Primi passi con ARDUINO

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1 Speciale di Euro 9,90 Primi passi con ARDUINO Impara a realizzare i tuoi progetti interattivi con la piattaforma Made in Italy più famosa al mondo. Aggiornato a IDE 1.0 e board Arduino UNO Rev.3 a cura di Simone Majocchi Poste italiane Spa - Spedizione in abbonamento Postale: D.L. 353/2003 (conv. in L. 27/02/2004 n 46) art. 1 - comma 1 - DCB Milano Supplemento al numero 162 di Elettronica In Dicembre 2011 / Gennaio 2012

2 Prefazione Dedicare dieci ore del proprio tempo all apprendimento teorico e alla realizzazione di alcuni semplici progetti con Arduino UNO è un investimento che ti permetterà di scoprire cosa puoi creare con il tuo ingegno e la tua inventiva. Scoprirai come un mondo apparentemente complesso e riservato agli esperti è stato invece semplificato e trasformato in un prodotto facile da usare, anche senza aver mai messo mano a un saldatore, e in grado di dare grandi soddisfazioni. Come tutte le tecnologie nate da un ambiente di ricerca e divulgazione, Arduino UNO può contare sulle energie, sulla passione, sulla creatività e sull intelligenza di una community internazionale già oggi molto nutrita ed in costante crescita. Entra a far parte di questo rinascimento tecnologico e scegli quando passare da spettatore ad attore, prima imparando con noi i rudimenti, poi attingendo alle vaste librerie di idee e progetti sviluppate dagli altri utenti ed infine contribuendo in prima persona con le tue realizzazioni hardware ed il tuo codice. Troverai gli esempi, i comandi e i collegamenti per la versione più recente della board Arduino UNO (Rev. 3) e l ambiente di sviluppo software Arduino 1.0 rilasciati il 30 novembre 2011.

3 Primi passi con ARDUINO di Simone Majocchi Supplemento al numero 162 di Elettronica In, Dicembre 2011 / Gennaio Rivista mensile registrata presso il Tribunale di Milano con il n. 245 il Direttore Responsabile: Arsenio Spadoni. Prezzo di copertina Euro 9,90. Redazione e Amministrazione: Vispa Edizioni, Via Adige 11, Gallarate (VA). Telefono Fax Iscrizione al Registro Operatori della Comunicazione n del 27/11/2001. Distribuzione per l Italia: SO.DI.P. Angelo Patuzzi S.p.A. Via Bettola Cinisello Balsamo (MI). Stampa: ROTO3 Spa - Via Turbigo, 11/b Castano Primo (MI) VISPA Edizioni 2011 Vispa Edizioni 4 Primi passi con Arduino

4 SOMMARIO Arduino è per tutti Le tue prime 10 ore con Arduino UNO CAPITOLO 1 Perché Arduino UNO fa per te Presentazione del nuovo fai da te tecnologico basato sui microcontrollori. 7 In questo capitolo ti porteremo a ripercorrere trent anni di informatica casalinga per scoprire come la programmazione e le poche decine di migliaia di byte per il software erano attività da veri innovatori. Oggi si torna ad innovare scrivendo programmi compatti su piccoli calcolatori con risorse paragonabili a quelle di trent anni fa, ma con una marcia in più: quella della community in Rete che condivide ogni sviluppo significativo. CAPITOLO 2 Il poker tecnologico vincente I tuoi assi sono: un computer, Arduino UNO, la tua creatività, dei dispositivi elettronici. 13 La tecnologia senza creatività resta sterile, ma la fantasia senza i giusti strumenti non trova uno sbocco pratico. Arduino UNO con il suo approccio alla portata di tutti completa il quadro. Non dimenticare, però, che Arduino è possibile per una fortunata combinazione di elementi: la presenza di almeno un computer in molte case e in ogni ufficio, l accesso alla Rete pervasivo, il basso costo dell hardware e la globalizzazione della comunità degli utenti e degli sviluppatori. CAPITOLO 3 Dalle idee al programma Descrivi quello che vuoi fare, passo a passo, e arrivi al programma. 17 Non serve una laurea e neppure un diploma per entrare attivamente nel mondo dei microcontrollori e del software. Il notevole sforzo per creare un ambiente accessibile a tutti il vero plus di Arduino ha rimosso i tecnicismi e le complessità della programmazione. Dedica un po del tuo tempo per acquisire i pochi elementi di base indispensabili e un metodo ben impostato sin dall inizio; sarai in breve tempo in grado di passare dalle idee ai progetti e da questi ai prototipi funzionanti. Con Arduino UNO, le idee restano sulla carta per poco tempo, mentre diventano soluzioni reali in un batter d occhio. Primi passi con Arduino 5

5 Sommario CAPITOLO 4 CAPITOLO 5 29 Pensato per essere collegato a qualcosa La scheda Arduino UNO nasce per essere collegata facilmente a tantissime cose, talmente tante che ad oggi nessuno le ha ancora individuate tutte. La programmazione fine a sé stessa, che nasce e muore su uno schermo di un computer, non offre le soddisfazioni di un oggetto in grado di interagire con il mondo esterno in base a un programma. Per interagire Arduino ha bisogno di sensori e attuatori specializzati ciascuno in qualche specifico ambito. Motori per muoversi, altoparlanti per emettere suoni e luci per segnalare qualcosa, ma anche fotoresistenze per misurare la luce, potenziometri per leggere valori di spostamento e rotazione, emettitori a ultrasuoni per misurare le distanze e molto altro. É ora di preparare la nostra cucina tecnologica Abbiamo capito con chi abbiamo a che fare, ora prepariamo tutti gli elementi necessari a lavorare con Arduino UNO. Come va preparata la cucina prima di cimentarsi con qualsiasi ricetta, anche con Arduino UNO devi predisporre gli strumenti prima di poter approntare dei progetti pratici. Il computer va configurato con il software e il driver della scheda, mentre l hardware va collegato e collaudato nelle sue funzionalità. È tutto molto semplice, ma non va preso sotto gamba o saltato perché potrebbe compromettere la riuscita dei progetti descritti nei capitoli successivi CAPITOLO 6 La nostra prima realizzazione pratica: contiamo fino a tre Se fossimo sui fornelli sarebbe un uovo all occhio di bue, ma in elettronica si accendono le lucette. Noi accenderemo 3 LED in sequenza e poi ricominceremo dal primo dopo una pausa. Per arrivare a questo primo risultato scoprirai che esistono LED di vari colori e che per ciascuno di essi si deve usare qualche specifico accorgimento, come una resistenza di valore opportuno. Collegherai i tuoi primi fili a una breadboard e incomincerai ad apprezzare la semplicità e la versatilità dell ambiente integrato in cui scriverai le tue prime linee di codice. Pochi clic del mouse e il programma viene trasferito sulla scheda Arduino UNO. CAPITOLO 7 Basta poco per migliorare le cose Aggiungiamo un potenziometro per variare la velocità del conteggio. La bellezza della sperimentazione e del prototyping è anche nella semplicità con cui un progetto diventa qualcosa di più ricco e articolato. Un componente in più, qualche riga di codice aggiunta qua e là e il risultato finale diventa più interessante e interattivo. Solo un banale componente passivo il potenziometro - per prendere confidenza con il mondo della regolazione manuale e dei partitori di tensione resistivi. Difficile non farsi venire molte idee dopo questo secondo progettino Primi passi con Arduino

6 Sommario 59 CAPITOLO 8 Dopo le luci, i suoni Modifichiamo qualche elemento e cambiamo radicalmente il risultato: un generatore di suoni pilotato dalla luce ambientale. Al posto di un potenziometro metti una fotoresistenza, al posto dei LED metti un buzzer e il divertimento è garantito. Siamo certi che chi ti sta attorno non resisterà alla tentazione di allungare una mano per far ombra sulla fotoresistenza e sentire Arduino UNO che reagisce con un concertino di musica elettronica sicuramente d avanguardia 30 anni fa. Per fare questo non c è ancora una App, mentre Arduino UNO ci riesce benissimo. CAPITOLO 9 Il mondo è a colori Usiamo un led RGB e il PWM per creare una serie di colori casuali. Con questo progetto, scoprirai come ci sia una tecnologia tutto sommato semplice per ottenere da tre led colorati ben 16 milioni di sfumature. Dalla teoria alla pratica, i LED RGB non avranno più segreti per te e potrai anche scoprire un modo semplice per creare delle sfumature più accattivanti e vivide. Un classico progetto che con pochissimo sforzo offre grandi soddisfazioni CAPITOLO 10 Tutti i colori dell arcobaleno Usiamo un potenziometro per fare tutti i colori dell arcobaleno. Anche in questo caso, parti dal progetto precedente, aggiungi un componente e hai qualcosa di radicalmente diverso. Scopri come basti un po di spirito d osservazione per trasformare un potenziale problema in un opportunità per rendere il progetto migliore. Il risultato non avrà nulla da invidiare ai prodotti commerciali che costano da qualche decina di euro fino a un centinaio e oltre. E con uno shield potresti anche pilotare una strip RGB da qualche metro di lunghezza. CAPITOLO 11 Verso la robotica Sempre con il PWM e un potenziometro possiamo realizzare un embrione di arto meccanico grazie a un servomotore. Non poteva mancare un primo passo verso il mondo dei robot, ma è più un passo teorico che pratico: sarebbero necessarie parti meccaniche impegnative per poter simulare anche solo l articolazione di un gomito. Accontentiamoci di capire come funzionano le cose e di provare a mettere insieme un sistema che ricorda quelli di telepresenza, dove un movimento viene replicato da un motore. 87 Primi passi con Arduino 7

7 Perché Arduino UNO fa per te 8 Primi passi con Arduino

8 Capitolo 1 Perché Arduino UNO fa per te Presentazione del nuovo fai da te tecnologico basato sui microcontrollori una storia che parte da lontano. Saldatore, stagno e componenti: roba vecchia Oltre 30 anni fa erano in molti a dilettarsi con il saldatore, i circuiti stampati e i componenti discreti per creare amplificatori, luci psichedeliche, microspie e molti altri dispositivi elettronici. La cultura del fai da te elettronico era diffusa e con una robusta base commerciale. Negli anni 80 arrivarono gli home computer e l attenzione migrò dall elettronica alla programmazione, con tantissimi utenti che per passione scrivevano righe e righe di software per le applicazioni più disparate. Ai tempi, fra l altro, il programmare era sia un hobby, sia un inizio di professione: i programmi disponibili erano ancora pochi e il fai da te in Basic era spesso l unico modo per rispondere a un esigenza specifica. Erano gli anni 80 quando programmare in Basic con solo 16K di memoria era normale. 48K erano un lusso. ti più attivi e ben presto avere un computer non era più sinonimo di programmo le mie applicazioni, ma cerco e utilizzo dei software scritti da altri. I più bravi scrivevano il software e i pigri ne usufruivano. Il fai da te diventava sempre più d elite, mentre il faccio anch io - con il software fatto da altri era sempre più la norma. Programmare su un personal computer non era più facile come sugli home computer: interfacce grafiche raffinate, esigenze estetiche sem Programmare non è più un hobby Parallelamente arrivarono i Personal Computer nelle aziende e anche in quel caso si doveva spesso far sviluppare il software per le proprie applicazioni. In ogni caso, il computer e l home computer erano i nuovi catalizzatori delle energie creative degli uten- Primi passi con Arduino 9

9 Perché Arduino UNO fa per te Il team di Arduino Il gruppo stabile di sviluppatori del team di Arduino è composto da Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino, David Mellis e Nicholas Zambetti. pre più spinte e anche sistemi di sviluppo sempre più corposi. Il PC cresce, ma il microprocessore torna piccolo Fuori dai radar degli hobbysti stava, però, avanzando una nuova area tecnologica: quella dei microcontrollori destinati alla vita solitaria all interno di qualche dispositivo; nascevano i cosiddetti embedded (dall inglese embed che significa integrare all interno ). Con grande rapidità questi piccoli calcolatori autosufficienti hanno invaso le nicchie più disparate, fornendo di un tocco d intelligenza una quantità enorme di dispositivi della vita quotidiana: dallo stereo di casa alla centralina della tua automobile, dal forno a microonde al decoder Digitale Terrestre, dalla lavatrice alle lampade cambia colore a LED. Aziende come Microchip, Atmel, ARM ed ST diventano i nuovi attori di questo millennio nel settore dell elettronica, creando realtà industriali alternative e complementari ai colossi dei microprocessori tradizionali come AMD e INTEL. Oggi aziende come Microchip offrono intere famiglie di microcontrollori di ogni dimensione e potenza, con funzionalità specifiche (multimedia, sicurezza, comunicazione, ecc.) e generiche (ingressi e uscite analogici e digitali) tali da soddisfare una gamma molto vasta di applicazioni. Pochi dollari in più e un dispositivo può diventare intelligente. Torna il fai da te elettronico, ma intelligente e in kit Queste caratteristiche e potenzialità non sono sfuggite agli hobbysti duri e puri del fai da te elettronico e già nei primi anni 2000 si è diffusa la cultura della programmazione di questi dispositivi per creare progetti più o meno sofisticati. In pratica, quello che una volta era un programma in Basic su un home computer, diventava un programma per un microcontrollore al quale con stagno, fili e componenti si aggiungevano le parti necessarie al funzionamento. Sensori di luce, temperatura e movimento intelligenti per la domotica, giochi elettronici, centraline di controllo e molto altro prendevano vita grazie a schemi e programmi sviluppati da chi aveva già preso questo nuovo toro tecnologico per le corna, piegandolo alla dimensione del fai da te. Purtroppo, i chip richiedevano la programmazione su appositi dispositivi hardware, da interfacciare a un computer su cui era installato il sistema di sviluppo spesso complicato quanto quelli per scrivere software su PC riportando il tutto ad una elite. Il linguaggio di programmazione torna ad essere prima il linguaggio macchina - o assembler - con le istruzioni del processore da scrivere secondo sintassi e strutture 10 Primi passi con Arduino

10 Perché Arduino UNO fa per te Le schede Arduino ufficiali Negli anni sono state prodotte una serie di schede Arduino con caratteristiche specifiche; alcune sono ancora disponibili, altre sono ormai fuori produzione. Ecco l assortimento attuale con le caratteristiche più importanti. Tabella 1 Arduino Processore Flash EEPROM SRAM I/O... con ingressi Chip USB Dimensioni digitali PWM analogici KB KB KB n. pin n. pin n. pin tipo mm Uno ATmega328P ATmega8U2 68,6 53,3 Diecimila ATmega FTDI 68,6 53,3 Due (annunciata) ATMEL SAM3U Duemilanove ATmega168/328P 16/32 0.5/1 1/ FTDI 68,6 53,3 Fio ATmega328P Nessuno 40,6 27,9 Leonardo Atmega32u Atmega32u4 68,6 53,3 LilyPad ATmega168V Nessuno Ø 50 or ATmega328V Mega ATmega FTDI 101,6 53,3 Mega2560 ATmega ATmega8U2 101,6 53,3 Nano ATmega168 or ATmega328 16/32 0.5/1 1/ FTDI Arduino UNO Arduino Mega1280 Arduino Leonardo Arduino Diecimila Arduino Mega2560 Arduino Due Arduino Fio Arduino Duemilanove LilyPad Arduino Nano Primi passi con Arduino 11

11 Perché Arduino UNO fa per te per nulla amichevoli e intuitive. Per questi motivi, la creatività rimane limitata ai progetti sviluppati dalle riviste specializzate che ritrovano lettori proprio grazie ai microcontrollori e alle loro potenzialità. Deve diventare facile e alla portata di chi non è un esperto I numeri crescono sia a livello industriale, sia a livello hobbystico e l interesse verso questi microcontrollori si sviluppa negli ambiti più diversi, inclusi quelli della ricerca e delle università. A Ivrea, un gruppo di ricercatori con la vocazione da tinkerers (in italiano smanettoni nell accezione più positiva del termine) dedica creatività, visione e capacità alla creazione di una soluzione per sviluppare e lavorare facilmente con un microcontrollore, cercando di eliminare tutte le criticità che avevano impedito a questi dispositivi di entrare nel mondo del fai da te povero di conoscenze specifiche e tecnologiche, ma ricco di inventiva e creatività. Nasce l idea di Arduino: un microcontrollore con tutti i vari collega- Lo storico Commodore 64 doveva il suo nome alla disponibilità di 64Kbyte di memoria per i programmi. menti esplicitati su una basetta economica e di pubblico dominio, da interfacciare a un computer (Mac, Windows, Linux) per la programmazione tramite un normalissimo cavetto USB e soprattutto programmabile in un linguaggio adatto anche ai principianti grazie all ambiente di sviluppo integrato scritto in Java. Arduino ambiva a diventare uno strumento alla portata di chiunque per la realizzazione di prototipi e progetti su piccola scala in cui la flessibilità e la potenza di un microcontrollore permettevano di raggiungere l obiettivo senza spendere una fortuna. Arduino è finalmente UNO A sei anni di distanza, il team che ha ideato Arduino può affermare di aver raggiunto l obiettivo grazie alle scelte dell open source e dei Creative Commons (trovi la spiegazione approfondita di queste filosofie tecnologiche anche sul sito di Arduino stesso arduino.cc) che hanno attirato l attenzione di un significativo numero di utenti, sviluppatori, hobbisti, artisti e gente comune. Senza segreti e brevetti, Arduino ha permesso a numerose aziende di scommettere su di esso sviluppando le schede stesse, espansioni (gli shield) e altre periferiche dedicate. Forse si è perso un po dello spirito del tinkerer che prende un oggetto comune e lo modifica aggiungendo dei fili e un Arduino, come un moderno McGyver, ma abbiamo guadagnato in maturità della soluzione, che solo ora abbandona la precarietà della versione beta e approda a un design di hardware e software stabili e definitivi e per questo chiamato UNO. Questo non significa affatto che lo sviluppo si interrompa con questa versione, ma 12 Primi passi con Arduino

12 Perché Arduino UNO fa per te sancisce il passaggio alla fase più matura e stabile del prodotto. Saldatore, stagno, componenti e Arduino UNO: il nuovo trend cool Per usare Arduino ti basta Arduino UNO assieme al tuo computer e quindi puoi essere indipendente: il tuo progetto non dipende dalla voglia di qualcun altro per realizzare una scheda e scrivere del codice assembler che ti viene venduto preprogrammato su un microcontrollore che devi acquistare e usare così com è. Puoi però cercare, se c è, qualcuno che ha già risolto dei problemi simili, rendendo il tuo progetto l evoluzione di qualcosa di già sperimentato, documentato e realizzato. Con pochi componenti elettronici e una basetta breadboard potrai realizzare alcuni semplici progetti. Dieci ore per diventare trendy Come resistere a questo rinascimento del fai da te tecnologico? Non c è progetto che grazie ad Arduino non possa diventare possibile o acquistare una marcia in più. L importante è impadronirsi dei concetti di base e superare quei piccoli scogli iniziali che anche Arduino pur nella sua semplicità ti porterà ad affrontare in queste prime dieci ore. Una volta che avrai superato questa fase, sarai tu a voler andare avanti. Ti abbiamo preparato l aperitivo e speriamo di farti venire una gran fame di informazioni. Il Web potrà offrirti molti piatti gustosi, anche se problemi linguistici e gusti diversi, assieme alla intrinseca complessità/confusione della Rete potrebbero disorientarti. Non ti demoralizzare e partecipa alle community, ricordando che tutti gli espertoni che incontrerai hanno passato un periodo da neofiti come te e per questo sapranno capire i tuoi limiti e apprezzare la tua iniziativa. Ricorda solo che sui forum, prima di chiedere, è buona educazione cercare e leggere quanto è stato già detto e scritto. 1 Primi passi con Arduino 13

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