Multitasking con Arduino – lezione 1/3

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Per chi lavora con Arduino da un po’ di tempo, prima o poi si imbatte in questa frase letta online: delay() è il “male assoluto” :-). In realtà non è delay() in sé il problema: il punto è l’abuso che spesso se ne fa. Ogni volta che lo inseriamo nel codice, Arduino si ferma per tutto il tempo indicato, smettendo di leggere pulsanti, aggiornare uscite, gestire sensori o comunicazioni. In progetti semplici può anche andare bene, ma appena aumentano le funzioni da gestire “in parallelo”, quel blocco diventa un collo di bottiglia che rende il comportamento poco reattivo e difficile da far crescere.

Quando iniziamo a realizzare progetti con più componenti elettronici che interagiscono (LED che lampeggiano, pulsanti, messaggi su seriale, sensori…), delay() diventa subito un problema: blocca tutto. Se mettete un delay(500), per mezzo secondo Arduino non fa nient’altro: non legge pulsanti, non aggiorna altre uscite, non gestisce eventi.

La soluzione classica è passare a una logica non bloccante usando millis() e dividendo il programma in task (piccole funzioni) che vengono richiamate continuamente nel loop().

Ho trattato più volte dell’uso del millis() su questo sito, vi rimando al post: “Guida all’uso di millis() – Lezione 1” in cui ne mostro l’utilizzo in diverse situazioni.

Nel primo esempio realizziamo 3 processi (task) simultanei:

  1. LED1 su D9: lampeggia ogni 500 ms;
  2. seriale: stampa un messaggio ogni 1000 ms;
  3. pulsante su D2: ad ogni pressione commuta (ON/OFF) LED2 su D8 con debounce.

Per i collegamenti seguire lo schema che segue.

  • LED1: anodo > D9, catodo > resistenza 220 Ω > GND
  • LED2: anodo > D8, catodo > resistenza 220 Ω > GND
  • Pulsante: un capo > D2, l’altro capo > GND

Nota importante: non inseriamo la resistenza di pull-up esterna da 10 kΩ, perché abilitiamo la resistenza di pull-up interna con INPUT_PULLUP, pertanto a riposo il pin legge HIGH, premuto legge LOW.

L’idea di base è che ogni task controlla il suo tempo, quindi useremo una variabile che memorizza l’ultimo istante in cui ha fatto qualcosa.
Quando millis() - ultimoTempo >= intervallo, allora esegue l’azione e aggiorna ultimoTempo.
Ciò permette di far funzionare il ciclo di loop di Arduino senza nessun blocco e nessun task blocca gli altri task.

/*
    Prof. Maffucci Michele
    16.02.26

    Multitasking senza delay()
    - LED su D9 lampeggia ogni 500 ms
    - Stampa su Serial ogni 1000 ms
    - Pulsante su D2 (INPUT_PULLUP) commuta un LED su D8
*/

// Pin hardware
#define PIN_LED_LAMPEGGIO 9
#define PIN_LED_PULSANTE  8
#define PIN_PULSANTE      2

// "Timestamp" (in millisecondi) dell'ultima esecuzione dei task temporizzati
unsigned long tempoPrecedenteLed    = 0;
unsigned long tempoPrecedenteSerial = 0;

// Intervalli di esecuzione dei task (in millisecondi)
const unsigned long INTERVALLO_LED    = 500;
const unsigned long INTERVALLO_SERIAL = 1000;

// Stato logico dei LED
bool statoLedLampeggio = LOW;   // LED su D9
bool statoLedPulsante  = LOW;   // LED su D8

void setup() {
  // Impostiamo i pin dei LED come uscite
  pinMode(PIN_LED_LAMPEGGIO, OUTPUT);
  pinMode(PIN_LED_PULSANTE, OUTPUT);

  // Pulsante con pull-up interna:
  // - a riposo legge HIGH
  // - premuto (verso GND) legge LOW
  pinMode(PIN_PULSANTE, INPUT_PULLUP);

  // Stato iniziale delle uscite (opzionale ma consigliato per chiarezza)
  digitalWrite(PIN_LED_LAMPEGGIO, statoLedLampeggio);
  digitalWrite(PIN_LED_PULSANTE,  statoLedPulsante);

  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // Il loop richiama continuamente i task.
  // Ogni task decide autonomamente "se è il momento" di fare qualcosa.
  taskLampeggioLed();
  taskStampaSeriale();
  taskLeggiPulsante();
}

// -------------------------------
// TASK 1: Lampeggio LED (non bloccante)
// -------------------------------
void taskLampeggioLed() {
  // Se è passato almeno INTERVALLO_LED dall'ultima volta, invertiamo lo stato del LED
  if (millis() - tempoPrecedenteLed >= INTERVALLO_LED) {
    tempoPrecedenteLed = millis();              // aggiorno l'istante di riferimento
    statoLedLampeggio = !statoLedLampeggio;     // toggle
    digitalWrite(PIN_LED_LAMPEGGIO, statoLedLampeggio);
  }
}

// -------------------------------
// TASK 2: Stampa su Serial (non bloccante)
// -------------------------------
void taskStampaSeriale() {
  // Stampa un messaggio ogni INTERVALLO_SERIAL millisecondi
  if (millis() - tempoPrecedenteSerial >= INTERVALLO_SERIAL) {
    tempoPrecedenteSerial = millis();
    Serial.println("Multitasking: 3 task attivi (senza delay)!");
  }
}

// -------------------------------
// TASK 3: Lettura pulsante + debounce + commutazione LED2
// -------------------------------
void taskLeggiPulsante() {
  // Variabili statiche: mantengono il valore tra una chiamata e la successiva.
  // Servono perché questa funzione viene richiamata di continuo nel loop().
  static bool ultimaLettura = HIGH;                 // ultima lettura "grezza" (non filtrata)
  static bool statoPulsanteStabile = HIGH;          // stato stabilizzato dopo debounce
  static unsigned long ultimoCambio = 0;            // quando è cambiata l'ultimaLettura

  const unsigned long RITARDO_DEBOUNCE = 50;        // tempo minimo per considerare stabile un cambio

  bool letturaAttuale = digitalRead(PIN_PULSANTE);  // lettura istantanea (può "rimbalzare")

  // Se la lettura è cambiata rispetto a prima, resettiamo il timer di debounce
  if (letturaAttuale != ultimaLettura) {
    ultimoCambio = millis();
    ultimaLettura = letturaAttuale;
  }

  // Se la lettura resta invariata per almeno RITARDO_DEBOUNCE ms,
  // possiamo considerarla stabile e aggiornare lo stato "ufficiale" del pulsante.
  if (millis() - ultimoCambio >= RITARDO_DEBOUNCE) {
    // Se lo stato stabile del pulsante è cambiato davvero...
    if (letturaAttuale != statoPulsanteStabile) {
      statoPulsanteStabile = letturaAttuale;

      // Con INPUT_PULLUP: premuto = LOW
      // Eseguiamo la commutazione SOLO sul fronte di pressione (quando diventa LOW).
      if (statoPulsanteStabile == LOW) {
        statoLedPulsante = !statoLedPulsante;                 // toggle LED2
        digitalWrite(PIN_LED_PULSANTE, statoLedPulsante);
      }
    }
  }
}
  • taskLampeggioLed()
    Controlla il tempo con millis(). Quando sono passati 500 ms, inverte lo stato del LED su D9.
  • taskStampaSeriale()
    Ogni 1000 ms stampa un messaggio. Anche qui: nessun delay(), quindi non blocca la lettura del pulsante.
  • taskLeggiPulsante()
    Legge D2 con pull-up interna. Implementa un debounce software:

    • registra quando la lettura cambia,
    • aspetta 50 ms di stabilità,
    • considera valido il cambio e, solo quando il pulsante viene premuto (LOW), commuta LED2.

Realizziamo ora una seconda versione dello sketch in cui:

  • Task 4: “fade” PWM non bloccante su un pin PWM (D10).
  • Stampa su Serial dello stato di LED2 (D8) ogni volta che viene commutato dal pulsante.

Collegamento aggiuntivo: un terzo LED (con resistenza 220 Ω) su un pin PWM (quelli con il simbolo tilde ~ sulla scheda). Nell’esempio utilizzo D10.

/*
    Prof. Maffucci Michele
    16.02.26

    Multitasking senza delay()
    - Task 1: LED su D9 lampeggia ogni 500 ms
    - Task 2: Stampa su Serial ogni 1000 ms
    - Task 3: Pulsante su D2 (INPUT_PULLUP) commuta LED su D8 + stampa stato
    - Task 4: Fade PWM su un pin PWM (es. D10) senza bloccare nulla
*/


// Pin hardware
#define PIN_LED_LAMPEGGIO   9     // LED1
#define PIN_LED_PULSANTE    8     // LED2
#define PIN_PULSANTE        2     // Pulsante verso GND (INPUT_PULLUP)
#define PIN_LED_FADE_PWM   10     // LED3 (serve un pin PWM: ~)

// Timestamp (millis) per i task temporizzati
unsigned long tempoPrecedenteLed     = 0;
unsigned long tempoPrecedenteSerial  = 0;
unsigned long tempoPrecedenteFadePwm = 0;

// Intervalli (ms)
const unsigned long INTERVALLO_LED     = 500;
const unsigned long INTERVALLO_SERIAL  = 1000;
const unsigned long INTERVALLO_FADEPWM = 10;   // velocità aggiornamento fade (più basso = più fluido/rapido)

// Stati
bool statoLedLampeggio = LOW;   // LED su D9
bool statoLedPulsante  = LOW;   // LED su D8

// Parametri fade PWM (0..255 su molte schede Arduino)
int  luminositaPwm = 0;         // livello corrente
int  passoPwm      = 5;         // quanto cambia ad ogni aggiornamento (es. 1..10)
bool aumentaPwm    = true;      // direzione del fade

void setup() {
  pinMode(PIN_LED_LAMPEGGIO, OUTPUT);
  pinMode(PIN_LED_PULSANTE,  OUTPUT);

  // Pull-up interna: a riposo HIGH, premuto LOW (pulsante collegato a GND)
  pinMode(PIN_PULSANTE, INPUT_PULLUP);

  // Pin PWM: lo usiamo con analogWrite() (non serve pinMode obbligatorio, ma lo mettiamo per chiarezza)
  pinMode(PIN_LED_FADE_PWM, OUTPUT);

  // Stato iniziale delle uscite
  digitalWrite(PIN_LED_LAMPEGGIO, statoLedLampeggio);
  digitalWrite(PIN_LED_PULSANTE,  statoLedPulsante);
  analogWrite(PIN_LED_FADE_PWM,   luminositaPwm);

  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // Ogni task viene richiamato continuamente.
  // Nessuno usa delay(): ogni task decide da solo quando agire.
  taskLampeggioLed();
  taskStampaSeriale();
  taskLeggiPulsante();
  taskFadePwm();
}

// -------------------------------
// TASK 1: Lampeggio LED (non bloccante)
// -------------------------------
void taskLampeggioLed() {
  if (millis() - tempoPrecedenteLed >= INTERVALLO_LED) {
    tempoPrecedenteLed = millis();
    statoLedLampeggio = !statoLedLampeggio;
    digitalWrite(PIN_LED_LAMPEGGIO, statoLedLampeggio);
  }
}

// -------------------------------
// TASK 2: Stampa su Serial (non bloccante)
// -------------------------------
void taskStampaSeriale() {
  if (millis() - tempoPrecedenteSerial >= INTERVALLO_SERIAL) {
    tempoPrecedenteSerial = millis();
    Serial.println("Multitasking cooperativo: 4 task attivi (senza delay)!");
  }
}

// -------------------------------
// TASK 3: Lettura pulsante + debounce + commutazione LED2
//       + stampa dello stato di LED2 quando cambia
// -------------------------------
void taskLeggiPulsante() {
  static bool ultimaLettura = HIGH;            // lettura grezza precedente
  static bool statoStabile  = HIGH;            // stato stabilizzato (debounce)
  static unsigned long ultimoCambio = 0;       // momento dell'ultimo cambio lettura

  const unsigned long RITARDO_DEBOUNCE = 50;

  bool letturaAttuale = digitalRead(PIN_PULSANTE);

  // Se la lettura grezza cambia, aggiorniamo il timer di debounce
  if (letturaAttuale != ultimaLettura) {
    ultimoCambio = millis();
    ultimaLettura = letturaAttuale;
  }

  // Se la lettura resta stabile per un tempo sufficiente, la accettiamo come valida
  if (millis() - ultimoCambio >= RITARDO_DEBOUNCE) {
    if (letturaAttuale != statoStabile) {
      statoStabile = letturaAttuale;

      // Con INPUT_PULLUP: premuto = LOW
      // Commutiamo LED2 solo sul fronte di pressione (quando diventa LOW)
      if (statoStabile == LOW) {
        statoLedPulsante = !statoLedPulsante;
        digitalWrite(PIN_LED_PULSANTE, statoLedPulsante);

        // Stampa su Serial dello stato di LED2 al momento della commutazione
        Serial.print("LED2 (D8) ora e': ");
        Serial.println(statoLedPulsante ? "ACCESO" : "SPENTO");
      }
    }
  }
}

// -------------------------------
// TASK 4: Fade PWM (non bloccante) su pin PWM
// -------------------------------

void taskFadePwm() {
  // Aggiorniamo la luminosità con una cadenza regolare (INTERVALLO_FADEPWM).
  // Così l'effetto è fluido e, soprattutto, non blocca gli altri task.
  if (millis() - tempoPrecedenteFadePwm >= INTERVALLO_FADEPWM) {
    tempoPrecedenteFadePwm = millis();

    // Aggiorna luminosità in base alla direzione
    if (aumentaPwm) {
      luminositaPwm += passoPwm;
      if (luminositaPwm >= 255) {             // limite alto (classico 8-bit)
        luminositaPwm = 255;
        aumentaPwm = false;                   // inverti direzione
      }
    } else {
      luminositaPwm -= passoPwm;
      if (luminositaPwm <= 0) {               // limite basso
        luminositaPwm = 0;
        aumentaPwm = true;                    // inverti direzione
      }
    }

    // Applica PWM (luminosità percepita del LED)
    analogWrite(PIN_LED_FADE_PWM, luminositaPwm);
  }
}

Il fade PWM è un esempio perfetto per capire il multitasking su Arduino, perché l’effetto sembra continuo e fluido, quasi come se Arduino stesse “dimmerando” il LED in tempo reale senza occuparsi d’altro. In realtà non c’è nessuna operazione continua: il programma aggiorna la luminosità a piccoli passi (ad esempio +5 o −5) a intervalli regolari (per esempio ogni 10 ms), usando millis() per decidere quando fare l’aggiornamento successivo. Tra un passo e l’altro il loop() continua a girare e può eseguire gli altri task (lampeggio, lettura pulsante, seriale). È proprio questa alternanza rapida di micro-azioni temporizzate che crea l’illusione del “continuo”, mantenendo però il codice reattivo e capace di gestire più funzioni “in parallelo” senza blocchi e senza delay().

Buon Making a tutti 🙂

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