Obiettivo: Realizzare un sensore di parcheggio

Componenti elettronici:

• Arduino UNO
• Breadboard
• 1 Sensore Ultrasuoni (e.g., HC-SR04)
• 1 Buzzer

Pre-requisiti:

Teoria: Il sensore di parcheggio rappresenta una delle moderne tecnologie che permettono al guidatore di un autoveicolo di essere a conoscenza della distanza tra la propria automobile ed un eventuale altro veicolo. Questo permette di gestire in modo facile e rapido l’operazione di parcheggio evitando danneggiamenti o urti agli autoveicoli in questione.
Nel caso specifico, il sensore di parcheggio si basa su un sensore di prossimità ad ultrasuoni (INPUT) ed un buzzer (OUTPUT) utilizzato come segnalatore acustico.
Nel dettaglio, maggiore è la distanza maggiore sarà il ritardo tra una segnalazione acustica e la successiva, analogamente, minore è la distanza minore sarà il ritardo tra una segnalazione acustica e la successiva. In particolare, la relazione ingresso uscita che lega la distanza al ritardo impiegato nella segnalazione acustica è funzione dei seguenti quattro parametri:

• DistanzaMassima: la distanza massima dopo la quale non viene più segnalato un’ostacolo.
• DistanzaMinima: la distanza minima per la quale il buzzer emette un tono continuo
• RitardoMassimo: Il ritardo tra una segnalazione acustica e la successiva nel caso di massima distanza.
• RitardoMinimo: Il ritardo tra una segnalazione acustica e la successiva nel caso di minima distanza.

Questi valori vengono utilizzati al fine di determinare l’equazione fondamentale per il calcolo del ritardo:

ritardo = distanza*((RitardoMax-RitardoMin)/(DistanzaMax-DistanzaMin))

Collegamento Circuitale:

Codice:

Personalizzazioni: E’ possibile inserire un led al fine di avere un segnalatore visivo che indichi la distanza dall’ostacolo.

Obiettivo: Come controllare due servomotori utilizzando un Joystick per Arduino.

Pre-requisiti

Il Servomotore

Componenti elettronici:

• Arduino UNO
• Breadboard
• 2 Servomotori
• 1 Joystick KY-023K

Teoria: Il Joystick è una dispositivo elettronico che trasforma i movimenti di una leva manovrata dall’utente in una serie di segnali elettrici, questi segnali possono essere in seguito utilizzati per controllare un software (e.g., videogame), un’apparecchiatura o un attuatore meccanico. Possono esistere due differenti tipologie di Joystick:

• Joystick Digitale: Rileva solamente la direzione dell’inclinazione della leva.
• Joystick Analogico: Rileva anche l’ampiezza dell’inclinazione.

Nello specifico in questo articolo viene illustrato il funzionamento di uno dei controller più tipicamente utilizzati e presenti nei vari kit Arduino: il “Dual Axis Joystick Module KY-023“, Questo dispositivo, basato sul controller della PlayStation2, utilizza due potenziometri bi-assiali per controllare l’asse X e l’asse Y. Inoltre è possibile premere il controller per attivare uno switch. Nello specifico, la tensione di funzionamento del dispositivo è compresa nel range 3.3 – 5 V. Mentre le dimensioni sono pari a 2.6 x 3.4 cm.

Nella tabella a seguire è riportata la piedinatura utile per collegare in modo corretto il Joystick KY-023.

In questo articolo il Joystick viene utilizzato per comandare due differenti servomotori. Un servo è associato all’asse X ed un altro è invece associato all’asse Y. La posizione di riposo dei due servomotori è per entrambi 90 gradi. Spostando il Joystick lungo l’asse X si può modificare la posizione del servo associato all’asse X di un angolo variabile da 0 a 180 gradi. Lo stesso accade modificando la posizione del joystick lungo l’asse y.

Collegamento Circuitale:

Codice:

Obiettivo: Semplice comando di un servomotore

Componenti elettronici:

• Arduino UNO
• Breadboard
• 1 Servomotore

Teoria: Il Servomotore è uno particolare tipo motore ampiamente utilizzato sia in contesti industriali sia nell’ambito del modellismo. Nel dettaglio, il servomotore è impiegato in tutte le applicazioni che prevedono il controllo della posizione di in motore in corrente continua ed il raggiungimento di un determinato angolo in modo preciso indipendentemente dalla posizione iniziale. Le caratteristiche principali del servomotore sono:

• Tensione di alimentazione
• Coppia Massima (espressa in Kg)
• Angolo di rotazione

I servomotori sono caratterizzati da tre cavi che devono essere opportunamente collegati ad Arduino:

• Il cavo di alimentazione positiva (+)
• Il ground (-)
• Il controllo

Collegamento Circuitale:

Codice:

Personalizzazioni: E’ possibile modificare la velocità e l’angolo di rotazione del servomotore intervenendo direttamente sulle variabili in gioco.

Obiettivo: Utilizzare un Display LCD 16×2 (basato su un Driver Hitachi HD44780).

Componenti elettronici:

• Arduino UNO
• Breadboard
• 1 Display LCD (e.g., 1602A) compatibile con Driver Hitachi HD44780 
• 1 Potenziometro da 10 kOhm
• 1 Resistenza da 220 Ohm

Teoria: I display basati su Driver Hitachi HD44780 sono tra i più diffusi in ambito embedded. Caratterizzati da differenti formati (i.e., 8×1, 8×2, 16×2, 20×2, 16×3, etc), questi display permettono di visualizzare solo caratteri. Nella seguente tabella si riporta la descrizione dei PIN del dispositivo:

Il Driver HD44780 si basa su una modalità di trasferimento dati di tipo parallelo. Nel dettaglio è supportato sia il trasferimento di 8 bit (l’intero comando D0-D7) sia il trasferimento di 4 bit (D4-D7). Nel secondo caso, per trasmettere un byte vengono effettuati due trasferimenti.

Per la scrittura di un singolo carattere è necessario rispettare il seguente “protocollo di trasmissione“:

• Posizionare il cursore nella posizione desiderata
• Impostare a 1 il pin R/S e a 0 il pin R/W
• Inviare il codice ASCII del carattere
• Impostare ad 1 il pin E per un minimo di 450 nanosecondi ed, in seguito, riportarlo a 0

Da un punto di vista pratico, grazie all’impiego della specifica libreria LiquidCrystal inclusa nel pacchetto software di Arduino è possibile pilotare il display semplificando notevolmente la parte di gestione dei pin, dei comandi e delle relative temporizzazioni. La libreria mette infatti a disposizione una classe LiquidCrystal all’interno della quale sono definite le principali funzioni necessarie per utilizzare i display basati su Driver HD44780. Quali:

• Begin: Inizializza l’interfaccia del display LCD specificandone le dimensioni (larghezza ed altezza)
• SetCursor: Posizione il cursore LCD ovvero la posizione nella quale verrà visualizzato il testo scritto
• Print: Scrive il testo sul display LCD.

Collegamento Circuitale:

Codice:

Personalizzazioni: E’ possibile modificare il contrasto del display intervenendo sul potenziometro.

Obiettivo: Creare una serie di funzioni con Arduino per utilizzare un display a 7 segmenti .

Componenti elettronici:

• Arduino UNO
• Breadboard
• 1 Display a 7 Segmenti
• 7 Resistenza (100 Ohm)

Pre-Requisiti:

1..2..3.. Il Display a 7 Segmenti

Teoria: La possibilità di riutilizzare il codice precedentemente scritto (code re-use) rappresenta una delle pratiche più comuni nella programmazione ovvero richiamare/invocare parti di codice precedentemente già sviluppate, ogni qualvolta risulta necessario, senza doverle riscrivere daccapo.

Nello specifico, questa possibilità si concretizza attraverso la scrittura di funzioni che possono essere richiamate/invocate all’interno dello stesso programma.

Queste funzioni possono svolgere diverse operazioni, che permettono di manipolare degli input dati ed eventualmente restituire degli output desiderati.

Nel caso in questione le tre funzioni implementate (denominate, uno, due e tre) non prevedono né il passaggio specifico di parametri di input né la restituzione di un output dato; queste tre funzioni svolgono solamente una serie di azioni sequenziali volte ad accendere alcuni elementi di un display a 7 segmenti. E’ importante considerare che le tre funzioni sono tutte definite prima del loro utilizzo (ovvero prima delle due funzioni principali di setup e loop).

• Funzione Uno(): Stampa il carattere 1 sul display a 7 segmenti

• Funzione Due(): Stampa il carattere 2 sul display a 7 segmenti

• Funzione Tre(): Stampa il carattere 3 sul display a 7 segmenti

• Invocazione delle Funzioni: Le funzioni possono essere invocate semplicemente richiamandole nel punto in cui devono essere eseguite. Nel caso in questione le funzioni sono richiamate all’interno del blocco loop().

Collegamento Circuitale:

Viene in seguito riportato lo schema elettrico utilizzato per comandare un display a 7 segmenti mediante funzioni. Nel dettaglio il display impiegato è della modalità anodo comune.

Codice:

Considerando l’impiego di un display ad anodo comune i singoli LED possono essere accesi mediante l’istruzione digitalWrite(pinLed,LOW);

Tre differenti funzioni sono state create per gestire il display. La funzioni sono, rispettivamente denominate, uno(), due() e tre(). Queste funzioni devono essere definite prima dei blocchi setup e loop, non prevedono l’impiego di parametri in ingresso né la restituzione di output in uscita (funzioni di tipo void).

Personalizzazioni:

E’ possibile modificare il software aggiungendo altre funzioni per la rappresentazione dei vari numeri sul display a 7 segmenti.

Obiettivo: Utilizzo di un display a 7 segmenti .

Componenti elettronici:

• Arduino UNO
• Breadboard
• 1 Display a 7 Segmenti
• 7 Resistenza (100 Ohm)

Teoria: Il display a 7 segmenti è un dispositivo elettronico in grado di visualizzare, attraverso l’accensione di combinazioni di sette differenti segmenti luminosi, le 10 cifre numeriche, alcune lettere alfabetiche e simboli grafici.

I display a 7 segmenti sono dotati di 10 differenti pin e sono così classificati:

• Display 7 segmenti ad Catodo Comune: il pin centrale del LED deve essere collegato a massa (GND) mentre gli altri 8 differenti PIN sono utilizzati per comandare i 7 segmenti ed il punto DP. Nel caso in questione i singoli LED sono accesi attraverso l’istruzione Arduino digitalWrite(pinLed, HIGH);
• Display 7 segmenti ad Anodo Comune:  il pin centrale del LED deve essere collegato a 5V (VCC) mentre gli altri 8 differenti PIN sono utilizzati per comandare i 7 segmenti ed il punto DP. Nel caso in questione i singoli LED sono accesi attraverso l’istruzione Arduino digitalWrite(pinLed, LOW);

Collegamento Circuitale:

Viene in seguito riportato lo schema elettrico utilizzato per comandare un display a 7 segmenti. Nel dettaglio il display impiegato è della modalità anodo comune.

Codice:

Considerando l’impiego di un display ad anodo comune i singoli LED possono essere accesi mediante l’istruzione digitalWrite(pinLed,LOW);

Personalizzazioni:

E’ possibile modificare il codice aggiungendo la possibilità di visualizzare altri numeri e non solo 1, 2 e 3.

Obiettivo: Utilizzare un Sensore di presenza PIR.

Componenti elettronici:

• Arduino UNO
• Breadboard
• 1 Led
• 1 Sensore PIR

Teoria: Il sensore ad infrarossi passivo è un dispositivo elettronico che misura i raggi infrarossi irradiati dai vari oggetti nel suo campo di vista. Per questo motivo, questo dispositivo è ampiamente utilizzato come rilevatore di movimento partendo dal presupposto che ogni persona irradia energia nello spettro dell’infrarosso. Partendo da questo presupposto è importante considerare che un sensore PIR, a differenza di un sensore ad ultrasuoni non emette onde (rileva soltanto informazioni nello spettro infrarosso), inoltre è capace di misurare una variazione dell’energia associata al movimento di un oggetto/persona.

Nel caso specifico il sensore PIR proposto nell’attività è un HC-SR501.
In seguito sono riportate le principali caratteristiche tecniche di questo sensore:

• Tensione di alimentazione 5-20V
• Corrente assorbita 65mA
• Tensione in uscita 0-3,3V
• Range di sensibilità: meno di 120 gradi per 7 metri

Sono inoltre presenti due differenti trimmer per personalizzare le caratteristiche del dispositivo:

• Modifica la sensibilità legata alla distanza: ruotando in senso orario la distanza aumenta fino ad un massimo di 7 metri, differentemente, ruotando in senso antiorario il potenziometro la distanza diminuisce fino ad un minimo di 3 metri.
• Modifica la sensibilità legata al tempo per il quale il segnale di uscita rimane alto: ruotando in senso orario il tempo aumenta (fino ad un massimo di 5 minuti), differentemente, ruotando in senso antiorario il tempo diminuisce (fino ad un minimo di tre secondi).

Nel sensore è inoltre presente un Jumper che permette di impostare due differenti modalità di funzionamento:

• H (Hold/Repeat/Retriggering): In questa posizione il sensore continuerà a mantenere il livello del segnale in uscita HIGH fintanto che il movimento continuerà ad essere percepito.
• L (Intermittent or No-Repeat/Non-Retriggering): In questa posizione il sensore continuerà a mantenere il livello del segnale in uscita HIGH per il tempo definito attraverso il potenziometro.

Il sensore di presenza HC-SR501 è costituito da 3 pin. Un pin di alimentazione (5v), un pin di ground, ed il pin che riporta l’eventuale presenza di un oggetto (da collegare ad un pin di input digitale di Arduino).

Collegamento Circuitale:

Codice:

A seguire viene riportato il codice necessario per l’utilizzo del sensore PIR utilizzato per realizzare il programma.

Personalizzazioni:

E’ possibile modificare il circuito introducendo un relè indispensabile per comandare una “lampada reale” e non un semplice led.

Obiettivo: Utilizzare simultaneamente due sensori a ultrasuoni (HC-SR04). Nel dettaglio, al fine di dimostrare il corretto funzionamento del circuito, ad ogni sensore è associato un led. Quando la distanza misurata dal sensore è inferiore ad una data soglia, il led associato si accende, mentre quando la distanza è superiore il led si spegne.

Componenti elettronici:

• Arduino UNO
• Breadboard
• 2 Sensori Ultrasuoni (e.g., HC-SR04)
• 2 Led (utilizzati per dimostrare il funzionamento del circuito)
• 2 Resistenze (100 Ohm) (indispensabili per il corretto funzionamento dei led)

Pre-Requisiti:

Il Sensore a Ultrasuoni

Teoria: Il sensore di prossimità è un dispositivo che permette di rilevare la presenza di oggetti nelle immediate vicinanze, senza che vi sia un effettivo contatto.
Nel caso specifico, il sensore di prossimità ad ultrasuoni sfrutta il principio del Sonar. Degli impulsi sonori (ultrasonici) vengono emessi dal dispositivo il quale attraverso l’eventuale eco di ritorno permette di rilevare la presenza di un oggetto all’interno della portata nominale. Esempi pratici di sensori ad ultrasuoni sono i sensori di retromarcia e di parcheggio utilizzati nelle moderne automobili.
Nel dettaglio, le principali caratteristiche tecniche del sensore ad ultrasuoni HC-SR04 sono:

• Alimentazione: +5V DC
• Angolo di misura: < 30°
• Distanza di rilevamento: da 2cm a 400cm
• Risoluzione: 1cm
• Frequenza: 40kHz

Il sensore, dispone di 4 pin: Vcc (+5V), Trigger, Echo, GND.

• VCC: +5V DC
• Trigger: Genera l’impulso ultrasonico
• Echo: Rileva il segnale ultrasonico di ritorno
• GND: 0V Ground

Collegamento Circuitale:

La realizzazione hardware di circuiti che utilizzano più sensori ad ultrasuoni è relativamente facile. Ognuno dei pin di Echo e di Trig del sensore deve essere semplicemente collegato ai pin di input/output di Arduino.

Codice:

Nel caso specifico, in cui si vogliano utilizzare più sensori ad ultrasuoni per misurare simultaneamente la distanza in più punti è opportuno gestire i sensori in modo corretto attraverso il relativo codice. Nel dettaglio, è importante considerare che inizialmente entrambi i sensori generano l’impulso utilizzato per determinare la distanza. In seguito le letture di echo (effettuate mediante l’istruzione pulseIn) sono eseguite in modo sequenziale (una dopo l’altra).

Obiettivo: Utilizzare un Sensore a Ultrasuoni (HC-SR04) per misurare la distanza.

Componenti elettronici:

• Arduino UNO
• Breadboard
• 1 Sensore Ultrasuoni (e.g., HC-SR04)

Teoria: Il sensore di prossimità è un dispositivo che permette di rilevare la presenza di oggetti nelle immediate vicinanze, senza che vi sia un effettivo contatto.
Nel caso specifico, il sensore di prossimità ad ultrasuoni sfrutta il principe del Sonar. Degli impulsi sonori (ultrasonici) vengono emessi dal dispositivo il quale attraverso l’eventuale eco di ritorno permette di rilevare la presenza di un oggetto all’interno della portata nominale. Esempi pratici di sensori ad ultrasuoni sono i sensori di retromarcia e di parcheggio utilizzati nelle moderne automobili.
Nel dettaglio, le principali caratteristiche tecniche del sensore ad ultrasuoni HC-SR04 sono:

• Alimentazione: +5V DC
• Angolo di misura: < 30°
• Distanza di rilevamento: da 2cm a 400cm
• Risoluzione: 1cm
• Frequenza: 40kHz

Il sensore, dispone di 4 pin: Vcc (+5V), Trigger, Echo, GND.

• VCC: +5V DC
• Trigger: Genera l’impulso ultrasonico
• Echo: Rileva il segnale ultrasonico di ritorno
• GND: 0V Ground

Pertanto considerando la formula che lega velocità, spazio e tempo:

s = v*t

e la velocità del suono pari a 343 m/s (che espressa in microsecondi diventa 0,0343 m/uS), si ottiene:

s = 0,0343*t

Considerando inoltre che il suono percorrerà due volte la distanza da misurare (dal sensore all’oggetto e dall’oggetto al sensore); il tempo t ottenuto deve essere diviso per due, ottenendo:

s = 0,0343*(t/2)

s = 0,01715*t

s = t/58,31

Per valutare la presenza di un oggetto è necessario rispettare il seguente “protocollo“:

• Il PIN Trigger deve essere dettato alto (HIGH value) per almeno 10microsecondi.
• In automatico il modulo HC-SR04 invierà 8 impulsi ultrasonici ad una frequenza pari a 40kHz.
• Il PIN Echo viene posto in ascolto. Calcolando il tempo di arrivo/ritorno dell’impulso ultrasonico.

Collegamento Circuitale:

Codice:

[crayon-6712536a46d01036284690/]

Personalizzazioni: E’ possibile modificare il contrasto del display intervenendo sul potenziometro.

Obiettivo: Imparare ad utilizzare le principali funzioni di Arduino

Teoria:

Le principali funzioni utilizzate da Arduino per comunicare con il mondo esterno sono quattro e si dividono in base alla tipologia di azione:

• Lettura: utilizzate per acquisire i dati dai differenti sensori (luminosità, temperatura, umidità, etc)
• Scrittura: utilizzate per comandare i differenti attuatori (motori, buzzer, display, etc)

ed in base alla tipologia di segnale trattato:

• Digitale: utilizzate per trattare segnali digitali che possono assumere solamente valori logici (i.e., LOW e HIGH)
• Analogico: utilizzate per trattare segnali analogici con valori compresi tra 0 e 5V.

Nello specifico queste quattro funzioni sono così definite:

Codice:

• digitalWrite: Funzione utilizzata per comandare attuatori mediante una logica LOW/HIGH come ad esempio motori, led o buzzer. Questa funzione prevede l’impiego di due parametri di input: il PIN (0-13) ed il VALORE (LOW/HIGH)

digitalWrite(pin, valore);

• analogWrite: Funzione utilizzata per comandare attuatori mediante una logica analogica (valori compresi tra 0V e 5V) come ad esempio motori o led. Questa funzione prevede l’impiego di due parametri di input: il PIN (0-13) ed il VALORE (0-255). Nel caso specifico il valore 0 corrisponde a 0V mentre 255 a 5V. Per tutti gli altri VALORI si può attuare la proporzione lineare. (Ad esempio volendo generare un riferimento di tensione pari a 3Volt il VALORE di input può essere così calcolato: (3/5)*255. E’ importante considerare che i valori di tensione non sono “realmente” analogici ma generati attraverso la tecnica PWM. Inoltre, l’istruzione analogWrite può essere utilizzata solamente su alcuni pin digitali di output: i pin PWM (3,5,6,9,10,11).

analogWrite(pin, valore);

• digitalRead: Funzione utilizzata per leggere dati da sensori basati su una logica LOW/HIGH come ad esempio i pulsanti. Questa funzione prevede l’impiego di un parametro di input: il PIN (0-13) ed un parametro di output: il VALORE (LOW/HIGH) che viene restituito dalla funzione.

valore= digitalRead(pin);

• analogRead: Funzione utilizzata per leggere dati da sensori di tipo analogico (valori compresi tra 0V e 5V) come ad esempio fotoresistenze, sensori di temperatura, umidità etc. Questa funzione prevede l’impiego di un parametro di input: il PIN (A0-A5) ed un parametro di output: il VALORE (0-1023). Nel caso specifico il valore 0 corrisponde a 0V mentre 1023 a 5V. Per tutti gli altri VALORI si può attuare la proporzione lineare. (Ad esempio se viene letto il VALORE 512, la tensione di riferimento può essere così calcolata: (512/1023)*5.

valore = analogRead(pin);

Quiz: 

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