Che cos'è Arduino?

Arduino è una piattaforma open-source utilizzata per lacostruzione di progetti di elettronica e automazione.Arduino consiste in una scheda fisica programmabile conmicro-controllore e di una parte software, o IDE(Integrated Development Environment), che eseguito sulcomputer, viene usato per scrivere e caricare codiceinformatico in linguaggio “C” nella scheda fisica.La piattaforma Arduino è diventata molto popolare per chiinizia ad apprendere le basi dell'elettronica. Ogni volta chesi scrive un nuovo codice, questo può essere caricato sullascheda fisica semplicemente utilizzando un cavo USB.Arduino ha una forma standard che permette a caseproduttrici di componenti elettronici di fornire delleespansioni di qualsiasi tipo in modo da aumentare lepossibilità di gestione di INPUT e OUTPUT.

ARDUINO UNO

ARDUINO IDE

Con queste poche righe di codice è possibile farlampeggiare un LED connesso ad Arduino. All'inizio questolinguaggio può risultare complesso o di poca logica mabasta poco tempo per capire come funziona laprogrammazione e realizzare progetti complessi consemplici combinazioni di istruzioni. Tutto sta nel GIOCAREcon questi strumenti.

Arduino è stato progettato per artisti, designer, hobbisti,hacker, neofiti e chiunque sia interessato a creare oggetti oambienti interattivi. Può interagire con pulsanti, LED,

motori, altoparlanti, unità GPS, fotocamere, internet, eanche il vostro smartphone o il vostro televisore. Questaflessibilità combinata ad un software gratuito ha portato aduna vasta comunità di utenti che hanno contribuito asviluppare codice open-source per creare progetti diqualsiasi tipo.Da un robot o una piastra elettrica per riscaldare le mani aun guanto Dungeons and Dragons, Arduino può essereusato come il cervello dietro quasi tutti i progetti dielettronica.

GUANTO DADI DUNGEONS AND DRAGONS

E questa è solo la punta dell'iceberg. In internet sono natecomunità e siti interamente dedicati a progetti Arduino.Basta fare una piccola ricerca per avere una lista quasiinfinita di guide, tutorial e video su come usare Arduino.Alcuni di questi sono Instructables, Bildr, ArduinoPlayground, EMC Elettronica.

Ci sono molte varietà di schede Arduino che possonoessere utilizzate per scopi diversi. Alcune possono esseredifferenti da quella sottostante, ma la maggior parte delleschede Arduino hanno questi componenti in comune:

Alimentazione (USB / Barrel Jack)Ogni scheda Arduino ha bisogno di essere collegata ad unafonte di alimentazione. Arduino UNO può essere alimentatoda un cavo USB (1) proveniente dal computer o una presaa muro (da 6 a 12 Volt massimo) che termina con un jackBarrel (2).

Il collegamento USB è anche il modo con cui caricare ilcodice nella scheda Arduino.

Pins (5V, 3.3V, GND, analogico, digitale, PWM, AREF)I pin sulla scheda sono i connettori in cui inserire i fili percostruire un circuito. Di solito sono di plastica e consentonodi collegare un solo cavo alla volta. Arduino ha diversi tipidi pin, ciascuno dei quali è segnato sul bordo interno eutilizzati per funzioni diverse.•GND (3): Abbreviazione di 'GROUND', 'TERRA',

'NEGATIVO', o anche 'MASSA'. Ci sono diversi perniGND su Arduino, ognuno dei quali può essere utilizzatoper mettere a terra il circuito.

•(4) 5V e 3.3V (5): Come si può immaginare, questi pinforniscono 5 volt e 3,3 volt. La maggior parte deicomponenti semplici utilizzati con Arduino utilizzano3.3 volt o 5 volt massimo.

•Analogico (6): L'area dei pins sotto l'etichetta 'AnalogIn' (da A0 ad A5) sono ingressi Analogici. Questi pinpossono leggere il segnale da un sensore analogico(come un sensore di temperatura ) e convertirlo in unvalore digitale che possiamo leggere ed usare nelprogramma.

•Digitale (7): Nella parte opposta ai pin Analogici, ci sonoi pin Digitali (da 0 a 13). Questi pin possono essereutilizzati sia per l'ingresso digitale (per verificare se unpulsante è stato premuto ad esempio) e un'uscitadigitale (come l'alimentazione di un LED).

•PWM (8): La tilde (~) accanto ad alcuni pin digitali (3, 5,6, 9, 10, e 11) indica la possibilità di usare tali uscitecome segnali Pulse-Width Modulation (PWM).

•AREF (9): acronimo di riferimento Analogico. La maggiorparte delle volte questo pin non è necessario. A volte èutilizzato per impostare una tensione di riferimentoesterna (tra 0 e 5 Volt) come il limite superiore per ipin di ingresso analogico.

Pulsante di ripristinoLa scheda Arduino ha un pulsante di reset (10).Premendolo si collegherà temporaneamente il pin di reseta massa e quindi sarà possibile riavviare l'esecuzione diqualsiasi codice caricato in Arduino. Questo può esseremolto utile se il codice non viene ripetuto o per operazionidi DEBUG.

Indicatore LED di alimentazioneAppena sotto a destra della parola "UNO" sul circuito, c'èun LED accanto alla parola 'ON' (11) molto piccola. QuestoLED dovrebbe accendersi ogni volta che si collega Arduinoad una fonte di alimentazione. Se questa luce non siaccende, c'è una buona probabilità che qualcosa non va.

LED RX TXTX è l'abbreviazione di trasmissione, RX è l'abbreviazionedi ricezione. Questi segni appaiono un po ovunque inelettronica per indicare i pin responsabil i dellacomunicazione seriale. Nel nostro caso, ci sono due postisu Arduino UNO dove troviamo la scritta TX e RX, sui pinDigitali 0 e 1 e accanto ai LED di segnalazione TX e RX(12). Questi LED si attivano ogni volta che Arduino staricevendo o trasmettendo dati (come quando stiamocaricando un nuovo programma sulla scheda tramite ilsoftware Arduino IDE).

CI principaleLa cosa nera con tutte le gambe in metallo è un IC, ovveroun Circuito Integrato (13). Pensate a questo come ilcervello vero e proprio di Arduino. Ultimamente è statosostituito da un circuito SMD molto più piccolo didimensioni. Il principale IC sulle schede Arduino è dellalinea Atmega, parte della società ATMEL. E' necessariosapere il tipo di IC che state utilizzando poiché nelmomento della programmazione dovrete scegliere il tipo diprocessore in uso (Board) prima di inviare il codice che

avete scritto alla scheda Arduino.

Regolatore di tensioneIl regolatore di tensione (14), in realtà non è qualcosa cheinteragisce con Arduino, ma è utile sapere che faesattamente quello che dice, ovvero che controlla e regolala quantità di tensione che viene immessa nella schedaArduino e quindi trasforma la tensione in ingresso da 6-12volt a 5 volt.

La famiglia ArduinoCi sono diverse schede Arduino, ciascuna con differenticapacità. Avere un hardware open-source significa che èpossibile modificare e/o produrre espansioni per schedeArduino che forniscono più funzionalità rispetto allecomuni. Ne elenco qualcuna come esempio.

Arduino Uno (R3)L'Uno è un'ottima scelta per il principiante. Ha tutto ilnecessario per iniziare. Dispone di 14 pin digitali di input /output (di cui 6 possono essere utilizzati come uscitePWM), 6 ingressi analogici, una connessione USB, un jackdi alimentazione, un pulsante di reset e contiene tutto ilnecessario per supportare il proprio micro-controllore.Basta collegarla ad un computer con un cavo USB oalimentarla con un adattatore o una batteria per iniziare.

LilyPad ArduinoLilyPad è una scheda Arduino sviluppata su una tecnologiae-textiles ovvero indossabile (creata da Leah Buechley).Ogni LilyPad è stato progettato con larghi connettori su unabase piatta e piccola per consentire all'utente finale dipoter cucire la scheda su abiti con filo conduttivo. LilyPadha anche una propria famiglia di schede di ingresso, diuscita, di tensione, e dei sensori che sono stati costruitiappositamente per e-textiles. Questi componenti sonoanche lavabili!

RedboardRedboard può essere programmata tramite un cavo USBmini-B. E' possibile lavorare su Windows 8 senza dovermodificare le impostazioni di sicurezza. E' più stabile graziealla porta USB/FTDI, in più è completamente piatta sulretro, rendendola più facile da incorporare nei vari progetti.Basta collegare la scheda, selezionare "Arduino UNO" dalmenu di Schede di Arduino IDE per poter caricare il codice.È possibile alimentare la scheda Redboard via USB otramite la presa a jack Barrel. Il regolatore di potenza è ingrado di gestire tensioni da 7 a 15VDC.

Arduino Mega (R3)Arduino Mega è il fratello maggiore di Arduino UNO. Ha unsacco (54!) di Input/Output digitali (14 possono essereutilizzati come uscite PWM), 16 ingressi analogici, unaconnessione USB, un jack di alimentazione, e un pulsantedi reset. Il gran numero di pin rendono questa schedamolto utile per progetti che richiedono molti ingressi digitalie/o uscite.

Arduino LeonardoArduino Leonardo è la prima scheda di programmazione diArduino ad utilizzare un micro-controllore con USBincorporato. Ciò significa che può essere più economico epiù veloce. Inoltre, poiché la scheda gestisce direttamentel'USB, sono disponibili diverse librerie di codice checonsentono di emulare una tastiera del computer, mouse, ealtre periferiche.

La famiglia allargataLa sola scheda Arduino è molto “carina” di per se ma perpoter creare dei progetti di un certo livello o utilità c'èbisogno d'altro. Ed è qui che entrano in campo I SENSORIdi base e gli SHIELDS (scudi o meglio estensioni) , duedegli strumenti più pratici da utilizzare per dar vita a veri epropri progetti.

SensoriCon qualche semplice codice, Arduino può controllare einteragire con una vasta gamma di sensori, componentiche possono misurare la luce, la temperatura, il grado diflessione, la pressione, la vicinanza, l'accelerazione, ilmonossido di carbonio, la radioattività, l'umidità, lapressione atmosferica, e molti altri.

ShieldsInoltre, ci sono queste schede chiamate shield. Sonoschede pre-costruite che si adattano sopra alla schedaArduino e forniscono ulteriori funzionalità. Ad esempio cisono shield per il controllo di motori, di connessione ainternet (ethernet), che forniscono comunicazioni cellulari owireless, che controllano uno schermo LCD, un touchscreen, e molto altro.

Installazione Software e 'Hello World'

Per iniziare praticamente ad usare Arduino dobbiamoscaricare il software dal sito http://arduino.cc/en/Main/Software aseconda del sistema operativo che vogliamo usare. Inquesta guida selezionerò il pacchetto per windows poiché èil sistema operativo più usato. Una volta scaricato l'installer.exe eseguiamolo e confermiamo il termine l'installazione.Fatto ciò troveremo sul desktop o nel menu Avvio ilcollegamento al programma Arduino. Facciamolo partirecliccandoci sopra.

Questa è la schermata principale di Arduino. Come potetevedere non è altro che un editor di testo, un blocco notedove poter scrivere il codice che poi sarà convertito ineseguibile per il processore IC della scheda Arduino. Inogni programma destinato ad essere compilato ci sonoobbligatoriamente dei TAG da inserire. Questi TAGdefiniscono delle variabili e delle configurazioni cheserviranno per eseguire il programma stesso.Il primo TAG che troviamo è la funzione “setup”. Inlinguaggio C ogni funzione deve avere il tipo di datoritornato e degli argomenti. In questo caso la funzionesetup non ritorna nessun dato ne ha argomenti necessari,perciò sarà definita nel modo seguente:

void setup() {

}

il tipo “void” specifica al compilatore che la funzione setupnon ritorna nessun valore o dato. Le parentesi tonde ()senza nessun valore all'interno, specificano al compilatoreche la funzione setup non ha argomenti. Le parentesigraffe {} delimitano l'inizio e la fine del codice chepermette la configurazione base del programma. In questospazio infatti dovremo inizializzare e quindi informare ilcompilatore che useremo alcuni tipi di PIN della schedaArduino come entrate, altri PIN come uscite, che vogliamoutilizzare il monitor Seriale e a che velocità impostare lacomunicazione, e/o altre cose necessarie al correttofunzionamento del programma che seguirà. Da notare chele operazioni e istruzioni eseguite all'interno della funzionesetup (all'interno delle parentesi graffe) saranno eseguiteuna volta sola all'accensione della scheda Arduino.

Il secondo ed ultimo TAG obbligatorio è la funzione “loop”.Anche in questo caso dovremo informare il compilatore chenon ci serve ne un ritorno di dato o valore, ne argomenti.

void loop() {

}

In questa funzione, all'interno delle parentesi graffe {},inseriremo le operazioni e le istruzioni che la schedaArduino eseguirà in ciclo (loop) finche non staccheremol'alimentazione. Tutto ciò che compare all'interno di questafunzione ha un ciclo di vita infinito, a meno chediversamente voluto, (ad esempio un input da tastiera o daseriale). Detto questo il nostro IDE Arduino risulterà inquesto modo:

In questo esempio faremo accendere e spegnere un leddirettamente connesso al la scheda Arduino. Laconfigurazione Hardware da usare è la seguente.

In questa immagine vediamo una scheda Arduino (inquesto caso un Arduino Duemilanove ma va bene qualsiasialtra scheda) e un led rosso a 5v. I led hanno un polopositivo (anodo) e uno negativo (catodo). Per identificare ilcatodo si fa riferimento dalla “gamba” più corta, viceversal'anodo è identificato con la “gamba” più lunga.

Poiché vogliamo accendere e spegnere questo led tramiteArduino connetteremo il catodo su un pin GND quindiMassa o Negativo, mentre l'anodo del led al pin 13 comeda immagine (ma posso connetterlo anche ai pin numeratidiversamente 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12). Fattoquesto dobbiamo dire al compilatore di usare il pin 13come OUTPUT perché vogliamo far uscire tramite questopin la tensione a 5v in modo da accendere il led.L'istruzione per impostare un pin in modalità di uscita(OUTPUT) è pinMode(). In questo caso la funzionepinMode() dovrà obbligatoriamente avere un argomento(tra parentesi tonde) dove inserire il numero del pin che sivuole impostare e un secondo argomento che identifica iltipo di funzione del pin (INPUT o OUTPUT). In questo casoquindi l'istruzione finale sarà:

pinMode(13, OUTPUT);

Ogni istruzione è terminata con il punto e virgola “;” epoiché è un'istruzione di inizializzazione, va inserita nellafunzione setup().

void setup() {

pinMode(13, OUTPUT);

}

Adesso la scheda Arduino saprà che vogliamo usare il pin13 come OUTPUT quindi possiamo andare nella funzioneloop ed inserire l'istruzione per accendere fisicamente illed. L'istruzione per alimentare un pin a 5v è digitalWrite().Come primo argomento necessita di sapere su quale pinandare ad impostare la tensione di 5v e come secondoargomento, di sapere se far passare tale tensione (HIGH oanche 1) o interromperla (LOW o anche 0).

L'istruzione nel nostro caso sarà:

digitalWrite(13, HIGH);

Che inclusa nella funzione loop() diventerà:

void loop() {

digitalWrite(13, HIGH);

}

Semplice no?!Una volta finito di scrivere il codice, connettiamo Arduino alcomputer tramite cavo USB, se non è stato riconosciuto dalsistema operativo, selezioniamo il driver contenuto nellacartella di installazione di Arduino (quasi semprec:\programmi\Arduino\driver). Dopodiché selezioniamo lascheda Arduino che stiamo usando andando nel sotto-menu “Board” del menu “Tools”:

Selezioniamo la porta alla quale è connessa la schedaArduino andando nel sotto-menu “Serial Port” del menu“Tools”:

Ed infine inviamo il programma ad Arduino tramite il menu“File” e cliccando su “Upload”. In pochi secondi, se nonabbiamo commesso errori nella scrittura del codice, il ledsulla scheda si accenderà, confermandoci che il codice cheabbiamo scritto è stato eseguito. Ma non abbiamo finito,per poter far lampeggiare un led dobbiamo anche poterlospegnere una volta acceso, quindi dovremo usare la stessaistruzione precedente per accendere il led al pin 13 mainviando come secondo argomento il valore LOW o 0(zero). Quindi avremo queste istruzioni eseguite in cicloinfinito:

void loop() {

digitalWrite(13, HIGH);digitalWrite(13, LOW);

}

Una volta fatto, invieremo di nuovo il codice nella scheda(UPLOAD). Ma qualcosa non va, il led non si spegne,rimane sempre acceso. Questo perché stiamo ragionandosenza tener presente la velocità del processore dellascheda Arduino. Il processore esegue le istruzioni

contenute nella funzione loop(), circa 490 volte al secondo.La vista umana non riesce a vedere così velocementequesto comportamento, quindi dovremo rallentarel'esecuzione del ciclo. Per farlo useremo un'istruzione diattesa, che dice al processore di “ASPETTARE” un tempoche indicherò nell'argomento di tale funzione ovvero lafunzione delay(). Questa funzione accetta necessariamentecome argomento unico un valore in millisecondi, perciòquando il processore eseguirà il codice e troverà questafunzione, aspetterà il tempo indicato senza eseguirenessuna operazione, e al termine continuerà l'esecuzionedel resto del programma. Quindi nel nostro caso:

void loop() {

digitalWrite(13, HIGH);

delay(2000);

digitalWrite(13, LOW);

}

Mettendo 2000 come argomento della funzione delay ilprocessore aspetterà 2000 millisecondi, quindi 2 secondi,senza eseguire il codice, dando il tempo alla vista dipercepire il comportamento del led secondo il codice cheabbiamo scritto. Provando ad inviare (UPLOAD) di nuovo ilcodice ad Arduino ci accorgiamo però che il led rimanesempre acceso. Infatti la funzione di attesa è stata messaeffettivamente dopo l'accensione del led ma non dopo lospegnimento. Quindi il processore è così veloce a spegneree riaccendere il led che non riusciamo ancora a percepirlo.Perciò dobbiamo necessariamente inserire un secondodelay dopo lo spegnimento del led:

void loop() {

digitalWrite(13, HIGH);

delay(2000);

digitalWrite(13, LOW);

delay(2000);

}

Ora, una volta inviato il codice alla scheda, potremoconstatare che effettivamente il processore accenderà il ledtramite il pin 13, aspetterà 2 secondi senza eseguireoperazioni, dandomi così l'opportunità di vedere il ledacceso, alla fine dei quali spegnerà il led togliendo latensione al pin 13 ed aspetterà anche qui 2 secondi senzaeseguire operazioni dandomi l'opportunità di vedere il ledspento. Poiché è un ciclo infinito, il led si accenderà espegnerà continuamente.

Utilizzando questo linguaggio e contemporaneamente leuscite e le entrate della scheda Arduino sarà possibilestabilizzare un mezzo multi-rotore in volo, prendendo comeINPUT sia i sensori IMU, che il comando del pilota tramiteradio e quindi segnale PWM, inviando quindi come OUTPUT,dei segnali PWM ai regolatori di velocità (ESC) chegestiranno la velocità di rotazione dei motori consentendoal mezzo di rimanere in volo e di eseguire i movimenticomandati dal pilota.