Obiettivo: Conoscere la logica booleana (NOT, AND, OR) utilizzando semplici interruttori

Componenti elettronici:

• Arduino
• Alcuni led
• Alcuni interruttori a scorrimento (slideswitch)
• Delle resistenze (100 Ohm) per non fare bruciare i LED

Teoria: Obiettivo di questa esperienza è ricreare i semplici operatori logici (OR e AND) utilizzando degli interruttori e Arduino come semplice generatore di tensione.

La logica booleana rappresenta quel ramo dell’algebra in cui le variabili possono assumere solamente due valori: vero e falso (valori che nelle discipline elettroniche diventano 1 e 0). Le principali operazioni logiche sono 3: AND (prodotto logico), OR (somma logica), NOT (complemento). Tali operazioni sono descritte da delle specifiche tabelle di verità.

NOT

L’operatore NOT restituisce il valore inverso a quello in entrata. In seguito è riportata la tabella di verità dell’operatore NOT nel caso di due entrate:

AND

L’operazione AND restituisce come valore 1 se tutti gli elementi hanno valore 1, mentre restituisce 0 in tutti gli altri casi. Tale operazione è anche detta prodotto logico. In seguito è riportata la tabella di verità dell’operatore AND nel caso di due entrate:

OR

L’operazione OR restituisce come valore 1 se almeno uno degli input ha valore 1. Tale operazione è anche detta somma logica. In seguito è riportata la tabella di verità dell’operatore OR nel caso di due entrate:

Nell’esempio trattato in questo articolo, sono stati utilizzati degli interruttori a scorrimento per realizzare semplici porte logiche AND e OR. Nello specifico, attraverso gli interruttori è possibile collegare/scollegare il LED alla alimentazione. Modificando la posizione dell’interruttore, il circuito si apre/chiude impedendo/permettendo il passaggio della corrente che permette di spegnere/accendere il LED.

Collegamento Circuitale:

Nella precedente rappresentazione sono riportati quattro differenti circuiti.

• Circuito1: LED sempre acceso con resistenza per limitare il passaggio di corrente (utile ad evitare la rottura della lampada).
• Circuito2: Utilizzo di un semplice interruttore a scorrimento per interrompere il flusso di corrente e accendere/spegnare il LED.
• Circuito3: Realizzazione di una porta logica AND mediante la connessione serie di due interruttori. Nella seguente galleria di immagini sono riportate le differenti combinazioni di input per una porta logica AND realizzata con gli interruttori.

• Circuito4: Realizzazione di una porta logica OR mediante la connessione parallelo di due interruttori. Nella seguente galleria di immagini sono riportate le differenti combinazioni di input per una porta logica OR realizzata con gli interruttori.

Codice:

Non serve codice.

Tinkercad:

Osservazioni:

1. Prova a realizzare combinazioni di porte logiche utilizzando gli interruttori in serie o parallelo.

Obiettivo: Utilizzare Arduino come alimentatore per gestire 5 led arcobaleno (rosso, blu, arancione, giallo, verde)

Componenti elettronici:

• Arduino
• 5 led
• 5 interruttori a scorrimento (slideswitch)
• 5 resistenze (100 Ohm)

Teoria: Obiettivo di questa esperienza è gestire 5 differenti led utilizzando Arduino come un semplice alimentatore. In questa esperienza, non c’è né codice né programmazione; i led sono gestiti nella vecchia maniera (old school) attraverso dei semplici interruttori che separano la lampada dalla rete di alimentazione.

Nell’esempio trattato in questo articolo, sono stati utilizzati degli interruttori a scorrimento i cui terminali sono collegati alla tensione di alimentazione (5 Volt) o alla massa (0 Volt). Modificando la posizione dell’interruttore, il morsetto centrale si collega ad una delle due tensioni di riferimento. Tale interruttore è collegato direttamente ad un LED (una semplice lampada che funziona con una tensione di 1,5 Volt). Una resistenza in serie al LED è indispensabile al fine di regolare la tensione e la corrente presente sulla lampada evitando di danneggiarla.

Collegamento Circuitale:

Codice:

Non serve codice.

Osservazioni:

1. Il circuito non è completo, divertiti a completarlo.

Obiettivo: Imparare come realizzare semplici circuiti resistiti sulla breadboard.

Pre-requisiti

Componenti elettronici:

• Arduino
• 2 resistori da 270 Ohm
• 2 resistori da 150 Ohm

Teoria: Obiettivo di questa esperienza è realizzare uno specifico circuito su breadboard utilizzando degli elementi resistivi e Arduino come alimentatore.

Osservando il circuito è facile riconoscere il collegamento serie degli elementi R1 e R2. Dove, R12 = R1+R2 = 300 Ohm

Il secondo collegamento circuitale osservabile è dato dal parallelo delle resistenze R12 e R4 = R12*R4/(R12+R4) = 142 Ohm

Infine è possibile calcolare la resistenza totale data dalla serie di R3 e R142 = 412 Ohm

Il precedente circuito può essere montato sulla breadboard utilizzando le seguenti modalità:

Collegamento Circuitale:

Codice:

Non serve codice.

Verifica:

Utilizzare il metodo della resistenza equivalente per determinare le tensioni presenti su tutte le componenti resistive.

Obiettivo: Realizzazione di una applicazione Android per riprodurre delle emoticon attraverso la pressione di pulsanti

Componenti:

• Sfondo carino
• Immagine Emoticon Felice
• Immagine Emoticon Triste
• Appinventor
• QRDroid

Teoria: La realizzazione di applicazioni Android richiede la conoscenza di software specifici (Android Studio) e complessi linguaggi di programmazione (Java). Tuttavia, queste competenze non sempre sono possedute dagli studenti e dalle persone che vogliono avvicinarsi alla programmazione per la prima volta. A tale scopo, il MIT di Boston ha sviluppato un tool che permette di creare applicazioni Android in modo grafico e semplice. Questo tool, denominato AppInventor, è accessibile a tutti attraverso il seguente portale web:

https://appinventor.mit.edu

Creazione della app (DESIGNER):

A seguire viene riportata una guida passo passo per la realizzazione della applicazione in questione. Prima di iniziare è opportuno scaricare i file necessari nella sezione “Componenti“

• Creazione di un nuovo progetto: attraverso il menu project creare un nuovo progetto cliccando su start new project. Denominare il progetto: Emoticon.

• Inserimento degli elementi principali dell’applicativo: semplicemente trascinando gli elementi dalla palette (menu a sinistra) è possibile inserire i seguenti elementi: 2 Bottoni (il pulsante si trova in Palette/UserInterface) ed una immagine (si trova in Palette/UserInterface).

• Inserire il file di sfondo (background): Per inserire il file di sfondo cliccare su screen1 nel menu components, ed in seguito cliccare sulla scritta background nel menu properties. Infine, uplodare il file di sfondo (EMOSfondo.png).

• Centrare i pulsanti: Per centrare i pulsanti, cliccare su screen1 nel menu componenti ed in seguito settare la proprietà center negli allineamenti verticali ed orizzontali attraverso il menu properties.

• Cambiare il testo dei pulsanti: Per cambiare il testo di un pulsante, cliccare su Button1 nel menu componenti ed in seguito cliccare su text e modificare il testo di riferimento.

• Inserire le immagini contenti le emoticon: Per associare delle immagini ad un elemento è necessario innanzitutto caricare i file di sfondo. Pertanto selezionare image1 nella schermata componenti ed in seguito premere su Picture nel menu di proprietà. Caricare infine i due file associati (EMOFelice.jpeg, EMOTriste.jpeg)

Sviluppo dell’algoritmo (BLOCKS):

Terminata la creazione dell’interfaccia grafica è opportuno realizzare il codice associato all’applicazione. Per fare questo, cliccare in alto a destra sul pulsante BLOCKS.

• Associare un evento al pulsante: Per cambiare uno sfondo di una immagine quando viene premuto un pulsante è opportuno associare l’opportuno ascoltatore. Pertanto cliccare su button1 ed in seguito trascinare nella schermata dei blocchi l’evento: “When Button1 Click do”. Eseguire la medesima operazione anche con il pulsante 2.

• Modificare l’immagine: Per modificare il file associato ad una immagine selezionare il metodo set image Picture ed indicare il nome corretto del file nel campo stringa.

Download dell’applicazione:

Per scaricare l’applicativo è necessario avere un cellulare Android con relativo lettore di QRCode. Pertanto, terminato lo sviluppo cliccare nel menu build -> App (provide QR code for APK)

Obiettivo: Utilizzo di un keypad 4×4 per l’accensione di un led mediante una relativa password di accesso (lunga 4 caratteri). Simulazione basata sull’utilizzo del software Tinkercad.

Componenti elettronici:

• Non servono componenti elettronici hardware, basta il tuo PC ed una connessione ad internet.
• http://tinkercad.com/

Teoria: Il keypad è un dispositivo elettronico costituito da un insieme di pulsanti disposti in un blocco o “pad” che riportano cifre, simboli o lettere alfabetiche. I keypad sono prevalentemente utilizzati nei dispositivi elettronici che richiedono principalmente input numerici come calcolatrici, telefoni a pulsante, distributori automatici, bancomat, serrature a combinazione e serrature digitali. .
Il keypad presente nel software di simulazione Tinkercad è un keypad 4×4 che presenta 16 tasti di cui 10 numerici (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9) e 6 tasti alfanumerici (A,B,C,D,*,#). A seguire vengono riportate alcune immagini e tabelle utili per comprendere il funzionamento del keypad da un punto di vista elettronico.

Come riportato in tabella, un Keypad 4X4 è dotato di otto terminali dove quattro sono le righe della matrice e quattro invece le colonne. Attraverso questi 8 terminali è possibile comprendere quale tasto è stato premuto.
La struttura interna del keypad è riportata nella seguente figura:

Nel caso in questione il keypad è utilizzato per accendere un led per 1 secondo quando una password lunga 4 caratteri è inserita nel modo corretto.

Collegamento Circuitale:

Codice:

La gestione del keypad è facilitata grazie all’utilizzo della libreria <keypad.h>. Mentre la libreria è presente di default nell’applicativo Tinkercad, nel caso in cui il lettore voglia realizzare questo progetto con Arduino fisicamente è opportuno aggiungere la libreria manualmente al progetto.

Personalizzazioni:

E’ possibile aggiungere un display ed utilizzare un relè per implementare il controllo di una cassaforte.

Obiettivo: Controllo ON/OFF di un LED mediante il telecomando ad infrarossi. Simulazione basata sull’utilizzo del software Tinkercad.

Componenti elettronici:

• Non servono componenti elettronici hardware, basta il tuo PC ed una connessione ad internet.
• http://tinkercad.com/

Teoria: Il telecomando è un dispositivo elettronico, sviluppato negli anni 50, che permette di inviare (ma non di ricevere) segnali ad un altro dispositivo situato a distanza per comandarlo.
In genere, i telecomandi tradizionali sono in grado di trasmette il segnale fino ad una distanza di circa 20 metri sotto forma di raggi infrarossi codificati.
Affinché il dispositivo da comandare possa ricevere i segnali inviati dal telecomando è necessario utilizzare un ricevitore ad infrarossi tipicamente fornito con il telecomando. La maggior parte dei ricevitori ad infrarossi in commercio sono dotati di 3 pin:

• Alimentazione
• Ground
• Uscita

Il pin di uscita del ricevitore permette di inviare al microcontrollore (al quale è collegato il ricevitore) il segnale ricevuto dal telecomando. E’ importante considerare come ad ogni pulsante del telecomando sia associato un codice univoco. Tali codici variano in funzione dei vari telecomandi; pertanto prima di realizzare il programma finale è importante ottenere il valore del codice associato ai vari pulsanti.
Nel caso specifico di Tinkercad i codici associati ai vari pulsanti (ottenuti con il programma Arduino riportato in seguito) sono presentati nella seguente tabella:

Una volta ottenuti i codici è possibile attraverso il collegamento circuitale riportato in seguito scrivere il programma per comandare un LED attraverso il pulsante di ON/OFF

Collegamento Circuitale:

Codice:

A seguire viene riportato il software utile per determinare i codici associati ad ogni pulsante del telecomando a IR.

Ottenuto il codice associato al pulsante desiderato è possibile modificare il software per comandare l’azionamento di un LED mediante telecomando a IR. Il programma è molto simile al precedente viene solamente aggiunta la parte di codice relativa alla gestione del LED ed una istruzione IF per determinare se il pulsante premuto è quello di ON/OFF. E’ importante infatti considerare che il LED si accenderà solamente quando il pulsante di ON/OFF è premuto.

Personalizzazioni:

E’ possibile aggiungere più LED e comandare i vari LED con i vari pulsanti del telecomando.

Obiettivo: Comando di una Lampada mediante un relè. Simulazione bastata sull’utilizzo del software Tinkercad.

Componenti elettronici:

• Non servono componenti elettronici hardware, basta il tuo PC ed una connessione ad internet.
• http://tinkercad.com/

Teoria: Uno dei problemi principali di Arduino è legato alla impossibilità apparente di comandare dispositivi che richiedono tensione e/o correnti elevate. Infatti, è importante considerare che Arduino, attraverso le sue istruzioni di digitalWrite può generare su uno specifico pin in uscita una tensione massima di 5 Volt con una corrente pari a 70 milliAmpere. Molti utilizzatori si chiedono pertanto come sia possibile comandare dispositivi più complessi rispetto a quelli presenti nei tradizionali kit base Arduino, come lampade, ventole, o stripline led. La risposta a questa domanda è legata ad un semplice dispositivo elettromeccanico denominato relè (in inglese relay): il quale può essere utilizzato come un interruttore (ad alta tensione) comandato elettronicamente. Da un punto di vista fisico, il relè è costituto da un elettromagnete (costituito da una bobina di filo conduttore elettrico, tipicamente rame, avvolto intorno ad un nucleo di materiale ferromagnetico). Al passaggio di corrente elettrica nella bobina, l’elettromagnete modificherà la posizione di un contatto mobile aprendo o chiudendo il circuito ad esso collegato. Il contatto aperto quando la bobina non è alimentata prende il nome di normalmente aperto (NO); mentre, l’altro contatto, quello chiuso prende il nome di normalmente chiuso (NC).

Da un punto di vista elettronico, utilizzare un relè per comandare una lampada a 230volts mediante Arduino è una procedura particolarmente semplice. Il primo passo è quello di collegare, mediante il contatto normalmente aperto del relè, la lampada ad una sorgente di alimentazione esterna (come ad esempio la rete elettrica di casa). In seguito la bobina del relè viene collegata al pin digitale di Arduino impiegato per il controllo della lampada. Questo ci permette di modificare la posizione del contatto mobile del relè attraverso l’istruzione di digitalWrite con la quale la bobina può essere o non essere eccitata. In questo modo è possibile comandare una lampada a 220Volts mediante una semplice tensione a 5Volts.

Nel caso specifico, l’impiego di un pulsante permette di controllare l’attivazione della bobina e quindi il controllo della lampada. L’applicazione proposta è stata simulata mediante l’utilizzo del software di simulazione tinkercard. Tensioni elevate possono essere pericolose per la salute personale, pertanto l’impiego almeno in una fase iniziale di un simulatore rende questa operazione sicuramente più sicura. A seguire viene riportato lo schema elettrico ed il codice utilizzato per il comando della lampada mediante relè.

Collegamento Circuitale:

Codice:

A seguire viene riportata la schematizzazione mediante flowchart dell’algoritmo utilizzato per realizzare il programma.

Personalizzazioni:

E’ possibile modificare il circuito utilizzando il pulsante come interruttore: la lampada deve rimanere accesa fino a quando il pulsante non viene premuto una seconda volta (Attenzione possibili problematiche di rimbalzo).

Obiettivo: Utilizzare il simulatore online tinkercad per emulare l’ambiente Arduino facendo lampeggiare un led.

Componenti elettronici:

• Non servono componenti elettronici hardware, basta il tuo PC ed una connessione ad internet.
• http://tinkercad.com/

Pre-Requisiti

Teoria: Il microcontrollore Arduino ha molti vantaggi: economico, facile da utilizzare, costa poco. Tuttavia non sempre abbiamo a disposizione i sensori che ci interessano e che vorremmo utilizzare nelle nostre applicazioni, oppure non sempre abbiamo Arduino con noi. Per questo motivo l’impiego di un simulatore online può essere estremamente vantaggioso. Tra i vari simulatori uno dei migliori è sicuramente Tinkercad. Tinkercad è un programma di modellazione 3D, online che può essere eseguito direttamente in un web browser. Particolarmente utilizzato per la realizzazione di progetti di stampa 3D, questo software permette anche la simulazione di circuiti elettronici in ambiente Arduino.
Obiettivo di questa esperienza è simulare il circuito presentato nei pre-requisiti dove un Led collegato al pin 8 lampeggia con una frequenza di 1Hz (si accende e si spegne ogni secondo).

Simulazione Circuitale: Completata la fase di registrazione, una volta effettuato il login, è possibile passare alla fase di simulazione dei circuiti elettrici semplicemente cliccando su Circuits.

Dalla schermata di simulazione è possibile selezionare i componenti necessari, nel caso in questione Arduino, attraverso il pannello dei componenti (questo pannello si trova nello schermo a destra).

In seguito è possibile aggiungere al pannello di simulazione Arduino con la corrispettiva breadboard.

E realizzare il circuito con led e resistenza indispensabili per la realizzazione di questo tutorial.

Completata la realizzazione hardware, al fine di garantire il funzionamento del circuito, è necessario caricare il software per il blinking del led sul controllore Arduino. Per inserire il codice, cliccare sul pulsante Code in alto a destra. E’ possibile programmare Arduino sia mediante blocchi (Scratch) sia mediante il tradizionale codice. Nel caso specifico, selezionata l’opzione text è possibile copiare e incollare il codice direttamente dall’esempio riportato nei pre-requisiti.

Terminata la programmazione del controllore si passa alla fase di simulazione cliccando sul pulsante Start Simulation.

Obiettivo: Realizzazione di una applicazione Android per la comunicazione Smartphone-Android mediante protocollo bluetooth per il comando di un singolo LED (ON/OFF).

Componenti:

• Appinventor
• QRDroid

Teoria: Bluetooth è uno standard di trasmissione dati per reti senza fili. Questo protocollo è ampiamente utilizzato per la connessione tra i moderni smartphone e i differenti dispositivi casalinghi/industriali (amazon echo, altoparlanti, cuffie, etc). Nel caso specifico la comunicazione avviene mediante la realizzazione di una app tra Smartphone ed Arduino per il comando di un singolo LED.

Creazione della app (DESIGNER):

A seguire viene riportata una guida passo passo per la realizzazione della applicazione in questione. Prima di iniziare è opportuno scaricare i file necessari nella sezione “Componenti“

• Creazione di un nuovo progetto: attraverso il menu project creare un nuovo progetto cliccando su start new project. Denominare il progetto: BluetoothLED.

• Inserimento degli elementi principali dell’applicativo: semplicemente trascinando gli elementi dalla palette (menu a sinistra) è possibile inserire i seguenti elementi: Listpicker (si trova in Palette/UserInterface), Button (si trova in Palette/UserInterface), Label (si trova in Palette/UserInterface).

• Adattare le dimensioni dei pulsanti: Per adattare le dimensioni dei singoli elementi cliccare su screen1 nel menu components, selezionare in seguito l’elemento (sempre nel menu componenti) e cliccare su width nel menu properties. Infine, selezionare l’opzione fill parent (riempe il contenitore genitore).

• Modificare il testo: Per modificare il testo riportato nelle singole entità, cliccare sui differenti componenti nel menu componenti ed in seguito settare il testo attraverso il menu properties.

• Componenti bluetooth e pulsante ON/OFF: Per completare l’applicativo vengono infine inseriti: il ClientBluetooth (si trova in Palette/Connectivity) e due pulsanti (ON/OFF). E’ importante considerare che a differenza degli altri elementi il modulo bluetooth non risulta visibile nella GUI perché componente non visibile

Sviluppo dell’algoritmo (BLOCKS):

Terminata la creazione dell’interfaccia grafica è opportuno realizzare il codice associato all’applicazione. Per fare questo, cliccare in alto a destra sul pulsante BLOCKS.

• Realizzazione del codice: Per gestire l’applicativo implementare la procedura riportata nella figura sottostante

Download dell’applicazione:

Per scaricare l’applicativo è necessario avere un cellulare Android con relativo lettore di QRCode. Pertanto, terminato lo sviluppo cliccare nel menu build -> App (provide QR code for APK)

Obiettivo: Creazione di uno Splash Screen per la customizzazione delle proprie applicazioni

Componenti:

• Logo
• Suono Carino (Facoltativo)

Prerequisiti:

Teoria: Attraverso l’utilizzo di pagine temporizzate è possibile realizzare uno splash screen ovvero: una schermata di presentazione che molti programmi visualizzano al momento del loro avvio, recante in genere il nome e la versione del programma stesso, il logo del produttore e il copyright.h

Creazione della app:

A seguire viene riportata una guida passo passo per la realizzazione di uno splash screen, ovvero uno screen temporizzato che si apre al momento dell’avvio della applicazione contenente il logo aziendale/scolastico.

• Creazione di un nuovo progetto: attraverso il menu project creare un nuovo progetto cliccando su start new project. Denominare il progetto: SS.

• Inserimento degli elementi principali dell’applicativo: semplicemente trascinando gli elementi dalla palette (menu a sinistra) è possibile inserire i seguenti elementi: Image (si trova in Palette/UserInterface), Sound (si trova in Palette/Media), Clock (si trova in Palette/Sensors). E’ importante considerare che a parte il pulsante, il clock non risulta visibile nella GUI perché componente non visibile.

• Inserire il file di immagine: Per inserire il file di immagine cliccare su image1 nel menu components, cliccare su background in properties e uplodare il file di sfondo.

• Centrare l’immagine: Per centrare l’immagine, cliccare su image nel menu componenti ed in seguito settare la proprietà center negli allineamenti verticali ed orizzontali attraverso il menu properties

• Creazione di un nuovo screen: Per inserire una seconda schermata cliccare su screen e premere su add new screen.

Sviluppo dell’algoritmo (BLOCKS):

Terminata la creazione dell’interfaccia grafica è opportuno realizzare il codice associato all’applicazione. Per fare questo, cliccare in alto a destra sul pulsante BLOCKS

• Associare un evento al clock: Per avviare uno nuovo screen è opportuno associare un evento al clock. Pertanto cliccare su clock1 ed in seguito trascinare nella schermata dei blocchi l’evento: “When Clock1 Timer”

• Aprire un nuovo screen: Per aprire un nuovo screen cliccare su build e trascinare l’evento “Open another screen Screenname”. In seguito, inserire il nome dello screen da aprire facendo attenzione alle lettere maiuscole e minuscole.

• Disabilitare il clock: E’ opportuno disabilitare il clock altrimenti il rischio è quello di aprire continuamente in modo automatico il nuovo screen. Pertanto cliccare su clock1 ed in seguito trascinare nella schermata dei blocchi il metodo: “Set Clock1.TimerEnabled” e settario al valore logico false.