AA 2010/2011 Facoltà del Design - Politecnico di Milano 3.o anno – Disegno Industriale Hands-On Arduino Electronics for designers P. Perego- Politecnico di Milano

Che 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 )

Perché ARDUINO? Nano, Lilly, Fyo, Mini, Mega… Arduino è nato per la prototipazione da parte di non elettronici: robusto e immediato; E' orientato all'applicazione, non alla piattaforma in sé; Permette di provare, partendo dal piccolo e crescendo pezzo per pezzo (sviluppo modulare); Lo sviluppo è aiutato da una enorme community online con esempi e consigli. Economico Connessione USB

Com’è fatto Arduino 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!!!

Microcontrollore: Approfondimento 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. 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 microcontrollore o il microprocessore sono il cervello del nostro cirucito elettrico digitale Il microprocessore è il nucleo centrale di un PC, è l’unità di elaborazione dei dati e di controllo di funzionamento. Un microcontrollore è invece un “sistema” a microprocessore; esso integra in un solo chip non solo l’unità di calcolo ma anche memoria e periferiche in input/output. I microprocessori sono sì più potenti, ma posti da solo, non sono utilizzabili. I microcontrollori sono invece progettati ed utilizzati per applicazioni particolari, tipiche dei controlli industriali.

Microcontrollore: Approfondimento 2 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. In questa slide sono evidenziati i vantaggi principali dell’utilizzo di un microcontrollore in un progetto. Innanzitutto sono richiesti meno componenti discreti per la realizzazione del sistema rispetto all’utilizzo di una normale rete digitale; il sistema avrà quindi dimensioni ridotte ed una minore sensibilità alle variazioni ambientali. In questo modo possono essere diminuiti i costi, sia di produzione che di manutenzione in quanto l’affidabilità del sistema aumenta diminuendo il numero di componenti. Oltre alla possibilità di aggiornare il sistema, essendo riprogrammabile, è possibile proteggere il dispositivo dalla copia. Inoltre l’utilizzo di un microcontrollore da la possibilità di interfacciarsi facilmente con altri dispositivi come PC via usb, LDC… Anche se non se ne sente parlare, i microcontrollori sono i componenti più venduti ed utilizzati al mondo; sono utilizzati in miriadi di applicazioni: dai componenti dei PC (mouse, tastiere…), orologi, calcolatrici, serrature di porte. 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…)

Com’è fatto Arduino Alimentazione da USB Alimentazione da V-in (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. Alimentazione da Jack (6 - 20V)

Com’è fatto Arduino 14 Ingressi/Uscite digitali 6 Ingressi analogici 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. 14 Ingressi/Uscite digitali 6 Ingressi analogici

Alimentazione a batteria Dimensionamento 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’uso 2. Corrente richiesta dal sistema 3. Tensione richiesta dal sistema 4. 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.

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

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).

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.

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 tra 0 e 3,3V? Parte dei livelli di quantizzazione sarebbero Inutili. 0V 3,3V 5V

Pin Analogici: Convertitore Analogico-Digitale (ADC) 2 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.

Programmazione di Base. Variabili. └ Array. Funzioni Programmazione di Base Variabili └ Array Funzioni Strutture di controllo Nota: Utile per Arduino e Processing Nota, se vogliono stampare non si capisce niente. Se facciamo accendere il led interno non mettere “collegare”.

Com’è fatto Arduino Programmazione da USB Nota: 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.

Programmazione di base Le Variabili 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’;

Programmazione di base Esempi di variabili 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";

Esempi di variabili Gli array 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; …

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.

Strutture di controllo if…else Se la variabile corrisponde alla prima condizione eseguo azione 1, altrimenti eseguo l’azione due. if (condizione 1) azione 1; else azione 2; Ciclo for Serve per eseguire N volte le funzioni tra parentesi

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 default: // if nothing else matches, do the default // default is optional }

Strutture di controllo Ciclo while Esegue continuamente le funzioni tra parentesi fino a che la condizione rimane invariata. while(var < 200) { // do something repetitive 200 times var++; } Ciclo Do… while È come il ciclo while, ma in questo caso la condizione è controllata alla fine. do x = readSensors(); // check the sensors } while (x < 100);