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I microcontrollori collegano il mondo del software al mondo dell'hardware. Consentono agli sviluppatori di scrivere software che interagisce con il mondo fisico nello stesso modo deterministico e accurato del ciclo della logica digitale. Occupano l'angolo inferiore sinistro dello spazio prezzo/prestazioni, vendendo i loro fratelli più potenti di un fattore dieci a uno. Sono i cavalli di battaglia che alimentano la trasformazione digitale del nostro mondo. [ref]

Arduino è uno scheda Open Source che semplifica la progettazione e la prototipazione elettronica offrendo a studenti, insegnanti, artisti o semplici appassionati (i Makers) una piattaforma hardware e software per l’implementazione rapida delle loro idee in progetti interattivi, multimediali e multidisciplinari e senza dover disporre di molte conoscenze tecniche.

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Nascita del progetto

Il progetto nasce nel 2005 da Wiring, una piattaforma per la prototipazione elettronica semplificata, destinata ad artisti, architetti e altri professionisti digiuni di elettronica e di informatica, realizzata da Hernando Barragán per la sua tesi di laurea (di cui Massimo Banzi, creatore di Arduino, era relatore) presso l’Interaction Design Institute di Ivrea.

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Il team di sviluppo e il nome Arduino

Massimo Banzi (a destra nell’immagine) ad Ivrea insieme al suo team di sviluppo originale di Arduino David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino e Davide Mellis.

Il nome Arduino nasce da quello di una caffetteria di Ivrea frequentata da alcuni dei fondatori del progetto. Arduino d’Ivrea è stato re d’Italia dal 1002 al 1014.

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Banzi promuove Arduino in diversi seminari

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I Makers utilizzatori di Arduino

I Maker sono personaggi interessanti: non sono nerd, anzi sono dei tipi piuttosto fighi che si interessano di tecnologia, design, arte, sostenibilità, modelli di business alternativi. Vivono di comunità online, software e hardware open source ma anche del sogno di inventare qualcosa da produrre autonomamente, per vivere delle proprie invenzioni. In un momento di crisi si inventano il loro lavoro invece che cercarne uno classico.

(da un’intervista a Massimo Banzi su Wired)

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Open Source

L'Open Source, o software a codice aperto, si riferisce a un modello di sviluppo software in cui il codice sorgente del programma è reso disponibile al pubblico. Questo significa che chiunque può visualizzare, modificare e distribuire il codice del software. L'idea fondamentale dietro l'Open Source è la condivisione e la collaborazione, che favoriscono lo sviluppo di software più trasparente, flessibile e accessibile.

Le licenze Open Source consentono agli sviluppatori di utilizzare, modificare e distribuire il software senza restrizioni e affermano la libertà degli utenti di eseguire, studiare, modificare e distribuire il software a loro volta. Questo modello ha portato alla creazione di una vasta comunità di sviluppatori che contribuiscono alla crescita e all'evoluzione continua di molti progetti software.

Un esempio ben noto di software Open Source è il sistema operativo Linux, insieme a molti altri progetti come Apache, MySQL, Python e molti altri. L'approccio Open Source ha dimostrato di essere efficace non solo nello sviluppo di software, ma anche in molte altre aree, come l'hardware, la scienza e l'istruzione. La filosofia dell'Open Source promuove la condivisione delle conoscenze e la collaborazione, contribuendo così a creare un ambiente più aperto e innovativo.

Il codice sorgente del software Arduino è aperto e accessibile al pubblico. Questo permette agli sviluppatori di esaminare, modificare e migliorare il firmware secondo le proprie esigenze. Arduino ha una vasta e attiva comunità di sviluppatori e appassionati. L'approccio Open Source di Arduino ha contribuito a rendere l'elettronica e la programmazione di microcontroller più accessibili. Il fatto che il software e l'hardware siano aperti ha permesso a molte persone di imparare e contribuire alla comunità Arduino.

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Open hardware

L'Open Hardware, o hardware a codice aperto, segue una filosofia simile all'Open Source applicata al software, ma si estende al mondo hardware. Si tratta di condividere il progetto e il design di componenti hardware, consentendo a chiunque di accedere, modificare, distribuire e utilizzare liberamente le specifiche hardware.

Le principali caratteristiche dell'Open Hardware includono la disponibilità del design hardware, la documentazione completa e la possibilità per gli utenti di creare, modificare e condividere le proprie versioni del prodotto. Questo approccio mira a promuovere la collaborazione, la trasparenza e l'innovazione nell'ambito della progettazione hardware.

Ci sono numerosi progetti e iniziative Open Hardware che coprono una vasta gamma di dispositivi, dai microcontrollori alle schede madri, passando per droni e stampanti 3D. Un esempio ben noto è Arduino, una piattaforma di sviluppo di hardware a sorgente aperta, utilizzata per la creazione di progetti e prototipi elettronici.

L'Open Hardware offre una maggiore libertà agli sviluppatori e agli appassionati, permettendo loro di comprendere appieno il funzionamento dei dispositivi, modificarli per adattarli alle proprie esigenze e condividere le loro modifiche con la comunità. Questo approccio contribuisce a favorire l'innovazione e la collaborazione nella progettazione di hardware.

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Cosa permette di fare

Con Arduino si possono realizzare rapidamente e in modo abbastanza semplice piccoli dispositivi come controllori di luci, di velocità per motori, sensori di luce, temperatura e umidità e molti altri progetti che utilizzano sensori, attuatori e comunicazione con altri dispositivi.

Ecco alcuni dei principali utilizzi delle schede Arduino: Progetti di Elettronica e Prototipazione; Progetti Domotici; Robotica; Monitoraggio Ambientale; Arte Interattiva e Installazioni; Strumenti Musicali Elettronici; Progetti Educativi; Automazione Industriale a Scala Ridotta; E tanto altro…

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Hardware

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Arduino Boards

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Arduino Boards

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Arduino Boards

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Arduino Boards

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Shield

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Segnali analogici e digitali

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Analogico vs Digitale

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Conversione di un segnale Analogico in digitale

Grazie al convertitore Analogico digitale presente all’interno del microcontrollore possiamo acquisire una tensione come numero, per poi elaborarla all’interno del nostro programma.

Il segnale analogico di ingresso deve avere un'ampiezza compresa tra l’alimentazione del convertitore (Con Arduino Uno 0-5V)

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Dispositivi analogici

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x\

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Dispositivi digitali (input o output)

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Dispositivi �di Input e di Output

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Dispositivi di Output

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Dispositivi di Input

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Sensori e attuatori

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Sensori (lettura del valore di una grandezza fisica)

touch tocco pir luminosità suono

temperatura

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Attuatori (convertono un valore digitale in grandezza fisica)

Motori Suono Servomotore Buzzer

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L’ambiente di sviluppo

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IDE per Arduino

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IDE Arduino, le librerie

Integrated Development Environment Arduino (download) il software che ci permette di programmare le nostre schede Arduino
Arduino mette a disposizione del programmatore diverse librerie immediatamente utilizzabili.
E’ anche possibile installare librerie aggiuntive messe a disposizione della grandissima comunità di sviluppatori che gravita attorno ad Arduino

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Alternative all’IDE ufficiale - VsCode

Visual Studio Code è un editor di codice sorgente, multipiattaforma, sviluppato da Microsoft a partire dal 2015, si può utilizzare per lo sviluppo con diversi linguaggi di programmazione. E’ possibile utilizzare diversi plugin che sono disponibili sul repository. Anche per programmare con Arduino è disponibile un apposito plugin. [tutorial]

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Alternative all’IDE ufficiale - VS Code and PlatformIO IDE

Installazione di VS Code
Installing PlatformIO IDE Extension on VS Code
Platformio Docs

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Simulazione Online

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Ambienti di sviluppo per la simulazione online

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Codecraft

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Codecraft

Codecraft è un software di programmazione grafica adatto a chi sta imparando a programmare.

Si basa sul linguaggio Scratch 3.0 e consente la programmazione semplicemente "trascinando e rilasciando" i blocchi.

Oltre alla capacità di Scratch di programmare giochi o animazioni interattive, Codecraft supporta anche una varietà di dispositivi hardware comuni, consentendo l'integrazione hardware e software, il che rende la programmazione ancora più divertente.

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La programmazione

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Gli sketch

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Gli sketch e i blocchi Setup e Loop

I programmi per arduino sono chiamati Sketches e sono file con estensione .ino. Sono dei programmi scritti in linguaggio C o C++.

All’interno degli Sketches sono sempre presenti due funzioni particolari chiamate Setup e Loop

La routine “void setup()” serve per inizializzare hardware e software, la funzione verrà eseguita solo una volta, dopo ogni accensione o reset della scheda Arduino.
La routine “void loop()” esegue all’infinito il codice scritto al suo interno. Il software di un sistema embedded rimane in esecuzione fino a quando non togliamo l’alimentazione o diamo un reset.

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Configurazione dell’hardware

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Istruzioni pinMode()

Pin mode Output, Arduino genera un output digitale. HIGH (5V) oppure LOW (0V)
Pin mode Input, Arduino legge un input digitale. Valori prossimi a 5V sono interpretati come 1 logico e valori vicini a 0V sono interpretati come 0 logico

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Istruzioni pinMode(), digitalWrite() e digitalRead()

pinMode() Configura il pin specificato in modo che si comporti come input o output.

digitalWrite() Scrive un valore ALTO o BASSO su un pin digitale. Se il pin è stato configurato come OUTPUT con pinMode (), la sua tensione sarà impostata al valore corrispondente: 5V (o 3.3V su schede 3.3V) per HIGH, 0V (ground) per LOW.

digitalRead() Legge il valore da un pin digitale specificato, HIGH o LOW.

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Funzioni di supporto ai programmi

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L’istruzione delay() e delayMicroseconds()

L’esecuzione delle singole istruzione, dipende dalla velocità del clock del microcontrollore ed è solitamente molto veloce, parliamo di usec

L'istruzione delay(int millisecondi); in Arduino è una funzione che mette in pausa l'esecuzione del programma per un certo periodo di tempo specificato in millisecondi.

L’istruzione delayMicroseconds(int microsecondi); blocca il microcontrollore per il tempo indicato

Queste istruzioni sono spesso utilizzata per controllare il ritmo di esecuzione di uno sketch, consentendo, ad esempio, di creare pause o intervalli specifici tra le istruzioni. Tuttavia, è importante notare che l'utilizzo eccessivo di delay() può rendere il programma non responsivo, specialmente in progetti più complessi che richiedono un controllo più preciso del tempo.

Per mitigare questo problema, in molti casi è preferibile utilizzare il concetto di programmazione a stati o la gestione del tempo basata su interruzioni (millis()), che consente al programma di eseguire altre operazioni durante i periodi di attesa, rendendo così il sistema più reattivo.

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Esempio: lampeggio led

Per far lampeggiare un led possiamo usare le istruzioni digitalWrite(LED_PIN, HIGH) e digitalWrite(LED_PIN, LOW) alternate ad un ritardo

void setup() {

// initialize digital pin2 as an output.

pinMode(2, OUTPUT);

}

// the loop function runs over and over again forever

void loop() {

digitalWrite(2, HIGH); //turn the LED on (HIGH is the voltage level)

delay(500); //wait for 0.5 second

digitalWrite(2, LOW); //turn the LED off by making the voltage LOW

delay(500); //wait for 0.5 second

}

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L’istruzione micros()

L'istruzione micros(), restituisce il numero di microsecondi da quando la scheda Arduino ha iniziato a eseguire il programma corrente.

il valore restituito e di tipo unsigned long (32 bit)

Possiamo utilizzare questa istruzione per misurare un intervallo di tempo

ES.

time_start = micros(); //Es. 1.235.000

Serial.println(time_start); //prints time since program started

delay(1000);

time_end = micros(); //Es. 2.235.000

Serial.println(time_end ); //prints time since program started

Serial.println(time_end - time_start); //Intervallo in microsecondi

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L’istruzione millis()

millis è una funzione built-in di Arduino che restituisce il numero di millisecondi trascorsi dalla pressione del tasto di reset o dall'avvio del programma. La funzione millis utilizza un contatore interno che aumenta di continuo, e quindi fornisce un modo semplice per misurare il tempo trascorso durante l'esecuzione di un programma. L'unità di misura è il millisecondo, ovvero un millisecondo è un'unità di tempo equivalente a 1/1000 di secondo. millis è spesso utilizzato in applicazioni che richiedono un controllo del tempo, come per esempio la creazione di timer, la gestione dei delay, e molto altro ancora. Il valore restituito e di tipo unsigned long (32 bit)

Possiamo utilizzare questa istruzione ad esempio per scrivere una funzione che se richiamata all'interno di un loop fa lampeggiare un led senza bloccare l’esecuzione del microcontrollore:

void ledTask() {

static unsigned long previousMillis = 0;

unsigned long currentMillis = millis();

if (currentMillis - previousMillis >= 1000) {

previousMillis = currentMillis;

digitalWrite(ledPin, !digitalRead(ledPin));

}

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Il convertitore ADC di Arduino

Istruzione analogRead(PIN) converte la tensione (0-Vdd Volt) presente nel PIN in un numero a 10 bit, quindi compreso tra 0 e 1023. Non è necessario al setup configurare il pin, come invece richiesto per i pin digitali (pinMode).

int adcVc; //conterrà valori tra 0-1023

adcVc = analogRead(A0); //Facciamo una misura sul pin A0

se:

adcVc = 1023 -> su A0 abbiamo 5V

adcVc = 0 -> su A0 abbiamo 0V

adcVc = 512 -> su A0 abbiamo 2,5V

adcVc = 256 -> su A0 abbiamo 1,25V = 256*4,88

adcVc = 1-> su A0 abbiamo 5/1024 = 4,88mV

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Trasformare i valori misurati

Per trasformare i valori misurati con l’adc (0 - 1023) in volt (0 - 5V) dobbiamo applicare la seguente proporzione:

float Vc; int adcVal;�//Vc : adcVal = 5 : 1023�Vc = (adcVal * 5) / 1023.0; //Attenzione! dividere con float

La funzione map() di Arduino se vogliamo lavorare in ms

int adcVal = analogRead(0);�float Vc = map(Vc , 0, 1023, 0, 5000);�Serial.write(Vc);

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true e false

Ci sono due costanti usate per rappresentare vero e falso nel linguaggio Arduino: true e false.

false è la più facile delle due da definire. false è definito come 0 (zero).
true true viene spesso definito come 1, che è corretto, ma true ha una definizione più ampia. Qualsiasi numero intero diverso da zero è vero, in senso booleano. Quindi -1, 2 e -200 sono tutti definiti come veri anche in senso booleano.

Notare che le costanti true e false sono scritte in minuscolo a differenza di altre costanti come ad esempio: HIGH, LOW, INPUT e OUTPUT.

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Istruzioni bitRead()

bitRead() Legge il bit alla posizione specificata di un numero.

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Come implementare la nostra bitRead()

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Operatori “Bitwise” per lavorare sui singoli bit

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Operatori “Bitwise” per lavorare sui singoli bit

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Operatori Booleani per lavorare su funzioni logiche

Gli operatori Booleani restituiscono vero (1) o falso (0) in base all’operazione booleana corrispondente (not, and, or)

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Come calcolare un funzione logica

Possiamo calcolare la funzione usando sia gli operatori Booleani che Bitwise

bool Y,A,B;�Y = !A&&B || A&&!B;

oppure se consideriamo l'ultimo bit degli interi A e B (stesso discorso vale anche per gli altri tipo di numeri (char, byte, ecc.)

int Y,A,B;�Y = (A^B)&1;

L’And finale con 1 permette di considerare solo il bit meno significativo ed azzerare tutti gli altri.

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Generazione di segnali PWM

La funzione analogWrite(pin, value) genera un onda PWM sul “pin” specificato. Può essere utilizzato per accendere un LED a luminosità variabili o azionare un motore a varie velocità. Dopo una chiamata ad analogWrite(), il pin genererà un'onda rettangolare costante con il duty-cicle specificato fino alla successiva chiamata ad analogWrite() sullo stesso pin.

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Il monitor seriale

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Il monitor seriale dell’IDE Arduino

Permette di inviare al pc dei dati tramite il cavo USB (seriale)
Istruzione da inserire nel Setup

//Inizializzazione della comunicazione seriale a 9600 bits per sec
Serial.begin(9600);
Serial.println(“Avvio monitor seriale”);

Istruzioni da usare successivamente

Serial.print(10); //invia il numero 10 alla seriale
Serial.println(" [V]"); //invia la stringa di testo [V] e va a capo

Con Arduino non è possibile stampare contemporaneamente numeri e testo contemporaneamente (come sono abituati a fare i programmatori C con la funzione printf)

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Preparazione della stringa da stampare utilizzando sprintf

Possiamo preparare una stringa da stampare sul monitor seriale utilizzando l'istruzione sprintf(). L’istruzione sprintf() ti consente di formattare una stringa come desideri, includendo valori di variabili e costanti all'interno della stringa formattata. Ecco un esempio:

void setup() {

Serial.begin(9600); // Inizializzare la comunicazione seriale a 9600 bps

}

void loop() {

int temperature = 25;

float humidity = 60.5;

char buffer[50]; // Dichiarare un array di caratteri per contenere la stringa formattata

// Formattare la stringa utilizzando sprintf()

sprintf(buffer, "Temperatura: %d°C, Umidità: %.1f%%", temperature, humidity);

// Stampare la stringa sul monitor seriale

Serial.println(buffer);

delay(1000); // Attendere un secondo prima di eseguire nuovamente il loop

}

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Visualizzazione dati su plotter (monitor) seriale

i numeri visualizzati dal monitor seriale possono essere rappresentati graficamente dal plotter seriale

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Librerie

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Come installare librerie aggiuntive

Le librerie sono una raccolta di codice che semplificano l’utilizzo di un sensore, display, modulo, ecc.

Questa è la guida per installare librerie aggiuntive sull’IDE Arduino

Installing Libraries | Arduino Documentation

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Libreria Servo.h

Questa libreria consente alla scheda Arduino di controllare i servomotori. I servomotori standard consentono di posizionare l'albero su vari angoli, solitamente tra 0 e 180 gradi. I servomotori a rotazione continua consentono di impostare la rotazione dell'albero a varie velocità. La libreria Servo supporta fino a 12 motori sulla maggior parte delle schede Arduino. [codice sorgente]

myservo.attach(pin) Collega la variabile servo ad un pin

#include <Servo.h>

Servo myservo;

void setup()

{

myservo.attach(9);

}

void loop() {}

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Libreria Servo.h

myservo.write(angle) Scrive un valore sul servomotore, controllando di conseguenza la posizione dell'albero. Su un servomotore standard, imposterà l'angolo dell'albero (in gradi). Su un servomotore a rotazione continua, questo imposterà la velocità del servo (dove 0 è la massima velocità in una direzione, 180 è la massima velocità nell'altra e un valore vicino a 90 è nessun movimento).

#include <Servo.h>

Servo myservo;

void setup()

{

myservo.attach(9);� myservo.write(90); // set servo to mid-point

}

void loop() {}

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Task paralleli

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Task non bloccanti

In un contesto di programmazione per microcontrollori come Arduino, spesso è preferibile utilizzare approcci non bloccanti per garantire che il sistema possa continuare a rispondere ad eventi in modo tempestivo. Un modo comune per implementare ciò è utilizzare il concetto di task (compiti o attività) non bloccanti. Ciò significa che il codice può eseguire diverse attività in modo simultaneo, senza aspettare il completamento di ciascuna attività prima di passare alla successiva.

La creazione di task non bloccanti è un aspetto critico nella progettazione di sistemi basati su Arduino o altri microcontrollori, specialmente quando si affrontano compiti che richiedono la gestione simultanea di più attività o quando si desidera mantenere la responsività del sistema.

Responsività del Sistema: L'utilizzo di delay blocca l'esecuzione del programma per il periodo specificato, impedendo al microcontrollore di eseguire altre operazioni durante quel tempo. Questo può portare a un sistema non reattivo, specialmente in presenza di più attività contemporanee.

Gestione di Più Attività: I progetti più complessi spesso richiedono la gestione simultanea di diverse attività. Creare task non bloccanti consente al microcontrollore di eseguire operazioni in parallelo, migliorando l'efficienza del sistema.

Simulazione di Multithreading: Sebbene i microcontrollori a basso livello non supportino nativamente il multithreading, l'implementazione di task non bloccanti può creare l'illusione di esecuzione simultanea di più attività.

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Variabili Statiche e Lampeggio led con Arduino

In Arduino, la funzione millis() restituisce il numero di millisecondi trascorsi dal momento in cui Arduino è stato acceso. Questo può essere utilizzato per implementare un lampeggio di uno o più LED senza bloccare l'esecuzione del programma. Ecco un esempio di una funzione Arduino che fa lampeggiare un LED utilizzando millis() e variabili statiche:

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Multitasking

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Multitasking

https://wokwi.com/projects/423168989470781441 - Arduino TASK
https://wokwi.com/projects/357812590739230721 - Led task mini
https://wokwi.com/projects/357819864002560001 - OOP-Led task
https://wokwi.com/projects/422766164146997249 - FSM_Led_task

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Circuiti elettronici digitali

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La breadboard per la prototipazione di circuiti

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La breadboard per la prototipazione di circuiti

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La Breadboard

E’ utilizzata per realizzare prototipi di circuiti elettronici. Non necessita la saldatura dei componenti elettronici come avviene per la basetta mille fori o i circuiti stampati quindi è riutilizzabile.

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La Breadboard

Le breadboard sono dispositivi di prototipazione che consentono di testare progetti di circuiti elettronici. I componenti del circuito sono interconnessi inserendo cavi nei fori della breadboard e utilizzando cavi jumper per completare il circuito quando necessario.

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La Breadboard

I fori nella breadboard sono allineati con clip metalliche perché il metallo conduce l'elettricità e consente alla corrente di fluire. I fori nel breadboard sono collegati da clip metalliche nel modello mostrato dalle linee verdi nell'immagine qui a fianco:

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La Breadboard

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La Breadboard

How to Use a Breadboard �Come si usa una breadboard?�Cos'è una BreadBoard e come si usa

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Montaggio circuito su Breadboard

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Montaggio disordinato da non imitare

per sostituire un integrato siamo costretti a smontare gran parte del circuito
non è rispettato il colore dei fili collegati all’alimentazione
ottimo invece la parte di rame inserita nella breadboard

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Montaggi a confronto

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Schema elettrico e montaggio a confronto

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Montaggio

Una corretta alimentazione è fondamentale per il funzionamento del circuito, ma soprattutto evita il danneggiamento dei componenti. Per poter controllare facilmente una corretta alimentazione usiamo questa convenzione dei colori:

colori per l’alimentazione: nero gnd (0V), rosso 5V, segnali di altro colore

parte non isolata circa 7mm
compromesso tra ordine e velocità di montaggio

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Consigli di utilizzo

Non usare fili di rame di diametro eccessivo, per non deformare il connettore interno (clip metallica)
Non usare fili troppo lunghi per i collegamenti in modo da ottenere un montaggio ordinato
Cercare di mantenere un layout di montaggio simile a quello dello schema elettrico in modo da semplificarne il collaudo
Evitare il passaggio dei fili sopra i circuiti stampati in modo da semplificarne la eventuale sostituzione

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Pinza a becco piatto, pinza tronchesina, forbice elettricista

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Esercitazioni

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Esercitazioni

TEL1_A_ES01 - La breadboard per la prototipazione di circuiti

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I diodi Led

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I Diodi

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Il diodo

Il diodo è un componente elettronico a due terminali la cui funzione ideale è quella di permettere il flusso di corrente elettrica in un verso (dall’anodo al catodo) e di bloccarla quasi totalmente nell'altro.

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Gli inventori del diodo

Il primo diodo funzionante è stato realizzato nel 1905 dall’inventore britannico Sir John Ambrose Fleming sulla base degli studi nel 1873 del fisico britannico Frederick Guthrie e gli esperimenti di Thomas Alva Edison nel 1880.

Fleming pensò di costruire un rivelatore delle oscillazioni radioelettriche composto da due elettrodi racchiusi in un bulbo di vetro a vuoto: l'uno (il catodo) è elettricamente riscaldato ed emette elettroni; l'altro (l'anodo) riceve gli elettroni.

In tal modo la corrente elettrica scorre in una sola direzione. Da qui il nome di valvola termoionica perché basata sull'effetto termoelettrico; o semplicemente di "diodo" perché composta di due elettrodi.

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Diodo led

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Il diodo led

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Il diodo led

Il diodo a emissione di luce (LED Light Emitting Diode), in elettronica, indica un dispositivo optoelettronico che sfrutta la capacità di alcuni materiali semiconduttori di emettere radiazioni elettromagnetiche nello spettro del visibile (rosso, verde, blu, giallo, bianco) e dell’invisibile (infrarosso).

I led infrarossi sono utilizzati per l’invio di dati (telecomandi).

Il primo LED fu sviluppato nel 1962. Negli anni novanta, vennero realizzati LED con efficienza sempre più elevata e in una gamma di colori sempre maggiore, realizzando anche luce bianca. Parallelamente, è aumentata la quantità di luce emessa a livelli competitivi con quelli delle comuni lampadine. Nell'illuminotecnica, il LED si configura come una tecnologia ad alta efficienza che garantisce un ottimo risparmio energetico. [wikipedia]

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Il diodo led

I primi diodi ad emissione luminosa erano disponibili solo nel colore rosso. Venivano utilizzati come indicatori nei circuiti elettronici, nei display a sette segmenti e negli optoisolatori. Successivamente, ne vennero sviluppati alcuni che emettevano luce gialla e verde e vennero realizzati dispositivi che integravano due LED.

I vari tipi di diodi led conducono corrente (e quindi emettono luce) solo quando la tensione di polarizzazione diretta applicata tra l’anodo e il catodo supera un certo valore, che dipende dalla lunghezza d’onda emessa (colore).

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Datasheet

Corrente massima ammissibile: tipicamente accettano correnti tra 1 e 20mA. Prima di ogni utilizzo bisogna verificare con il data sheet la corrente massima utilizzabile.

Tensione di breakdown: Tensione massima inversa applicabile ai capi del diodo senza danneggiarlo.

Lunghezza d’onda: E’ la lunghezza d’onda della radiazione elettromagnetica emessa, che nello spettro del visibile corrisponde a colori differenti

Datasheet: Nei datasheet (es. led smd)troviamo l’elenco completo delle caratteristiche elettriche del diodo. Come ad esempio: intensità luminosa, potenza dissipata, ecc.

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Tipologie di led

led smd
led a foro passante
led bicolore
rgb led
led ad alta potenza

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Polarizzazione del diodo led

Per dimensionare un circuito con diodo bisogna recuperare dal datasheet la corrente di lavoro I_F, la tensione di polarizzazione diretta V_F(V_ℽ).

Ipotizziamo di avere un diodo rosso a foro passante da 5mm con:�

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Diodi led con package SMD

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Esercitazioni

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Esercitazioni

INF1_E_ES02 - Arduino, funzioni per gestire i led
INF2_E_ES01 - Creazione della classe Led e Pulsante
INF2_E_ES02 - Overloading dei metodi, Pulsanti con Arduino
TEL1_A_ES04 - Diodi Led
implementare la funzione led_fadein() che accende il led regolando gradualmente la luminosità da 0% a 100% in 3 secondi
implementare la funzione led_fadeout() che spegne il led regolando gradualmente la luminosità da 100% a 0% in 3 secondi
aggiornare il metodo led_test(int numero) con il test delle nuove funzioni

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Display a 7 segmenti

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Display a 7 segmenti

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Display a 7 segmenti

Utilizzo dei display a 7 segmenti. Esempi pratici

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Il display a 7 segmenti

I display a 7 segmenti sono realizzati con 8 diodi LED, solitamente di colore rosso e vengono utilizzati nei sistemi elettronici per la visualizzazione di numeri e/o lettere.

In passato erano molto utilizzati nella strumentazione�e per la visualizzazione in vari dispositivi elettronici.

Adesso si preferisce utilizzare i display LCD�perchè con costi simili permettono di visualizzare�una quantità maggiore di informazioni.

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Display a catodo comune o ad anodo comune.

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Display a catodo comune o ad anodo comune.

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Il display 7 segmenti a catodo comune

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Il display 7 segmenti a anodo comune

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Codifica da BCD a 7 Seg con 7448

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Pilotaggio e Codifica da BCD a 7 Seg

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Il display 7 segmenti

Tabella per la generazione di numeri e lettere

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Montaggio su breadboard

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Il display 7 segmenti

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Polarizzazione del display

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Display 7 segmenti e Arduino

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Esercitazioni

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Esercitazioni

TEL1_A_ES05 - Display a 7 segmenti

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Display LCD e OLED

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Display LCD e OLED

TEL1_A_ES08 - Display LCD e OLED

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Pulsanti

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Pulsanti e microcontrollori

Utilizzo di pulsanti, interruttori e deviatori con i microcontrollori

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Pulsanti, interruttori, deviatori e invertitori

negli impianti elettrici

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Interruttori, deviatori e invertitori negli impianti civili

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Per i collegamenti al neutro si usano cavi blu. Bisogna sempre interrompere la fase e non il neutro, diversamente da quanto riportato nelle precedenti immagini.

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Pulsanti, interruttori, deviatori e invertitori

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Interruttori bipolari

Un interruttore bipolare è un dispositivo che interrompe l’alimentazione di entrambi i poli (fase e neutro) del nostro circuito elettrico. Viene utilizzato per l’accensione e lo spegnimento dei dispositivi con consumi medio-elevati.

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Relè passo passo negli impianti civili

Il relè passo passo viene comandato tramite pulsanti elettrici. E’ utilizzato quando è necessario avere molti punti di comando. Permette quindi di semplificare i collegamenti altrimenti necessari.

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Pulsanti, interruttori, deviatori e invertitori

nei circuiti elettronici

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Pulsanti, interruttori, deviatori nei circuiti elettronici

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Pulsanti, interruttori e contatti

Pulsanti, interruttori e contatti sono dispositivi elettromeccanici di comando destinati, se azionati, a cambiare lo stato di un circuito.

il pulsante è un elemento monostabile, quando rilasciato ritorna in posizione di riposo;
l’interruttore è un elemento bistabile, con due posizioni stabili ON e OFF
il contatto è un elemento pilotato elettricamente, nei relè e nei contattori.

Pulsanti, interruttori e contatti possono essere NA o NC

NA = normalmente aperto – nella posizione di riposo non è permesso il transito della corrente
NC = normalmente chiuso – nella posizione di riposo è permesso il transito della corrente.

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Pulsante NA e NC

Un esempio di pulsante NA è il campanello, che quando è rilasciato torna in posizione di riposo. Un esempio di pulsante NC è il pulsante del frigorifero, che spegne la luce se premuto. Per ogni tipologia di interruttore, pulsante o contatto, il passaggio di corrente avviene ogni volta che due lamelle metalliche si toccano tra loro a seguito di un’azione meccanica da parte di un utilizzatore esterno.

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Parametri caratteristici

Gli interruttori e i pulsanti, come ogni altro componente elettronico, sono caratterizzati da alcuni parametri, di seguito indicati, che aiutano il progettista a effettuare la scelta più corretta in relazione alle proprie esigenze.

Tensione massima: è la tensione massima che può essere applicata all’interruttore per non subire danneggiamenti. Oltre al valore numerico viene indicata la tipologia di tensione (AC-DC).
Corrente massima: è la corrente massima che può attraversare l’interruttore.
Resistenza di isolamento: è la resistenza offerta tra i due contatti. Solitamente è dell’ordine dei megaohm.
Resistenza di contatto: è la resistenza offerta a contatto elettrico chiuso che offrono i contatti metallici dell’interruttore.
Temperatura di esercizio: indica il range tipico di funzionamento dell’interruttore.
Vita media: espressa in cicli di ON/OFF

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Pulsanti

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Deviatore - Toggle switch - Slide switch

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Deviatore

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Interruttori dip-switch

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Rotary coding switch

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Collegare un pulsante al microcontrollore

Simboli usati negli schemi elettrici

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Pull-up/Pull-down

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Resistenze di pull-up e di pull-down

La pratica sconsiglia vivamente di lasciare liberi (floating -flottanti) ingressi di componenti MOS/CMOS perchè, nelle condizioni peggiori, sono in grado di funzionare da sensibili antenne per disturbi di ogni genere, anche di frequenze radio, e creare situazioni di malfunzionamento assai difficili da debuggare. Considerazioni per il dimensionamento:

Vogliamo che la caduta di tensione sulla resistenza sia piccola
Vogliamo che la corrente assorbita quando l'interruttore è chiuso sia piccola
Per il calcolo preciso dobbiamo conoscere la resistenza su pin di ingresso del microcontrollore. Se questa è circa 1Mohm, allora R di pull-up può andare bene da 5-100Kohm

[Approfondimenti: Resistenza di pull-up / pull-down; Come calcolare le resistenze di pull-up e pull-down - Video 238]

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Collegamento tipico pull-up

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Collegamento tipico con pulsante pull-down

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Collegamento tipico con pulsante pull-down

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Utilizzo delle resistenze interne di pull-up e pull-down

Molti microcontrollori incorporano al loro interno resistenze di pull-up e pull-down attivabili via software. �Con questo tipo di collegamento e configurazione del microcontrollore, quando il pulsante non è premuto, sul pin dove è collegato, sarà presente il livello logico alto (5V), mentre con la pressione, ci sarà un collegamento diretto a massa e quindi il livello logico basso (0V).

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Utilizzo delle resistenze interne di pull-up e pull-down

#define LED_PIN 13

#define SW_PIN 2

void setup() { // Inizializzazione

pinMode(LED_PIN, OUTPUT);

pinMode(SW_PIN, INPUT_PULLUP);

}

void loop() { // Loop infinito

if(digitalRead(SW_PIN)==HIGH)

//Pulsante non premuto

digitalWrite(LED_PIN, HIGH);

else

//Pulsante premuto

digitalWrite(LED_PIN, LOW);

}

Approfondimenti:

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Pin di I/O per il microcontrollore STM32L476

Il microcontrollore STM32L476 permette di attivare via software le resistenze di pull-up e pull-down

Dispone anche di due diodi di protezione e di un trigger di Schmitt

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Rimbalzi e Debounce

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Rimbalzi e Debounce

Alla pressione o al rilascio del pulsante o dell’interruttore si osservano dei rimbalzi del segnale che possono durare diversi ms (2-30ms)

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Eliminazione hardware dei rimbalzi

Filtro RC e trigger di schmitt

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Trigger di Schmitt

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Codice di esempio

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Routine di esempio

visto che la pressione del pulsante dura alcuni millisecondi possiamo controllare per 5-50msec che il pulsante rimanga premuto, per scartare pressioni non valide.

per rilevare un click dobbiamo aspettare che il pulsante venga rilasciato

un pulsante può anche generare gli eventi:

Click
LongPress (pressione > 1-2 sec)
LongLongPress (pressione > 5-10 sec)
LongClick
DoubleClick
TripleClick

Se volessimo utilizzare la pressione del pulsante per impostare un orologio realizzato con microcontrollore bisognerebbe utilizzare l’evento LongPress e non Press. Provate a tenere premuto un tasto sul pc e pensate a cosa succederebbe se non ci fosse un ritardo tra due letture successive.

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Esercitazioni

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Esercitazione

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Esercizio c

Generare due segnali impulsivi adatti a comandare il servomotore nelle posizione 90° e 180°, simulando una sbarra nelle posizioni aperta e chiusa. Utilizziamo il pulsante per spostare la sbarra da aperta a chiusa e viceversa. Impostare l’oscilloscopio in modo che si veda bene il segnale impulsivo generato.

Raccogliere in un unico documento lo schema di montaggio, il codice e le simulazioni.

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Esercizio d

Generare un segnale impulsivo adatto a pilotare il servomotore. Collegare il circuito come nello schema seguente. Scrivere un programma che a seguito della pressione o il click dei pulsanti SW_DW e SW_UP faccia ruotare in giù o in sù il servomotore. Impostare l’oscilloscopio in modo che si veda bene il segnale impulsivo generato.

Raccogliere in un unico documento lo schema di montaggio, il codice e le simulazioni.

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Relè

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Relè

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Come funziona un relè

Il relè è un componente elettromeccanico il cui azionamento avviene mediante un elettromagnete costituito da una bobina di filo conduttore elettrico, generalmente di rame, avvolto intorno ad un nucleo di materiale ferromagnetico. Al passaggio di corrente elettrica nella bobina, l'elettromagnete attrae l'ancora alla quale è vincolato il contatto mobile che quindi cambierà posizione. Nella figura a fianco è rappresentato un relè con tre contatti: uno mobile e due fissi. Quando il relè è a riposo il contatto mobile è in contatto con uno dei due contatti fissi. Quando il relè è "eccitato", cioè quando la bobina è percorsa da corrente elettrica, la situazione si inverte e il contatto mobile si sposta sull'altro contatto. [wikipedia]

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Come funziona un relè

Internante il relè dispone di un elettromagnete, ovvero un cilindro di ferro intorno al quale è avvolto un filo di rame.

Al passaggio della corrente nel filo di rame detto bobina, il cilindro di ferro si magnetizza e attira una lamina che meccanicamente sposta un contatto mobile dalla posizione di riposo (N.C.) alla posizione di eccitamento (N.A). Aprendo e chiudendo così un circuito elettrico esterno.

In questo modo è possibile attivare carichi molto grandi e mantenere un completo isolamento elettrico tra il circuito di pilotaggio ed il circuito controllato.

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Come funziona un relè

Relè per impianti civili o comandato da circuiti elettronici

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Come funziona un relè

circuiti elettronici che comandano relè

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Utilizzi

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L’inventore del Relè

Il relé venne inventato nel 1835 dallo scienziato americano Joseph Henry.

Il nome relè deriva dal francese relais che indicava ognuna delle stazioni di posta dove i messi postali, durante il loro itinerario, potevano cambiare i cavalli in modo da svolgere più celermente il loro servizio.

Per analogia, ai primordi della telegrafia si usò il termine relè nell'indicare i dispositivi grazie ai quali si trasferiva un messaggio in codice Morse da una stazione di partenza a una stazione di arrivo, come se un virtuale messo postale si servisse di tali dispositivi per arrivare finalmente alla meta.

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RELE’

Contatto normalmente chiuso[fig. A2.7] A: la bobina è diseccitata, il contatto è NC e il segnale elettrico può passare; B: la bobina è eccitata e attrae il meccanismo di movimento che agendo sul contatto lo apre. Il segnale elettrico non passa.
Contatto normalmente aperto[fig. A2.8] A: la bobina è diseccitata, il contatto è NO e il segnale elettrico non passa; B: la bobina è eccitata e attrae il meccanismo di movimento che agendo sul contatto lo chiude. Il segnale elettrico può passare.3.
Due contatti[fig. A2.9] In questo caso il relè ha due contatti con funzioni diverse: uno NO e uno NC. A: la bobina è diseccitata, il segnale elettrico può passare solo dal contatto NC. B: la bobina è eccitata e attrae il meccanismo di movimento che inverte lo stato dei contatti. Il contatto NO si chiude, il segnale elettrico ora può passare; il contatto NC si apre, il segnale elettrico si interrompe

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RELE’

Il relè viene impiegato per isolare il circuito di comando da quello di potenza, come nella figura A2.10. Nella sezione di comando il pulsante chiude il circuito della bobina, che viene alimentata dalla batteria in BT.

Nella sezione di potenza il campo magnetico generato dalla bobina chiude il contatto della MT, quindi la lampadina viene alimentata dalla tensione di 230 V. Rispetto ai tradizionali apparecchi di manovra (interruttore, deviatore, invertitore) il relè assicura una maggiore sicurezza elettrica dovuta ai seguenti fattori: il circuito di comando è elettricamente separato dal circuito comandato; il circuito di comando può essere a bassa tensione

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Relè con autoritenuta

Per mezzo del pulsante normalmente aperto (N.O.) "START" viene chiuso il circuito che alimenta (eccitandolo) il relè o contattore K1, nello stesso momento il contatto ausiliario normalmente aperto di K1 si chiude e trovandosi in parallelo al pulsante di marcia è come se cortocircuitasse quest' ultimo. In questo momento, successivamente al rilascio del pulsante "START" la bobina viene mantenuta eccitata proprio dal contatto K1.

Per eseguire l'arresto e quindi diseccitare il relè, si agisce sul pulsante "STOP" normalmente chiuso (N.C.) che essendo posto in serie a "START" e a "K1" interrompe l'alimentazione anche dopo la sua pressione (poiché il relè diseccitandosi riapre il contatto K1). A questo punto tutto è nuovamente allo stato di partenza.

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Contattori o teleruttore

Un contattore o teleruttore è un dispositivo elettromeccanico di manovra, generalmente previsto per un numero elevato di operazioni, è anche detto dispositivo di tipo monostabile poiché ha una sola posizione di riposo, ad azionamento non manuale, capace di stabilire, sopportare ed interrompere correnti in condizioni di sovraccarico.

La posizione di riposo corrisponde ordinariamente alla posizione di apertura dei contatti principali. Si distingue dal relè per il fatto che quest'ultimo è impiegato per il comando di potenze relativamente piccole o segnali in ambito elettronico, mentre il teleruttore è impiegato nel comando di potenze anche molto elevate.

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Relè Omron G5LE-1

Il relè Omron G5LE-1 è eccitabile con una tensione di 5 volt e in grado di commutare tensioni fino a 250 volt AC e carichi resistivi da 10 Ampere o induttivi da 5 Ampere.

La corrente assorbita dalla bobina è di circa 80mA

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Quanto costa un RELE’ ?

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SCHEMA DELL’INTERFACCIA

Un diodo sulla bobina del relé, chiamato diodo di ricircolo, proteggere il Mosfet dalle sovratensioni generate dalla bobina del relè al momento dell’interruzione di corrente.

GPIO

CARICO

RELE’

MOSFET

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RELE’

https://www.fcl.fujitsu.com/downloads/MICRO/fcai/relays/fbr244.pdf

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Esercitazioni

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Esercitazioni

TEL1_A_ES03 - Circuiti con interruttori, pulsanti e relè

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Buzzer

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Buzzer

https://github.com/filippo-bilardo/ROBOTICA/blob/main/Buzzer/README.md

Un buzzer o beeper è un dispositivo di segnalazione audio, che può essere meccanico, elettromeccanico, o piezoelettrico. I tipici utilizzi del buzzer includono dispositivi di allarme, timer, e PC speaker per i feedback sugli input dell'utente, come pressione dei tasti o click del mouse, nei vecchi personal computer. [Wikipedia]

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Buzzer attivi e passivi

Un buzzer attivo usa un oscillatore interno che permette di emettere un tono a frequenza fissa se viene alimentato con una tensione continua. L’oscillatore interno è in grado di modificare il campo magnetico di una bobina a cui è connesso meccanicamente una membrana che oscillerà alla frequenza fissata dall’oscillatore.

Un buzzer passivo non possiede un oscillatore interno e quindi è indispensabile un circuito esterno in grado di generare un’onda quadra che mettere in oscillazione la membrana interna del buzzer, questi attuatori potranno così emettere toni a diversa frequenza. . [Maffucci.it]

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Utilizzo del buzzer con Arduino

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Buzzer

Per il collegamento diretto del buzzer ad Arduino, verificare che la corrente assorbita sia inferiore a 20mA. E’ altamente raccomandato comandare il buzzer tramite un transistor.

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Codice

è possibile generare dei toni a frequenze diverse utilizzando un delay oppure le funzioni tone e noTone di Arduino. Per emettere dei semplici beep è sufficiente impostare al livello logico alto il pin del buzzer.

#define BUZZER_PIN 6

void setup(){

pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT);

}

void loop(){

digitalWrite(BUZZER_PIN, HIGH);

delay(300);

digitalWrite(BUZZER_PIN, LOW);

delay(1000);

}

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Utilizzo del buzzer con le schede ESP32

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Codice

Con le schede ESP32 non esistono funzioni tone e noTone di Arduino e vanno quindi create.

#define BUZZER_CHANNEL 2 //il canale 0 non funziona

#define BUZZER_RESOLUTION 8

#define BUZZER_DUTYCYCLE 128 //50%

void noTone() {

//set DutyCycle = 0

ledcWrite(BUZZER_CHANNEL, 0);

}

void tone(int pin, int freq, int durata) {

// configure LED PWM functionalitites

ledcSetup(BUZZER_CHANNEL, freq, BUZZER_RESOLUTION);

// attach the channel to the GPIO to be controlled

ledcAttachPin(BUZZER_PIN, BUZZER_CHANNEL);

ledcWrite(BUZZER_CHANNEL, BUZZER_DUTYCYCLE);

delay(durata);

}

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Pilotaggio tramite transistor

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Pilotaggio del Buzzer tramite transistor

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Se il buzzer è di tipo induttivo bisogna aggiungere il diodo D1 di protezione

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Esercizio a

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Esercizio a

Scrivere un programma che all’accensione del microcontrollore faccia suonare il buzzer per tre volte ad intervalli di 200ms.

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Esercizio b

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Esercizio b

Usando le funzioni tone e noTone di Arduino scrivere un programma che suoni delle melodie con il buzzer.

202122_TPS2_A_ES07 - Buzzer

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Esempi vari di codice

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Sensore ad ultrasuoni SRF05

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Sensore ad ultrasuoni SRF05

È capace di misurare la distanza di oggetti che si trovano di fronte il raggio di azione del sensore. Utilizzo del sensore ad ultrasuoni SRF05 con la Raspberry PI e con vari microcontrollori.

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SFR05

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Introduzione

L'SRF05 è un’evoluzione dell'SRF04 ed è stato progettato per aumentarne la flessibilità, aumentare la portata e ridurre ulteriormente i costi. In quanto tale, l'SRF05 è completamente compatibile con l'SRF04. La portata è aumentata da 3 metri a 4 metri. Una nuova modalità operativa (che collega il pin della modalità a massa) consente all'SRF05 di utilizzare un singolo pin sia per il trigger che per l'eco, risparmiando così preziosi pin sul controller. Quando il pin della modalità viene lasciato scollegato, l'SRF05 funziona con trigger separati e pin di eco, come l'SRF04. L'SRF05 include un piccolo ritardo prima dell'impulso di eco per dare ai controller più lenti come il Basic Stamp e il Picaxe il tempo di eseguire il loro impulso nei comandi.

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Introduzione

Tensione Operativa 5V

Corrente Operativa Tipica 4mA

Frequenza 40 Khz

Portata 1cm - 4mt

Dimensioni 43 x 20 x H 17 mm

Impulso di ritorno: Segnale TTL positivo, di durata proporzionale alla distanza rilevata.

Trigger di Input: Impulso TTL di durata minima di 10 uS.

Modalità di funzionamento: Pin singolo per trig/echo o 2 Pin SRF04 compatibile.

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Mode 1 - Mode no connection (SFR04 compatible)

Questa modalità utilizza i pin trigger e pin di eco in modo separato ed è la modalità più semplice da usare. Tutti gli esempi di codice per SRF04 funzioneranno per SRF05 in questa modalità. Per utilizzare questa modalità, lascia semplicemente scollegato il pin della modalità: l'SRF05 ha una resistenza di pull up interna su questo pin.

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SFR05 Timing Diagram, mode 1

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Mode 2 - Pin singolo per Trigger ed Echo

Questa modalità utilizza un singolo pin per entrambi i segnali Trigger ed Echo. Per utilizzare questa modalità, collegare il pin Mode a 0v. Il segnale di eco apparirà sullo stesso pin del segnale di trigger. L'SRF05 non alza la linea dell'eco fino a 700uS dopo la fine del segnale di trigger. Abbiamo quindi tutto il tempo per modificare il pin di trigger/echo e renderlo un input e misurare quindi la durata dell’impulso.

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SFR05 Timing Diagram, mode 2

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Calcolo della distanza

I diagrammi temporali dell’SRF05 sono mostrati sopra per ciascuna modalità. È sufficiente fornire un breve impulso da 10uS all'ingresso trigger per avviare la misurazione. L'SRF05 invierà una serie di 8 cicli di ultrasuoni a 40 kHz e alzerà la sua linea di eco alta (o la linea di trigger in modalità 2). Quindi ascolta un eco e non appena ne rileva uno abbassa nuovamente la linea dell'eco. La linea dell'eco è quindi un impulso la cui larghezza è proporzionale alla distanza dall'oggetto. Misurando la durata dell'impulso è possibile calcolare la distanza.

Se l'ampiezza dell'impulso è misurata in uS, dividendo per 58 si otterrà la distanza in cm, oppure dividendo per 148 si otterrà la distanza in pollici. uS/58 = cm o uS/148 = pollici.

L'SRF05 può essere attivato ad intervalli di 50 ms (20 volte al secondo). È necessario quindi attendere 50 ms prima del trigger successivo, anche se l'SRF05 rileva un oggetto vicino e l'impulso dell'eco è più breve. Questo per garantire che il "segnale acustico" ultrasonico sia svanito e non causi una falsa eco alla successiva misurazione.

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Calcolo della distanza (www.mauroalfieri.it)

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Beam pattern and Beam width

Non esiste un modo semplice per ridurre o modificare l'ampiezza del raggio di trasmissione. La configurazione del raggio dell'SRF05 è conica e la larghezza del raggio è una funzione della superficie dei trasduttori ed è fissa. Di seguito è mostrato lo schema del fascio dei trasduttori utilizzati sull'SRF05, tratto dalla scheda tecnica del produttore.

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SFR05 & Arduino

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Collegamenti

28015 Datasheet by Parallax Inc. | Digi-Key Electronics

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Codice di esempio

#define LED 7

#define US 10

void setup()

{

Serial.begin(9600);

pinMode(LED, OUTPUT);

}

int getDistance() {

//Set pin US as output

pinMode(US, OUTPUT);

delay(2);

//Send trig pulse

digitalWrite(US, HIGH);

delayMicroseconds(15);

digitalWrite(US, LOW);

//Set pin US as intput

pinMode(US, INPUT);

//Wait for echo start

while(digitalRead(US)==LOW) {;}

//Wait for echo end

long startTime = micros();

while(digitalRead(US)==HIGH) {;}

long travelTime = micros() - startTime;

//Get distance in cm

int distance = travelTime/58;

return distance;

}

void loop()

{

Serial.print("Distanza ostacolo ");

Serial.print(getDistance());

Serial.println();

delay(200);

//TODO accendere il led solo se la distanza

//dell'ostacolo risulta minore a 20cm

digitalWrite(LED, HIGH);

}

https://github.com/filippo-bilardo/TPSIT_2/blob/main/004/sfr05.ino

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Esempi di codice

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Esercizi a-c

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Esercizio a

Implementare un rilevatore di ostacoli con l’SRF05 e Arduino (o STM32F457). Accendere un led quando l’ostacolo rilevato si trova ad una distanza minore di 20 cm.
Implementare un rilevatore di ostacoli con l’SRF05 e la scheda STM32F457 (o Arduino). Cambiare la velocità dei lampeggi in base alla distanza dell’ostacolo. Per una distanza < di D1 (es. 10 cm) il led deve rimanere acceso. Per distanze superiori a D2 (es. 100 cm) il led deve rimanere spento.
Implementare un sensore di parcheggio. Utilizzando i thread aumentare la velocità del lampeggio del led all’avvicinarsi dell’ostacolo rilevato dall’SFR05

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Esercizio d

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Altri esercizi

Implementare un conteggio di oggetti su nastro trasportatore
Segnalazione e arresto del passaggio di un modellino di treno comandato con un driver motori
SODAR (Sonic Detection And Ranging) - XTronical

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Sensore infrarossi TCRT5000

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Sensore infrarossi TCRT5000

TPS2_A_ES03 - Sensori ad infrarossi, TCRT5000

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I Servomotori

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Utilizzo dei servomotori

https://github.com/filippo-bilardo/ROBOTICA/blob/main/Servomotori/README.md

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I servomotori

Un servomotore è un particolare tipo di motore, generalmente di piccola potenza. A differenza dei motori tradizionali che ruotano in modo continuo, rimane fisso su una posizione in base al segnale periodico utilizzato per comandarlo.

Può essere elettrico, pneumatico, idraulico.

I servomotori trovano applicazione nei controlli di posizione, nelle macchine a controllo numerico, nei sistemi automatici di regolazione e nelle periferiche di sistema, come stampanti e plotter. [wikipedia]

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I servomotori

possono ruotare con un angolo compreso tra 0° e 180°, mantenendo stabilmente la posizione raggiunta. (in realtà esistono anche alcuni servo che ruotano a 360° ma sono una minoranza)

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I servomotori

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Utilizzo dei servomotori

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Utilizzo dei servomotori

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I servomotori

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I servomotori

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Collegamenti

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Pilotaggio di un servomotore

Dobbiamo generare un segnale impulsivo con periodo di 20ms e impostare il duty cycle in modo da avere la parte impulsiva con durata tra 1 e 2ms. L’ampiezza del segnale dipenda dal servomotore scelta ed è di solito compresa tra 3,3V e 7,2V

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I Servomotori con Arduino

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Arduino e Servomotori

Utilizziamo Arduino di Tinkercad per generare un’onda impulsiva da utilizzare per comandare un servomotore

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Libreria Servo.h

Questa libreria consente alla scheda Arduino di controllare i servomotori. I servomotori standard consentono di posizionare l'albero su vari angoli, solitamente tra 0 e 180 gradi. I servomotori a rotazione continua consentono di impostare la rotazione dell'albero a varie velocità. La libreria Servo supporta fino a 12 motori sulla maggior parte delle schede Arduino. [codice sorgente]

myservo.attach(pin) Collega la variabile servo ad un pin

#include <Servo.h>

Servo myservo;

void setup()

{

myservo.attach(9);

}

void loop() {}

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Libreria Servo.h

myservo.write(angle) Scrive un valore sul servomotore, controllando di conseguenza la posizione dell'albero. Su un servomotore standard, imposterà l'angolo dell'albero (in gradi). Su un servomotore a rotazione continua, questo imposterà la velocità del servo (dove 0 è la massima velocità in una direzione, 180 è la massima velocità nell'altra e un valore vicino a 90 è nessun movimento).

#include <Servo.h>

Servo myservo;

void setup()

{

myservo.attach(9);� myservo.write(90); // set servo to mid-point

}

void loop() {}

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Esercizio a

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Esercitazione a

Onda quadra con periodo 20ms, th=1ms, Vmin=0V, Vmax=5V (Offset 2.5V)

verificare il segnale generato con l’oscilloscopio
collegare il servomotore

Onda quadra con periodo 20ms, th=1,5ms, Vmin=0V, Vmax=5V
Onda quadra con periodo 20ms, th=2ms, Vmin=0V, Vmax=5V
Preparare una tabella con i servomotori testati e indicare i parametri di funzionamento

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Esercizio b

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Esercizio b

Trovare il numero dell'iniziale del proprio cognome IC e del proprio nome IN (es Bianchi Dario IC=2, IN=4)�Generare un segnale impulsivo con TH=((int)IC/5+1)*100ms e TL=((int)IN/5+1)*300ms sul pin ((int)IC/3+1) di Arduino. Collegare un led con resistenza e l’oscilloscopio per verificare il corretto funzionamento del programma.

Montare il circuito su Tinkercad
Scrivere lo sketch
Avviare la simulazione e spiegare�il risultato ottenuto
consegnare il progetto contenente lo �screenshot della simulazione, il �codice e la spiegazione del collaudo.
E’ vietato usare la libreria servo.h

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Esercizio b

Nel progetto inserire la cattura dell’oscilloscopio in modo che si possa vedere bene il segnale generato.

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Esercizio c

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Esercizio c

Scrivere un programma (oppure tre diversi programmi) capace di pilotare le diverse posizioni di un servo motore (0°, 90° e 180°). Collegare servomotore e oscilloscopio ad Arduino per verificare il corretto funzionamento del programma.

consegnare gli screenshot delle simulazioni (raccogliere tutti gli screenshot in un unico documento) e del codice scritto.

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Esercizio c

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Esercizio c

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Esercizio d

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Esercizio d

Scrivere una funzione capace di pilotare le diverse posizioni di un servomotore (angolo X)(es. servoPos(int angolo). Quindi in base al parametro angolo il servo dovrà ruotare con l’angolo specificato.�Scrivere un programma di test per testare la funzione scritta (ad es. impostare il servo nelle posizioni da 0° a 180° ad incrementi di step° e tenerlo fermo per N sec) �Collegare servomotore e oscilloscopio ad Arduino per verificare il corretto funzionamento del programma.

consegnare gli screenshot delle simulazioni (raccogliere tutti gli screenshot in un unico documento)

202122_TPS2_A_ES05 - I servomotori

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Circuiti elettronici analogici

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Resistenze

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Resistenze

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La resistenza

Il resistore (anche chiamato impropriamente resistenza per metonimia), è un tipo di componente elettrico lineare e passivo destinato ad opporre una specifica resistenza elettrica al passaggio della corrente elettrica.

I resistori hanno innumerevoli applicazioni sia in apparecchiature elettriche che elettroniche. Sono a volte utilizzati per convertire energia elettrica in energia termica.

[WIKIPEDIA]

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Unità di misura

L’ohm è l’unità di misura della resistenza e viene indicata con la lettera greca Ω (omega).
Il valore della resistenza di un circuito elettronico può variare da frazioni di ohm a molti milioni di ohm.
Per indicare i valori delle resistenze si utilizzano multipli e sottompultipli:

1 ohm = 1Ω
1 Kilo ohm = 1000 ohm = 1KΩ
1 Mega ohm = 1000000 ohm = 1MΩ

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La legge di Ohm

La legge di Ohm stabilisce che la corrente in un conduttore tra due punti è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale tra i due punti stessi. La costante di proporzionalità è detta resistenza elettrica.

V=RI

dove I è la corrente attraverso il conduttore, V è la differenza di potenziale ed R è la resistenza. Nel sistema internazionale la corrente si misura in ampere, la differenza di potenziale in volt e la resistenza in ohm.

[WIKIPEDIA]

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Dissipazione dell’energia

Se applichiamo una Tensione (differenza di potenziale) ai capi di una resistenza, la resistenza dissipa una potenza elettrica sotto forma di calore

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Classificazione delle resistenze

Per tecnologia:

SMD (Surface Mount Device)
THT (Through Hole tecnology)

Per potenza

potenza dissipata - 1/8W=125mW, 1/4W, 0.5W, 1W

Per precisione

0,1%, 1%, 5%, 10%, 20%

Per valore

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Teconologie smd e tht

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Resistenze di potenza

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Le serie delle resistenze

Le resistenze che troviamo in commercio sono raggruppate in serie di valori.

Le serie dipendono dalla tolleranza. Se abbiamo una tolleranza del 10% non avrebbe senso vendere una resistenza con valore intermedio tra 10Ω e 12Ω

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La serie E12

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Codice dei colori

Con il codice dei colori delle resistenze è possibile determinare il valore nominale della resistenza, la tolleranza e, in qualche caso, il coefficiente di temperatura.

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Tabella dei colori delle resistenze a 3 o 4 anelli

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Tabella dei colori delle resistenze a 5 o 6 anelli

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Calcolo della tolleranza

R = 470 ohm, tolleranza = 10%

Rmin = 470 - 470*10% = 470*(1-10%) = 470*0,9 = 423

Rmax = 470 + 470*10% = 470*(1+10%) = 470*1,1 = 493

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Tabella dei colori

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I valori delle resistenze smd

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Nanobook Z80

vs

Tiny 2040

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Approfondimenti

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Approfondimenti

resistività dei conduttori
potenza dissipata
dipendenza dalla temperatura
collegamento in serie
collegamento in parallelo
tecnologia di fabbricazione dei resistori
Resistori variabili (trimmer e potenziometri slider)

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Esercitazioni

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Esercitazioni

TEL1_A_ES02 - Classificazione delle resistenze e codice colori

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Driver e Motori in corrente continua

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Motori in corrente continua

La macchina in corrente continua (brevemente macchina CC o macchina DC, dall'inglese Direct Current) è stata la prima macchina elettrica realizzata, ed è tuttora utilizzata ampiamente per piccole e grandi potenze, da generatore o da motore. Sono a corrente continua (o comunque alimentabili in corrente continua) numerosi motori di piccola potenza per usi domestici, come anche motori per trazione ferroviaria e marina della potenza di molte centinaia di kW. [wikipedia]

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Motori DC

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I motori CC (o DC Direct Current)

Un motore in corrente continua (CC) è un tipo di macchina elettrica che converte l’energia elettrica in energia meccanica. Assorbe energia elettrica attraverso la corrente continua e la converte in rotazione meccanica.

Nei motori CC parte che gira è detta rotore o armatura mentre la parte che genera il campo magnetico fisso (nell'esempio i due magneti colorati) detta statore. Un interruttore rotante detto commutatore o collettore a spazzole inverte due volte ad ogni giro la direzione della corrente elettrica che percorre i due avvolgimenti generando un campo magnetico che entra ed esce dalle parti arrotondate dell'armatura. Nascono forze di attrazione e repulsione con i magneti permanenti fissi (indicati con N ed S nelle figure).

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I motori CC (o DC Direct Current)

La velocità di rotazione dipende da:

Tensione applicata.
Corrente assorbita dal rotore.
Carico applicato.

La coppia generata è proporzionale alla corrente ed il controllo più semplice agisce sulla tensione d'alimentazione, mentre nei sistemi più complessi si usa per la tensione un controllo in retroazione. [wikipedia]

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Driver Motori�Ponte ad H

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Pilotaggio di motori

Il transistor comandato in modalità on/off, permette di disaccoppiare il circuito di comando dove è presente il microcontrollore dal circuito di potenza che alimenta il motore. Il diodo permette di bloccare la corrente inversa generata dal motore.

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Segnale PWM

Pilotando il motore con un segnale pwm possiamo regolarne la velocità di rotazione. Durante la parte bassa del segnale il motore continuerà a girare per inerzia, ma la velocità corrisponderà al valore medio del segnale.

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Ponte ad H (H bridge)

Il ponte ad H è un circuito che permette di invertire la corrente del carico collegato.

Quindi permette di controllare il verso di rotazione del motore. E’ anche possibile frenarlo.

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Ponte ad H (H bridge)

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Driver motori HG7881

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HG7881

Dual-H-Bridge Current-Control Motor Driver

Can Drive Two DC Motors or One Stepper Motor
Output Current 0,8A, 2A Peak per H-Bridge
Power Supply Voltage Range 2.5 to 12V

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HG7881

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Driver motori DRV8833

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DRV8833 - Dual-H-Bridge Current-Control Motor Driver

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Motor voltage	2.7V – 10.8V
Logic Voltage	3.3-5V
Output Current per H-Bridge	1.5A RMS, 2A Peak
under-voltage lockout, over-current, and over-temperature

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DRV8833

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DRV8833

EEP low for the sleep mode (need to disconnect the module after th J2 short contact, the module default point for the connection and connect to high).

ULT for the protection of the alarm output, overheating and overcurrent protection int the work of the output low-level alarm signal.

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DRV8833

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DRV8833 e scheda STM32 o Arduino

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DRV8833

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Controllo motori con ESP32 e LM298A

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Controllo motori con ESP32 e LM298A

https://github.com/filippo-bilardo/L298N_2M

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Controllo motori con Arduino e DRV8833

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Collegamento driver e motori ad Arduino

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Esercitazioni

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Esercitazioni

TPS2_A_ES06 - Driver e Motori in corrente continua

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Prove con ESP32+DRV8833+N20

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Altri circuiti elettronici analogici

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Altri circuiti elettronici analogici

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Strumenti di laboratorio

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Strumenti di laboratorio

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Altre esercitazioni

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Materiale per le esercitazioni

TEL1_ES11 - Collaudo di un circuito digitale combinatorio con Arduino

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Esercitazioni

Input e Output

Utilizzare i LED per visualizzare informazioni - led blink
Utilizzare i pulsanti per controllare Arduino - accensione di un led con pulsante
Utilizzare i sensori per raccogliere dati -

Seriale

Utilizzare la comunicazione seriale per scambiare dati con il computer
Utilizzare la comunicazione seriale per comunicare con altri Arduino

Altri

Gestione semaforo
Impianto di allarme (con sensore di movimento, sensori alle finestre e buzzer)
Gioco ping-pong con led e pulsanti
Generare un segnale PWM per pilotare un motore
Cambiare la luminosità con un segnale PWM controllato da potenziometro

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Approfondimenti

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Approfondimenti

Realizzazione di prototipi con Arduino

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Grazie per l’attenzione

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Link/Riferimenti

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Revisioni

v1.0 15/11/17 - versione iniziale �v1.1 01/11/21 - nuovi contenuti�v1.2 30/12/21 - cambiato il tema delle slide e ampliati i contenuti�v1.3 20/01/24 - aggiunti i contenuti per le esercitazioni