Esperienza di laboratorio: verifica della tabella di verità del Flip Flop SR (Set-Reset) con integrato 7402 ed Arduino

Il più semplice circuito digitale di memoria è il flip-flop Set-Reset. Esso è costituito da due ingressi identificati con il nome Set e Reset ed una uscita indicata con .
Accade spesso che i flip flop sono dotati, anche dell’uscita .

In un dispositivo di memoria l’uscita dipende:

  • dalla particolare combinazione che assumono le variabili di ingresso
  • dallo stato precedente assunto dall’uscita Q.

Lo stato precedente dell’uscita lo indichiamo con .

Flip-flop SR con porte NOR

Il simbolo logico, la tabella della verità e la soluzione circuitale a porte logiche NOR di un flip-flop S-R sono indicate nell’immagine che segue:

Combinazioni

Combinazione SR=00

Combinazione di riposo in quanto l’uscita conserva lo stato precedente (Q=Qo).

Combinazione SR=01

Posto R=1, l’uscita Q si porta a 0 indipendentemente dallo stato precedente.

Combinazione SR=10

Posto S=1, l’uscita Q si porta a 1 indipendentemente dallo stato precedente.

Combinazione SR=11

Questa combinazione è da evitare in quanto dal punto di vista logico risulta incongruente, non ha alcun senso comandare il flip-flop per memorizzare lo 0 (R=1) oppure l’1 (S=1).

Modalità di memorizzazione di 1 bit

Per memorizzare 1:

  • Passo 1: impostare S=1 e R=0.
  • Passo 2: impostare lo stato di riposo: S=0 e R=0.

l’uscita conserva lo stato precedente: Q=Qo=1

Per memorizzare 0:

  • Passo 1: S=0 e R=1.
  • Passo 2: impostare lo stato di riposo: S=0 e R=0.

l’uscita conserva lo stato precedente: Q=Qo=0


Ripasso sul funzionamento della porta NOR

L’operazione può essere effettuata su due o più variabili di ingresso. Se chiamiamo con A e B le variabili di ingresso e con Y la variabile di uscita, la somma logica negata assumerà lo stato logico 1 solo se tutte le variabili di ingresso sono allo stato 1, in tutti gli altri casi l’uscita assumerà il valore 1.

La somma logica negata corrisponde al collegamento di una OR seguita da una porta NOT.

si legge A NOR B

Nella figura che segue è mostrata la tabella della verità con le quattro possibili combinazioni delle variabili di ingresso A e B è il simbolo logico corrispondente. Nella colonna Y sono indicati i valori della variabile di uscita Y che soddisfa la definizione della porta logica NOR.


Verifica funzionamento come Flip-Flop S-R

Passo 1

Impostare S=0 e R=1.

L’uscita Q=0, infatti l’uscita Q della porta 2 va a 0 perché l’ingresso R=1.

Su tutti e due gli ingressi della porta 1 abbiamo 0 per cui la sua uscita va ad 1.
Dovreste aver notato che le due uscite sono complementari tra loro.

Passo 2

Impostare la combinazione di riposo: R=0 e S=0.

L’uscita Q nella fase precedente era stata portata a 0 (Qo=0), l’uscita della porta 1 resta ad 1 come conseguenza l’uscita della porta 2 rimane a 0 (Q=0).

Passo 3

Impostare S=1 e R=0.

L’uscita della porta 1 va a 0 come conseguenza, poiché R=0, l’uscita della porta 2 commuta ad 1: Q=1.

Passo 4

Impostare la combinazione di riposo: R=0 e S=0.

L’uscita Q nella fase precedente era stata portata a 1 (Qo=1), l’uscita della porta 1 resta a 0 come conseguenza l’uscita della porta 2 rimane a 1 (Q=1).

Passo 5

Impostare S=1 e R=1 (combinazione proibita)

Le uscite di entrambe le porte NOR commuteranno a 0.
In questo caso, le due uscite non saranno più complementari tra loro.
Inoltre se impostate contemporaneamente R=0 e S=0 entrambe le uscite si porteranno ad 1 e poi a 0 e così via.

Accadrà inoltre che per i diversi tempi di ritardo di propagazione del segnale elettrico in ciascuna porta, uno delle due porte NOR propagherà l’1 in uscita prima dell’altra porta.

Diventa aleatorio il valore dell’uscita Q che, pertanto, potrà trovarsi a 0 oppure a 1. Anche per questo motivo è da evitare la combinazione della tabella della verità: S=1 e R=1.


Fase 1: Verifica tabella di verità del Flip-Flop SR con integrato 7402

Realizzare il circuito e verificare la tabella di verità del Flip-Flop SR.

Lista componenti:

  • IC 7402 (Quad 2 Input NOR)
  • N. 2 R: 10 KOhm
  • N. 2 R: 180 Ohm
  • N. 1 LED Rosso
  • N. 1 LED Verde
  • N 2. Switch

Schema elettrico

Schema di montaggio

Pinout 7402


Fase 2: Realizzare un simulatore di Flip-Flop SR con Arduino

Dato lo sketch Arduino che segue, non commentato, comprenderne il funzionamento, commentare ogni parte e derivare il circuito elettronico di montaggio.

Fasi operative:

  • realizzare lo schema di montaggio in Fritzing;
  • realizzazione pratica del circuito;
  • verifica del funzionamento del circuito;
  • segnalare eventuali correzioni/miglioramenti da effettuare allo sketch.

Si ricorda è obbligatorio:

  • inserire un’intestazione come indicato nell’immagine che segue, in cui indicare:
    • Cognome e Nome
    • Classe
    • Esercizio/Sommario funzionamento
  • tutto il codice deve essere commentato;
  • tutto il codice deve essere correttamente indentato;
  • ogni allievo dovrà utilizzare 1 singola scheda Arduino;
  • il codice dovrà essere consegnato al docente su Google Classroom secondo le indicazioni date a lezione.

Buon lavoro 🙂

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Sperimentazioni elettroniche – La relazione tecnica – v02

Inizio anno scolastico, linee guida per gli studenti per poter costruire una relazioni tecniche di laboratorio centrata sul contenuto tecnico. Nei primi lavori noto che ogni allievo ha un proprio modo di produrre relazioni, spesso viene messa in risalto più l’estetica che il contenuto tecnico, scelte grafica inappropriate a discapito della leggibilità del testo e colori e font poco leggibili.

Quindi incominciamo a fissare alcuni punti, aggiungo altri contenuti ad un articolo di qualche tempo fa, prossimamente anche indicazioni per le scelte di font e colori, per poi giungere, un passettino alla volta, alla produzione di relazioni tecniche su GitHub, ma pian pianino… 🙂

La relazione tecnica

La relazione tecnica di solito rappresenta l’ultima fase di una attività di verifica, collaudo o ricerca guasti in un circuito elettronico o impianto elettrico, ma nella gran parte dei casi è il documento che certifica la correttezza del lavoro che è stato svolto.

Il tecnico che si accinge a documentare un’attività di laboratorio trae le sue informazioni dagli appunti annotati su un blocco tecnico che deve sempre essere presente sul banco di lavoro durante le attività di sperimentazione.

Esempio di relazione tecnica

Se siete un tecnico chiamato per il controllo su un impianto di antifurto, dovrete al termine del vostro lavoro, rilasciare una dichiarazione che dovrà riportare una serie di dati:

  • la data dell’intervento
  • il vostro nome
  • l’indirizzo presso cui è stato fatto il controllo
  • livello di carica delle batterie
  • stato dei sensori
  • valutazione generale dello stato dell’impianto
  • interventi da eseguire nel caso si riscontrano malfunzionamenti…

Quindi la relazione tecnica serve per documentare ogni singola fase dell’intervento tecnico. Durante le attività di laboratorio svolte a scuola, la relazione potrà essere eseguita in modi diversi a seconda della materia e dello scopo, ma dovrà possedere alcune caratteristiche generali valide per tutti i tipi di relazioni tecniche.

Caratteristica principale di una relazione tecnica

IMPORTANTE

Una relazione non si realizza solo per se stessi per mantenere traccia e ricordo delle attività svolte, ma è soprattutto utile per le altre persone (tecnici e responsabili di produzione o persone non del settore) che dovranno leggerla e comprenderla.

Intestazione

La relazione di laboratorio adottata a scuola per le esperienze di elettronica, misure elettroniche e sistemi, automazione, deve essere completata in ogni sua parte:

  • numero progressivo dell’esperienza
  • la data di inizio
  • la classe
  • il nome dell’allievo che ha realizzato l’esperienza

Inoltre deve sempre essere ben specificato il nome del laboratorio che si sta svolgendo e cosa ancor più importante scrive sinteticamente e con chiarezza l’oggetto della prova.

Schema elettrico

Per tutti i laboratori è previsto il montaggio di un circuito elettronico quindi nella sezione SCHEMA ELETTRICO si dovrà riportare con precisione il disegno elettrico e gli eventuali punti di misura. Il disegno elettrico dovrà essere realizzato con precisione, con matita rispettando le norme di rappresentazione grafica dei circuiti elettronici, oppure mediante sistemi di disegno elettronico.

Elenco componenti

Lista di tutti i componenti elettrici/elettronici usati con loro valore, eventuale tolleranza dei componenti e tensione/corrente di lavoro.

Elenco strumenti

Lista di tutti gli strumenti utilizzati indicando marca modello e numero di serie in modo che sia ben evidenti le condizioni in cui sono state effettuate le misure.

Calcoli

I calcoli dovranno essere svolti mostrando tutti i passaggi matematici che conducono al risultato ed ogni risultato dovrà recare l’unità di misura tra parentesi quadre.

Tabelle

Tutti i valori misurati devono essere organizzati in tabelle e quando necessita anche in grafici secondo le indicazioni. E’ possibile utilizzare ausili informatici per la scrittura di formule e tabelle di valori.

Le tabelle dovranno essere così realizzate:

  • ogni tabella deve contenere un titolo, possibilmente breve
  • ogni colonna deve essere munita di intestazione chiara, sintetica con unità di misura indicata tra parentesi quadre

Esempio:

Grafici

I grafici dovranno essere così realizzati:

Preparazione del grafico

  • scegliere il tipo di coordinate e la scala da usare
  • indicare le unità di misura

Disegno del grafico

  • riportare i dati sul diagramma
  • interpolare con una curva i punti del disegno
  • inserire una didascalia descrittiva del grafico

Esempio:

Inserzione strumenti di misura

Per ottenere i risultati durante le esperienze vengono utilizzati strumenti di misura, quindi nel momento in cui mostrate tabelle e dati inserite disegni tecnici che mostrano come gli strumenti sono stati inseriti all’interno del circuito:

Disegno elettrico – disegno topografico

E’ essenziale produrre il disegno del circuito elettronico utilizzato nella sperimentazione, il disegno deve essere prodotto in modalità elettronica usando un qualsiasi software di cui disponete (ad es. Multisim):

Sempre se richiesto può essere inserita la disposizione topografica su breadboard in modalità cartacea:

è preferibile produrre lo schema topografico utilizzando un software di disegno per circuiti  elettronici (es. Multisim, Fritzing, ecc…):

Relazione

La relazione non può essere solo un elenco di numeri e grafici, ma bisogna dettagliare il procedimento seguito ed eventuali problematiche riscontrate nella realizzazione del circuito e durante le misure richiamando ove necessario concetti teorici.
E’ opportuno utilizzare un italiano corretto ed una terminologia tecnica appropriata e tutto ciò che si scrive deve essere prettamente tecnico, sono da evitare assolutamente frasi del tipo:

  • ho imparato molte cose;
  • è stata un’esperienza difficile;
  • mi sono divertito;

evitare l’uso della prima persona singolare o plurale:

  • ho collegato i componenti;
  • ho fatto le seguenti misure;
  • abbiamo costruito il circuito…

ma ricorrere ad una forma tecnica “impersonale”:

  • i componenti sono stati collegati;
  • le misure realizzate sono state…;
  • il montaggio del circuito è avvenuto secondo il procedimento…

quindi le regole fondamentali per scrivere una relazione tecnica sono:

  • bisogna essere brevi ed esaurienti;
  • riferirsi strettamente all’oggetto della prova;
  • scrive in italiano corretto;
  • usare un linguaggio tecnico appropriato;

Come si effettua l’analisi dei risultati

L’analisi dei risultati ottenuti deve essere fatta in modo critico mettendoli in relazione agli obiettivi dell’esperienza.
Potete riproporre i risultati dei calcoli ed indicare sinteticamente parti teoriche, potete ad esempio indicare:

  • “la misura ottenuta per la grandezza X è …”
  • “riportando su un grafico la grandezza X in funzione della grandezza Y si ottiene…”

ma tutto ciò non è sufficiente, dovete SEMPRE dire cosa potete dedurre dai risultati ottenuti, quindi se l’obiettivo è verificare una certa legge o sviluppo pratico di una simulazione elettronica realizzata in classe, NON SCRIVETE SOLAMENTE: “La legge X è stata verificata”, oppure “come si evince dalla simulazione elettronica con il software X abbiamo verificato che…” scrivete sempre se e perché i vostri risultati non sono in accordo o meno con la legge o la simulazione e in caso negativo, i motivi è OBBLIGATORIO indicare perché non lo sono.

Bibliografia e Sitografia

Alla termine della relazione elencare fonti bibliografiche (libri di testo, manuali tecnici, appunti presi a lezione) e siti da cui avete preso spunto per realizzare e studiare gli argomenti oggetto dell’esperienza di laboratorio.

Buon lavoro 🙂

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MicroPython – Python per microcontrollori – usarlo su BBC micro:bit – lezione 1

Da diverso tempo mi sto occupando di didattica con BBC micro:bit, una splendida scheda elettronica progettata appositamente per fare Coding a scuola, ben si adatta per studenti di scuola elementare, media e primi anni delle superiori. Su questo sito come saprete ho raccolto in una sezione specifica lezioni e sperimentazioni. Recentemente è stato aggiunto a Scratch, come segnalato in qualche tempo fa, il supporto a micro:bit quindi a livello didattico si potrebbero implementare percorsi interessanti che partono da Scratch, passano per JavaScript Blocks Editor per poi giungere a MicroPython.

Dal mio punto di vista MicroPython è il trampolino di lancio che mi permetterà di aggiungere sperimentazioni di automazione con microcontrollori, un modo naturale per realizzare continuità dal secondo anno dell’ITIS al terzo/quarto anno poi. Ovviamente non solo MicroPython, tanto C anche con Arduino, ma è essenziale per me aggiungere anche questa competenza.

MicroPython è una reinterpretazione di Python 3 per microcontrollori e sistemi embedded, inoltre Python è uno dei linguaggi di programmazione più belli, ottimo per la didattica ed averlo anche su sistemi elettronici rende incredibilmente divertente ed efficiente lo sviluppo di sistemi di controllo.

Per seguire queste brevi lezioni non bisogna essere professionisti nella programmazione di Python (anche io non programmo spesso in questo linguaggio) il percorso parte da un livello 0. Il mio obiettivo è quello di fornire uno strumento che poi invogli alla sperimentazione.

La documentazione è pensata per studenti ed insegnanti di ogni ordine e grado.

MicroPython non vuol dire solo micro:bit ma anche PyBoard, ESP8266/ESP 32 e molto altro.

Pertanto ho pensato di realizzare, nel limite del tempo didattico che posso dedicare a queste piattaforme un corso introduttivo, didascalico e spero semplice. Ciò che scriverò sarà indirizzato all’uso di micro:bit, ma con qualche impostazione iniziale, tutto si adatta benissimo anche alle altre piattaforme.

Da dove incominciare?

Nei link indicati sopra trovate i riferimenti essenziali, ma un libro fondamentale è: Programming with MicroPython – by Nicholas Tollervey and pyboard lite il link rimanda ad amazon.it, l’acquisto può essere fatto anche con la 18app o con la carta del docente.

Tutto il percorso si basa sull’ottimo lavoro realizzato da Mike Rowbitt con First Steps with MicroPython ne ho fatto in parte una traduzione ed in parte ho aggiunto altri argomenti ed esercizi.

Per essere informati sulle nuove versioni del manuale in lingua inglese sviluppato da Mike Rowbitt potete iscrivervi alla mailing list: microbit@python.org
(https://mail.python.org/mailman/listinfo/microbit).

Le mie lezioni sono in costruzione, conto di pubblicare almeno un paio di guide alla settimana in modo che per chi vorrà potrà prendere questi appunti reinterpretarli secondo le proprie necessità e realizzare un percorso nella seconda parte dell’anno scolastico.

I progetti e gli esercizi sviluppati in MicroPython su BBC micro:bit fanno uso di:

Mu – un semplice editor di codice, credo che sia il modo più semplice per incominciare a programmare in MicroPython su BBC micro:bit.

Vi invito quindi a scaricare l’editor “mu” per poter lavorare con le lezioni proposte.

Tutte le istruzioni per il download e l’installazione potete trovarle sul sito di riferimento, sono ben fatte e di facile comprensione.

Mu funziona con Windows, OSX and Linux (anche Raspberry Pi).

L’ultima versione di Mu vi permette di selezionare mediante il pulsante “Modes” la modalità di programmazione in funzione della piattaforma: Adafruit CircuitPython, BBC micro:bit, Pygame Zero, Python 3.

Una volta installato Mu selezionate il modo micro:bit, collegate il vostro micro:bit al computer tramite un cavo USB.

Il processo di scrittura è upload su micro:bit richiede pochi passaggi:

  • scrivete il vostro script nella finestra dell’editor
  • fate click sul pulsante “Flash” per trasferire il programma sul micro:bit.
  • se il trasferimento non avviene, assicurati che il vostro micro:bit appaia come periferica USB nel vostro file system.

Faremo queste operazioni tra breve scrivendo un semplicissimo programma.

Prima di andare oltre un richiamo sulle caratteristiche del micro:bit riprese dal corso introduttivo che trovate su questo sito.

La scheda BBC micro:bit è costituita da:

  • 25 LED rossi che possono essere utilizzati per comporre un testo o una icona stilizzata.
  • Due pulsanti programmabili (A e B) che possono essere utilizzati per dire a micro:bit quando si avvia o si interrompe un’operazione.
  • Un sensore di temperatura per rilevare la temperatura ambiente.
  • Un sensore di luce per rilevare le variazioni di luminosità ambientale.
  • Un accelerometro per rilevare un movimento.
  • Un magnetometro per rilevare la direzione del campo magnetico.
  • Connessione Radio e Bluetooth Low Energy per interagire con altri device.

Il primo programma – “Hello World!”

E’ possibile pensare al Coding con micro:bit come ad un ciclo costituito fa 4 fasi:

Il modo tradizionale per iniziare a programmare in una nuova lingua di programmazione è quello di far dire al computer “Hello, World!”.

Fare questo è semplice in MicroPython:

Analizziamo le due linee di codice.

La prima linea:

Nella prima riga viene richiesto a MicroPython tutto il materiale (codice) necessario per lavorare con micro:bit. Il codice richiesto è un modulo chiamato microbit  (un modulo è una libreria di codice preesistente). Quando fate l' import  (importate qualcosa), state dicendo a MicroPython che volete usarlo, “*” è il modo in cui Python dice tutto.
Quindi from microbit import *  significa, in inglese, “Voglio poter usare tutto ciò che è disponibile dalla libreria di codici microbit”.

Seconda linea:

display.scroll("Hello, World!")

dice a MicroPython di usare il display per far scorrere la stringa di caratteri.

La parte di codice display  permette la visualizzazione del testo Hello, World!  .

display  è un oggetto dal modulo microbit che rappresenta la visualizzazione fisica del testo “Hello, World!” sul dispositivo.

La parte di codice indicata con display  è un object (oggetto) del modulo microbit  che rappresenta il display fisico. Possiamo dire al display di eseguire l’operazione indicata fino al .  dopo il .  è presente qualcosa di molto simile ad un comando (che chiameremo metodo). In questo caso stiamo usando il metodo  scroll  (scorrimento). Poiché scroll  ha necessità di sapere quali caratteri far scorrere sul display fisico, questi saranno specificati tra doppie virgolette () tra parentesi ( (  e )  ). Tutto ciò che è tra parentesi e tra le virgolette prende il nome di argomento. Quindi, display.scroll("Hello, World!")   significa, in inglese, “Voglio che tu usi il display per far scorrere il testo ‘Hello, World!'”. Se un metodo non ha bisogno di argomenti non inseriremo nulla tra parentesi: ()  .

Copiate all’interno dell’editor il codice “Hello, World!” ed eseguite l’upload sul vostro BBC micro:bit.

Siete in grado di capire come cambiare messaggio?

Potete farlo salutare? Ad esempio, potreste far dire “Ciao, Michele!”.
Suggerimento: è necessario modificare l’argomento del metodo di scroll. 🙂

Avvertimento

Potrebbe non funzionare 🙂

Nel caso in cui venga commesso un errore MicroPython ci viene in aiuto, in questo caso scorrerà sul display del micro:bit un messaggio di errore, sempre sul display apparirà il numero della linea di codice in cui è presente l’errore.

Python si aspetta che voi digitiate ESATTAMENTE il codice. Quindi, ad esempio l’istanza, Microbit  , microbit  e microBit  sono tutte cose diverse per Python. Se MicroPython restituisce un errore NameError  , probabilmente avete digitato qualcosa in modo non corretto.

Se MicroPython restituisce un SyntaxError  probabilmente avete scritto qualcosa che MicroPython non riesce a capire. Verificate che non manchino ad esempio i caratteri speciali "  o :  .

Usiamo Mu

Colleghiamo il micro:bit al computer:

Utilizziamo Mu per codificare:

Un click sul pulsante Repl per estendere la finiestra di editing e visualizzare l’area in cui vengono mostrati i messaggi inviati dal micro:bit

Per trasferire il programma sul micro:bit click sul pulsante “Flash”:

Durante la fase di trasferimento del programma il led giallo di stato incomincia a lampeggiare al termine il micro:bit verrà disconnesso dal computer ed immediatamente il programma incomincerà a funzionare:

Nel caso in cui nel vostro programma sia presente un errore, nella parte bassa della finestra di editing vi verrà restituito un messaggio che indica il tipo di errore. Usando il comando help() potrete consultare una guida che vi aiuterà a risolvere il problema.

Nel caso di errore sul display del micro:bit apparirà il messaggio di errore.

Buon Coding a tutti 🙂

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Arduino – algebra booleana e funzioni logiche – dai componenti discreti, agli integrati, alla codifica in C

Nuovo Istituto, nuove avventure didattiche. Con le classi di questo nuovo anno scolastico più elettronica e più automazione. Tra gli argomenti che ho rivisto negli scorsi mesi in virtù delle attività che vorrò svolgere, molte sperimentazioni dedicata all’elettronica digitale e all’algebra di Boole, ho riformulato le esercitazioni con componenti discreti che utilizzano i classici integrati TTL 74XX: 7404, 7432, 7408, 7402, 7400, 7486, 74266 corrispondenti alle porte logiche: NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR, XNOR a queste attività aggiungerò, in una fase successiva, la realizzazione delle porte logiche con Arduino, quindi progettazione di semplici shield per la dimostrazione delle tabelle di verità degli operatori logici fondamentali e derivati.

Per rendere più interessante il laboratorio di elettronica, oltre che usare la breadboard, realizzare pcb e saldare, cercherò se il tempo lo permetterà, di far realizzare la scheda Arduino prima su breadboard e poi realizzare una nostra personalissima scheda Arduino con protezioni specifiche sulle uscite digitali ed altro… sogni nel cassetto… vedremo, un passettino alla volta.

Questo articolo è da intendersi come esercitazione e di supporto alla parte teorica ed è dedicata agli studenti delle classi 3′ e 4′ automazione, per lo svolgimento si richiede che gli allievi abbiano seguito un corso base su Arduino. Di seguito senza dilungarmi riprendo alcuni concetti di base che hanno solo l’obiettivo di comprendere meglio la parte sviluppata su Arduino, al fondo due circuiti e due sketch di esempio che potrete migliorare ed espandere.

Avviso per gli studenti

Quest’anno faremo automazione, non solo con PLC ma anche con microcontrollori (Arduino), quindi incominciare a strutturare in C le funzioni logiche sarà essenziale per iniziare a costruire i mattoncini di base dell’automazione, vedremo come costruire altre funzioni nel corso dell’anno.

Premessa (per ripassare velocemente)

I circuiti digitali sono presenti in moltissimi strumenti che utilizzimo ogni giorno, i più noti sono i computer costituiti principalmente da circuiti digitali che, come già sapete, elaborano segnali logici 0 e 1.

Qualsiasi calcolo all’interno di un computer utilizza l’aritmetica binaria e l’adozione di questa aritmetica è stata fatta perché i bit sono rappresentabili in modo semplice tramite dispositivi elettronici in cui è possibile distinguere i 2 stati del potenziale elettrico: high e low a cui si associano i numeri 1 e 0.

Partendo da questi presupposti è possibile costruire un sistema di calcolo che impiega i soli due simboli 0 e 1 che viene chiamato sistema logico binario.

Fu George Boole (1815-1864) che per primo costruì un modello matematico fondato su una logica di tipo binario, tale modello prende il nome di: algebra di Boole.

Come diffusamente esposto durante le lezioni di teoria, l’algebra booleana utilizza equazioni ed espressioni, ma segue le leggi della logica e non quelle dell’aritmetica, per cui le operazioni seguono regole differenti dall’algebra convenzionale.

Le porte logiche realizzano le operazioni logiche dell’algebra binaria.

Porte logiche fondamentali

Somma logica OR

L’operazione può essere effettuata su due o più variabili di ingresso. La somma logica OR assumerà il valore 1 se almeno una delle variabili di ingresso è al valore 1.

Se chiamiamo con A e B le variabili di ingresso e con Y la variabile di uscita, la somma logica assumerà lo stato logico 1 se almeno una delle due variabili assume lo stato logico 1.


si legge A OR B

Nella figura che segue è mostrata la tabella della verità con le quattro possibili combinazioni delle variabili di ingresso A e B è il simbolo logico corrispondente. Nella colonna Y sono indicati i valori dalla variabile di uscita Y che soddisfa la definizione della porta logica OR.

Prodotto logico AND

L’operazione può essere effettuata su due o più variabili di ingresso. Il prodotto logico AND assumerà il valore 1 se tutte le variabili di ingresso assumeranno il valore 1.

Se chiamiamo con A e B le variabili di ingresso e con Y la variabile di uscita, il prodotto logico assumerà lo stato logico 1 solo se tutte le variabili di ingresso sono allo stato 1.

si legge A AND B

Nella figura che segue è mostrata la tabella della verità con le quattro possibili combinazioni delle variabili di ingresso A e B è il simbolo logico corrispondente. Nella colonna Y sono indicati i valori dalla variabile di uscita Y che soddisfa la definizione della porta logica AND.

Negazione NOT

L’operazione può essere effettuata su una sola variabile di ingresso. Se chiamiamo con A la variabile di ingresso e con Y la variabile di uscita, la negazione farà assumere all’uscita il valore opposto a quello applicato all’ingresso.

si legge A NEGATO oppure A COMPLEMENTATO oppure NOT A

Nella figura che segue è mostrata la tabella della verità con le due possibili combinazioni
di A ed il simbolo logico corrispondente. Nella colonna Y è indicato il valore della variabile di uscita Y che soddisfa la definizione della porta logica NOT.

Porte logiche derivate

Sono le porte logiche ottenute partendo da una o più porte logiche fondamentali però poiché sono estremamente importanti per l’elettronica sono rappresentate con un simbolo unico.

Somma logica negata NOR

L’operazione può essere effettuata su due o più variabili di ingresso. Se chiamiamo con A e B le variabili di ingresso e con Y la variabile di uscita, la somma logica negata assumerà lo stato logico 1 solo se tutte le variabili di ingresso sono allo stato 1, in tutti gli altri casi l’uscita assumerà il valore 1.

La somma logica negata corrrisponde al collegamento di una OR seguita da una porta NOT.

si legge A NOR B

Nella figura che segue è mostrata la tabella della verità con le quattro possibili combinazioni delle variabili di ingresso A e B è il simbolo logico corrispondente. Nella colonna Y sono indicati i valori dalla variabile di uscita Y che soddisfa la definizione della porta logica NOR.

Prodotto logico negato NAND

L’operazione può essere effettuata su due o più variabili di ingresso. Il prodotto logico negato NAND assumerà il valore 1 se tutte le variabili di ingresso assumeranno il valore 0, in tutti gli altri casi l’uscita assumerà il valore 1.

Il prodotto logico negato corrrisponde al collegamento di una AND seguita da una porta NOT.

si legge A NAND B

Nella figura che segue è mostrata la tabella della verità con le quattro possibili combinazioni delle variabili di ingresso A e B è il simbolo logico corrispondente. Nella colonna Y sono indicati i valori dalla variabile di uscita Y che soddisfa la definizione della porta logica NAND.

OR esclusivo – XOR

L’operazione può essere effettuata su due o più variabili di ingresso. l’OR esclusivo assumerà il valore 1 e solo se vi è almeno un ingresso che differisce dagli altri, mentre varrà 0 se tutti gli ingressi assumono lo stesso valore.

Nel caso di due variabili di ingresso A e B, l’OR esclusivo assumerà il valore 1 se gli ingressi assumeranno valori diversi e varrà 0 se gli ingressi assumono lo stesso valore.

si legge A OR ESCLUSIVO B oppure A DIVERSO B

Nella seguente figura si mostra la tabella della verità con le quattro possibili combinazioni tra A e B ed il simbolo logico relativo ad una porta XOR. Nella colonna Y si sono posti i valori assunti dall’uscita Y che soddisfa la definizione della porta XOR.

L’OR ESCLUSIVO può essere espresso anche dalla seguente formula:

formula da ricordare quando dovrete implementare il codice C per Arduino che realizza questa funzione.

NOR esclusivo XNOR

L’operazione può essere effettuata su due o più variabili di ingresso. Il NOR esclusivo assumerà il valore 1 se e solo se tutti gli ingressi hanno il medesimo valore logico, è equivalente alla negazione della porta XOR.

Nel caso di due variabili di ingresso A e B, l’XNOR assumerà il valore 1 se gli ingressi assumeranno valori uguali e varrà 0 se gli ingressi assumono valore diverso.

e si legge A NOR ESCLUSIVO B oppure A COINCIDENTE CON B.

Nella seguente figura si mostra la tabella della verità con le quattro possibili combinazioni tra A e B ed il simbolo logico relativo ad una porta XNOR. Nella colonna Y si sono posti i valori assunti dall’uscita Y che soddisfa la definizione della porta XNOR.

Il NOR ESCLUSIVO può essere espresso anche dalla seguente formula:

formula da ricordare quando dovrete implementare il codice C per Arduino che realizza questa funzione.

Porte logiche con Arduino

Partiamo ora con la realizzazione delle porte logiche descritte sompra utilizzando Arduino.

In un precedente post ho descritto quali sono gli operatori logici disponibili all’interno di Arduino

Se gli ingressi A e B li indichiamo con le varibili:

  • pinInA
  • pinInB

e l’uscita Y la indichiamo con

  • pinOutY

usando la notazione in C che ritrovate nel link indicato sopra si otterrà:

OR

AND

NOT

NOR

NAND

XOR

XNOR

Premesso ciò la scrittura dello sketch è estremamente semplice.

Realizziamo i due ingressi A e B mediante due pulsanti connessi rispettivamente ai pin 8 e 7, mentre l’uscita sarà connessa al pin 9.

Vediamo ora come realizzare uno sketch che permette dalla Serial Monitor di selezionare mediante menù il tipo di porta logica che si intende simulare; quando la selezione viene effettuata da menù la pressione dei pulsanti deve realizzare la tabella di verità della funzione logica selezionata.

Un pulsante aggiuntivo, che chiameremo: “AVVIA MENU'” verrà utilizzato per riavviare il menù di scelta.

Le azioni quindi saranno:

  1. primo avvio – selezione funzione (da 1 a 7) inserendo da tastiera il numero sulla Serial Monitor
  2. verifica della tabella di verità premendo i pulsanti A e B controllando che il LED, che identifica la Y, sarà acceso per un livello logico 1 e sarà spento per un livello logico 0
  3. Cambio funzione logica:
    1. premere il pulsante: “AVVIA MENU'”
    2. seleziono la funzione logica da verificare e ripetere nuovamente dal passo 1

Propongo come esercizio cinque varianti all’esempio precedente:

  1. Gli ingressi selezionati con pulsanti devono essere visualizzati con LED (1 acceso, 0 spento), create inoltre una libreria dedicata per l’implementazione delle funzioni logiche (inserite il codice in un file .h). Per sapere come creare una libreria seguire il link, al fondo del tutorial troverete la spiegazione.
  2. La selezione della funzione logica non avviene più tramite la serial monitor, ma attraverso 7 pulsanti di selezione funzione, la cui selezione deve essere visualizzata con un LED (Acceso = selezionato; Spento= non selezionato). Deve essere presente un pulsante che effettua il reset dell’operazione (non deve essere il reset della scheda Arduino).
  3. Realizzare le stesse funzionalità del punto 2 ma in questo caso non si devono utilizzare LED ma un display 16×2 del tipo Hitachi HD44780, se desiderate potete utilizzare un’interfaccia I2C HD44780 per utilizzare meno pin.
  4. Aggiungere il codice per effettuare il debounce (anti-rimbalzo) sui pulsanti.
  5. Per gli studenti di 4′ superiore realizzare un debounce usando l’elettronica a componenti discreti.

Per chi volesse esplorare nuove frontiere:

  • Realizzate tutto ciò che è stato esposto prima mediante BBC micro:bit e programmate tutto in microPython.
  • Realizzate tutto ciò che è stato esposto prima mediante Raspberry Pi e programmate tutto in Python.

Buon Coding (e studio) a tutti 🙂

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Cosa sono le awesome list?

Ad ogni inizio d’anno scolastico propongo ai nuovi allievi che incontro una serie di attività e strumenti che dal mio punto di vista servono per creare un atteggiamento positivo e rilassato nei confronti dello studio e delle sperimentazioni in laboratorio. Ogni anno esordisco con una serie di starter kit per lo studente:

  • setting dei luoghi di studio, (alcune indicazioni su come gestire gli oggetti del proprio studio)
  • tecniche di studio
  • tecniche di gestione del tempo lavoro
  • sistemi di gestione dei progetti
  • tecniche di documentazione
  • ricerca dell’informazione
  • realizzazione di un propria Personal Learning Network

e proprio su quest’ultimo punto, ripreso dai corsi che svolgo per gli insegnanti, mi focalizzo. Ritengo essenziale saper selezionare e far diventare un’attività periodica la ricerca e l’utilizzo di fonti attendibili ed autorevoli on-line da utilizzare per ampliare le proprie competenze.

Quando parlo di Personal Learning Network intendo banalmente (cito le mie slide):

la rete di relazioni online che fa uso di tutti gli strumenti web come: blogs, wiki, twitter, facebook, … per creare connessioni con altre persone al fine di estendere le nostre conoscenze, imparando insieme ad altri, come parte di una comunità globale.

Ciò permetterà di ottimizzare tempi e sforzi nell’utilizzo di particolari tecnologie.

Ovviamente un grande sforzo da parte del docente deve essere fatto per insegnare a saper discriminare le fonti, è un’azione da costruire “un passettino alla volta” e ritengo che ciò possa innescare il volano che mi piace chiamare: “cerco-studio-mi-diverto-condivido”

Ma da dove cominciare?

Io ho costruito negli anni la mia procedura e le mie collezioni che rinnovo settimanalmente, ma per studenti “grintosi” che hanno voglia di costruire e calarsi subito nella pratica della materia, è essenziale collezionare i “punti di osservazione web” (consiglierò anche un buon sistema per collezionare le fonti, sarà motivo di un’altra lezione) tra questi segnalo ai miei studenti le awesome list su GitHub, “liste fantastiche” su ogni argomento dal fantasy, alla musica, al gaming, ma anche all’elettronica, automazione, programmazione, all’uso di Arduino o di Raspberry Pi e mille altre cose, tutto realizzato dalla comunità di GitHub.
(Per saperne di più su GitHub seguire il link: Documentare la didattica con la sintassi Markdown su GitHub)

Questo il repository principale delle awesome list“.

Molte liste sono aggiornate periodicamente altre un po’ meno, ma prendendosi un po’ di minuti al giorno potrete scoprire tantissimo.

Come promesso oggi nella mia 4B Automazione (ma lo sarà anche per tutte le altre classi) le collezioni da cui partire, molte altre risorse (riviste, siti internet, ecc…) le segnalerò durante l’anno scolastico, di seguito alcune collezioni interessanti:

Compito: segnalatemi o realizzate una lista più interessante di quelle indicate sopra, (è possibile segnalare argomenti di altre discipline tecniche).

Buona esplorazione 🙂

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Premio Scuola Digitale 2018 – Fase Provinciale Alessandria e Asti

La città dorata 4.0 – Tre giorni per il piano nazionale scuola digitale: formazione, dibattiti, esperienza.

Sono felice di informarvi che sono stato nominato dal MIUR membro della giuria (costituita 9 soggetti), per la valutazione dei progetti didattici innovativi in concorso per le province di Alessandria ed Asti, nei prossimi giorni la valutazione.
I finalisti al concorso parteciperanno all’iniziativa finale interprovinciale, che si svolgerà in data 28 settembre 2018 a Valenza, in una fase successiva il progetto vincitore a livello regionale parteciperà alla sessione finale nazionale del Premio.

Il Premio Scuola Digitale intende promuovere l’eccellenza e il protagonismo delle scuole italiane nell’apprendimento e nell’insegnamento digitale, incentivando l’utilizzo delle tecnologie digitali nel curricolo, secondo quanto previsto dal Piano nazionale per la scuola digitale, e favorendo l’interscambio delle esperienze nel settore della didattica digitale coinvolgendo le istituzioni scolastiche dei singoli territori.

Sicuramente per me un bel momento da vivere per vedere quanto di positivo riescono a produrre i nostri allievi.

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STOP CYBERVIOLENCE: si parte il 19 settembre

Mi segnalano e volentieri pubblico il corso gratuito in oggetto.
Il progetto Erasmus+ Stop Cyber Violence si rivolge ai giovani, agli operatori giovanili, agli insegnanti e alle famiglie e ha l’obiettivo di aumentare la consapevolezza aiutando gli adulti nel cogliere i segnali di cyberbullismo, fornendo un approccio metodologico adeguato per dare agli operatori giovanili, agli educatori e agli insegnanti gli strumenti per comprendere le opportunità e i rischi del mondo digitale.

Per raggiungere questi obiettivi il progetto produrrà materiali a supporto e organizza un corso di formazione gratuito della durata di 48 ore, che si svolgerà nei mesi di Ottobre e Novembre 2018.

Per maggiori informazioni vi rimando al link in allegato.

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Arduino – Concatenare la stampa di stringhe e variabili

In un recente post ho approfondito l’uso di Serial.write() e Serial.print(), proseguo riprendendo gli appunti che di volta in volta aggiungo a quanto sviluppato durante i corsi. Come sapete per inviare sulla seriale un testo molto lungo è necessario scrivere molte linee di codice, una sequenza di Serial.print() che hanno come argomento il testo che si vuole visualizzare, questo un esempio:

Tutte queste righe potrebbero essere scritte in una forma più compatta, accodando tutte le Serial.print() :

Sarebbe interessante poter avere la possibilità di concatenare il testo da stampare così come è possibile fare con altri linguaggi di programmazione: Java / VB / C # / C ++, ecc…

Questa funzionalità è stata implementata qualche tempo fa da Mikal Hart che ha realizzato la libreria Streaming (file zip). I vantaggi di utilizzo risiedono nella compattezza del codice prodotto e nella velocità di scrittura.

Con l’uso della libreria Streaming il codice precedente che stampa una serie di stringhe utilizzando la Serial.print(), diventa:

Nel caso si volesse suddividere l’invio sulla seriale su più linee::

Prendendo spunto dall’esempio che trovate nella libreria:

Realizzimo uno sketch che conta il numero di pressioni del pulsante e visualizziamo sulla Serial Monitor una stringa che ne da indicazione, il circuito è costituito da:

  • Arduino UNO R3
  • Resitore da 1KOhm
  • 1 pulsante

Lo sketch di esempio è il seguente:

Ad ogni pressione del pulsante sulla seriale compariranno le stringhe:

Esercizio

L’invio dello dello stream del testo può avvenire non solo sulla seriale ma anche su qualsiasi classe derivata da Print, ad esempio su display.

Sapreste ottenere la stessa cosa con un display a 16 colonne e 2 righe?

Suggerimento:

Buon Coding a tutti 🙂

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DotBot:Smart – un robot didattico veloce da costruire

Durante alcuni corsi di Coding e robotica per colleghi di scuola media mi è stato manifestato il desiderio di poter avere a disposizione un kit robotico estremamente semplice da realizzare poco costoso e che occupasse poco spazio, che potesse adattarsi, come sempre, a microcontrollori di ogni tipo, soprattutto Arduino e micro:bit.

Esplorando per altri scopi il sito youmagine ho scoperto i moltissimi lavori realizzati da RCCM anche lui come me insegnante (vi consiglio di guardare i suoi lavori) ed ho notato il progetto Micro Servo Chassis, per cui sulla stessa idea ho realizzato una struttura simile ed inserito gli elementi di aggancio per i servomotori che avevo realizzato per il DotBot:bit.

Per ridurre la quantità di materiale ho eliminato, rispetto alle strutture precedentemente realizzate la caster ball, la biglia di supporto, che ho sostituito con una piccola bacchetta costituita da un punto di appoggio al terreno ricurvo, il tutto vincolato alla struttura portante dei motori.

Nel caso si debba aggiungere parecchia elettronica, per aumentare ancor di più la stabilità ho sviluppato una doppio supporto strisciante così come potete notare nelle immagini allegate.

Su questo piccolo chassis robotico potrete, secondo necessità ed in funzione di ciò che disponete, predisporre una base di appoggio come ad esempio: cartone, compensato o plexiglas fissata con viti o fascette di plastica.

Ecco giustificato il nome DotBot:Smart perché veloce da costruire, due elementi da stampare e poi Coding a volontà 🙂

Questo nuovo kit didattico si aggiunge alla famiglia DotBot.

Nel caso desiderate effettuare la stampa questo il link diretto di DotBot:Smart su Thingiverse.

Come sempre se durante le sperimentazioni con i vostri allievi si evidenziano correzioni o miglioramenti da fare, non esitate a contattarmi.

Di seguito le foto che mostrano come costruire il robot.

Materiali occorrenti

  • qualsiasi tipo di microcontrollore: micro:bit, Arduino, oppure Raspberry Pi (qualsiasi modello)
  • n. 2 bulloni M3 – viti da 10 mm
  • n. 2 FS90R servo a rotazione continua
  • n. 2 due ruote per FS90R 60mm x 8mm

La barra centrale deve avere un orientamento, rispetto ai servomotori, identico a quello indicato nell’immagine (notate l’albero di rotazione del servo). I servomotori sono fissati con piccole viti in dotazione quando acquistate i servo:

Le viti di blocco della barra centrale sono sotto il livello di appoggio della base in modo da non creare un rialzamento:

Scegliete il materiale di cui disponete, (nell’immagine cartone) e con del nastro biadesivo fissate breadboard ed elettronica:

Il fissaggio può avvenire mediante fascette di plastica:

Nel caso abbiate necessità di maggior superficie di appoggio e maggior stabilità potete utilizzare la barra centrale con doppio appoggio:

Buon Coding a tutti.

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