Lab 3-1Digital Read

實習清單

實習步驟與說明

Arduino的應用開發，分成電路實作與Arduino程式實作兩部分，因此接下來我們就針對這兩部分做介紹，請跟著一起練習看看。

電路實作

元件介紹

首先，我們先將按鈕開關翻面看到鈕開關底部，我們可以發現黑色底線的連接線，與黑色連接線相連的部分代表導通。有些按鈕開關只有一條連接現如圖3，所以跟連接線平行的接腳代表彼此是導通的，如圖2和圖 4所示1、2是導通的，3、4是導通。從圖5示意圖來看能了解，可以發現左右兩邊的接線是相連，只有中間是斷的，當我們按下按鈕後中間連接線會互相連接。

圖1按鈕開關正面圖2按鈕開關反面

圖3按鈕開關正面圖4 按鈕開關的反面

圖5鈕開關示意圖

佈線圖

以本實驗為例，我們利用PIN2 讀取5V落於電阻上的電壓降。

Arduino程式實作

完整程式碼

實驗結果

利用Arduino UNO 內建的串列監測( Serial Monitor)來跟Arduino通訊。

在把上列程式編譯並上傳到Arduino板子後，我們打開監測( Serial Monitor)，然後我們會看到 Serial Port 不斷地收到從Arduino傳送過來的按鈕的值，當按下按鈕時讀值為1，如圖7，鬆開時讀值為0。

圖 6 按鈕鬆開時的狀態

圖7 按鈕按下時的狀態

隨堂作業

1. 試試看利用不同的Pin完成上述步驟。

Lab 3-2 Button

實習清單

實習步驟與說明

Arduino的應用開發，分成電路實作與Arduino程式實作兩部分，因此接下來我們就針對這兩部分做介紹，請跟著一起練習看看。

電路實作

佈線圖

利用Arduino UNO 讀取按鈕的狀態，並以之控制LED的明滅狀態。

以本實驗為例，我們利用PIN2 讀取電阻上的壓降。

Arduino程式實作

完整程式碼

實驗結果

我們可以發現按下按鈕時，LED會發亮。鬆開時LED瞬間又變暗。

隨堂作業

1. 試試看利用兩顆按鈕各別控制兩顆LED燈。

CH 2-4 程式語法之流程控制

在這個章節，你將會學到：

Ø 使用if…else語法來控制程式流程。

2-1. 程式流程控制

假設你今天走在路上，看到一支紅綠燈，它的三個燈同時亮起來，你會怎麼想？燈會亮，表示燈沒有燒壞或是有任何異常，可是這個現象卻是不正常的，原因就出在，整個流程錯了！

換成是我們的Arduino實習，也經常會碰到這樣的狀況，例如在按鈕的實習中，如果你按下了按鈕，明明電路都是對的，LED卻沒有亮，那麼，就是控制流程出問題了，所以，我們來學習程式流程的控制語法吧

2-2. if…else

在Arduino中，有個很重要的程式控制流程語法，就是if-else語法，舉個例子來說，一個LED和按鈕分別連接著Arduino的兩個pin，pin13和pin2，那麼只要使用if…else語法，就可以完成用按鈕控制LED的明滅了。

運用上一章學到的註解，在正式完成程式碼之前，我們先將想法以註解的方式寫出來，如圖1。

01 void setup() {

02 \/\/指定pin13為輸出電壓腳位，供LED元件使用

03 \/\/指定pin2為輸出電壓腳位，供Button元件使用

04 }

05 void loop() {

06 \/\/如果Button被按下，pin12為HIGH，那麼pin13控制的LED就會亮

07 \/\/如果Button沒被按下，pin12為LOW，那麼pin13控制的LED就不會亮

08

09 }

圖1、將想法以註解的方式加入程式碼

大致的想法有了，那麼完成整個程式碼，也不會是難事了。

先介紹if…else語法，這跟你待會要實作的程式碼有關，

01if(條件式){

02 敘述式A

03}

04else{

05 敘述式B

06}

圖

針對這個實習，條件式就是當按鈕按下去的狀況，會執行敘述式A的內容，而當按鈕沒有被按下的時候，就會執行敘述式B的內容啦。

回到我們的程式碼可以看到圖的第8行，就是按鈕被按下的情況，也就是pin2會被設成HIGH，

當這種情形發生時，就執行第9行的內容，將pin13設成HIGH，也就是將LED點亮。

另一種情況，也就是當按鈕沒有被按下時，pin13就會被設成LOW，LED是熄滅的。

圖2、根據註解實際加入程式碼

以上就是if…else的使用，請多多練習，熟練程式流程的控制吧。

隨堂練習

1. 用三顆按鈕，分別控制三顆LED的明滅。

2. 用兩個按鈕控制四顆LED，四顆LED由左到右，分別編號1~4號。

   1. 當兩顆按鈕都沒有被按下時，LED1亮，其他LED不亮。

   2. 當第一顆按鈕被按下，LED2亮，其他LED不亮。

   3. 當第二顆按鈕被按下，LED3亮，其他LED不亮。

   4. 當兩顆按鈕同時被按下，LED4亮，其他LED不亮。