Scratch CS+Arduino经典教程从入门到精通

《Scratch CS+Arduino经典教程从入门到精通》是作者结合长期的课程教学和实践经验编写而成的。在编写过程中，注重降低理论难度，增加实践环节，采用以案例带动理论教学的创新写作模式，用开发案例贯穿全书。
读者可以没有编程基础，也可以不会使用键盘，构成程序的命令和参数通过积木形状模块来实现，用鼠标拖动模块到脚本区即可。Scratch CS又充分结合Arduino功能增加了丰富的硬件积木编程模块(例如获取环境温度、房间光强，控制灯光闪烁、电机旋转、机器人动作等)，读者可以简单地通过这些模块开发出更具创意趣味和实用价值的系统，尽情发挥自己的创意。本书期望帮助读者更灵活地掌握和使用Scratch技术制作出完全属于自己的个性化作品。
《Scratch CS+Arduino经典教程从入门到精通》的案例在编排时适当体现了梯度和层次，有一个循序渐进的过程，便于学生逐步掌握测控板各种传感器的用法。

本书的作者团队来自清华大学等高校，是作者们结合长期的课程研发、教学和实践经验编写而成的。其课程教学成果多次获得青少年科技创新等比赛的市级、全国比赛的多种奖项。

目 录

第1章 Scratch CS与喵星机器人套装 1
1.1 认识喵星机器人套装 1
1.2 喵星机器人的硬件组成 2
1.3 下载并安装Scratch CS与Arduino IDE 3
1.3.1 下载安装Scratch CS软件 3
1.3.2 驱动安装 4
1.3.3 安装并认识Arduino IDE 4
1.4 喵星机器人的运行软件 5
1.4.1 图形化编程软件Scratch CS 5
1.4.2 Scratch CS程序界面 6
1.4.3 喵星机器人套装的特性 7
1.5 Arduino程序离线下载到硬件中 8
第2章 夜空中的飞行指示灯 10
2.1 知识准备 11
2.1.1 认识硬件 11
2.1.2 软件功能模块学习 12
2.2 创意搭建 13
2.2.1 搭建前的准备 14
2.2.2 搭建步骤图示 14
2.3 开启编程之旅 16
2.3.1 软硬件连接 16
2.3.2 编写程序 17
2.4 知识拓展 20
2.4.1 关于飞行指示灯 20
2.4.2 试着改写程序 21
第3章 可爱的萤火虫 22
3.1 知识准备 23
3.1.1 认识硬件 23
3.1.2 软件功能模块学习 23
3.2 开启编程之旅 25
3.2.1 软硬件连接 26
3.2.2 编写程序 27
3.3 知识拓展 28
会变化的小猫 28
第4章 动画中的幸运大转盘 30
4.1 知识准备 31
4.1.1 认识硬件 31
4.1.2 软件功能模块学习 32
4.2 开启编程之旅 32
4.2.1 软硬件连接 32
4.2.2 编写程序 33
4.3 知识拓展 39
电脑按键控制幸运大转盘的运动 39
第5章 智能家居灯光控制系统 40
5.1 知识准备 41
5.1.1 认识硬件 41
5.1.2 软件功能模块学习 42
5.2 创意搭建 43
5.2.1 搭建前的准备 44
5.2.2 搭建步骤图示 44
5.3 开启编程之旅 48
5.3.1 软硬件连接 48
5.3.2 编写程序 49
5.4 知识拓展 53
设计一个感光LED灯 53
第6章 大风车转转转 55
6.1 知识准备 56
6.1.1 认识硬件 56
6.1.2 软件功能模块学习 57
6.2 创意搭建 58
6.2.1 搭建前的准备 59
6.2.2 搭建步骤图示 59
6.3 开启编程之旅 61
6.3.1 软硬件连接 62
6.3.2 编写程序 62
6.4 知识拓展 68
6.4.1 如何用取余运算实现高速风扇的转与停 68
6.4.2 关于程序的编写 68
第7章 泡泡满天飞 69
7.1 知识准备 70
7.1.1 认识硬件 70
7.1.2 软件功能模块学习 71
7.2 开启编程之旅 73
7.2.1 软硬件连接 73
7.2.2 编写程序 74
7.3 知识拓展 78
第8章 神奇的电子乐器 80
8.1 知识准备 81
8.1.1 认识硬件 81
8.1.2 软件功能模块学习 81
8.2 搭建水果乐器 83
8.2.1 设计制作前的准备 83
8.2.2 操作步骤图示 84
8.3 开启编程之旅 84
8.3.1 软硬件连接 85
8.3.2 编写程序 85
8.4 知识拓展 89
8.4.1 电子钢琴新的设计方法 89
8.4.2 多个程序同时运行 90
第9章 家居中的智能风扇 91
9.1 知识准备 92
9.1.1 认识硬件 92
9.1.2 软件功能模块学习 93
9.2 创意搭建 94
9.2.1 搭建前的准备 94
9.2.2 搭建步骤图示 95
9.3 开启编程之旅 97
9.3.1 软硬件连接 97
9.3.2 编写程序 97
9.4 知识拓展 100
旋钮控制大风车转动 100
第10章 “超级玛丽”游戏 102
10.1 知识准备 103
10.1.1 认识硬件 103
10.1.2 软件功能模块学习 104
10.2 创意搭建 106
10.2.1 搭建前的准备 106
10.2.2 搭建步骤图示 107
10.3 开启编程之旅 108
10.3.1 软硬件连接 108
10.3.2 编写程序 109
10.4 知识拓展 119
第11章 梦幻泡泡机 120
11.1 知识准备 121
11.1.1 认识硬件 121
11.1.2 软件功能模块学习 123
11.2 创意搭建 123
11.2.1 搭建前的准备 124
11.2.2 搭建步骤图示 124
11.3 开启编程之旅 126
11.3.1 软硬件连接 126
11.3.2 编写程序 127
11.4 知识拓展 130
泡泡机转转转 130
第12章 幸运大转盘 131
12.1 知识准备 132
12.1.1 认识硬件 132
12.1.2 软件功能模块学习 133
12.2 创意搭建 134
12.2.1 搭建前的准备 134
12.2.2 搭建步骤图示 135
12.3 开启编程之旅 138
12.3.1 软硬件连接 138
12.3.2 编写程序 139
12.4 知识拓展 141
互动幸运大转盘 141
第13章 红外遥控器下的智慧 144
13.1 知识准备 145
13.1.1 认识硬件 145
13.1.2 软件功能模块学习 146
13.2 开启编程之旅 147
13.2.1 软硬件连接 147
13.2.2 编写程序 148
13.3 知识拓展 152
红外遥控器下的电子钢琴 152
第14章 智能车库 154
14.1 知识准备 155
14.1.1 认识硬件 155
14.1.2 软件功能模块学习 157
14.2 创意搭建 159
14.2.1 搭建前的准备 159
14.2.2 搭建步骤图示 159
14.3 开启编程之旅 163
14.3.1 软硬件连接 163
14.3.2 编写程序 164
14.4 知识拓展 166
蜂鸣器乐器 166
第15章 奔跑吧！机器人 167
15.1 知识准备 168
15.1.1 机器人的组装 168
15.1.2 软件功能模块学习 170
15.2 开启编程之旅 171
15.2.1 软硬件连接 171
15.2.2 编写程序 172
15.3 知识拓展 174
控制机器人前进、后退、左转、右转、暂停运动程序的实现 174
第16章 避障机器人 176
16.1 知识准备 177
16.1.1 认识硬件 177
16.1.2 软件功能模块学习 178
16.2 创意搭建 178
16.2.1 搭建前的准备 179
16.2.2 搭建步骤图示 179
16.3 开启编程之旅 181
16.3.1 软硬件连接 181
16.3.2 编写程序 182
16.4 知识拓展 187
跟人的机器人 187
第17章 红外遥控灭火机器人 189
17.1 知识准备 190
17.1.1 认识硬件 190
17.1.2 软件功能模块学习 191
17.2 创意搭建 191
17.2.1 搭建前的准备 191
17.2.2 搭建步骤图示 192
17.3 开启编程之旅 193
17.3.1 软硬件连接 193
17.3.2 编写程序 194
17.4 知识拓展 199
红外遥控高速风扇变速 199
第18章 导盲机器人 201
18.1 知识准备 202
18.1.1 认识硬件 202
18.1.2 软件功能模块学习 203
18.2 开启编程之旅 205
18.2.1 软硬件连接 205
18.2.2 编写程序 205
18.3 知识拓展 208
18.3.1 巡线机器人的高级用法分析 208
18.3.2 高级巡线法程序的编写 209
参考文献 211

2.1 知 识 准 备
为保障实践制作的顺利进行，我们首先需要准备即将使用的相关硬件，了解并提前准备是顺利使用硬件的保证；对使用的软件命令模块功能进行学习，是保证软件编程无障碍的前提。
2.1.1 认识硬件
在本章的学习中，我们将使用的硬件主要有Arduino主板模块、LED模块、导线、USB数据线等。在本书选配的学习套包中拿出这些模块一起认识一下吧！图2-2所示为即将使用的硬件实景照片。

图2-2 即将使用的硬件
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器件，颜色有白、绿、红等。LED模块主要由发光体、集成电路板和插槽三部分组成，如图2-3所示。
LED模块的插槽部分有三个插针，这三个针孔的功能各不相同，分别代表信号(SIG)、正极(VCC)、地线(GND)，如图2-4所示。
插槽端口上的“信号”针主要用于数据输入；“正极”针用来接入电源正极；“地线”针用来接入电源负极。硬件中的导线分白、红、黑三色，分别与“信号”“正极”“地线”相对应，如图2-5所示。

图2-3 LED模块
图2-4 插槽各功能端口示意

图2-5 导线
主控板是程序接收和运行的主要模块，它主要由数字信号接口、超声波接口、IIC通信接口、模拟信号口、数码管/多彩灯接口、蓝牙接口、电机接口、复位键、电源开关、miniUSB口、外接电源口等部分组成，采用集成电路的形式进行封装，如图2-6所示。

图2-6 主控板模块
注意：主控板是所有硬件的核心部分，本书所有的实例在实物执行时均要用到它，大家一定要注意保护好它哦。
2.1.2 软件功能模块学习
在桌面上双击 图标，开启Scratch CS软件。本章涉及的主要命令功能模块如下。
LED模块的开关功能 。
时间的等待控制 。
重复执行 。
逻辑条件设置 。
外部侦测 。
在Scratch CS工作界面的“脚本”选项卡内的Arduino选项中，可以找到设置LED开关的命令模块 ，该命令模块由三部分组成，分别是功能指示选项、参数设置文本框和开关选项，如图2-7所示。
在功能指示选项中，使用鼠标单击“LED灯”右侧的倒三角形，展开下拉列表，可以看到这个功能模块不但可以控制LED灯的开关，而且还可以控制蜂鸣器、激光头、风扇等开关；在参数设置文本框中，可以随意输入数字文本；单击开关选项，展开选项列表，使用者可选择设定开或者关。图2-8所示为展开的选项图。

图2-7 LED开关功能模块
图2-8 LED命令模块的选项
注意：LED命令模块中的“参数设置文本框”中的参数不是随意设定的。该参数的取值范围为2～13的整数，这些数字分别对应着主控制板上数据引脚的编号。
在Scratch CS工作界面的“脚本”标签内的“控制”选项中，我们可以找到设置等待参数、重复执行和逻辑条件设置命令模块。在时间等待控制命令模块的文本框中输入数字，即可控制等待时间，如图2-9左侧图所示，此时系统执行等待1.5秒的命令；重复执行命令模块的内部是用来放入需要重复执行的命令模块的，把需要重复执行的命令模块拖放到其内部，系统就会自动重复运行这些模块，如图2-9的中间图所示，在该命令模块中添加了 ，命令模块执行时将循环执行移动10步的命令；在逻辑条件设置命令模块中，上部的菱形是放置条件命令模块的，如图2-9右侧图所示，执行的命令是“如果碰到鼠标指针”，那么相应的对象就“向左逆时针旋转15度”。

图2-9 不同控制模块的设置
在Scratch CS工作界面的“脚本”选项卡内的“侦测”选项中，我们可以找到外件侦测设置命令模块。在该模块中单击“空格键”文本后的倒三角，可以展开按键选项，这些选项几乎涵盖了键盘上的所有控制键，使用者可根据需要选择相应的按键来完成控制命令。

前 言
　　Scratch由美国麻省理工学院Mitchel Resnich博士和他的终身幼儿园研究组共同完成。当前，Scratch 受到世界各地教育者、爱好者的关注和热爱，适用于8岁以上儿童，在《小学信息技术》教材中有专门的学习内容，属于教师需要教孩子们学习的内容。Scratch CS可以用来创造互动式故事、动画、游戏、音乐和艺术。在使用Scratch进行创作的过程中，学生可以具备逻辑分析、创意思考、流程控制、问题解决、合作学习的能力。Scratch CS能与硬件进行交互，可以将晦涩难懂的程序编码转化成可爱的图形及卡通形象，尤其有利于青少年的编程学习和创新。
　　Scratch CS这款软件的特点是使用图形化的程序积木进行“堆砌”与“镶嵌”，让读者可以发挥创意来设计互动式故事、动画或小游戏，并可以上传到网络与他人分享。
　　Arduino是一个基于开放源码的软硬件平台，并且具有简单、易理解的开发语言和开发环境，可以快速做出有趣的东西，是一个能够用来感应和控制现实物理世界的一套工具。Arduino可以用来开发交互产品，比如可以读取大量的开关和传感器信号，并且可以控制各式各样的电灯、电机和其他物理设备。Arduino 项目可以是单独的，也可以与电脑的动画进行同步运行。
　　从应用类型的角度，本书分为互动游戏、数字故事和创新应用三大类。本书的主要目的是在详细介绍Scratch CS(Scratch增强版)软件和Arduino智能硬件所有功能的基础上，通过案例式教学的方式使学生了解如何设计和完成相应的功能。
　　本书共18章，具体内容如下。
　　第1章 Scratch CS与喵星机器人套装，介绍了喵星机器人套装的特性。
　　第2章 夜空中的飞行指示灯，学习LED模块的引脚连接方式，以及如何通过计算机编程来控制LED灯模块的亮与灭。
　　第3章 可爱的萤火虫，学习控制LED灯由灭的状态慢慢变亮，然后由亮的状态慢慢变暗的过程。
　　第4章 动画中的幸运大转盘，学习通过红色按钮与绿色按钮控制幸运大转盘的转与停。
　　第5章 智能家居灯光控制系统，学习智能家居中夜幕降临时灯光自动打开、窗帘自动关闭，天亮了窗帘自动开启的功能。
　　第6章 大风车转转转，学习通过红色按钮与绿色按钮控制幸运大转盘的转与停。
　　第7章 泡泡满天飞，学习通过计算机动画来设计吹泡泡游戏。
　　第8章 神奇的电子乐器，学习通过计算机键盘、水果或者橡皮泥来设计制作一个不一样的钢琴乐器。
　　第9章 家居中的智能风扇，学习通过旋钮模块来控制高速风扇模块的转动速度。
　　第10章 “超级玛丽”游戏，通过这个案例来学习按键检测命令，实现控制角色进行左右移动、向上跳跃等操作。
　　第11章 梦幻泡泡机，学习舵机和高速风扇模块的使用方法。通过编写程序实现当泡泡杆向上移动时，高速风扇自动转动；当泡泡杆下移时，高速风扇停止转动。
　　第12章 幸运大转盘，学习掌握360°舵机的控制方式，了解如何通过计算机编程来控制360°舵机的正转与反转，并且掌握如何控制360°舵机的速度。
　　第13章 红外遥控器下的智慧，学习用红外遥控器控制风扇的转与停并且控制孙悟空进行72变。当按下红外遥控器的红色按钮时，风扇开始转动；当按下绿色按钮时，风扇停止转动。
　　第14章 智能车库，学习实现当车位没有车时，显示绿灯，提示该地方有车位，而有车辆存在时显示红灯，并且还会有停车预警装置，提示停车时要停靠在适当的位置。
　　第15章 奔跑吧！机器人，学习如何通过计算机编程控制机器人实现不同的运动，通过实现机器人前进2s、后退2s的功能，了解电机控制模块的使用原理和使用方法。
　　第16章 避障机器人，学习如何获取超声波模块的值，如何通过红外避障模块实现机器人自动躲避障碍物。
　　第17章 红外遥控灭火机器人，学习如何获取红外遥控器的键值，如何通过编写程序实现红外遥控器控制机器人进行灭火。
　　第18章 导盲机器人，学习如何通过计算机编程检测物体的灰度值，如何通过两个灰度传感器实现机器人的巡线功能。
　　本书可以作为零编程基础的青少年学习Scratch CS与Arduino的自学用书，父母用于辅导孩子加强和提升在校所学的Scratch CS和Arduino等知识的辅导用书，以及Scratch CS与Arduino智能硬件培训机构的培训教材。
　　本书由龚正伟统筹，赵文栋、马志洪主编，编委会成员有秦明凯、郭佳乐、王阳、赵畅、吴俊哲、夏琪、曲博学、边策、高金鹏、王雪梅、冉美玲、刘杰平、白丰一、王建峰、王红伟、徐克彬等。
　　为方便读者创作，我们将提供本书用到的大部分素材和范例文件包，里面包含每个案例所用的素材和示例作品的源文件。
　　
　　
　　
　　编 者