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:
Obiettivo: ottenere un pannello ordinato e modulare dove fissare in un attimo Arduino, Raspberry Pi, breadboard, alimentazione, accessori di misura, strumenti da lavoro.
Laser CO₂ / diode ≥ 40 W per taglio multistrato 4 mm (o servizio esterno).
Il pannello SKÅDIS può essere stampato in 3D di dimensioni variabili che possono essere agganciati tra loro.
Perché costruirlo questi pannelli per le sperimentazioni didattiche
Durante le lezioni di elettronica applicata mi trovo spesso a dover passare, nella stessa mattina da un semplice circuito realizzato con Arduino ad un sistema di automazione gestito da PLC, oppure alla realizzazione di un’esercitazione di demotica svolta su pannelli su cui è riposta la planimetria di un’abitazione su cui gli studenti cablano sensori ed attuatori.
Un pannello modulare SKÅDIS risolve quattro problemi in un colpo solo:
Ordine operativo – ogni circuito trova il suo posto: MCU, shield, breadboard e linee di alimentazione sono ancorati, non “ballano” sul banco, e i cavi di misura restano liberi da grovigli.
Visualizzazione del complessivo – fissando al legno la stampa di una pianta dell’abitazione, gli allievi hanno sotto gli occhi una mappa in cui inserire tutti i dispositivi, ciò rende più chiara la distribuzione dell’I/O e logica di cablaggio.
Portabilità – in pochi secondi il pannello diventa una valigetta di prototipazione che può diventare una piccola stazione meteorologica o un sistema per la rilevazione di micropolveri da collocare all’esterno della scuola oppure portare ad una fiera.
Ecosistema open‑source infinito – online esistono migliaia di modelli gratuiti compatibili SKÅDIS (strumenti, bobine per cavi, supporti sensore, clip per sonde, mini‑cassetti, barre DIN, porta-breadboard e molto altro). Bastano pochi clic su MakerWorld, Printables o Thingiverse per scaricare l’STL, lanciare la stampa e arricchire il pannello con accessori su misura, espandendo il progetto all’infinito senza costi aggiuntivi.
Il pannello SKÅDIS lo vedo non solo come un supporto fisico, ma è il canvas su cui disegnare, smontare e ricostruire qualunque idea elettronica, sfruttando una community globale che rilascia in continuazione nuovi moduli pronti da stampare, un modo per mantenere ordinato il laboratorio.
I link di seguito indicati vi permettono di accedere ad una lista enorme di oggetti da stampare in 3D ed agganciare al pannello SKÅDIS.
In un prossimo post vi mostrerò come ho realizzato un carrello con piccoli tavolini acquistati all’Ikea per contenere scatole per progetti. Sui lati del carrello ho fissato pannelli SKÅDIS per conservare gli attrezzi di lavoro.
Tutto ebbe inizio dalla lettura del libro: “Il tuo secondo cervello” di Tiago Forte.
Sto lavorando alle nuove slide del mio “Starter Kit delle competenze digitali”, un percorso pensato per fornire strumenti pratici e immediati per affrontare le sfide della progettazione, gestione del tempo e documentazione nel contesto formativo indirizzato sia a docenti che studenti.
Una delle sezioni più importanti è proprio dedicata alle metodologie organizzative, e tra queste non poteva mancare il sistema PARA ideato da Tiago Forte, una strategia che ha modificato nell’ultimo anno il mio modo di gestire il lavoro. Questo metodo, semplice e versatile, consente di strutturare progetti, responsabilità e risorse in modo funzionale, riducendo il disordine mentale e migliorando la produttività.
In questo post voglio condividere un riassunto del metodo PARA, che inserirò nel mio Starter Kit, spiegandone i principi base e illustrando come può essere applicato nella progettazione didattica e nella gestione dei corsi.
Scopriamo come funziona e quali vantaggi offre.
Cos’è il sistema PARA?
PARA è un acronimo che si sviluppa in quattro categorie principali:
Projects (Progetti):
tutte le attività specifiche che hanno un obiettivo chiaro e una scadenza.
Esempio: preparare un corso di formazione, creare materiali didattici, organizzare una lezione pratica.
Areas (Aree di responsabilità):
gli ambiti più generali e continuativi della tua vita o del tuo lavoro.
Esempio: la didattica, la comunicazione con gli studenti, la gestione dei materiali formativi.
Resources (Risorse):
tutte le informazioni e i materiali utili, non legati a un progetto specifico, ma che potrebbero servire in futuro.
Esempio: articoli, modelli di slide, esempi di attività didattiche.
Archive (Archivio): dove conservi ciò che non è più attuale ma potrebbe tornarti utile. Esempio: materiali di corsi passati o progetti conclusi.
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.
// Stampa l'aggiornmento dell frequenza impostata sulla serial monitor
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Serial.println("La frequenza e' "+ String(frequenza) + " hz");
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// Imposta la frequenza del generatore di forma d'onda sul valore aggiornato
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wave.freq(frequenza);
28
29
// aspetta un secondo prima di ripetere la successiv rilevazione
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delay(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:
Credo che una delle problematiche più ostiche da gestire soprattutto per i neofiti è l’utilizzo degli intervalli di tempo in cui eseguire operazioni con Arduino, mi riferisco all’uso e all’abuso improprio del delay(). Infatti gli studenti scoprono che, sebbene la funzione delay() sia facile da usare, ha degli effetti collaterali importanti; il principale è che ferma l’esecuzione dello sketch Arduino fino a quando non è trascorso il periodo di delay. Quando ciò accade, di solito chi spiega indirizza lo studente sull’esempio di defaut sulla temporizzazione non bloccante che troviamo nell’IDE di Arduino: BlinkWithoutDelay.
Molto spesso però questo confonde ancora di più le idee perché in realtà non si vuole solo far lampeggiare un LED ma si vogliono eseguire più operazioni contemporaneamente, quindi è bene comprendere a fondo il principio di funzionamento del BlinkWithoutDelay prima di poterlo applicare alla propria situazione.
Ho pensato quindi di realizzare qualche post tematico sull’uso di millis(), prendendo spunto dalle spiegazioni che realizzo per gli studenti.
Per usare millis() per la temporizzazione è necessario registrare il momento in cui un’azione si è verificata (ad esempio accensione di un LED ritardata alla pressione di un pulsante) affinché possiate iniziare a contare il tempo trascorso da tale evento, dovrete quindi controllare ad intervalli regolari se il periodo richiesto è trascorso.
Se tale intervallo di tempo non è trascorso allora il vostro programma potrà fare altro fino al prossimo controllo.
Nei programmi che seguono userò i commenti all’interno dello sketch per spiegare l’utilizzo delle varie parti del programma.
Ma cos’è millis()?
La funzione millis() restituisce il numero di millisecondi trascorsi dall’avvio del programma corrente su una scheda Arduino. Questo valore è restituito come un numero di tipo unsigned long.
Come Funziona
Incremento Automatico: il conteggio inizia automaticamente quando il microcontrollore sulla scheda Arduino viene alimentato o resettato. Il conteggio continua ad aumentare fino a che la scheda rimane alimentata.
Overflow: poiché millis() utilizza una variabile di tipo unsigned long, che ha una dimensione di 32 bit su Arduino, il valore massimo che può raggiungere è 4,294,967,295, dopo aver raggiunto questo valore, si andrà in overflow (ovvero Arduino non è in grado di memorizzare un numero più grande) e il valore restituito da millis() ripartirà da zero. Questo avviene dopo circa 49 giorni e 17 ore dall’ultimo reset della scheda.
Utilizzi di millis()
Di seguito una lista non esaustiva di alcuni utilizzi della funzione millis():
Temporizzazione non bloccante: a differenza di delay(), che ferma l’esecuzione del programma per un periodo specificato, millis() può essere utilizzato per realizzare pause o attese senza bloccare altre operazioni. Questo è particolarmente utile in applicazioni multitasking dove altre attività devono continuare ad essere eseguite.
Debounce: viene spesso usata per implementare il debounce di pulsanti o switch, riducendo gli effetti dei rimbalzi meccanici che possono causare letture multiple per una singola pressione.
Esecuzione di azioni a intervalli regolari: può essere utilizzata per eseguire specifiche azioni a intervalli regolari, come leggere sensori, aggiornare display, o inviare dati.
Pratica di utilizzo
Per utilizzare millis() per la temporizzazione, il vostro sketch deve conoscere il valore attuale del tempo (valore restituito da millis()) e questa rilevazione può essere fatto quando volete, in più punti dello sketch ovviamente dovrebbe essere fatta quando serve, ma vediamo cosa vuol dire.
Tipicamente il valore di millis() conviene registrarlo in una variabile ad inizio loop() o all’interno del setup() in questo modo:
millisCorrente = millis();
Regola di utilizzo:
La variabile millisCorrente deve essere stata precedentemente dichiarata.
Deve essere di tipo unsigned long perché millis() restituisce un intero long senza segno.
Regole generali che valgono per tutti i programmi che realizzerete, lo scrivo perchè puntualmente durante le correzioni qualcuno dimentica questa due regolette:
Il nome della variabile, così come accade per tutte le variabili dovrebbe essere autoesplicativa, quindi il suo nome deve dare informazioni: “a cosa serve”
Inoltre è buona regola utilizzare la notazione Camel Case per gestire nomi di variabili composte da più parole, ciò vale anche per le funzioni.
Come spesso accade durante le attività di laboratorio, lascio come semplicissimo esercizio per lo studente il desumere i componenti utilizzati e connessioni dagli sketch di esempio, quindi fate riferimento a quanto indicato in ogni singolo programma, si tratterà semplicemente di connettere dei LED con in serie un resistore da 220 Ohm. Per quanto riguarda l’ultimo esempio fate riferimento al link indicato che rimanda ad un altro post su questo sito.
Siete ora pronti per seguire le spiegazioni successive.
