Introduzione alla programmazione di Arduino. 7 Aprile 2016 Massimo Donatelli (INFN-CNAF)

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1 Introduzione alla programmazione di Arduino 7 Aprile 2016 Massimo Donatelli (INFN-CNAF)

2 Storia di Arduino Progetto Italiano partito ad Ivrea nel 2005 Creatore Massimo Banzi con l'idea di permettere la realizzazione di piccoli e semplici progetti artistici robotizzati Progetto opensource e licenza creative commons Basato su Wiring (IDE) e Pocessing (programmazione e grafica) Tantissimo successo tantissime schede vendute ed utilizzate in svariati progetti Scissione di alcuni componenti del team Causa legale sulla registrazione del marchio Arduino Licenza Genuino/Arduino Non ha fermato l'utilizzo dei prodotti

3 Schede Arduino piu' diffuse Arduino UNO (pototipazione standard) Arduino Mega 2560 (pototipazione estesa, stampa 3d (materia)) Arduino nano (pototipazione su breadboard) Arduino micro (pototipazione su breadboard, funzioni estese usb) Arduino mini (facilmente integrabile in piccoli progetti) Arduino Leonardo (integrazione funzioni estese usb) Arduino due (cpu interna arm a 32 bit Cortex-M3) Arduino zero pro (cpu interna arm a 32 bit, debugging esteso, Cortex-M0) Arduino lillipad (dispositivi indossabili) Arduino yun (Arduino che integra modulo aggiuntivo con openwrt, ulinux )

4 Utilizzi frequenti Gestione sensori Domotica Antifurto Controllo remoto casa, ufficio giardinaggio Sensori cablati, IR, radio Robotica Servomotori Motori passo passo Motori in corrente continua Misuratori di distanza (IR, ultrasuoni) Visualizzazione Pannello di controllo Interfacciamento con sistemi industriali Stampa 3d e tanto altro

5 Standard Arduino Semplicita' di apprendimento e di utilizzo Wiring interfaccia di programmazione multipiattaforma e multiarchitettura Processing estensioni grafiche ed interattive (sketch) Scheda arduino UNO (Mega2560) Pinout standard Connettore standard Moduli diffusi Sensori, Trasduttori e librerie Comunita' molto attiva Sito ufficiale Comunita' dei makers, fablab Stampanti 3D Interfacciamento con apparecchiature industriali Software e librerie in rete (

6 Arduino UNO

7 Arduino UNO vs Mega2560 ARDUINO UNO / ( Nano 328P) Microcontroller ATmega328P Operating Voltage 5V Input Voltage (reccomended) 7-12V Input Voltage (limit) 6-20V Digital I/O Pins 14 (of which 6 provide PWM output) PWM Digital I/O Pins 6 Analog Input Pins 6 (8) DC Current per I/O Pin 20 ma DC Current for 3.3V Pin 50 ma Flash Memory 32 KB (ATmega328P) of which 0.5 KB used by bootloader SRAM 2 KB (ATmega328P) EEPROM 1 KB (ATmega328P) Clock Speed 16 MHz Length 68.6 mm Width 53.4 mm Weight 25 g ARDUINO Mega 2560 Microcontroller ATmega2560 Operating Voltage 5V Input Voltage (recommended) 7-12V Input Voltage (limit) 6-20V Digital I/O Pins 54 (of which 15 provide PWM output) Analog Input Pins 16 DC Current per I/O Pin 20 ma DC Current for 3.3V Pin 50 ma Flash Memory 256 KB of which 8 KB used by bootloader SRAM 8 KB EEPROM 4 KB Clock Speed 16 MHz Length mm Width 53.3 mm Weight 37 g

8 Datasheet arduino UNO (AT328P)

9 Memoria Tre tipi di memoria Flash or Program Memory SRAM EEPROM

10 Caratteristiche uc Basso consumo, alimentazione a 5v anche da usb Alta efficienza (1 istruz/clock 1 mips/mhz) 8 bit, 16 MHZ (1-20MHz) Possibilità di risparmio energetico (pico power) Modalita' avanzate di sleep Risveglio mediante interrupt (hardware, software) Semplice interfacciamento con il PC (USB) Curva di apprendimento molto ripida Reperimento software, librerie, hardware enorme su web, github, blog, forum, sito arduino.cc...

11 Interfacciamento PC Porta seriale USB Stampa su porta seriale (formato csv, separatori vari) Semplice parsing con script o con manipolatori di testo Interprete di comandi Alcune schede Arduino supportano l'emulazione di mouse e tastiera Awk, sed, seditor di testo avanzati Popolamento tabelle excel mediante simulazione di una tastiera Plotter seriale (ultima versione IDE) Grafici immediati dell'andamento delle variabili, semplice oscilloscopio Interprete di comandi seriale Possibilita' di grafica diretta con processing

12 Componenti elettronici Componenti passivi Resistenza (resitenza, potenza massima, freq. Massima) Legge di OHM R = V / I Potenza P = V x I Condensatore (capacita', filtro, separatore di c.a.) Induttore (induttanza, relay, extratensioni ed extracorrenti, ritarda I V) Diodo (giunzione, shottky, zener, led, varicap) (passivo non lineare) Componenti attivi Transistore BJT (lavora in corrente, amplificatore) Transistore FET (lavora in tensione, amplificatore) Circuito integrato (opamp, porte logiche, semplici controllori dedicati)

13 Resistore e condensatore

14 Diodo e Transistore

15 Sensori e attuatori Sensori e trasduttori (analogici, digitali) Attuatori Display Relay Servomotori Motori c.c. motori stepper Diodi led

16 Sensori analogici Sensore reale analogico potenziometro Curva caratteristica di un sensore Esempio (tempertatura NTC/PTC, luminosità) Compensare un sensore Errore sistematico, ed errore casuale Precisione e risoluzione Rumore e isteresi linearita' velocita' Calibrazione compensare la curva di risposta

17 Sensori digitali Molteplici sensori Temperatura e umidità (digitali, ) Luminosità, colore Umidità bagnato Presenza Distanza Polvere...

18 Caratteristiche elettriche uc Convertitori ADC (campionamento valori elettrici che variano nel tempo, sensori analogici) Digital input (resistenza pullup, pulldown, circuito aperto--> alta impedenza) Digital Output (corrente massima) SPI (protocollo seriale, sincrono, full duplex MISO MOSI CLK SS) I2C (protocollo seriale half duplex CLK DATA) RX TX (CTS RTS) 8 byte hardware buffer for RX serial data, ( 64 via software arduino) Semplice interfacciamento RS-232, RS-422 or RS-485, seriale bluetooth, comandi AT, interprete Interrupt Risvegliare il uc ad un evento asincrono, eseguire un codice ad hoc ad una condizione particolare Timers/contatori/watchdog Porte GPIO aggiuntive, RTC, memorie aggiuntive, display lcd,7-segm, ecc. Seriale (collegamento seriale USB con il PC, ulteriori porte seriali) Display lcd,tft, scheda ethernet, Processi periodici, echo/ping misuratori distanza ultrasuoni, riavvio software a fronte di un dead lock PWM Variazione luminosita' led, controllo servomotori, ventole tachimetriche

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20 Arduino Mega 2560 pinout

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22 Breadboard

23 Installazione software arduino Ultima release disponibile Installazione sotto linux Vantaggi (limitate conoscenze elettroniche, passaggio tra microcontrollori diversi con il minimo sforzo) Cartella degli sketch Esempi prefatti Struttura delle directory Installazione nuove librerie Esempio didattico

24 IDE di Arduino

25 IDE di Arduino Compilazione upload Nuovo Menu Monitor Seriale Gestione Schede Carica Salva Editor Finestra di dialogo Dettagli Nome Scheda Porta seriale

26 Struttura di un programma #include aggiunta librerie #define Variabili e costanti globali Funzioni() Setup() {} configurazioni iniziali Loop() personalizzazione, debugging, gestione multipiattaforma migliore leggibilità, facilmente ricicalbili {} funzionamento ciclico del programma

27 Struttura evoluta semplice programma int LED = 13; int BUTTON = 10; int DimmerLED = 11; Setup() { pinmode(led, OUTPUT); pinmode(button, INPUT); Loop() { digitalread(button); digitalwrite(led, HIGH) analogread(a0); analogwrite(dimmerled,128); delay() millis() Pwm } }

28 Esempio funzionate int LED = 13; int BUTTON = 10; int DimmerLED = 11; void setup() { Serial.begin(9600); pinmode(led, OUTPUT); pinmode(button, INPUT); Serial.println(millis()); } void loop() { digitalwrite(led,digitalread(button) ); delay(5); analogwrite(dimmerled, map(analogread(a0), 0, 1023, 0, 255)); delay(10); }

29 Esempi standard Utilizzo led interno lampeggiante (delay, without delay) Segnali digitali in input ed output (correlazioni) Segnali analogici Utilizzo porta seriale Lettura dati analogici stampa su porta seriale (es. formato csv, separatori vari) archiviazione su scheda SD Popolamento file excel con similazione di tastiera Portare su grafico i valori delle variabili in output sulla seriale Manipolazione Stringhe Display (LCD, LED, matrice, TFT) Misuratori elettrici SD, servomotori, motori passo passo, misuratori elettrici, ADC, PWM, IO aggiuntivi e di maggiore precisione

30 Nuove Librerie Aggiunta nuove librerie (esempi) Installazione da file zip Aggiunta da repository GIT (linking) Aggiunta automatica di nuove librerie Come scegliere una libreria tra tante Help in linea

31 Schede aggiuntive Scheda di rete ethernet w5100/w5500 Scheda wireless standard, seriale-->esp-8266 Scheda bluetooth Scheda motori (stepper, servo) RTC + memoria esterna IO aggiuntivi (analog, pwm, digital) Scheda prototipale Scheda relais Scheda per estensioni radio Scheda gsm, gprs, sms Schede didattiche multifunzione

32 Esempi concreti Sensore polvere Sensore temperatura/umidità Server modbus IP (automatismi e controllo remoto) Data logger Display TFT con interprete seriale per disegnare sullo schermo (comandi vettoriali) Per aggiornare variabili semplicemente Comunicazioni seriali via radio Sistema di controllo remoto luci/h2o Intelligenza distribuita (I2C memoria stato/settaggi, uc multimaster) Funzionamento ridondato master/slave RTC per eventi programmati Server modbus IP per controllo da remoto via wifi Registri di controllo Registri di stato Parametri di setup

33 Prospettive attuali e future Ambiente integrato con eclipse (multipiattaforma, multiarchitettura) Aggiungere Microcontrollori alternativi non presenti nativamente su arduino Microcontrollore ESP-8266 CPU tensilica L106 Integra wireless IPv4 (sta/ap/sta+ap) 40 KB RAM, ½-4 MB FLASH ROM Filesystem SPI Flash File System (SPIFFS) MQTT Freq. 80/160 Mhz - 32 bit Sdk espressif Interfaccia arduino Estensione wifi Arduino (seriale, comandi AT) interprete LUA Interprete micro python Microcontrollori con cpu ARM Cortex-M3 (ARM STM32 [STM32F103CBT6] ) Integrazione con Raspberry pi e similari (server di aggregazione linux, vpn, mail, sms, domotica, comunicazione radio) Microcontrollore ESP-32 (in arrivo) piu' risorse, dual core, wireless bgn + bluetooth 4.2