功課五：電流急急棒 - 電流急急棒互動教學

⚡ 電流急急棒遊戲

打造一個刺激的電流急急棒遊戲！手持金屬環沿著彎曲的金屬線前進，碰到就會警報大響！

🔌 本功課所需杜邦線

電流急急棒專案接線請依下表準備（多為公母線連接 Arduino 與麵包板；直接對照右側「收納位置」欄到收納盒取線即可）。上方為數量表，下方為接線圖。

顏色	長度	規格	數量	收納位置
白	30 cm	公母	3	C2
灰	30 cm	公母	1	C2
白	20 cm	公母	1	C2

圖：功課五（電流急急棒）接線圖

🎯 遊戲挑戰

製作一個電流急急棒遊戲機！結合按鈕、RGB LED、數碼管計時器、蜂鳴器和震動馬達：

按下按鈕開始 → 計時器啟動 → 小心前進 → 碰到警報！→ 到達終點成功！

📜 遊戲規則

🟢 按下按鈕開始遊戲，藍燈亮起，計時開始
⏱️ 數碼管即時顯示經過的秒數
🏆 手持金屬環到達終點線（D8），綠燈亮起 → 挑戰成功！
💥 途中碰到障礙線（D10），紅燈亮起 + 蜂鳴器響 + 馬達震動 → 挑戰失敗！
🔄 隨時按下按鈕可重新開始遊戲

🔄 遊戲狀態流程

這個遊戲使用「狀態機」邏輯來控制：

⏸️

IDLE 待命

等待按鈕
數碼管顯示 00:00

→

🏃

RUNNING 進行中

藍燈亮起
計時器運轉

→

D8 終點

→

D10 障礙

🏆

成功！

觸碰終點線
綠燈亮起

💥

失敗！

碰到障礙線
紅燈 + 警報

🔌 接線對照表

這個專案需要用到多個元件，請按照以下表格仔細接線：

Arduino 接腳	連接元件	說明
D2	按鈕	啟動 / 重新開始遊戲
D3	紅色 LED	碰到障礙時亮起
D4	藍色 LED	遊戲開始時亮起（程式碼中為 bluePin）
D5	綠色 LED	到達終點時亮起
D6	TM1637 DIO	數碼管資料線
D7	TM1637 CLK	數碼管時鐘線
D8	終點線	金屬環到達終點的感測
D9	震動馬達	碰到障礙時震動警報
D10	障礙線	金屬環碰到彎曲線的感測
D11	蜂鳴器	碰到障礙時聲音警報

💡 急急棒製作小提示

障礙線：用粗鐵絲（或銅線）彎成蜿蜒的路徑，一端接 GND，另一端接 D10
手持環：用鐵絲彎成小圈，套在障礙線上，接 GND
終點線：在路徑尾端放置一小段金屬，一端接 D8
D8 和 D10 使用 INPUT_PULLUP，平時為 HIGH，接觸（接地）時變 LOW

🤖

與ChatGPT協作

你可以試著問ChatGPT這些問題來獲得幫助：

我想用Arduino製作一個「電流急急棒」遊戲機。功能需求： 1. 按下按鈕開始遊戲，藍燈亮起，數碼管開始計時 2. 玩家手持金屬環沿著彎曲金屬線前進 3. 碰到障礙線（D10）→ 紅燈亮起 + 蜂鳴器響 + 馬達震動 0.5秒 4. 到達終點線（D8）→ 綠燈亮起，遊戲成功 5. 數碼管即時顯示經過的秒數 6. 按鈕可隨時重新開始硬體接線： - 按鈕：D2（INPUT_PULLUP） - 紅色LED：D3 - 藍色LED：D4 - 綠色LED：D5 - TM1637 DIO：D6 - TM1637 CLK：D7 - 終點線：D8（INPUT_PULLUP） - 震動馬達：D9 - 障礙線：D10（INPUT_PULLUP） - 蜂鳴器：D11 請幫我寫Arduino程式碼，使用狀態機設計，並加上詳細註解。

💡 提問技巧

說明遊戲的完整規則和流程
告訴AI你使用了哪些感測接腳（終點線、障礙線）
詢問什麼是「狀態機」以及為什麼要用它
如果警報不夠明顯，可以請AI加入更多提示效果

📝 程式碼詳細解說

讓我們一步步了解這個電流急急棒遊戲的程式碼！

📚 第一部分：引入函式庫與腳位定義

使用 TM1637 函式庫來控制數碼管，定義所有元件的接腳

#include <TM1637Display.h>

// 腳位定義
const int buttonPin   = 2;
const int redPin      = 3;
const int bluePin     = 4;
const int greenPin    = 5;
const int displayDIO  = 6;
const int displayCLK  = 7;
const int goalPin     = 8;   // 終點線
const int obstaclePin = 10;  // 障礙線
const int motorPin    = 9;
const int buzzerPin   = 11;
      

🎮 第二部分：狀態機設計

使用 enum（列舉）定義遊戲的三種狀態，讓程式邏輯更清晰

TM1637Display display(displayCLK, displayDIO);

// 遊戲有三種狀態：待命、進行中、已停止
enum GameState { IDLE, RUNNING, STOPPED };
GameState state = IDLE;

unsigned long startTime = 0;
float elapsed = 0;
bool buttonPressed = false;
bool gameStopped = false;
      

🧠 什麼是狀態機？

狀態機就像一個「遊戲規則管理員」！它定義了遊戲可能的幾種狀態，以及每種狀態下該做什麼：

IDLE（待命）：什麼都不做，等待玩家按下按鈕
RUNNING（進行中）：計時器在跑，隨時偵測是否碰到障礙或到達終點
STOPPED（已停止）：遊戲結束（成功或失敗），等待重新開始

有了狀態機，程式就不會亂！比如在 IDLE 狀態時，碰到障礙線不會觸發警報。

⏱️ 第三部分：防彈跳與顯示更新

按鈕防彈跳和數碼管的更新頻率控制

// 防彈跳用
unsigned long lastButtonTime = 0;
const unsigned long debounceDelay = 50;

// 顯示更新用
unsigned long lastDisplayTime = 0;
const unsigned long displayInterval = 100;  // 每 100ms 更新一次顯示
      

💡 為什麼需要控制顯示更新頻率？

如果每次 loop() 都更新數碼管，會產生閃爍的問題。設定每 100ms 才更新一次（每秒 10 次），既能即時顯示，又不會閃爍。這就是 millis() 計時法的好處！

⚙️ 第四部分：setup 開機設定

初始化所有接腳和元件

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);
  pinMode(redPin, OUTPUT);
  pinMode(greenPin, OUTPUT);
  pinMode(bluePin, OUTPUT);
  pinMode(goalPin, INPUT_PULLUP);      // 終點線用內建上拉電阻
  pinMode(obstaclePin, INPUT_PULLUP);  // 障礙線用內建上拉電阻
  pinMode(motorPin, OUTPUT);
  pinMode(buzzerPin, OUTPUT);

  display.setBrightness(0x0f);
  display.showNumberDecEx(0, 0b01000000, true);

  setRGB(LOW, LOW, LOW);
  digitalWrite(motorPin, LOW);
  digitalWrite(buzzerPin, LOW);

  Serial.println("系統啟動，等待按鈕");
}
      

🔑 INPUT_PULLUP 的重要性

終點線（D8）和障礙線（D10）都設為 INPUT_PULLUP：

平時電壓被「拉高」到 HIGH（沒碰到）
金屬環碰到時，接通 GND，變成 LOW（觸發！）
不需要外接電阻，Arduino 內建的就夠了

🔄 第五部分：loop 主迴圈

遊戲的核心邏輯都在這裡！

void loop() {
  // 即時偵測 D8、D10
  int goalState = digitalRead(goalPin);
  int obstacleState = digitalRead(obstaclePin);

  // 按鈕偵測 + 防彈跳
  if (digitalRead(buttonPin) == LOW) {
    if (millis() - lastButtonTime > debounceDelay) {
      if (!buttonPressed) {
        buttonPressed = true;
        handleButtonPress();
      }
      lastButtonTime = millis();
    }
  } else {
    buttonPressed = false;
  }

  // 遊戲進行中
  if (state == RUNNING && !gameStopped) {
    // 即時偵測是否觸發
    if (goalState == LOW) {
      gameStopped = true;
      setRGB(LOW, HIGH, LOW);  // 綠燈
      Serial.println("終點觸發 → 遊戲成功");
    }
    if (obstacleState == LOW) {
      gameStopped = true;
      setRGB(HIGH, LOW, LOW);  // 紅燈
      Serial.println("碰到障礙 → 遊戲失敗");
      triggerAlarm();
    }

    // 每 100ms 更新一次顯示
    if (millis() - lastDisplayTime >= displayInterval) {
      elapsed = (millis() - startTime) / 1000.0;
      int displayValue = (int)(elapsed + 0.05);
      display.showNumberDecEx(displayValue, 0b01000000, true);
      lastDisplayTime = millis();
    }
  }

  if (state == IDLE) {
    display.showNumberDecEx(0, 0b01000000, true);
  }
}
      

⚠️ 為什麼不用 delay()？

在這個遊戲中，我們不能用 delay() 來計時！因為：

delay() 會讓 Arduino「暫停」，暫停期間無法偵測金屬環碰到障礙
使用 millis() 可以在計時的同時持續偵測所有感測器
這叫做「非阻塞式程式設計」，是遊戲開發的基本技巧！

🎮 第六部分：按鈕處理函式

按下按鈕時重置所有狀態，開始新一局

void handleButtonPress() {
  state = RUNNING;
  gameStopped = false;
  startTime = millis();
  elapsed = 0;
  setRGB(LOW, LOW, HIGH);   // 藍燈亮起
  digitalWrite(motorPin, LOW);
  digitalWrite(buzzerPin, LOW);
  Serial.println("遊戲開始，計時中...");
}
      

💡 第七部分：輔助函式

RGB 燈控制與警報觸發

// --- 控制RGB燈 ---
void setRGB(bool r, bool g, bool b) {
  digitalWrite(redPin, r);
  digitalWrite(greenPin, g);
  digitalWrite(bluePin, b);
}

// --- 警報觸發（馬達 + 蜂鳴器 0.5秒）---
void triggerAlarm() {
  digitalWrite(motorPin, HIGH);
  digitalWrite(buzzerPin, HIGH);
  delay(500);
  digitalWrite(motorPin, LOW);
  digitalWrite(buzzerPin, LOW);
  Serial.println("警報觸發 (馬達 + 蜂鳴器 0.5秒)");
}
      

🔔 triggerAlarm 的設計考量

這裡用了 delay(500)，因為遊戲已經結束（gameStopped = true），不需要再偵測感測器了。0.5 秒的警報既能讓玩家明確感受到「碰到了！」，又不會太長讓人不耐煩。

📋 完整程式碼

點擊展開完整程式碼

#include <TM1637Display.h>

// 腳位定義
const int buttonPin   = 2;
const int redPin      = 3;
const int bluePin     = 4;
const int greenPin    = 5;
const int displayDIO  = 6;
const int displayCLK  = 7;
const int goalPin     = 8;   // 終點線
const int obstaclePin = 10;  // 障礙線
const int motorPin    = 9;
const int buzzerPin   = 11;

TM1637Display display(displayCLK, displayDIO);

enum GameState { IDLE, RUNNING, STOPPED };
GameState state = IDLE;

unsigned long startTime = 0;
float elapsed = 0;
bool buttonPressed = false;
bool gameStopped = false;

// 防彈跳用
unsigned long lastButtonTime = 0;
const unsigned long debounceDelay = 50;

// 顯示更新用
unsigned long lastDisplayTime = 0;
const unsigned long displayInterval = 100;

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);
  pinMode(redPin, OUTPUT);
  pinMode(greenPin, OUTPUT);
  pinMode(bluePin, OUTPUT);
  pinMode(goalPin, INPUT_PULLUP);
  pinMode(obstaclePin, INPUT_PULLUP);
  pinMode(motorPin, OUTPUT);
  pinMode(buzzerPin, OUTPUT);

  display.setBrightness(0x0f);
  display.showNumberDecEx(0, 0b01000000, true);

  setRGB(LOW, LOW, LOW);
  digitalWrite(motorPin, LOW);
  digitalWrite(buzzerPin, LOW);

  Serial.println("系統啟動，等待按鈕");
}

void loop() {
  int goalState = digitalRead(goalPin);
  int obstacleState = digitalRead(obstaclePin);

  if (digitalRead(buttonPin) == LOW) {
    if (millis() - lastButtonTime > debounceDelay) {
      if (!buttonPressed) {
        buttonPressed = true;
        handleButtonPress();
      }
      lastButtonTime = millis();
    }
  } else {
    buttonPressed = false;
  }

  if (state == RUNNING && !gameStopped) {
    if (goalState == LOW) {
      gameStopped = true;
      setRGB(LOW, HIGH, LOW);
      Serial.println("終點觸發 → 遊戲成功");
    }
    if (obstacleState == LOW) {
      gameStopped = true;
      setRGB(HIGH, LOW, LOW);
      Serial.println("碰到障礙 → 遊戲失敗");
      triggerAlarm();
    }

    if (millis() - lastDisplayTime >= displayInterval) {
      elapsed = (millis() - startTime) / 1000.0;
      int displayValue = (int)(elapsed + 0.05);
      display.showNumberDecEx(displayValue, 0b01000000, true);
      lastDisplayTime = millis();
    }
  }

  if (state == IDLE) {
    display.showNumberDecEx(0, 0b01000000, true);
  }
}

void handleButtonPress() {
  state = RUNNING;
  gameStopped = false;
  startTime = millis();
  elapsed = 0;
  setRGB(LOW, LOW, HIGH);
  digitalWrite(motorPin, LOW);
  digitalWrite(buzzerPin, LOW);
  Serial.println("遊戲開始，計時中...");
}

void setRGB(bool r, bool g, bool b) {
  digitalWrite(redPin, r);
  digitalWrite(greenPin, g);
  digitalWrite(bluePin, b);
}

void triggerAlarm() {
  digitalWrite(motorPin, HIGH);
  digitalWrite(buzzerPin, HIGH);
  delay(500);
  digitalWrite(motorPin, LOW);
  digitalWrite(buzzerPin, LOW);
  Serial.println("警報觸發 (馬達 + 蜂鳴器 0.5秒)");
}
        

🎉 功課五學習重點

完成電流急急棒後，你學會了：

✅ 狀態機設計：用 enum 管理遊戲的不同階段
✅ 非阻塞計時：用 millis() 取代 delay()，即時偵測感測器
✅ 防彈跳處理：用時間差過濾按鈕雜訊
✅ 多感測器即時偵測：同時監控終點線和障礙線
✅ 多元件警報系統：蜂鳴器 + 震動馬達的組合回饋
✅ 計時器顯示：數碼管即時更新經過秒數

🎓 到目前為止你完成的學習路程：

✅ Arduino IDE 安裝與使用
✅ 接腳原理與電路基礎
✅ 功課一：RGB LED 顏色控制
✅ 功課二：數碼管顯示與倒數
✅ 功課三：蜂鳴器音效控制
✅ 功課四：震動馬達與完整整合
✅ 功課五：電流急急棒遊戲（狀態機 + 即時偵測）

⚡ 功課五：電流急急棒