利用Arduino自制Scratch的傳感器板

編者按：在科技發展日新月異的今天，信息技術教學已經遠離了開、關機還需要反復講解的時代，三歲孩童熟練地擺弄著iPad已非奇事。自策劃了“Scratch來了”這一專題之后，編輯深刻感受到研究程序語言的老師的可愛，他們的執著、他們的探索，使得程序教學不再那么枯燥，煥發出勃勃生機。因此，雜志特別策劃了這一專欄，將陸續刊發一些程序教學領域有代表性的教學實踐。也期待更多老師投身到程序教學中去，通過自身的踐行，推動程序教學的復興。

● 問題的提出

Scratch是由MIT Media Lab開發的一種適于八歲以上孩子學習的圖形化編程語言。這幾年，在我國各地有越來越多的老師開設了Scratch課程。更讓人驚喜的是，Sractch不僅僅是一款利用編程工具盒制作二維動畫的工具，還是一個學習互動媒體技術的平臺。在外部傳感器板（Sensor Board）的支持下，Scratch可以獲取外界環境的信息，制作出更加有趣的互動作品。

Scratch的官方網站上提供了傳感器板的詳細說明資料，它的外觀如圖1所示，傳感器板在國外售價約80美元。國內最早的Scartch傳感器板由教育部教學儀器研究所研制開發，它設置為雙層結構，下層是圖4所示的Arduino板，上層是轉接板。而且教育部教學儀器研究所已經將圖2所示的樂動板開源，允許任何人生產和盈利，相信隨著Scratch教學的流行，各種規格的傳感器板很快就會進入到Scratch的教學中來。圖3為深圳職業技術學院學生設計的傳感器板。

● Arduino簡介

Arduino是一個基于開放源碼的軟硬體平臺，具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發環境。因源碼開放，Arduino風靡全球各地，擁有大量的學習資源。Arduino的價格低廉，圖4為DFrobot生產的Arduino板，該板價格在人民幣百元以下，通過淘寶網等途徑即可購買。

Arduino設計了完善的串口通訊接口，如果還沒有購買Scratch的傳感器板，直接利用Arduino自制一塊傳感器板，無疑是一件非常有意義的事情edeu1sQDBgBBfOlzfi4G58VZuhukWE5lAvZRTLg86qo=。需要注意的是，購買到圖4所示的傳感器板之后要記下Arduino板的型號，一般在商標的下方，圖4中的型號是UNO，這個型號用于接下來下載軟件，本文接下來使用的型號都是UNO。

● 制作過程

1.購買Arduino

在淘寶網上輸入Arduino，能搜出大量關于Arduino的商品。這里我推薦Dfrobot和奧松這兩家店鋪的產品。如果比較在意價格，也可以選擇“博士電子樂園”的產品，價格比較低。第一次接觸Arduino的老師，建議購買包含一系列傳感器的學習套件，如奧松的“Arduino 電子積木互動套件”和DFrobot的“Arduino兼容中級應用試驗套件”。

2.設備安裝

在Arduino的官方網站下載軟件，無需安裝，解壓后即可使用。下載地址：http：//www.arduino.cc，最新版本為1.0.3，但是本文的程序需要在版本0023下使用（如圖5）。

第一次接上Arduino，應先安裝驅動，在Arduino軟件的Drivers文件夾中將驅動安裝目錄選上，安裝后，在“設備管理器”的“端口”一項中，將會增加一個COM口設備，記下端口號（如圖6），Arduino和計算機的通訊端口是COM5。

3.代碼下載

剛剛買到的Arduino板上沒有可同Scratch通訊的程序，要想使用就必須要下載For scratch的程序。目前網絡上已經有多款為Scratch編寫的Arduino代碼，現成的Arduino與Scratch通訊的程序，很容易在網絡上下載到（如表1）。

其中，代碼ScratchSensors的作者并沒有給出完整的Scratch代碼，需要使用者進一步根據范例來編寫。ScratchDemo的開發相對完整，我以它為例來介紹編譯和下載過程。首先應解壓ScratchDemo，將其中Scratch文件夾復制到arduino0023的Library下。接著打開scratchDemo.pde，在“Tools”的“Board”和“Serial Port”中正確選擇Arduino。

板子的型號和端口，以圖4、圖6為例，型號為UNO，端口號為Com5，然后點擊，如圖7所示，進行Upload。Arduino板子的TX和RX的指示燈將快速閃爍，數秒鐘后，Arduino的狀態欄中出現“Done uploading”的字樣，表示下載成功。

4.通訊測試

下載完成后，拔掉數據線關閉Arduino，打開Scratch，在“偵測”的“傳感器值”的積木上右擊，彈出的菜單中選擇“顯示ScratchBoard監視器”，Scratch的舞臺上將出現關閉狀態的監視器。在監視器上右擊，選擇正確的COM口，如Com5（如圖8），如果看到快速變換的數字了，那么恭喜你，一款Scratch傳感器板制作成功了。具有開發能力的老師，可以試著自己寫代碼，可參考官方網站上的Scratch通訊協議說明。

● 應用說明

接上圖2所示的上層接口板，就可以在相應的端口接上相應的傳感器，編寫Scratch程序了，如果水平比較高，還可以不使用接口板直接用Arduino端口和Scratch通訊。Arduino的端口和Scratch的傳感器類型對應關系說明如表2。

事實上，如果使用另一個版本的Scratch——S4A，可以更好地用Arduino板，可以用Scratch控制馬達和LED輸出，輸入的信息通道數目也會大大增加，甚至一個Scratch程序可以連接多塊Arduino板。

● 優勢和不足

使用Arduino自制的樂動板，其優勢是明顯的。第一，Arduino支持更多的傳感器，如溫度、距離、加速度等傳感器，使Scratch能獲取更多的外界信息，編寫出更加豐富有趣的程序。第二，Arduino還可以用于其他方面的課程，做到一物多用，降低學校的設備投入。第三，這樣做順應了國際先進的DIY文化，應該在Scratch相關的硬件領域中倡導一種“裸板”文化，有效地給先進技術“去魅”，這有利于學生克服恐懼，提升創新能力。

需要注意的是：因為Arduino使用直插式的ATmega328芯片，僅提供了6個模擬口。而Scratch需要7個模擬口來分別表示滑竿、聲音、光線以及ABCD四個電阻。所以在該代碼中，電阻D是不能使用的。

● 結語

Arduino既是程序語言的名稱又是硬件的名稱，學生在學習完Scratch之后，選擇Arduino語言作為后續語言學習的方案是可行的，它和Scartch一樣，都是非常適合在基礎教育中推廣的開源項目。利用Arduino自制Scartch的傳感器板，能讓更多的孩子喜歡上技術，編寫出更多的互動作品，培養他們的創新精神和動手能力。