輕課程 micro:bit與iMoto BitRacer智慧車完美結閤線迷宮競賽-使用MakeCode程式設計-最新版-附MOSME行動學習一點通：診斷．評量．影音．擴增．加值 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

☆☆☆☆☆

蘇景暉

圖書標籤:

• micro:bit
• iMoto BitRacer
• 綫迷宮
• 競賽
• MakeCode
• 程式設計
• STEM教育
• 機器人
• 教育
• 學習

《數位時代下的創意實踐：從零開始的物聯網與編程基礎》 第一章：現代科技的基石——物聯網（IoT）概論與核心概念 本章旨在為讀者建立對當前科技浪潮中最核心概念之一——物聯網（IoT）的全麵理解。我們將深入探討IoT的定義、歷史演變，以及它如何滲透並重塑我們生活的方方麵麵，從智慧傢庭到工業自動化。 1.1 物聯網的定義與範疇界定 首先，明確界定物聯網（Internet of Things）的內涵。它不僅僅是設備連網，更涉及數據的採集、傳輸、分析與決策的閉環係統。我們將分析構成一個完整IoT生態係統的四大關鍵要素：感知層（感測器與緻動器）、網絡層（連接協議與數據傳輸）、平颱層（數據管理與雲端服務）以及應用層（麵嚮用戶的服務與介麵）。 1.2 驅動IoT的關鍵技術堆疊 深入探討支撐現代IoT架構的幾項核心技術。這包括低功耗廣域網路（LPWAN）技術（如LoRaWAN、NB-IoT）的特性與適用場景；邊緣計算（Edge Computing）的必要性及其在低延遲環境中的優勢；以及數據安全與隱私保護在物聯網環境中的挑戰與對策。 1.3 嵌入式係統與微控製器入門 理解IoT設備的「大腦」至關重要。本章將介紹嵌入式係統的基本架構，重點區分微控製器（MCU）與微處理器（MPU）的差異。讀者將初步認識不同類型MCU的性能指標、記憶體配置（RAM/Flash）以及I/O介麵（如GPIO、UART、SPI、I2C）在實際硬體設計中的作用。 第二章：軟體定義世界——現代編程語言與開發環境 本章聚焦於現代數位創作的工具箱，特別是那些在嵌入式和快速原型開發中扮演重要角色的編程工具。 2.1 現代化積木式編程思維（Block-Based Programming Paradigm） 介紹視覺化、積木式編程的核心優勢，它如何降低初學者的入門門檻，並專注於培養邏輯思維而非語法細節。探討這類編程環境如何有效地將複雜的硬體操作抽象化，使開發者能專注於應用邏輯的實現。內容將涵蓋流程控製（循環、條件判斷）、變數管理以及函數調用的基礎原理。 2.2 C/C++ 語言在低階控製中的基礎應用 儘管積木式編程便於快速上手，但要達到更高階的性能優化和複雜演算法的實現，C/C++語言的掌握不可或缺。本章將提供C語言在微控製器環境中的基礎語法迴顧，包括指標（Pointers）的理解、記憶體分配的基礎概念，以及如何編寫高效能的底層驅動程式碼。重點在於理解編譯器如何將高階指令轉換為機器碼。 2.3 開源硬體平颱生態係統概述 廣泛概述當前流行的幾種開源硬體平颱（如基於AVR、ARM Cortex-M架構的開發闆）。分析不同平颱在處理能力、功耗、外設支持以及社群資源上的優劣勢，幫助讀者根據項目需求進行平颱選型。 第三章：電子學與電路基礎實務 要有效控製硬體，必須具備紮實的電子學基礎知識。本章將從實用角度齣發，講解必要的電學原理和實作技巧。 3.1 直流電路分析與元件識別 復習歐姆定律、剋希荷夫定律（KCL/KVL）在簡單電路中的應用。深入介紹幾種關鍵被動元件（電阻、電容、電感）的特性，以及如何使用萬用錶進行準確測量和故障排除。特別強調電阻分壓器的設計與應用。 3.2 數位與類比訊號的交互作用 區分數位訊號（高/低電平）與類比訊號（連續電壓變化）。講解如何使用數位I/O進行基本控製（如LED開關），並介紹類比數位轉換器（ADC）和數位類比轉換器（DAC）在傳感器數據採集和輸齣控製中的核心作用。 3.3 基礎驅動電路與介麵保護 討論如何安全地驅動高電流負載（如馬達、繼電器）。介紹電晶體（BJT/MOSFET）作為開關的原理，並探討二極體在反嚮電動勢保護中的必要性。這部分內容著重於避免因電流過大而損壞微控製器。 第四章：數據採集與感測器整閤技術 本章專注於如何將現實世界的物理現象轉化為可供計算機處理的數位數據。 4.1 溫度、光線與距離感測原理 詳細分析幾種常見感測器的物理原理： 溫度感測： 探討熱敏電阻（Thermistor）與數位溫度感測器（如DS18B20）的讀取差異與精度考量。 光線感測： 光敏電阻（LDR）與光電晶體管的特性麯線分析。 距離感測： 超音波測距模組（Time of Flight, ToF）的工作機製及抗乾擾技巧。 4.2 通訊協議在多模組係統中的應用 深入講解串列通訊（UART/USART）用於點對點通信的架構；I2C協議如何實現多設備地址尋址；以及SPI協議在需要高速數據傳輸場景中的優勢。學習如何正確初始化和調用這些介麵的驅動庫。 4.3 數據清洗與校準技術 原始感測器數據往往充滿雜訊。本章將介紹基本的數據處理方法，包括移動平均濾波法（Moving Average Filter）和簡單的線性轉換，以提高數據的可靠性，為後續的決策製定打下基礎。 第五章：控製理論的初步實踐：PID控製器簡介 對於需要精確穩定的控製係統，例如保持平衡或穩定速度，僅靠開關控製是不夠的。本章引入控製工程的核心概念。 5.1 開環與閉環控製係統的區別 解釋反饋（Feedback）在自動控製中的決定性作用，並定義係統的誤差（Error）。 5.2 比例-積分-微分（PID）控製器的基本邏輯 詳細解析PID控製器的三個參數（Kp, Ki, Kd）各自對係統響應的影響：比例項處理當前誤差，積分項消除穩態誤差，微分項預測未來誤差趨勢。提供如何通過試錯法或Ziegler-Nichols方法進行初步參數整定的實用指南。 5.3 數位化PID的實現 探討如何在微控製器環境下，使用定點數或浮點數高效地計算離散時間的PID算法，並將控製輸齣（Duty Cycle或PWM值）應用於緻動器。 第六章：專案實作導嚮：構建自主移動平颱（無關特定競賽車輛） 本章將引導讀者利用前述知識，設計和實現一個具備基本移動和環境感知能力的自主機器人底盤。 6.1 伺服與直流馬達驅動機製 分析不同類型馬達的特性（扭矩、轉速）。重點講解如何使用H橋驅動晶片（如L298N或更先進的馬達驅動器）來控製直流馬達的速度（通過PWM）和方嚮。 6.2 基礎運動學與裏程計（Odometry） 探討如何利用編碼器（Encoder）精確測量馬達轉速，進而計算車輛的行駛距離和轉嚮角度。建立一個簡單的兩輪差速驅動模型的運動學描述。 6.3 係統整閤與除錯流程 指導讀者如何將感測器數據、控製算法與馬達驅動模組整閤到一個統一的控製迴路中。強調係統級的故障排除流程，包括硬體連接驗證、通訊診斷、以及軟件邏輯調試的標準化步驟。 結語：邁嚮進階自動化與未來視野 總結所學，強調從基礎電子學、編程邏輯到控製理論的完整學習路徑。鼓勵讀者將所學知識應用於更廣泛的嵌入式係統和物聯網應用開發中，例如智慧傢居監測、環境數據記錄或簡單的自動化機器人設計。