CORSO BASE LEZIONE 1
INDICE
- Avvertenze
- Note sul Copyright
- La corrente, la Tensione e la Resistenza Elettrica
- La legge di Ohm
- Cos’è un LED
- Progetto 1 – Accensione di un LED
- Il Pulsante: come funziona e come utilizzarlo
- Progetto 2 – L’uso di un pulsante per l’accensione di un LED
- Curiosità: Un po’ di storia scientifica
- Cos’è una Breadboard
- Progetto 3 – Hello World
- I PIN digitali di Arduino
- Progetto 4 – Auto della Polizia con lampeggianti
Avvertenze
Relativamente agli aspetti di sicurezza, poiché i progetti sono basati su alimentazione elettrica in bassissima tensione erogata dalla porta usb del pc o da batterie di supporto o alimentatori con al massimo 9V in uscita, non ci sono particolari rischi di natura elettrica. È comunque doveroso precisare che eventuali cortocircuiti causati in fase di esercitazione potrebbero produrre danni al pc, agli arredi ed in casi estremi anche a ustioni, per tale ragione ogni qual volta si assembla un circuito, o si fanno modifiche su di esso, occorrerà farlo in assenza di alimentazione e al termine dell’esercitazione occorrerà provvedere alla disalimentazione del circuito rimuovendo sia il cavo usb di collegamento al pc che eventuali batterie dai preposti vani o connettori di alimentazione esterna. Inoltre, sempre per ragioni di sicurezza, è fortemente consigliato eseguire i progetti su tappeti isolanti e resistenti al calore acquistabili in un qualsiasi negozio di elettronica o anche sui siti web specializzati.
Al termine delle esercitazioni è opportuno lavarsi le mani, in quanto i componenti elettronici potrebbero avere residui di lavorazione che potrebbero arrecare danno se ingeriti o se a contatto con occhi, bocca, pelle, etc. Sebbene i singoli progetti siano stati testati e sicuri, chi decide di seguire quanto riportato nel presente documento, si assume la piena responsabilità di quanto potrebbe accadere nell’esecuzione delle esercitazioni previste nello stesso. Per i ragazzi più giovani e/o alle prime esperienze nel campo dell’Elettronica, si consiglia di eseguire le esercitazioni con l’aiuto ed in presenza di un adulto.
Note sul Copyright
Tutti i marchi riportati appartengono ai legittimi proprietari; marchi di terzi, nomi di prodotti, nomi commerciali, nomi corporativi e società citati possono essere marchi di proprietà dei rispettivi titolari o marchi registrati d’altre società e sono stati utilizzati a puro scopo esplicativo ed a beneficio del possessore, senza alcun fine di violazione dei diritti di Copyright vigenti. Quanto riportato in questo documento è di proprietà di Roberto Francavilla, ad esso sono applicabili le leggi italiane ed europee in materia di diritto d’autore – eventuali testi prelevati da altre fonti sono anch’essi protetti dai Diritti di Autore e di proprietà dei rispettivi Proprietari. Tutte le informazioni ed i contenuti (testi, grafica ed immagini, etc.) riportate sono, al meglio della mia conoscenza, di pubblico dominio. Se, involontariamente, è stato pubblicato materiale soggetto a copyright o in violazione alla legge si prega di comunicarlo tramite email a info@bemaker.org e provvederò tempestivamente a rimuoverlo.
Roberto Francavilla
La corrente, la Tensione e la Resistenza Elettrica
Iniziamo con un po’ di teoria, ma non ti preoccupare non ti annoierò.
Per dare una spiegazione intuitiva di cosa sia e come funzioni la corrente elettrica e la tensione elettrica, è utile pensare all’acqua. Infatti, la corrente che scorre nei fili elettrici è del tutto simile a un flusso d’acqua. La differenza sostanziale tra la corrente e l’acqua è che, mentre per l’acqua sono le molecole (di acqua) a scorrere nei tubi, nei fili elettrici, sono gli elettroni (elementi che costituiscono l’ “atomo”). Tale flusso di elettroni è chiamato “corrente elettrica”.
Per dare una spiegazione intuitiva di cosa sia e come funzioni la corrente elettrica e la tensione elettrica, è utile pensare all’acqua. Infatti, la corrente che scorre nei fili elettrici è del tutto simile a un flusso d’acqua. La differenza sostanziale tra la corrente e l’acqua è che, mentre per l’acqua sono le molecole (di acqua) a scorrere nei tubi, nei fili elettrici, sono gli elettroni (elementi che costituiscono l’ “atomo”). Tale flusso di elettroni è chiamato “corrente elettrica”.
Possiamo pensare agli elettroni come a delle palline e così come l’acqua è in grado di azionare dei mulini ad acqua, anche gli elettroni possono azionare degli oggetti simili, delle sorte di mulini a elettroni. Questi mulini, azionati dagli elettroni, possono produrre luce, rumori, suoni o movimento!
Dunque: la corrente è costituita da elettroni che scorrono in un filo e possono azionare delle componenti elettriche, che possiamo immaginare come piccoli mulini. La corrente elettrica si misura in “A” cioè in Ampere (si legge “amper” perché deriva dal francese).
Rendiamo ora più specifica l’analogia con l’acqua, e pensiamo a una cascata che deriva da un bacino artificiale (cioè realizzato mediante una diga fatta dall’uomo). In una cascata l’acqua scende dal punto più alto e cade al punto più basso (per effetto della gravità), ove si raccoglie, e lì supponiamo ci sia un sistema di pompe che riportino su nel bacino artificiale l’acqua appena raccolta dopo la caduta dalla cascata. In questo modo l’acqua è pronta per compiere un nuovo ciclo di caduta dalla cascata e di risalita tramite delle pompe. Il punto più alto della cascata è quello con un “potenziale più alto” (convenzionalmente viene indicato con il ”+”), quello più basso è quello con “potenziale minore” (convenzionalmente viene indicato con il ”-”). Quindi l’acqua va da + verso il -, la stessa cosa fa convenzionalmente la corrente elettrica, cioè va dal + (punto a potenziale più alto) verso il “ – “ (punto a potenziale più basso). Questa, in termini elettrotecnici, si chiama differenza di potenziale (ddp), o anche tensione elettrica ed è misurata in “V” cioè Volt.
L’acqua nella sua discesa a valle incontra sicuramente roccia, restringimenti, diventa fiume e trova delle anse… tali elementi che si oppongono all’intensità del flusso di acqua, in elettrotecnica, si chiamano “resistenze” ed esse si oppongono al flusso di corrente elettrica. La resistenza si misura in Ohm, oppure anche indicata con ”Ω” (Omega).
La legge di Ohm.
A questo punto possiamo individuare già una delle prime leggi dell’elettrotecnica, ovvero: a parità di tensione (quindi del salto di quota della cascata di acqua), più la resistenza è alta (cioè più sono presenti rocce ed impedimenti al flusso di acqua) e più la corrente elettrica è bassa (cioè c’è un minor flusso di acqua). Questa legge dell’elettrotecnica si chiama legge di Ohm e si rappresenta così:
Le formule inverse sono:
ed
Che cos’è un LED
Anche se la forma ricorda molto una lampadina ad incandescenza, il suo funzionamento è completamente diverso. Nella lampadina ad incandescenza la corrente attraversa un filamento molto sottile di materiale ad alta resistenza elettrica e quindi diventando incandescente, perché appunto la resistenza elettrica cerca di impedire il passaggio di corrente, l’incandescenza genera la luce, ma anche tanto calore che è energia dispersa perché non utilizzata ai fini di una migliore luminosità.
In un LED la corrente attraversa un semiconduttore (cioè un conduttore che può condurre corrente solo in una direzione predefinita) ed il materiale che costituisce il semiconduttore, attraversato dalla corrente, emette luce (cioè i fotoni).
Tale metodologia di produzione di energia luminosa è molto più economica, infatti non si hanno sprechi di energia che si trasforma in calore ed il LED è anche più affidabile come fonte luminosa, perché non è soggetto agli sbalzi di temperatura che causano la rottura dei filamenti ad incandescenza, come accade per le normali lampadine.
Ricordatevi che il LED è un semiconduttore, per cui è importante la polarità con cui lo alimentiamo, l’anodo (cioè il terminale più lungo) va collegato al positivo, altrimenti non si accende e se gli venisse applicata una tensione inversa (con poli scambiati), superiore a quella di soglia ammessa, bruciamo sicuramente il LED.
In realtà anche alimentando il LED correttamente si rischia di bruciarlo, infatti bisogna fare attenzione a non superare quella che viene detta “tensione di giunzione”, ecco perché in serie al LED nel progetto precedente abbiamo messo una resistenza di 220 Ohm (in seguito vi spiego come si fa a determinare il corretto valore della resistenza in funzione dei LED e del numero di LED da alimentare).
Il LED, come potete vedere dalle figure sopra è costituito da due piastrine tra le quali vi è il semiconduttore che una volta eccitato (cioè fatto percorrere da una corrente elettrica) emette fotoni (cioè luce!). Le piastrine terminano con dei “terminali” uno più lungo (l’anodo) e l’altro più corto (il catodo). Quindi la tensione positiva, quella indicata con il “+”, va collegata all’anodo, quella negativa, indicata con il “-“, va collegata al catodo. Le due piastrine, con il semiconduttore, sono poi ricoperte da una capsula in plastica trasparente alla luce che protegge i componenti ed indirizza la stessa luce verso l’esterno.
Progetto 1 – Accensione di un LED
Il primo progetto che desidero introdurvi è l’alimentazione di un LED .
Per questo progetto abbiamo bisogno di Arduino, della breadboard, di un LED (di qualsiasi colore), di una resistenza da 220 Ohm (l’Ohm, anche indicato con ” Ω ”, è l’unità di misura della resistenza elettrica) e dei cavetti jumper Dupont (maschio-maschio, cioè quelli che hanno la punta argentata da entrambi i lati):
Fate attenzione!
La resistenza da 220 Ohm si individua tramite gli anelli colorati, in particolare se la resistenza ha 5 anelli colorati, essa deve avere gli anelli così colorati: rosso-rosso-nero-nero – marrone. Se la resistenza ha 4 anelli colorati, allora i colori degli anelli devono essere: rosso-rosso-marrone e poi un anello color argento oppure dorato. Nella prossima lezione impareremo a leggere i valori delle resistenze mediante l’uso della tabella dei colori.
Resistenza a 5 anelli colorati
Resistenza a 4 anelli colorati
Per il LED, occorre fare attenzione ai piedini terminali, uno è più lungo ed uno è più corto:
NOTA: Il terminale più lungo (anodo), negli schemi di collegamento è rappresentato “piegato”……
I collegamenti da effettuare sono:
Se tutto è stato collegato bene, quando inserirete un lato del cavo USB alla porta USB di Arduino e l’altro lato del cavo alla porta USB del PC, il LED si dovrebbe accendere, perché è alimentato.
In basso vi è il simbolo elettrico del LED ed il circuito elettrico di collegamento classico tramite resistenza:
Nel circuito elettrico la resistenza può essere messa prima o dopo il LED, non ha importanza perché i due componenti sono attraversati dalla stessa corrente “I” (appartengono allo stesso ramo elettrico), la caduta di tensione sulla resistenza è identica. Tale modalità di collegamento della resistenza al LED si dice, in termini elettrotecnici, “in serie” , il significato lo si vedrà meglio più avanti.
Quindi, con questo progetto, state iniziando ad avere i primi contatti con il mondo dell’elettrotecnica e dell’elettronica, ma andiamo a vedere meglio cosa abbiamo fatto.
In sostanza ad un elemento passivo, come è il LED, [elemento passivo significa che per funzionare ha bisogno di energia elettrica], noi abbiamo applicato una tensione elettrica. La tensione elettrica è anche chiamata FEM (forza elettromotrice), infatti essa indica con quanta forza noi spingiamo gli elettroni ad uscire fuori dalle proprie orbite ed a creare quel flusso chiamato corrente elettrica. La corrente elettrica, così generata, attraversando il materiale semiconduttore che compone il LED, trasferisce questa energia allo stesso materiale che la trasforma in “fotoni”, cioè in luce.
Quindi Arduino ha funzionato come alimentatore, cioè fornitore di energia, i fili elettrici hanno fatto sì che questa energia fosse trasferita a quello che è chiamato utilizzatore, cioè il LED.
Una parte di questa energia viene dissipata nella resistenza in serie al LED sotto forma d calore, questo per ridurre la quantità di energia altrimenti sarebbe troppo alta e si rischierebbe di bruciare il LED.
Video-progetto 001 - Accensione di un LED
Il Pulsante: come funziona e come utilizzarlo
Prima di passare al progetto successivo è bene vedere come funziona e come si utilizza un componente molto importante: il pulsante.
Il principio di funzionamento di un pulsante è molto semplice e la gif animata sotto sintetizza visivamente tale funzionamento.
Il pulsante è costituito da una parte mobile ed una fissa, la parte mobile è costituita da una lama metallica fissata ad un supporto in plastica che è il bottone del pulsante che andrà premuto, al di sotto di tale lama c’è una molla che tiene spinta verso l’alto la parte mobile.
La parte fissa invece è costituita da due lame separate che proseguono formando i piedini del pulsante. Il tutto è racchiuso in un case di plastica.
Quando il pulsante viene premuto, la molla si comprime e la lama mobile mette in contatto le due lame fisse. Se ad una delle due lame è applicata una tensione elettrica (indicata con il “+”) tale tensione è trasferita anche all’atra lama, quindi si ha quello che in gergo elettrotecnico si chiama “chiusura di un circuito elettrico“.
I pulsanti che noi utilizziamo sono caratterizzati dall’avere 4 piedini (o anche chiamati terminali) di cui sono a due a due collegati metallicamente tra di loro.
Quindi collegare il piedino A oppure il C è la stessa cosa, come anche il piedino B rispetto al D. I piedini che sono separati metallicamente, come mostra anche la figura sopra, sono quelli più vicini tra loro, cioè il piedino A è separato dal B, come il C è separato dal D.
Un altro tipo di pulsante a pressione (push button), ma la cui funzionalità è identica a quello visto sopra, è il pulsante a due terminali:
Comunque adesso eseguiamo un progetto che meglio di ogni altra cosa ci illustra il funzionamento del pulsante.
Progetto 2 – L’uso di un pulsante per l’accensione di un LED
In questo progetto desidero mostrarvi come alimentare un LED attraverso l’uso di un Pulsante che ci consentirà di accendere e spegnere il LED a nostro piacimento.
Il materiale occorrente per questo progetto è identico a quello precedente, ma in più ci occorre un micro pulsante.
Procediamo con i collegamenti come da schema sotto tenendo il cavo USB scollegato da Arduino. In particolare occorre fare attenzione al terminale più lungo del LED che va collegato in serie alla resistenza da 220 Ohm. La resistenza a sua volta è in serie al terminale del pulsante. Il cavo dupont rosso che porta i 5V, va collegato all’altro terminale del pulsante ed il cavo dupont giallo va collegato al GND di Arduino ed al catodo del LED.
Se tutto è stato collegato bene, quando inserirete il cavo alla porta USB del PC, il LED dovrebbe essere spento e premendo il pulsante si accende, perché solo premendo il pulsante il LED è alimentato, ovvero il pulsante chiude il circuito e dà la continuità elettrica.
Video-Progetto 2 – L’uso di un pulsante per l’accensione di un LED
Adesso cerchiamo di capire cosa abbiamo fatto.
Ricordiamoci del flusso di acqua di una cascata, oppure di un fiume.
Con l’inserimento del pulsante non abbiamo fatto altro che frapporre una diga, cioè un ostacolo che non può essere oltrepassato dall’acqua e solo quando si aprono le condotte, l’acqua defluisce per la cascata. Quindi il pulsante interrompe il flusso di corrente con una interruzione di circuito, solo quando esso è premuto il circuito si ripristina e la corrente può fluire in esso.
Un altro esempio per far capire la funzione del pulsante, è quello di immaginare di avere un rubinetto, solo quando si apre il rubinetto si crea la differenza di pressione tale da far fuori uscire l’acqua (e quindi far circolare la corrente).
IMPORTANTE: Mi preme evidenziarvi che ho utilizzato il termine di direzione convenzionale della corrente, questo perché ai tempi degli studi di tale fenomeno si pensava che fossero le cariche positive a muoversi dal + verso il – (perché attratte dal segno opposto), in realtà successivamente si scoprì che sono gli elettroni a generare il flusso di corrente e poiché essi hanno una carica negativa, sono attratti dal polo positivo, per cui la corrente in realtà va dal polo negativo al polo positivo, ma convenzionalmente si è continuato a mantenere la convenzione che la corrente va dal + verso il -.
Curiosità: Un po’ di storia scientifica
Nel 1799, lo scienziato italiano Alessandro Volta (da cui il nome Volt all’unità di misura della tensione), da anni studioso degli allora misteriosi fenomeni dell’elettromagnetismo, riuscì a costruire una prima, rudimentale ma efficace pila elettrica.
Agli inizi del 1800 Charles Augustin de Coulomb scopri che gli elettroni, particelle sub-atomiche dotate di carica elettrica negativa, sono naturalmente attratti da zone in cui le cariche elettriche sono di minore intensità, e quindi possono essere viste come ‘lacune’, a valenza positiva.
A metà del 1800, intorno al 1860, si diede il nome all’unità di misura della corrente elettrica dal fisico francese André-Marie Ampère, uno dei principali studiosi dell’elettromagnetismo.
L’Ohm (simbolo: Ω) è l’unità di misura della resistenza elettrica, il suo nome deriva da quello del fisico tedesco Georg Simon Ohm scopritore dell’omonima legge di Ohm. Infatti, nel 1827, la sua scoperta principale fu che la corrente elettrica che attraversa un conduttore è direttamente proporzionale alla tensione applicata ai suoi capi. Ovviamente ho citato solo alcuni fisici, in realtà tra l’inizio e la fine del 1800, ci sono stati 100 anni di scoperte scientifiche eccezionali nel campo dell’elettrotecnica, elettronica e dell’elettromagnetismo.
Nel 1889 nasce a Parigi, dopo l’accordo di diversi stati, il Sistema Internazionale, cioè furono attribuite a delle grandezze fisiche fondamentali come: lunghezza, massa e tempo le unità di misure “metro [m]”, “kilogrammo [kg]” e “secondo [s]”, poi nel tempo si aggiunsero: gradi kelvin [K] per la temperatura, ampere [A] per la corrente, candela [cd] per la luminosità e mole [mol] per la quantità di sostanza. Queste sono le unità di misura che tutti gli scienziati utilizzano per scambiarsi informazioni e ricerche scientifiche nel mondo.
Che cos’è una Breadboard.
La Breadboard è per il maker come la tela bianca per un pittore.
[Roberto Francavilla]
La Breadboard è una basetta in materiale isolante con tanti forellini. Ne esistono in commercio di diverse dimensioni, quella più comune è quella a 400 fori. I vari forellini sono collegati elettricamente tra loro in un modo particolare che vi mostro dopo. In sostanza in questi forellini si inseriscono i terminali dei vari componenti elettronici e senza effettuare saldature, quindi con notevole risparmio di tempo e soprattutto di riutilizzo dei componenti, consente il collegamento tra i vari componenti elettronici.
Infatti la Breadboard serve per sperimentare la funzionalità dei circuiti che i makers sviluppano con la possibilità di riutilizzo dei componenti e con la velocità di modificare e provare diverse soluzioni circuitali. Come si può vedere dalla foto, le strisce metalliche disposte orizzontalmente e verticalmente consentono le connessioni tra i fori della stessa fila orizzontale e verticale.
Le colonne della Breadboard sono individuate da numeri, le righe da lettere Maiuscole.
Le uniche righe i cui fori sono tutti elettricamente collegati tra loro sono quelle individuate con il “+” ed il “ -“. I fori delle altre righe (A, B, C, D, E, F, G, H, J), come si vede dalla foto sopra e dalle linee della figura, non sono collegati tra loro in senso orizzontale, ma lo sono in senso verticale, cioè in colonna. Questo significa che inserire un piedino nella colonna 6 ad un qualsiasi rigo del gruppo tra A ed E, è la stessa cosa. La Breadboard, come si vede sempre dalla figura, è divisa in due parti tra loro isolate.
Progetto 3 – Hello World
Con questo progetto iniziamo ad usare Arduino nella sua vera funzionalità, infatti nei progetti 1 e 2 la nostra scheda per Maker è stata utilizzata come una semplice batteria (alimentatore), adesso la utilizzeremo per quella che è, ovvero una scheda di sviluppo con un microcontrollore potente e flessibile.
Per il progetto avremo solo bisogno di una scheda di sviluppo Arduino e di un cavo USB. Questo progetto non è solo un test di comunicazione tra la nostra scheda Arduino e il PC, ma anche un progetto di base nel mondo Arduino che introduce alla programmazione.
E come di prassi, quando si inizia ad imparare un nuovo linguaggio di programmazione, una delle prime cose da imparare e far scrivere la frase “Hello Word” al nostro sistema che stiamo programmando.
Quindi colleghiamo la nostra scheda di sviluppo al PC tramite il cavo USB e lanciamo l’applicativo dell’IDE di Arduino cliccando due volte sulla relativa icona.
Si apre una finestra vuota, oppure occorre aprirne una nuova vuota:
Digitiamo nella finestra lo sketch sotto:
Una volta scritto lo sketch, procedete prima a cliccare sulla “V” (segno di spunta), se non ci sono errori*, allora lo caricate su Arduino cliccando su “->” ed infine, una volta caricato cliccate sulla lente (in alto a destra).
Vi compare la finestra del Monitor Seriale:
Ogni qualvolta digitiamo la R (maiuscola) e poi su Send (o Invia), sul Monitor Seriale esce la scritta: Hello World !.
* Nel caso in cui cliccando sul segno di spunta vi dovesse venir fuori un errore, allora le cause possibili possono essere tre:
- Non corretta digitazione dello sketch, per cui ricontrollate le singole righe facendo attenzione ai “;” al termine delle istruzioni o alle doppie linee per i commenti… di questo comunque ne parleremo abbondantemente in seguito.
- Non corretta configurazione della porta seriale sul PC, a tal proposito vi invito a vedere la procedura prevista nelle attività iniziali al Corso
- Non corretta installazione del driver della scheda di sviluppo, infatti alcuni Arduino compatibili istallano microcontrollori che richiedono dei driver particolari da istallare sul proprio PC per poter essere visti dalla porta seriale. Anche per questo problema vedere la procedura prevista nelle attività iniziali al Corso.
Video-Progetto 3 – Hello World
I PIN digitali di Arduino
Prima di procedere con il progetto successivo è utile conoscere cosa sono i PIN digitali e come funzionano sulla nostra scheda di sviluppo. La scheda Arduino ha 14 PIN digitali.
I PIN digitali sono particolari PIN che possono funzionare da ingresso per Arduino o anche da uscita (lo stesso PIN non può funzionare contemporaneamente da ingresso e da uscita) ed è caratterizzato dal fatto che può assumere solo due valori: stato Alto – High ovvero 5 V e stato Basso – Low cioè 0 V. Alcuni PIN digitali (per l’esattezza 6) sono indicati con una ondina “ ⁓ “, questi PIN digitali sono caratterizzati dal fatto che possono produrre un segnale di tipo PWM, ma di questo ne parleremo più in là.
Nel prossimo progetto iniziamo a vedere l’uso dei PIN Digitali.
Progetto 4 – Auto della Polizia con lampeggianti
Questo è un semplice progetto che mostra l’uso dei PIN digitali di Arduino.
Per questo progetto ci occorre:
Con questo progetto impariamo anche l’uso degli schemi elettrici e dei simboli da utilizzare per rappresentare i vari componenti. Lo schema elettrico da realizzare è il seguente:
Per i collegamenti invece fate riferimento allo schema di montaggio sotto:
Dopo i collegamenti passiamo a scrivere lo sketch.
Collegare Arduino al PC tramite il cavo USB e lanciare l’applicativo dell’IDE di Arduino cliccando due volte sulla relativa icona come fatto in precedenza e creare una nuova finestra con sketch nuovo.
Digitiamo nella finestra lo sketch sotto:
Una volta scritto il codice lanciate la precompilazione di verifica (segno di spunta), vi chiederà di salvare lo sketch (potete cambiargli il nome) e poi cliccate sulla freccia per il caricamento:
Il risultato sarà che i due LED di colore rosso e blu, in modo alternato, si accenderanno e si spegneranno dopo ogni secondo.
Se posizionate la macchina della polizia, precedentemente stampata e ritagliata, in modo tale che i due LED fuoriescano dal lampeggiante superiore dell’auto, praticando due fori a distanza opportuna per come posizionati i LED, otterrete un bell’effetto.