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Lezione 4 – Corso di Elettronica Creativa con Arduino Sensor Kit

Il potenziometro

I potenziometri sono tra i resistori variabili più diffusi la cui legge di variazione della resistenza dipende da una grandezza meccanica (generalmente la rotazione di un albero, in qualche caso lo spostamento rettilineo di un cursore).

I resistori variabili sono schematicamente indicati con uno dei due simboli riportati di seguito:

Un resistore variabile è caratterizzato dal suo valore ohmico esistente tra i due terminali fissi; esso può essere utilizzato all’interno di un circuito in due modi come reostato, utilizzato come regolatore di corrente o come potenziometro utilizzato come regolatore di tensione, in questa lezione ne vedremo l’utilizzo come potenziometro.

Non tutti i potenziometri sono uguali, nei potenziometri “logaritmici” (usati negli amplificatori audio) la variazione di resistenza segue una curva esponenziale per meglio adattarsi alla percezione umana del volume.

Obiettivi di questa lezione

Comprendere il funzionamento del potenziometro come partitore di tensione variabile.
Collegare correttamente il modulo Potentiometer Grove allo shield Arduino Sensor Kit.
Misurare la posizione del cursore con analogRead() e convertire in un valore all’interno di un range fissato.
Utilizzare l’istruzione di controllo di flusso IF-THEN-ELSE.

Teoria di base

Il microcontrollore ATmega328 è dotato si 6 ADC (Analog to Digital Converter – Convertitori Analogici Digitali)
Gli ingressi analogici leggono valori compresi tra 0 e 5 volt
La risoluzione dei valori convertiti in digitale è di 10 bit (1024 valori)
Ogni bit equivale a valori di tensione pari a 5/1024 = 4,8 mV che è la più piccola misura di tensione che si può rilevare

Le grandezze fisiche del mondo reale sono di tipo analogico ed Arduino dispone di una serie di ingressi adibiti alla lettura di grandezze di tipo analogico, che come dettagliato nella lezione 1, vengono poi convertire dal microcontrollore in grandezze di tipo digitale.

Le variazioni di grandezze di tipo analogico vengono lette da Arduino come variazioni di tensione sugli ingressi analogici.

Un sensore generico quindi, connesso sui pin analogici fornirà una tensione che sarà funzione della grandezza fisica misurata.

Per poter simulare la variazione di tensione e quindi studiare il comportamento di un generico sensore e capire come leggere valori analogici, utilizzeremo in questa fase un potenziometro o un trimmer, componente elettronico che consente di variare la tensione presente ai suoi capi.

Il Grove Rotary Potentiometer

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Lezione 3 – Corso di Elettronica Creativa con Arduino Sensor Kit

2 Repliche

A distanza di qualche mese riprendo le mie brevi lezioni sull’uso dell’Arduino Sensor Kit, mi dispiace non stato celere nel produrre altre lezioni, ma gli impegni lavorativi mi hanno parecchio coinvolto.

Come già avevo avuto modo di segnalare nelle precedenti lezioni, per la realizzazione di queste guide prendo come riferimento l’indice presente sul sito Arduino e su quella traccia realizzo lezioni un po’ più approfondite che mi permettono poi di strutturare una lezione di laboratorio di circa due ore di attività.

Giusto per non far “arrabbiare” nessuno — mi riferisco a chi potrebbe critica le modalità con cui vengono presentati alcuni argomenti di elettronica — ricordo che queste lezioni sono dedicate a chi non ha mai affrontato lo studio dell’elettronica (neofiti o studenti della secondaria di primo grado e studenti dei primi due anni della scuola superiore), pertanto alcuni concetti richiedono chiarimenti e inevitabili semplificazioni, che consentiranno di riprendere gli stessi argomenti con maggiore facilità quando le competenze teoriche saranno più solide.

Gli obiettivi di questa terza lezione sono:

comprendere come funziona un pulsante a livello elettrico e meccanico.
sviluppare sketch via via più complessi:
- accensione di un LED alla pressione del pulsante;
- Indicazione dello stato del LED sulla SerialMonitor;
- cicli di blink avviati da pulsante;
- cicli di blink avviati da pulsante e segnalazione del numero di cicli.

Per lo svolgimento di questa esercitazione abbiamo necessità solamente dell’Arduino Sensor Kit ed utilizzeremo:

Il pulsante:

Il LED:

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Arduino UNO R4 WiFi – DAC – generazione di onde sinusoidali, quadre e a dente di sega

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Una delle nuove caratteristiche presenti in entrambe le schede Arduino Uno R4, Minima e WiFi, è l’inclusione di un singolo DAC a 12 bit. Questo può generare tensioni di uscita discrete da 0 a 5 volt. Poiché questa funzionalità può essere di estremo interesse nelle attività di laboratorio di Elettronica ne indico di seguito il principio di funzionamento per sviluppare future esercitazioni.

Principio di funzionamento

Un DAC, o Convertitore Digitale-Analogico (in inglese: Digital-to-Analog Converter), è un dispositivo che converte un valore digitale (in binario) in un valore analogico (segnali continui che possono assumere un’infinità di valori all’interno di un intervallo).
Si tratta dell’operazione inversa di quella eseguita da un ADC, o Convertitore Analogico-Digitale, che converte un segnale analogico in una rappresentazione digitale.

Il processo di conversione avviene in tre fasi:

lettura in input dei dati digitali,
conversione in analogico
output del segnale analogico

Il DAC riceve in input un segnale digitale, che è rappresentato da una serie di valori binari (0 e 1), l’elettronica del DAC consente successivamente di convertire i valori binari in un segnale di output analogico che può essere utilizzato per pilotare dispositivi analogici come altoparlanti, motori, o altre apparecchiature che necessitano di un ingresso analogico.

Dal punto di vista pratico un DAC può essere utilizzato per creare un’uscita analogica a partire da un valore digitale utile per molte applicazioni, ad esempio per generare forme d’onda audio, per pilotare dispositivi che richiedono un input analogico, o per creare segnali di tensione variabile. Ad esempio nei sistemi audio un DAC converte i segnali audio digitali (come quelli presenti nei file MP3 o nei CD) in segnali analogici che possono essere riprodotti attraverso altoparlanti o cuffie.

Per semplificare ulteriormente nell’utilizzo con Arduino UNO R4, immaginate di avere un valore digitale che varia da 0 a 4095 (rappresentando un range di 12 bit). Un DAC potrebbe convertire questo valore in una tensione che varia, ad esempio, da 0V a 5V. Quindi, se il valore digitale fosse 512 (circa metà del range), l’uscita del DAC potrebbe essere di circa 0,6V.

Vediamo un esempio pratico.

Lo sketch che segue genera una forma d’onda sinusoidale o, meglio, una forma d’onda sinusoidale “simulata”. La frequenza della forma d’onda sinusoidale viene controllata da potenziometro.

Utilizzeremo un oscilloscopio per visualizzare l’onda sinusoidale, il collegamento è piuttosto semplice, abbiamo bisogno di un potenziometro lineare con una resistenza di 5 KOhm o superiore, io ho utilizzato un potenziometro da 10 KOhm.

La sonda dell’oscilloscopio deve essere connessa al pin A0 che viene usata come uscita del DAC. Il potenziometro ha il pin centrale connesso ad A5 (ingresso del DAC), un pin laterale connesso a 5V sulla scheda e l’altro pin laterale connesso a GND sulla scheda.

Se non possedete un oscilloscopio potete inviare l’output ad un amplificatore audio in modo che possiate ascoltare la tonalità generata, ricordate però che se procedete in questo modo bisogna assicurarsi che il controllo del volume sull’amplificatore sia al minimo, dopo di che lentamente aumentate il volume.

Il codice indicato di seguito è tratto dall’esempio di riferimento sul sito Arduino e all’interno degli esempi dell’IDE su cui ho inserito i commenti tradotti in italiano e fatto una piccola correzione.

La spiegazione del funzionamento la trovate nei commenti.

1// Prof. Maffucci Michele
2// Arduino UNO R4 Digital-to-Analog Converter (DAC)
3// Sketch di esempio tratto da: https://docs.arduino.cc/tutorials/uno-r4-wifi/dac/
4 
5// libreria per la generazione di forme d'onda analogiche
6#include "analogWave.h"
7 
8// Crea un'istanza della classe analogWave, usando il pin DAC
9analogWave wave(DAC);
10 
11int frequenza = 10; // variabile intera che conterrà la frequenza rilevata
12 
13void setup() {
14Serial.begin(115200);
15// pinMode(A5, INPUT); // non necessaria perchè ingresso analogico
16wave.sine(frequenza);
17}
18 
19void loop() {
20// legge un valore analogico dal pin A5 e lo mappa nell'intervallo 0 - 10000 Hz
21frequenza = map(analogRead(A5), 0, 1024, 0, 10000);
22 
23// Stampa l'aggiornmento dell frequenza impostata sulla serial monitor
24Serial.println("La frequenza e' " + String(frequenza) + " hz");
25 
26// Imposta la frequenza del generatore di forma d'onda sul valore aggiornato
27wave.freq(frequenza);
28 
29// aspetta un secondo prima di ripetere la successiv rilevazione
30delay(1000);
31}

Volutamente ho lasciato commentata nel setup() la riga di codice in cui viene impostato il pinMode del pin A5 perché non è necessario inizializzare un pin Analogico, nell’esempio originale invece viene inizializzata.
A tal proposito per chi inizia con Arduino consiglio la lettura della guida: “Errori comuni nell’uso di Arduino – confondere pin analogici con pin digitali“.

Il risultato sarà il seguente:

E’ possibile quindi generare forme d’onda non solo sinusoidali, la funzione wave permette di impostare:

sine – onda sinusoidale
square – onda quadra
saw – onda a dente di sega

sarà sufficiente sostituire wave.sine(frequenza) presente nella sezione setup() rispettivamente con:

wave.square(frequenza);
wave.saw(frequenza);

Onda quadra:

Onda a dente di sega:

Buon Making a tutti

Lezione 2 – Corso di Elettronica Creativa con Arduino Sensor Kit

1 Replica

Come ormai tutti sappiamo un LED si presenta come un piccolo componente elettronico che emette luce quando attraversato da corrente elettrica. I LED sono molto usati nella vita di tutti i giorni in vari dispositivi come lampadine, schermi di telefoni e computer, telecomandi, e molto altro.

Immaginate il LED come una lampadina molto piccola, ma molto più efficiente ed ecologica. A differenza delle lampadine tradizionali, che producono luce riscaldando un filamento metallico, i LED producono luce attraverso un processo chiamato “elettroluminescenza”. Questo processo avviene quando la corrente elettrica passa attraverso un semiconduttore (il materiale di cui è costituito il LED) e lo stimola a emettere luce.

Un po’ di storia

Nel corso del primo Novecento, l’ingegnere inglese Henry Joseph Round fece una scoperta rivoluzionaria: l’elettroluminescenza, ovvero la proprietà di certi materiali di emettere luce quando attraversati da corrente elettrica. Da questa scoperta, nascono i LED acronimo di Light Emitting Diode (Diodo a Emissione di Luce), diodi specializzati nell’utilizzare tale fenomeno. Il primo LED, operante nell’infrarosso, venne introdotto nel 1961 e ancora oggi è ampiamente utilizzato in dispositivi come telecomandi e fotocellule.

L’anno successivo alla creazione del primo LED infrarosso, nel 1962, Nick Holonyak Jr. fece un ulteriore passo avanti sviluppando il primo LED rosso, capace di emettere luce visibile direttamente all’occhio umano. Gli studi su questi nuovi diodi proseguirono, focalizzandosi sulle varie applicazioni pratiche, come nell’ambito dei laser, e sull’esplorazione dei materiali necessari per produrre diverse tonalità di luce, combinando più fonti luminose per ottenere una vasta gamma di colori.

Durante gli anni cruciali della ricerca sui LED, un importante contributo venne dall’ingegnere americano M. George Craford, ex studente di Holonyak all’Università dell’Illinois. Nel 1972, Craford realizzò un significativo avanzamento creando i primi LED gialli che furono commercializzati dalla Monsanto, l’azienda per cui lavorava. Dedicate interamente al settore dei LED, le ricerche di Craford furono fondamentali per la loro prima larga diffusione, come dimostra il loro impiego in applicazioni quali semafori e segnalazioni luminose stradali.

Vantaggi nell’uso dei diodi LED

Consumano meno energia: sono molto più efficienti delle lampadine tradizionali, il che significa che usano meno elettricità per produrre la stessa quantità di luce.
Durano più a lungo: possono funzionare per migliaia di ore prima di dover essere sostituiti.
Sono robusti: non contengono filamenti o parti fragili che si possono rompere facilmente.
Offrono diverse colorazioni: i LED possono emettere luce di vari colori senza l’uso di filtri colorati.

Un esempio pratico molto semplice che potete realizzare a scuola è collegare un LED a una batteria con un piccolo resistore (di seguito sono fornite le indicazioni per il calcolo del valore del resistore) per limitare la corrente e proteggere il LED: noterete come si illumina, dimostrando in modo semplice ed efficace come funziona.

Struttura Fisica del LED

Un LED è composto principalmente da un chip di materiale semiconduttore in cui sono presenti impurità per creare una giunzione P-N. La giunzione è dove avviene l’elettroluminescenza (emissione di luce). Il chip è incapsulato in un guscio di plastica o vetro, che può essere modellato per focalizzare o diffondere la luce. I LED hanno due terminali: un anodo (+) e un catodo (-). La corrente elettrica fluisce dall’anodo al catodo, e questo flusso di corrente permette al LED di emettere luce.

Modalità di Polarizzazione

Per funzionare correttamente, un LED deve essere polarizzato in modo diretto, il che significa che l’anodo deve essere collegato al polo positivo della fonte di alimentazione e il catodo al polo negativo. Se il LED è collegato al contrario (polarizzazione inversa), non si accenderà perché la corrente non può fluire attraverso di esso nel modo giusto.

Calcolo della Resistenza Serie

Per proteggere il LED da correnti eccessive, si usa una resistore connesso in serie. Il calcolo di questa della resistenza (R) dipende dalla tensione di alimentazione (V_S), dalla tensione del LED (VI) e dalla corrente desiderata attraverso il LED (I_LED):

Dove:

V_S è la tensione di alimentazione
V_LED è la tensione di funzionamento del LED, tipicamente tra 1.8V e 3.3V a seconda del colore
I_LED è la corrente di funzionamento desiderata per il LED, solitamente intorno a 20mA per la maggior parte dei LED, ma può variare.

Corrente di Funzionamento e Colore

La corrente di funzionamento del LED influisce sulla luminosità, ma anche il colore del LED ha un ruolo nella determinazione della tensione di funzionamento. Ecco alcune tensioni di funzionamento approssimative in base al colore:

Rosso: 1.8V – 2.2V
Verde: 2.0V – 3.0V
Blu, Bianco, UV: 3.0V – 3.5V

Questi valori possono variare a seconda del tipo specifico di LED. Per un funzionamento sicuro, è essenziale controllare le specifiche del produttore del LED che si sta utilizzando.

Ricordate, utilizzare un resistore di valore adeguato è cruciale per prevenire il danneggiamento del LED a causa di una corrente troppo elevata. Il calcolo della resistenza in serie aiuta a garantire che il LED riceva la corrente corretta per il suo ottimale funzionamento e durata.

Di seguito un esempio di collegamenti per controllare l’accensione di un diodo LED rosso:

Materiali Necessari

1 LED rosso
1 resistenza (calcoleremo il valore)
1 batteria (per esempio, una batteria da 9V)
Cavi di collegamento

Calcolo della Resistenza

Prima di collegare il circuito, dobbiamo calcolare il valore della resistenza necessaria per proteggere il LED. Supponendo che il LED rosso abbia una tensione di funzionamento di circa 2V e che la corrente ideale per il LED sia di 20mA (0,02A), usiamo una batteria da 9V come alimentazione. Il calcolo della resistenza (R) si basa sulla formula precedentemente indicata dove:

Vs, tensione di alimentazione vale 9V
V_LED, tensione di funzionamento del LED vale 2V per un LED rosso
I_LED, corrente di funzionamento desiderata per il LED, vale 0,02A (2 mA)

Sostituendo i valori nella formula otteniamo:

Il valore 350 Ohm è quello calcolato, bisognerà quindi ora scegliere il valore commerciale prossimo al valore calcolato, si potrà scegliere quindi tra 330 Ohm o 360 Ohm.

Collegamento del Circuito

Collega un’estremità della resistenza a uno dei terminali della batteria (il polo positivo, se state usando un portabatterie con i cavi già attaccati).
Collega l’altra estremità della resistenza al terminale più lungo (anodo) del LED. L’anodo è il lato positivo del LED.
Collega il terminale più corto (catodo) del LED al polo negativo della batteria. Puoi fare questo direttamente o usando un cavo.
Una volta completato il collegamento, il LED dovrebbe accendersi. Se non si accende, verifica i collegamenti e assicurati che la batteria sia carica.

Ricordate come detto sopra, è importante non invertire la polarità del LED, perché non si illuminerà se collegato al contrario.

Nel modulo Grove LED incluso nell’Arduino Sensor Kit, la resistenza di limitazione della corrente è già integrata sul PCB (circuito stampato), quindi, non c’è bisogno di preoccuparsi di aggiungere manualmente una resistenza esterna quando lo usate; questa parte del lavoro è già stata fatta per voi. Questo tipo di collegamento verrà approfondito in un corso successivo.

Ricordate, state partecipando a un corso introduttivo il cui scopo è guidarvi, passo dopo passo, nel mondo della programmazione e nella realizzazione di sistemi elettronici. Questo approccio semplificato vi permette di concentrarvi sull’apprendimento delle basi, evitando inizialmente di soffermarvi troppo sui dettagli tecnici.

Utilizzare l’Arduino Sensor Kit

Le funzioni che verranno usate nei programmi che seguono saranno le seguenti:

pinMode()
La funzione pinMode() in Arduino è essenziale per impostare la modalità di funzionamento di uno specifico pin della scheda Arduino. Questa funzione permette di definire se un pin deve comportarsi come un ingresso (input) ovvero riceve un segnale in ingresso o come un’uscita (output) ovvero fornisce un segnale in uscita.

digitalWrite()
La funzione digitalWrite() in Arduino è utilizzata per scrivere un valore HIGH (1 logico corrispondente a 5V) o LOW (0 logico, corrispondente a 0V) su un pin configurato come OUTPUT. Questo permette di controllare dispositivi elettronici come LED, motori e altri componenti elettronici.

delay()
La funzione delay() in Arduino è utilizzata per introdurre un ritardo nel programma per un determinato numero di millisecondi. Durante questo ritardo, il programma si ferma e non esegue altre istruzioni. Questo può essere utile per controllare il timing di varie operazioni, come il lampeggio di un LED, il ritardo tra due azioni. Vedremo in lezioni successive come utilizzare un’altra tecnica per la gestione dei ritardi che permette di non bloccare l’intera esecuzione del programma.

Sketch 1

1// Prof. Maffucci Michele
2// Blink del LED connesso al pin digitale 6
3 
4// #define permette di assegnare un none ad un valore costante prima che
5// il programma venga compilato.
6// Le costanti così definite non occupano spazio nella memoria del mirocontrollore
7 
8#define LED 6
9 
10void setup() {
11// inserire quì il codice che deve essere eseguito una sola volta
12// dal momento che colleghi all'alimentazione Arduino
13pinMode(LED, OUTPUT); // con pinMode indichiamo come verrà usato il pin, in questo caso come output
14}
15 
16void loop() {
17// Inseriamo nel loop il codice che vogliamo
18// venga ripetuto continuamente
19 
20digitalWrite(LED, HIGH); // Imposta ad HIGH (5V) la tensione sull'anodo del LED
21delay(1000); // Attesa di 1000 millisecondi
22digitalWrite(LED, LOW); // Imposta ad LOW (0V) la tensione sull'anodo del LED
23delay(1000); // Attesa di 1000 millisecondi
24}

Sketch 2

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Contenitore per stazione meteorologica

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Come promesso nei scorsi giorni sui social, spero di fare cosa gradita nel condividere i progetti per la realizzazione di una piccola casetta da esterno per ospitare i circuiti elettronici che serviranno per realizzare una stazione meteorologica. Nel video allegato il contenitore della stazione meteorologica realizzato in compensato e tagliato a laser che può essere anche stampato in 3D.

La struttura è volutamente realizzata ad incastro per facilitarne la realizzazione e l’assemblaggio. All’interno saranno inseriti i circuiti necessari che in funzione della classe frequentata dagli studenti potranno essere: microbit, schede Arduino, Esp32 ecc…

L’attività con i ragazzi prevede: corso di meteorologia, esercitazioni sulle tecnologie elettroniche e realizzazione della stazione meteorologica.

Sul tetto del della stazione meteorologica verrà disposto un piccolo pannello solare che permetterà la ricarica della batteria di alimentazione utilizzata per i circuiti elettronici.

Per prelevare i sorgenti per il taglio laser e la stampa 3D seguire il link su Thingiverse.

Buon Making a tutti

Michele Maffucci

… my stories, life and work

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Lezione 4 – Corso di Elettronica Creativa con Arduino Sensor Kit