Hands-On ArduinoElectronics for designersP. Perego- Politecnico di Milano

AA 2010/2011Facoltà del Design - Politecnico di Milano3.o anno – Disegno Industriale

Paolo Perego

2Che cos’è ARDUINO?Hardware, Software e prototipo di circuito.

“Arduino is an open-source physical computing platform based on a simple i/o board and a development environment that implements the Processing / Wiring language. Arduino can be used to develop stand-alone interactive objects or can be connected to software on your computer.“ ( www.arduino.cc, 2006 )

Paolo Perego

3Perché ARDUINO?Nano, Lilly, Fyo, Mini, Mega…

1. Arduino è nato per la prototipazione da parte di non elettronici: robusto e immediato;

2. E' orientato all'applicazione, non alla piattaforma in sé;3. Permette di provare, partendo dal piccolo e crescendo pezzo per pezzo

(sviluppo modulare);4. Lo sviluppo è aiutato da una enorme community online con esempi e

consigli.5. Economico6. Connessione USB

Paolo Perego

Com’è fatto Arduino 4

Micro controllore:Arduino è basato su un microcontrollore, l’ATmega328

Il microcontrollore è il «cervello» di tutto il sistema, gestisce gli input, gli output, la comunicazione USB, la temporizzazione.

Necessita quindi di istruzioni deve essere programmato!!!

Paolo Perego

Microcontrollore: Approfondimento

5

Per applicazioni particolari, tipiche del controllo industriale si fa invece uso dei così detti Microcontrollori (uC).Un microcontrollore è un sistema a microprocessore completo, integrato in un solo chip, progettato per ottenere la massima autosufficienza funzionale ed ottimizzare il rapporto prezzo-prestazioni per una specifica applicazione. I uC comprendono, oltre all’unità di calcolo, anche la memoria (RAM e ROM) e ulteriori periferiche di input/output (convertitori analogico/digitali, timer, interfaccia USB) a seconda dell’applicazione specifica.

Il microprocessore è il nucleo centrale di un calcolatore; esso è l’unità di elaborazione dei dati e di controllo del funzionamento del calcolatore stesso e viene spesso indicato con la sigla CPU (Central Processing Unit). Posto da solo, il uP non è utilizzabile, infatti sia i dati che i programmi su cui il processore opera sono immagazzinati in un’unità di memoria esterna a causa della grande quantità di memoria richiesta.

Paolo Perego

Microcontrollore: Approfondimento 2

6

I vantaggi dell’utilizzo dei micro:• Sono richiesti meno dispositivi “discreti” per la realizzazione di un sistema• Il sistema ha dimensioni ridotte• Diminuiscono i costi• Diminuisce il consumo di potenza• Diminuisce la sensibilità all’ambiente (temperatura, EM, …)• Utilizza meno componenti, quindi più affidabile.• Riconvertibilità del progetto (riprogrammabile)• Protezione contro la copia• Interfacciamento semplice con altri dispositivi (PC, LCD, …)

Ma dove si usano???• Componenti PC: mouse, tastiere, modem, carica batterie…• Orologi, calcolatrici• Serrature per porte, sistemi d’allarme• Automotive: in una BMW X5 sono contenuti più di 70 microcontrollori.

Arduino è basato su un microcontrollore, l’ATmega328

La grande community online e il fatto di essere OpenSource lo rendono molto più semplice ed intuitivo rispetto al normale utilizzo di microcontollori (PIC, ARM…)

Paolo Perego

Com’è fatto Arduino 7

Alimentazione da USB

Alimentazione da V-in (6 - 20V)

Alimentazione da Jack (6 - 20V)Si consiglia una tensione tra 7 e 12V.

Se utilizziamo un alimentatore esterno, sul pin Vin si troverà la tensione di alimentazione vera e propria senza regolazione.

Arduino seleziona automaticamente la sorgente di alimentazione. Solo il vecchio Arduino diecimila necessita di un selettore.

Paolo Perego

Com’è fatto Arduino 8

Nota:Segnale analogico: è un segnale a tempo ed ampiezza continua.

Segnale digitale o numerico: è un segnale a tempo discreto e ad ampiezza quantizzata.

6 Ingressi analogici

14 Ingressi/Uscite digitali

Paolo Perego

Alimentazione a batteriaDimensionamento della batteria

Il dimensionamento della batteria è un aspetto fondamentale di un progetto. Arduino One, Mega e 2009, grazie al connettore esterno, permettono di alimentare il sistema per mezzo di batterie… ma quali usare?

La batteria da utilizzare dipende da:1. Tempo d’uso2. Corrente richiesta dal sistema3. Tensione richiesta dal sistema4. Dimensione massima (in cm) della batteria

Se per esempio abbiamo un circuito che necessità 3,3V, consuma 150mA e vogliamo che la batteria duri alemno 8 ore, dovremo scegliere un batteria con tensione maggiore di 3,3V (il circuito avrà un regolatore, come Arduino) e una ‘capacità’ di almeno 150mA*8*1,2 = 1440mAh

1,2 è un fattore di correzione per assicurarsi la durata voluta.

9

Paolo Perego

Pin Digitali:Generici ed specifici

Ognuno dei 14 pin Digital I/O dell’Arduino può essere utilizzato sia come input che come output.

I pin Digital I/O operano ad una tensione di 5V e possono fornire fino a 40mA di corrente

Alcuni di questi pin hanno funzioni specifiche:

Serial: pin 0 (RX) e pin 1 (TX). Sono rispettivamente il pin di trasmissione e ricezione per la comunicazione seriale. Lavorano a 5V e sono connessi con l’USB. Possono essere utilizzati per connettere un modulo bluetooth. In questo caso il modulo deve essere scollegato per permettere la scrittura del firmware attraverso l’USB.

External Interrupts: pin 2 e 3. Questi pin possono essere configurati per la generazione di interrupt. Possono cioè essere configurati in modo che se il valore del pin cambia, l’esecuzione del codice viene interrotta momentaneamente per eseguire un’altra operazione, associata al cambiamento del pin

10

Paolo Perego

Pin Digitali:Generici ed specifici

PWM: 3, 5, 6, 9, 10, e 11. Possono essere utilizzati come PWM a 8 bit.

SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Questi pin possono essere utilizzati per la comunicazione SPI con alcuni dispositivi (SDCARD, Ethernet shield, GSM).

LED: 13. Il pin 13 è collegato ad un led SMD presente sulla scheda.

I2C: 4 (SDA) e 5 (SCL). Configurabile come I2C (TWI) (simile a SPI).

11

Paolo Perego

Pin Digitali:Pulse Width Modultation (PWM)

La PWM – Pulse Width Modulation è una tecnica utilizzata per la generazione di un segnale analogica utilizzano un uscita digitale.

Variando la lunghezza dell’impulso posso generare dei valori analogici da 0 a Vcc (5V per Arduino).

Il duty-cycle è il rapporto tra il periodo dell’impulso al valore logico alto sul periodo in percentuale.

La frequenza di lavoro del PWM di Arduino è circa 470Hz.Pilotando un led con questa tecnica posso far assumere diverse gradazioni di luminosità, l’occhio non percepisce il continuo on/off ma un livello differente di luminosità.

12

Paolo Perego

Pin Analogici:Convertitore Analogico-Digitale (ADC)

Arduino ha inoltre 6 ingressi analogici (A0…A5) ognuno dei quali ha una risoluzione a 10bit (cioè riconosce 2^10 = 1024 intervalli di tensione differenti).

Il convertittore analogico-digitale (ADC) interno di Aduino è settato di default per acquisire valori tra 0 e 5V. Questo vuol dire che l’intervallo di 5V sarà diviso in 1024 intervalli.

E se volessimo acquisire un segnale tra0 e 3,3V?

Parte dei livelli di quantizzazione sarebberoInutili.

13

0V 5V3,3V

Paolo Perego

Pin Analogici:Convertitore Analogico-Digitale (ADC) 2

14

Per tale motivo è presente il pin AREF con il quale, per mezzo di una apposita funzione che vedremo in seguito, si può fissare il valore di riferimento (il valore massimo) per l’ADC

Un altro pin molto utile è il RESET.

Questo pin, se posto a 0, permette di resettare lo stato dell’arduino.

È possible resettare Arduino sia per mezzo del pulsante presente sulla board, sia attraverso questo pin.

Durante la programmazione questo pin è posto basso per resettae Arduino e permetterne la programmazione.

Paolo Perego

Programmazione di Base

Variabili └ ArrayFunzioniStrutture di controllo

Nota: Utile per Arduino e Processing

15

Paolo Perego

Com’è fatto Arduino 16

Programmazione da USBNota:Firmware: Insieme di istruzioni che controllano il funzionamento di un microcontrollore. E’ il «programmino» che andremo a caricare sul nostro Arduino.

Software: Insieme di istruzioni che controllano parte del nostro computer. Sono i programmi che girano sul nostro calcolatore (Word, Excel…).

Incluso il software Arduino che avete installato, chiamato anche «Integrated Development Environment (IDE) Arduino».

Procesing è un altro IDE che serve tuttavia a creare software per PC/MAC.

Paolo Perego

Programmazione di baseLe Variabili

17

Dichiarazione delle varibili:

Tipo variabile NOME VARIABILE (= Valore iniziale);Tipi di variabili presenti:- boolean: variabile binaria, può essere TRUE o FALSE;- char: usa un byte di memoria e può contenere un qualsiasi carattere. Ad esso è assegnato un valore tra -127 e 128;- byte: contiene 8 bit, valore tra 0 e 255;- int: numero intero tra -32768 e 32767 (2 byte);- word: contiene 16 bit, valore tra  0 e 65535;- long: numero intero tra -2147483,648 e 2147483,647 (4 byte);- float e double: numero con virgola mobile tra 3,4028235E+38 and as low as -3,4028235E+38- string: colonna di char;- array: colonna di variabili (int, float…)

int ledPin = 13;int ledPin1 = 10;float interval = 100.5;char carattere= ‘c’;

Paolo Perego

Programmazione di baseEsempi di variabili

18

boolean running = false;char myChar = 'A';byte b = B00010010;int ledPin = 13;word w = 10000; long speedOfLight = 186000L;float sensorCalbrate = 1.117;STRING:char Str2[8] = {'a', 'r', 'd', 'u', 'i', 'n', 'o'};char* myStrings[]={"This is string 1", "This is string 2", "string 3"};

ARRAY:int myInts[6]; int myPins[] = {2, 4, 8, 3, 6}; int mySensVals[6] = {2, 4, -8, 3, 2}; char message[6] = "hello";

Paolo Perego

Esempi di variabiliGli array

19

Si può immaginare un array come una sorta di casellario, le cui caselle sono dette celle dell'array stesso. Ciascuna delle celle si comporta come una variabile tradizionale; tutte le celle sono variabili di uno stesso tipo preesistente, detto tipo base dell'array. Si parlerà perciò di tipi come "array di interi", "array di stringhe", "array di caratteri" e così via.

La dimensione dell'array (ovvero il numero celle di cui esso è composto) viene considerato parte della definizione del tipo array.

Ciascuna delle celle dell'array è identificata da un valore di indice. L'indice è generalmente numerico e i valori che gli indici possono assumere sono numeri interi che partono da 0. Si potrà quindi parlare della cella di indice 0, di indice 1, e, in generale, di indice N, dove N è un intero compreso fra 0 e la dimensione dell’array.

Dichiarazione di un array di 10 interi:int myArray[10];

Uso dell’array:myArray[0] = 10;myArray[1] = 5;

…

Paolo Perego

Cosa sono le funzioni

Le funzioni sono parti di codice a cui viene associato un nome.

Le funzioni hanno principalmente tre funzioni:- Permettere una maggiore leggibilità del codice- Evitare di riscrivere lo stesso codice- Possibilità di costruire librerie da poter utilizzare in differenti progetti

Una funzione ha solitamente questa struttura:

Tipo_dato_uscita NomeFunzione(tipi_ingressi NomeVariabile…){

Corpo della funzione}

Arduino permette sia l’utilizzo di funzioni da librerie, sia la creazione di nuove funzioni.

20

Paolo Perego

Strutture di controllo

• if…elseSe la variabile corrisponde alla prima condizione eseguo azione 1, altrimenti eseguo l’azione

due.if (condizione 1) azione 1;else azione 2;

• Ciclo forServe per eseguire N volte le funzioni tra parentesi

21

Paolo Perego

Strutture di controllo

• Switch… case

Il controllo switch si comporta come più if in cascata. È utilizzato per quei casi in cui la variabile può assumere più valori che devono essere controllati tutti (es. Che tasto ho premuto?)

switch (var) { case 1: //do something when var equals 1 break; case 2: //do something when var equals 2 break; default: // if nothing else matches, do the default // default is optional }

22

Paolo Perego

Strutture di controllo

• Ciclo whileEsegue continuamente le funzioni tra parentesi fino a che la condizione rimane invariata.

while(var < 200){ // do something repetitive 200 times var++;}

• Ciclo Do… whileÈ come il ciclo while, ma in questo caso la condizione è controllata alla fine.

do{x = readSensors(); // check the sensors} while (x < 100);

23