Abbiamo visto a lezione in cosa consiste la Modulazione di Larghezza di Impulso, in altro modo conosciuta come PWM (Pulse Width Modulation). Questo tipo di modulazione permette ad un sistema digitale di controllare dispositivi di tipo analogico in corrente continua facendo variare in modo continuo la potenza erogata, quindi moduliamo la larghezza di un impulso, ovvero la durata temporale di una serie di impulsi che regolerà l’attivazione e disattivazione del motore. Con il PWM agiamo non sulla tensione di alimentazione per controllare la velocità del motore, ma bensì sul tempo, per maggiori informazioni vi rimando alle slide: Alfabeto Arduino – Lezione 2 in cui come esempio viene controllata l’intensità luminosa di LED. (Per i miei studenti fate riferimento al libro di testo e agli appunti di teoria).
Il transistor nell’immagine che segue viene fatto funzionare in modalità ON-OFF e quindi possiamo assimilarlo ad un interruttore che si apre e si chiude in corrispondenza del segnale presente sulla base del transistor. Se il segnale sulla base è alto il transistor sarà in conduzione e il motore potrà essere alimentato (si chiude verso massa il collegamento del motore). Se il segnale sulla base del transistor è a livello basso il transistor è assimilabile ad un interruttore aperto per cui il motore risulta non alimentato (non si ha collegamento a massa). Quindi al motore verrà applicata una tensione continua proporzionale al duty cycle e quindi variando il duty cycle varieremo la velocità di rotazione del motore.
La generazione dell’onda quadra, che controlla la velocità del motore, viene eseguita da Arduino. Il diodo presente nel circuito è chiamato diodo di ricircolo ed è inserito in parallelo al motore (carico induttivo) per sopprimere i transienti elettrici ed è collegato in modo tale che non conduce quando il carico (il motore) viene alimentato.
Quando il motore viene disattivato rapidamente si avrà un picco di tensione in senso inverso perché l’induttore tenderà a mantenere costante la corrente che circola al suo interno, in questa situazione però il diodo sarà polarizzato direttamente e tutta la corrente scorrerà dall’induttore al diodo e l’energia che era stata immagazzinata dall’induttore viene dissipata in calore dalla componente resistiva dell’induttore. Inserendo il diodo si eviterà di applicare una sovratensione sul collettore del transistor evitando quindi che si danneggi.
Controlliamo con Arduino il movimento del motore
Lista Componenti
Arduino UNO R3
Resistore da 1 K Ohm
Dido: 1N4001
Transistor: 2N2222
Condensatore: 0,1 microF
Pinout transistor 2N2222
Circuito 1 di montaggio: alimentazione del motore prelevata da Arduino
Circuito 2 di montaggio: alimentazione del motore esterna ad Arduino
Esempio 1 Si faccia riferimento al circuito 1. Realizziamo uno sketch che permette la regolazione della velocità del motore inserendo un numero compreso tra 0 e 9. Il valore 0 ferma il motore, il valore 9 permette di muovere il motore alla velocità massima, valori intermedi movimenteranno il motore ad una velocità proporzionale al numero inserito.
Valori fuori dall’intervallo impostato restituiscono un messaggio di errore.
Per la realizzazione di questo sketch si utilizza la funzione isDigit() che restituisce TRUE verifica se il carattere inviato sulla Serial Monitor è un numero, altrimenti restituisce FALSE.
if(Serial.available()) { // Viene controllato se è disponibile un carattere
53
54
// definizione di una variabile di tipo char in cui memorizzare
55
// il carattere inviato ad Arduino mediante la Serial Monitor
56
57
charcarattere = Serial.read();
58
59
// La funzione isDigit restituisce TRUE se se il carattere
60
// inviato sulla Serial Monitor è un numero altrimenti restituisce FALSE
61
62
if(isDigit(carattere)) // verifica se è un numero
63
{
64
// mappiamo l'intervallo dei caratteri da '0' a '9'
65
// in un valore compreso tra 0 e 255, intervallo di valori
66
// del Duty Cycle
67
68
intvel = map(carattere, '0', '9', 0, 255);
69
analogWrite(pinMotore, vel);
70
71
Serial.print("Valore del Duty Cycle: ");
72
Serial.println(vel);
73
Serial.println("--------------------------");
74
Serial.print("Velocità impostata: ");
75
Serial.println(carattere);
76
Serial.println("==========================");
77
78
}
79
else
80
{
81
// nel caso in cui il carattere inserito non è un numero
82
// viene restituito un messaggio e stampa il carattere
83
Serial.println();
84
Serial.println("******************************");
85
Serial.print("Carattere non riconosciuto: ");
86
Serial.println(carattere);
87
Serial.println("******************************");
88
Serial.println();
89
}
90
}
91
}
Esempio 2 Si faccia riferimento al circuito 1. Realizziamo uno sketch che permette la regolazione della velocità del motore inserendo un numero compreso tra 0 e 9. Il valore 0 ferma il motore, il valore 9 permette di muovere il motore alla velocità massima, valori intermedi movimenteranno il motore ad una velocità proporzionale al numero inserito.
Valori fuori dall’intervallo impostato fermano il motore.
Per la realizzazione di questo sketch si utilizza la funzione Serial.parseInt() che legge i caratteri sulla seriali e restituisce la loro rappresentazione numerica (tipo long). I caratteri che non sono numeri interi (o con segno meno) vengono ignorati.
Nel dettaglio
I caratteri iniziali che non sono cifre o sono numeri negativi vengono ignorati;
L’analisi si interrompe quando non sono stati letti caratteri per un valore di tempo di timeout che può essere configurato oppure viene letta una non cifra;
Se non sono state lette cifre valide quando si verifica il timeout (vedere Serial.setTimeout ()), viene restituito 0; Serial.parseInt () eredita dalla classe Stream.
Esercizio 1 Aggiungere al circuito 1 due pulsanti che permettono di aumentare o diminuire la velocità del motore. Fare in modo che la velocità impostata del motore sia proporzionale ai valori numerici interi nell’intervallo tra 0 e 9, così come fatto negli esempi precedenti. Ad ogni pressione del pulsante P1 si incrementa di una unità il valore della velocità. Ad ogni pressione del pulsante P2 si decrementa la velocità del motore i una unità. All’avvio di Arduino il motore è spento. Mostrare la velocità impostata sulla serial monitor.
Esercizio 2
Aggiungere all’esercizio precedente un pulsante P3 di emergenza che alla pressione ferma il motore. Se è stata azionata l’emergenza i pulsanti P1 e P2 di incremento e decremento non funzionano. Per poter riattivare il sistema bisogna premere nuovamente P3.
Nuova versione del kit EduRobot Lift, ascensore/montacarichi da utilizzare per le esercitazioni di laboratorio di sistemi elettronici e attività di PCTO negli istituti tecnici industriali e professionali.
Rispetto alla versione precedente alcune migliorie che ne facilitano la costruzione. Il controllo può essere effettuato in diverse modalità: Siemens Step 7 1200, Logo8!, Siemens IoT 2040, Arduino. La struttura è stata disegnata con Adobe Illustrator e tagliata a laser presso il Laboratorio Territoriale del mio istituto, l’ITIS G.B. Pininfarina di Moncalieri. Il materiale è costituito da compensato da 4 mm e due elementi stampati in 3D in PETG. Il montaggio della struttura richiede circa 40/45 min.
Se desideri realizzare il kit, seguire il link su Thingiverse, da cui potrete prelevare il file PDF per il taglio laser e i file STL per la stampa 3D della struttura del motore.
Volutamente per la realizzazione di questo kit sono stati scelti materiali economici in quanto il mio desiderio è quello di assegnarne un kit ad ogni studente.
foglio di compensato da 4mm 80×60 mm (costo indicativo: €4)
24 viti M3 da 12 mm
24 dadi M3
motorino passo passo 28BYJ-48
colla vinilica
due elementi stampati in 3D
spago
Nel kit viene utilizzato un motore passo passo economico il 28BYJ-48 in modo che possa essere acquistato da tutti gli studenti. Con qualche piccola modifica è possibile utilizzare anche un motorino DC da 6V, i classici “motorini gialli” utilizzati dagli studenti per la costruzione di piccoli robot.
Quattro gli obiettivi di questo progetto:
offrire una guida fotografica per i miei studenti della classe 3′ che dovranno svolgere il PCTO (ex Alternanza Scuola Lavoro) facendo una simulazione di attività aziendale, quest’anno dovranno diventare tecnici di un’azienda che produce ascensori e montacarichi;
mostrare agli studenti che è possibile imparare ad imparare attraverso attività laboratoriali che prevedono la progettazione e la costruzione dei propri strumenti di apprendimento;
il mercato offre molteplici strumenti, kit robotici di ogni tipo che rispondono a molteplici esigenze didattiche, ma alcune volte non rispondono ad esigenze specifiche di un percorso di studio o di un argomento, ecco che la scuola diventa produttrice dei propri ausili didattici specifici;
rispondere alle numerose richieste di realizzazione del kit pervenutemi da molti colleghi di scuole italiane dopo il mio intervento per SCE Siemens in cui ho mostrato le mie sperimentazioni didattiche nell’ambito dell’automazione, tra queste anche EduRobot Lift. Ringrazio tutti.
Di seguito un breve video che mostra la struttura generale del kit e di seguito una guida fotografica passo passo che ne dettaglia le fasi di costruzione.
In successive lezioni verranno proposti modalità di controllo del sistema.
Sentitevi liberi di apportare modifiche e migliorie alla struttura. Mi farebbe piacere avere un vostro parere ed eventualmente, se utilizzate il kit, inviatemi le fotografie dei vostri lavori in modo che io possa pubblicarle su questo sito.
Come viene mostrato nell’immagine che segue il kit è costituito da 21 elementi di compensato e due elementi stampati in 3D, nell’immagine potete notare anche un 3′ elemento, una piccola rondella di plastica, che è stata poi sostituita da un dado M3 (i dettagli al fondo di questa lezione).
Struttura impiegata per fissare il motore passo passo e il rocchetto utilizzato per avvolgere lo spago a cui verrà fissata la cabina dell’ascensore.
Nell’immagine si vedono viti M3 da 12 mm e dadi M3.
La colla vinilica viene utilizzata solamente per fissare i piedini alla base della struttura.
Poiché sulla base del kit sono presenti delle viti, per evitare che queste raschino la base di appoggio, sono stati previsti dei piedini la cui altezza è di 8 mm, ciò si ottiene incollando tra loro due elementi.
Incollare i piedini sugli angoli della base.
Allineare i piedini come riportato nell’immagine che segue.
Fare in modo che ci sia anche un allineamento rispetto alla verticale.
Predisporre il montaggio della cabina dell’ascensore. Si consiglia di inserire prima il dato nella fessura così come riportato nell’immagine. La parte inferiore della cabina è identica a quella superiore con la differenza che la parte superiore ha un foro in cui andremo ad inserire lo spago.
Inserire la parete laterale e dalla parte opposta inserire la vite. Bloccare i due elementi, ma attenzione a non avvitare con forza.
Procedere allo stesso modo per la parte posteriore della cabina dell’ascensore: Inserire i dadi, incastrare nella fessura la parete ed avvitare con le due viti.
Inserire la parte superiore della cabina contraddistinta da un foro centrale.
Passiamo ora alle colonne. Sono presenti 6 colonne di due tipi: con fori e senza fori, hanno tutte la stessa dimensione. Le colonne con fori hanno un’orientamento, nell’immagine si nota che i fori hanno distanze diverse dal bordo che va incastrato alle basi. I fori che hanno una distanza di 4 cm dalla base vanno rivolti verso la base di appoggio dell’ascensore.
Tre sono le colonne frontali ed andranno inserite nelle apposite fessure. Anche in questo caso si consiglia di inserire prima i dadi.
Posizione in cui devono essere inserite le colonne frontali.
Inserire le viti dalla parte inferiore della base.
Inserire le colonne laterali. Prima di inserirle nelle fessure incastrare i dadi M3.
Bloccare con viti.
Montare la colonna posteriore.
Procedere nel montaggio così come fatto per le altre colonne.
Inserire la cabina dell’ascensore, con la parte aperta disposta frontalmente.
Le scanalature laterali permettono di far scorrere la cabina tra le guide.
Fissare la base superiore del kit. Inserire nelle colonne i dadi e successivamente inserire nella posizione indicata dalle frecce le viti.
Avvitare, ma attenzione a non serrare con forza, rischiereste di rompere il compensato.
Inserire 4 viti nella posizione indicate dalle frecce.
Avvitare i dadi.
Inserire il rocchetto all’interno dell’asse del motore. Attenzione che il rocchetto ha un’orientamento, ciò è mostrato nel video ad inizio di questa lezione. Come si nota l’asse del motore non è cilindrico.
Inserire la vite nella posizione indicata dalla freccia, questa costituisce un supporto per il rocchetto. Avvitare il motore alla struttura.
Fissiamo lo spago alla cabina. Inserite lo spago nel foro dalla parte superiore e legateci un dado.
Poggiate la cabina sulla base della struttura e fate in modo che il filo sia ben dritto ed incollatelo sul rocchetto. Il risultato dovrebbe essere il seguente:
Nel primo esercizio della lezione: Arduino: Stepper 28BYJ-48 – AccelStepper library veniva chiesto di impostare i parametri di azionamento del motore passo paso da Serial Monitor, questa operazione può essere svolta usando la classe toInt(), ma in modo più efficace e semplice possiamo usare la classe parseInt(). In questa breve lezione un esempio di controllo del lampeggio di un LED da Serial Monitor mediante l’uso di parseInt().
È possibile ricevere numeri con più di una cifra utilizzando i metodi parseInt e parseFloat che semplificano l’estrazione di valori numerici da seriale. (Funziona anche con Ethernet e altri oggetti derivati dalla classe Stream)
I caratteri non numerici prima del numero vengono ignorati e il numero termina con il primo carattere che non è una cifra numerica (o “.” Se si utilizza parseFloat). Se non ci sono caratteri numerici nell’input, le funzioni restituiscono 0, quindi bisogna controllare i valori zero e gestirli in modo appropriato.
Nel dettaglio
I caratteri iniziali che non sono cifre o sono numeri negativi vengono ignorati;
L’analisi si interrompe quando non sono stati letti caratteri per un valore di tempo di timeout che può essere configurato oppure viene letta una non cifra;
Se non sono state lette cifre valide quando si verifica il timeout (vedere Serial.setTimeout ()), viene restituito 0; Serial.parseInt () eredita dalla classe Stream.
Se avete la Serial Monitor configurata per inviare una nuova riga o un ritorno a capo (o entrambi) quando fate clic su invia, parseInt o parseFloat proveranno ad interpretare il return come numero, ma poiché il ritorno a capo non è un numero il valore restituito da parseInt o parseFloat sarà zero.
Nell’esempio che segue un invio imposta blinkRitardo a zero il che implica che il LED non lampeggia.
Serial.begin(9600); // inizializzazione della serial monitor
10
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); // imposta il pin come output
11
}
12
voidloop()
13
{
14
// ritardo per evitare una doppia scrittura
15
// della prima stampa a monitor
16
delay(1000);
17
18
// consente di visualizzare sulla Serial Monitor
19
// una sola stampa delle stringa
20
if(chiave == 0) {
21
Serial.print("Inserisci il ritardo in millisecondi: ");
22
chiave = 1;
23
}
24
25
// Controlla se è disponibile almeno un carattere sulla seriale
26
// La Serial.available() restituisce
27
// 1 se presente un cattere,
28
// 0 se non è presente un carattere
29
30
if(Serial.available())
31
{
32
intr = Serial.parseInt(); // in r viene memorizzato il valore inserito in numero
33
if(r != 0) {
34
lampeggioRitardo = r;
35
Serial.println(lampeggioRitardo);
36
37
// abilita alla stampa di una nuova stringa:
38
// "Inserisci il ritardo in millisecondi: "
39
chiave = 0;
40
}
41
}
42
lampeggio(); // funzione che fa lampeggiare il LED su Arduino
43
}
44
45
// il LED lampeggia con i tempi di
46
// accensione e spegnimento determinati da lampeggioRitardo
47
voidlampeggio()
48
{
49
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
50
delay(lampeggioRitardo); // il delay dipende dal valore in lampeggioRitardo
51
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
52
delay(lampeggioRitardo);
53
}
Esercizio 1
Dato un LED RGB connesso ad Arduino, realizzare un selettore che da Serial Monitor consente di controllare l’accensione e lo spegnimento del rosso, del verde e del blu
Sarà un anno scolastico complicato per realizzare attività di laboratorio… distanziamento fisico, uso delle attrezzature che dovranno essere continuamente sanificate, didattica digitale integrata e mille altre cose che limitano le attività nei laboratori degli ITIS e dei Professionali.
Per i ragazzi di terza superiore, per le esercitazioni di TPSEE e Sistemi, in questi giorni pensavo ai miei soliti kit, soluzioni trasportabili che mi permettono di far svolgere le esperienze di laboratorio in qualsiasi luogo della scuola. Una parte delle esercitazioni vorrei declinarle ad aspetti di automazione civile (un primo passo verso la domotica) da svolgere in modo divertente e che appassioni.
Utilizzerò prima Arduino che tutti gli allievi di tutte le mie classi posseggono in kit, aggiungeremo poi un controllo remoto via smartphone e poi si passerà al controllo con PLC, probabilmente Siemens Logo8. L’intera attività è ancora nella mia testa ma sicuramente si farà insieme alle altre parti del programma.
Le specifiche del kit sempre le solite: che stia sul banco di lavoro (480mm x 277mm), facilmente trasportabile, economico, di facile realizzazione (assemblaggio con colla vinilica o viti), da assegnare ad ogni singolo studente (importante!) e di compensato, in modo che possa essere prodotto rapidamente con il taglio laser che abbiamo a scuola. Ho realizzato una bozza del progetto a cui ho aggiunto una maniglia in modo che il kit possa essere traportato da un laboratorio all’altro come una valigetta.
Nei prossimi giorni proverò a realizzare il primo prototipo pensando anche ad alcune esercitazioni di base che possano in qualche modo far appassionare ancor di più i ragazzi. Ovviamente se il progetto risulta presentabile condivido con voi.
Aggiungo quindi alla famiglia EduRobot il piccolo progetto: EduRobot Home.
Il lockdown come ben sapete ha creato nella scuola numerose criticità che hanno mutato radicalmente il nostro modo di studiare ed insegnare. Come insegnate di materia tecnica che vive quotidianamente il laboratorio ho necessariamente bisogno di pensare e sviluppare diverse modalità di making elettronico/didattico che da settembre bisognerà adottare a scuola in una situazione in cui tempi e comportamenti del fare e costruire saranno da rimodulare.
Ma come fare tutto ciò?
Pensieri, progetti nascenti, sperimentazioni di nuove tecnologie questo ed altro il 9 maggio al MicroCon 2020, evento online in cui si parlerà di elettronica, microcontrollori e di nuove frontiere dell’apprendimento nel settore delle nuove tecnologie.
La conferenza online e organizzata da Paolo Aliverti e Pier Aisa entrambi maker che da anni svolgono in modo egregio la loro opera di divulgazione nel settore dell’elettronica.
Maggiori informazioni sul programma e i relatori che interverranno su: www.microcon.it
Per partecipare è indispensabile l’iscrizione gratuita al seguente link.
Nel primo esercizio della lezione: 
