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Lezione 7 – Corso di Elettronica Creativa con Arduino Sensor Kit

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Utilizzo del microfono analogico

In questa lezione vedremo come utilizzare il sensore di suono integrato nell’Arduino Sensor Kit, leggeremo il segnale analogico prodotto con l’istruzione analogRead() e ne interpreteremo i valori.
Verrà introdotto, in modo estremamente semplice il concetto di decibel e vedremo come procedere alla calibrazione del microfono in funzione delle attività di sperimentazione che verranno proposte.

Il microfono del Sensor Kit è pre‑cablat​o sulla linea analogica A0 tramite il connettore Grove, quindi non sono necessari ulteriori collegamenti.

Principio di funzionamento

Il modulo Grove Sound Sensor è un ottimo strumento per misurare i rumori intorno a voi. Quando l’aria vibra a causa di un suono, una sottile membrana nel microfono si piega avanti e indietro. Questi movimenti generano una variazione di tensione: più forte è il suono, più grande è la variazione e quindi più alto sarà il numero che andremo a leggere con Arduino mediante l’istruzione analogRead().

Approfondimento tecnico

Per chi ha qualche competenza in più in elettronica aggiungo che all’interno del modulo è presente un microfono a elettrete o microfono electret collegato a un piccolo amplificatore (LM358). L’amplificatore rende il segnale abbastanza grande da poter essere rilevabile da Arduino. Un circuito chiamato rivelatore di inviluppo converte le onde sonore in un valore di tensione continua che rappresenta l’intensità del suono istantaneo.

  • Il segnale in uscita varia da 0 V (silenzio) a 5 V (suono molto forte).
  • Arduino lo misura con il convertitore A/D a 10 bit, producendo numeri da 0 a 1023.
  • Il modulo è sensibile a frequenze fino a ~20 kHz (oltre il limite dell’udito umano).
  • L’amplificatore amplifica il segnale di circa 26 dB, così anche suoni deboli diventano misurabili.
  • Il consumo di corrente è basso, circa 4‑5 mA.

Nelle specifiche del dispositivo parlo di convertitore A/D a 10 bit e decibel (dB) e indico che l’amplificatore amplifica, in modo più semplice, ingrandisce di 26 dB, vediamo cosa vuol dire.

Qualche concetto tecnico spiegato in modo semplice

Cos’è un convertitore A/D a 10 bit

Un convertitore A/D (Analogico → Digitale) è come un traduttore: trasforma la tensione continua che esce dal sensore in numeri che il microcontrollore può elaborare.

10 bit significa che abbiamo 2¹⁰ = 1024 possibili valori, da 0 (0 V) a 1023 (5 V circa). Ogni “scalino” vale quindi circa 5 V / 1023 ≈ 0,005 V (5 millivolt). Più bit, più la scala è fine e la misura precisa.

Che cosa sono i decibel (dB) e perché l’amplificatore “ingrandisce” di 26 dB?

Il decibel (dB) è una grandezza adimensionale ed è un modo logaritmico di confrontare due grandezze: dice “quante volte più grande” è un segnale rispetto a un altro, ma usa il logaritmo per compattare numeri dimensionalmente diversi in una scala più gestibile. Inoltre il nostro orecchio non percepisce l’intensità del suono in modo lineare: se la potenza acustica raddoppia non ci sembra “due volte più forte”, ma solo un po’ più intensa. Questa risposta psicoacustica si descrive bene con una scala logaritmica, perciò usiamo i decibel.

Per le tensioni si usa la formula:

dB = 20 × log10(V2 / V1)

  • 0 dB ⇒ stessa tensione
  • +6 dB ⇒ tensione circa doppia
  • −6 dB ⇒ tensione circa metà

Dire che l’amplificatore aumenta il segnale di 26 dB significa che la tensione in uscita è circa 20× (volte) più grande di quella che entra (perché 20× ≈ 26 dB). Così anche un suono debole crea un segnale abbastanza grande da essere misurato da Arduino.

ATTENZIONE

Questo sensore è pensato per percepire la presenza di suoni e valutarne l’intensità, non per registrare l’audio né per misurazioni professionali in decibel. Per avere dati certificati servono microfoni calibrati e convertitori più veloci.

Esempio di base

vedi sorgente
stampa?
1/*
2  Prof. Maffucci Michele
3  24.06.25
4  LED reagisce al suono
5  Accende il LED sul pin 6 se il valore supera la soglia impostata.
6*/
7 
8const int pinSuono   = A2;    // pin a cui è connesso il sensore
9const int pinLED     = 6;     // LED del Sensor Kik
10const int sogliaRumore = 200; // valore da calibrare in base all'ambiente
11 
12void setup() {
13  pinMode(pinLED, OUTPUT);
14  Serial.begin(9600);
15}
16 
17void loop() {
18  int livello = analogRead(pinSuono);
19  bool rumoreForte;
20  // per approfondimenti sui tipi di dati:
21  // https://www.maffucci.it/2020/11/15/arduino-tipi-di-dati-ripasso/
22 
23if (livello > sogliaRumore) {
24    rumoreForte = true;
25  } else {
26    rumoreForte = false;
27  }
28 
29if (rumoreForte) {
30    digitalWrite(pinLED, HIGH);  // se supera la soglia il LED viene acceso
31  } else {
32    digitalWrite(pinLED, LOW);   // se non supera la soglia il led viene mantenuto apento
33  }
34 
35Serial.print("Livello: ");
36  Serial.print(livello);
37  Serial.print("  Rumore forte? ");
38  Serial.println(rumoreForte ? "SI" : "NO");
39 
40delay(500);
41}

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Lezione 6 – Corso di Elettronica Creativa con Arduino Sensor Kit

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Sensore di luminosità

Inizio questa lezione con un’informazione che va a correggere quanto scritto sul sito Arduino in riferimento al Grove Light Sensor in cui erroneamente viene indicato il dispositivo come fotoresistenza, in realtà si tratta di un fototransistor e ciò, soprattutto per i neofiti può creare qualche problema di comprensione, soprattutto perché lo sketch presentato non fornisce esattamente quanto indicato.

Fotoresistenza o fototransistor?

  • Versione 1.0 del Grove-Light Sensor – usava una classica CdS LDR GL5528, cioè una vera fotoresistenza.
  • Versione 1.1 / 1.2 (quella montata sullo Shield dell’Arduino Sensor Kit) – per ragioni RoHS (il cadmio delle CdS è vietato) Seeed ha sostituito l’LDR con un LS06-S: si tratta di un sensore a fototransistor lineare (tecnicamente una fotodiodo-transistor) che “mima” la vecchia fotoresistenza ma è più rapido e lineare.

Il sito di Arduino non ha aggiornato la terminologia e continua a chiamarlo “photo-resistor”.

Ora come possiamo fare per non creare problemi a chi inizia?

Innanzi tutto se volete utilizzare una fotoresistenza vi rimando alle mie slide: Alfabeto di Arduino – Lezione 3, ma attenzione in questo caso dovrete usare una breadboard e realizzare un circuito con un resistore da 10Kohm e una fotoresistenza, in questo modo usando lo sketch presente sul sito Arduino o quelli indicati nelle mie slide tutto funzionerà ed avrete valori che variano tra 0 e circa 900, coll’esempio sul sito Arduino avrete un valore massimo più basso.

Dal punto di vista teorico cosa succede (usando una fotoresistenza):

La fotoresistenza (o LDR, Light Dependent Resistor) per rilevare l’intensità della luce:

  • la resistenza della fotoresistenza diminuisce quando l’intensità luminosa aumenta;
  • la resistenza della fotoresistenza aumenta quando l’intensità luminosa diminuisce.

L’ADC dell’Arduino la converte in un numero intero da 0 (buio) a 1023 (molta luce) quindi la lettura avviene tramite l’istruzione analogRead() per questo kit collegheremo direttamente il modulo al pin A3 e quindi nel codice scriveremo: analogRead(A3).

vedi sorgente
stampa?
1// Prof. Maffucci Michele
2// Uso del sensore di luminosità
3// 27.05.2025
4 
5int sensore_luce = A3;   // pin del sensore di luminosità
6 
7void setup() {
8  analogReference(INTERNAL);   // 1,1 V; attivare PRIMA di qualsiasi analogRead
9  delay(3);                    // attesa minima per la stabilizzazione della reference
10  Serial.begin(9600);          // avvia la comunicazione seriale
11}
12 
13void loop() {
14  int luce_grezza = analogRead(sensore_luce);      // legge il valore grezzo dal pin A3
15  int luce = map(luce_grezza, 0, 1023, 0, 100);    // converte 0–1023 in 0–100 (percentuale)
16 
17Serial.print("Livello di luce: ");
18  Serial.println(luce);  // stampa il valore di luce sul Monitor Seriale
19 
20delay(1000);           // attende 1 secondo prima della prossima lettura
21}

Le cose sono simili con il Grove-Light Sensor sull’Arduino Sensor Kit, ma avrete, come dicevo, valori massimi più bassi, che raggiungo circa i 750 con la torcia dello smartphone direttamente puntata sul fototransistor. Dal punto di vista funzionale nulla cambia ma è importante aver ben presente che siamo lavorando con componenti elettronici diversi che hanno comportamenti simili.

Con lo sketch precedente otterremo sulla serial monitor questi valori:

Il fatto che il valore massimo si fermi attorno a 750 è in realtà perfettamente coerente con l’elettronica del modulo.

Quindi per ora, per chi inizia potete far finta che il componente sull’Arduino Sensor Kit è una fotoresistenza e se desiderate potete fermarvi a questo punto.

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Nuova sezione dedicata a Processing!

2 Repliche

Ho appena pubblicato una pagina che raccoglie tutte le mie lezioni, esercizi e materiali su Processing in un unico posto comodo da consultare.

Trovate il link diretto nel banner “Processing”, ben visibile nella colonna destra del sito: cliccate e accedete alla raccolta completa, in continuo aggiornamento.

Se state seguendo il corso o cercate ispirazione per le vostre attività in classe, date uno sguardo e fatemi sapere cosa ne pensate ed ovviamente se avete suggerimenti nella realizzazione di lezioni non esitate a segnalarmeli.

Grazie

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Lezione 5 – Corso di Elettronica Creativa con Arduino Sensor Kit

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Il Buzzer

Quando progettiamo un impianto di automazione abbiamo quasi sempre bisogno di avvisare l’utente di uno stato o di un’anomalia. Oltre alle classiche spie luminose, un modo immediato per “farsi sentire” è impiegare un buzzer, noto colloquialmente come cicalino. Questo piccolo attuatore trasforma un segnale elettrico in un impulso sonoro che può variare da un semplice beep continuo a brevi toni di diversa frequenza.

Tipologie principali di buzzer

Attivo
Contiene un oscillatore interno che genera automaticamente la frequenza fissa non appena viene alimentato.
Con Arduino basta portare il pin di alimentazione a livello HIGH/LOW per abilitare o silenziare il suono.

Passivo
Non possiede oscillatore: necessita di un’onda quadra esterna per farlo vibrare.
Arduino può pilotarlo con PWM (analogWrite) o con la funzione tone() per scegliere la frequenza desiderata.

Tecnologie costruttive

I buzzer – siano essi attivi o passivi – possono realizzarsi con due differenti principi fisici:

  • Magnetici
    una bobina varia il campo magnetico e fa oscillare una sottile membrana metallica.
  • Piezoelettrici
    un disco di materiale piezo si deforma quando riceve tensione, generando la vibrazione acustica.

La scelta fra le due tecnologie dipende principalmente da:

  1. Segnale di pilotaggio disponibile (continua, PWM, ampiezza)
  2. Pressione sonora richiesta (volume)
  3. Spazio e forma concessi dal progetto

Come funziona un buzzer attivo

All’interno è presente un piccolo circuito oscillatore che, alimentato in continua, fa variare il campo magnetico di una bobina. La bobina è rigidamente accoppiata a una membrana, la quale vibra alla frequenza impostata dal circuito e produce un suono costante. In pratica: lo accendiamo – suona; lo spegniamo – tace.

Dati tecnici

  • Tensione nominale: 6V DC
  • Tensione di esercizio: 4-8V DC
  • Corrente nominale: < 30mA
  • Tipo di suono: segnale acustico continuo
  • Frequenza di risonanza: ~2300 Hz

Come funziona un buzzer passivo

Il buzzer passivo è sprovvisto di oscillatore e si comporta come un piccolo altoparlante: emette il tono dell’esatta frequenza del segnale che riceve. Con Arduino possiamo quindi:

  • generare una frequenza fissa con tone(pin, freq);
  • modulare il duty-cycle tramite analogWrite() per variare il volume;
  • creare melodie cambiando velocemente frequenza e durata.

Dati tecnici

  • Tensione nominale: 5V DC
  • Tensione di esercizio: 4-8V DC
  • Corrente nominale massima: ≤ 32 mA
  • Min. Uscita audio a 10 cm: 85 dB
  • Temperatura di esercizio: da 20°C a 45°C

Poiché vogliamo utilizzare il buzzer dell’Arduino Sensor Kit a questo punto possiamo chiederci:

“ma di che tipo è il buzzer di questo kit?”

E’ un buzzer di tipo passivo.

Nelle spiegazioni abbiamo parlato di PWM, di seguito alcuni dettagli, ma se volete approfondire consultate le mie slide: Alfabeto Arduino – Lezione 2 e l’approfondimento su questo sito: Arduino – Approfondimenti sulla modulazione di larghezza di impulso (PWM).

Per uno studio ancora più approfondito: Secrets of Arduino PWM.

Che cos’è il PWM

La modulazione di larghezza d’impulso, o PWM (Pulse Width Modulation), è una tecnica che permette di ottenere effetti analogici usando mezzi digitali. Il controllo digitale genera un’onda quadra, un segnale che passa continuamente da acceso (ON) a spento (OFF). Variando la frazione di tempo in cui il segnale rimane acceso (alto) rispetto a quella in cui rimane spento (basso), è possibile simulare tensioni intermedie tra lo 0 V (spento) e i 5 V (acceso al 100 %). Il periodo in cui il segnale resta acceso si chiama larghezza dell’impulso. Modificando (ovvero modulando) questa larghezza si ottengono valori analogici diversi. Se la commutazione ON/OFF avviene abbastanza velocemente, il segnale risulta percepito come una tensione “media” continua compresa tra 0 V e 5 V.
Questo segnale PWM può dunque essere usato per controllare con facilità un buzzer passivo.
Per generare segnali PWM con Arduino si utilizza la funzione analogWrite(), mentre digitalWrite() produce solo segnali in corrente continua (DC).
Sulla tua scheda ci sono sei pin digitali contrassegnati dal simbolo “~” (tilde), che indica la capacità di gestire un segnale PWM: 3, 5, 6, 9, 10, 11. Questi sono chiamati pin PWM.

Collegamenti

Come abbiamo detto precedentemente Il buzzer del kit è passivo: non produce autonomamente il tono, ma vibra quando riceve un’onda quadra. Con analogWrite() inviate un’onda PWM; variando il duty-cycle (0-255) variate il volume.

Esempio 1:  emissione di un beep

vedi sorgente
stampa?
1/* Prof. Maffucci Michele
2   beep con il buzzer
3   14.05.25
4*/
5 
6const int BuzzerPin = 5;       // D5 ha anche il simbolo ~ = PWM
7 
8void setup() {
9  pinMode(BuzzerPin, OUTPUT);  // imposta il pin come uscita
10}
11 
12void loop() {
13  analogWrite(BuzzerPin, 128); // 50 % di duty-cycle ≈ volume medio
14  delay(1000);                 // suona per 1 s
15  analogWrite(BuzzerPin, 0);   // silenzio
16  delay(1000);                 // pausa di 1 s
17}

Funzionamento del codice

  • pinMode()
    imposta il pin in uscita, così può fornire tensione
  • analogWrite(pin, val)
    genera un’onda quadra a ~490 Hz sul pin; val è il duty-cycle (0 = 0 %, 255 = 100 %)
  • delay(ms)
    pausa del programma – qui determina per quanto tempo il buzzer resta attivo/inattivo

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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

  1. Comprendere il funzionamento del potenziometro come partitore di tensione variabile.
  2. Collegare correttamente il modulo Potentiometer Grove allo shield Arduino Sensor Kit.
  3. Misurare la posizione del cursore con analogRead() e convertire in un valore all’interno di un range fissato.
  4. 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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