ARDUINO UNO. Raccolta esercitazioni guidate 3 Sensore misuratore di distanza

Transcript

1 ARDUINO UNO Raccolta esercitazioni guidate 3 Sensore misuratore di distanza IIS Aldini Valeriani Sirani - ROBOTS project Scheda 3 # 1 Materiale didattico

2 PRESENTAZIONE DELLA SCHEDA DIDATTICA SCOPO MATERIALE OCCORRENTE COMPETENZE PROGETTAZIONE COMPETENZE HARDWARE COMPETENZE SOFTWARE COMPETENZE ELETTRONICA DI BASE Acquisizione di informazioni ambientali tramite sensori. Tale semplice operazione potrà avvenire in vari modi: con un tempo prefissato Scheda Arduino UNO r3 (o equivalente) Breadboard e cavetti Sensore HC04-SR 1 Led rosso 1 led vere 1 pulsante 2 resistenze 220 Ohm 1 resistenza 10 K ohm Comprensione del circuito Realizzazione pratica del progetto Test e funzionamento del progetto Configurazione e utilizzo delle porte analogiche di Arduino Gestione interfacciamento a dispositivi analogici Compilazione sketch, upload su Arduino Gestione dei parametri di uno sketch tramite direttive #define Apertura e gestione delle porte analogiche di Arduino Gestione del monitor seriale nessuna IIS Aldini Valeriani Sirani - ROBOTS project Scheda 3 # 2 Materiale didattico

3 INTRODUZIONE Uno dei principi utilizzato per il funzionamento dei sensori di distanza è quello utilizzato anche dai pipistrelli per avere la percezione degli oggetti attorno a loro. I pipistrelli nei loro voli notturni e nel buio più assoluto delle grotte in cui si rifugiano, non solo non urtano nessun ostacolo ma cacciano con una precisione infallibile falene ed altri piccoli insetti volanti. Ciò è possibile grazie ad un sofisticatissimo sistema di ecolocalizzazione che permette a questi piccoli mammiferi volanti di orientarsi perfettamente senza l ausilio della vista. I pipistrelli producono con la laringe degli ultrasuoni che vengono emessi attraverso il naso o la bocca. L eco che viene riflessa, analizzata dal cervello, permette a questi animali di comprendere se l oggetto rilevato è una preda o un ostacolo. Grazie ad una sorta di memoria uditiva i pipistrelli sono anche in grado di ricordare perfettamente le caratteristiche spaziali dell ambiente che frequentano usualmente; se ad esempio un pipistrello è solito cacciare volando attorno ad un ostacolo, continuerà per un certo periodo a descrivere la stessa traiettoria anche se questo sarà stato rimosso. Gli ultrasuoni orientativi che vengono emessi hanno frequenze variabili comprese tra 20 e 110 khz (il limite dell uomo è 18 khz). Le strane conformazioni del naso e dei padiglioni auricolari nelle diverse specie di pipistrelli servono ad indirizzare con precisione i suoni e ad analizzare le frequenze dell eco riflessa; variazioni ritmiche di queste indicano la presenza di un insetto in volo, la sua direzione, la grandezza e la forma della preda. SENSORI DI DISTANZA I sensori di prossimità sono dei sensori in grado di rilevare la presenza di oggetti nelle immediate vicinanze. La distanza entro cui questi sensori rilevano oggetti è definita portata vedente. Alcuni modelli dispongono di un sistema di regolazione per poter calibrare la lunghezza di veduta. L'assenza di meccanismi d'attuazione meccanica, e di un contatto fisico tra sensore e oggetto, fa sì che questi sensori presentino un'affidabilità elevata. In generale i sensori di prossimità possono essere realizzati basandosi su diversi tipi di tecnologie: Induttivi; capacitivi; magnetici; ultrasuoni; ottici; laser (per le lunghe distanze) Alcuni sensori di prossimità restituiscono solo un informazione che rivela la presenza di oggetti o persone in movimento entro un certo raggio. Invece i sensori di distanza più specifici restituiscono, all interno della portata vedente, la misura della distanza tra oggetto e sensore stesso. IIS Aldini Valeriani Sirani - ROBOTS project Scheda 3 # 3 Materiale didattico

4 SENSORE HC-SR04 L'HC-SR04 è un sensore digitale ed utilizza due pin, uno per inviare il suono ed uno per riceverlo. Esso misura una distanza compresa tra 2 e 400 cm con una precisione di 3 mm. Si tratta di un dispositivo molto economico (anche al di sotto delle 2 ) che però garantisce un buon risultato se usato bene. Caratteristiche tecniche: Tensione di lavoro: 5 v; Corrente assorbita: 15 ma; Frequenza di lavoro: 40 Hz; Distanza max: 400 cm; Distanza min: 2 cm; Angolo di misura: 15. La funzione svolta da Arduino è quella di misurare il tempo che intercorre tra il cambio di livello del pin TRIG (che è controllato da Arduino) e il cambio di livello del pin ECHO (è controllato dall HC-SR04). Il sensore è tutto sommato molto semplice da utilizzare e non è necessaria una particolare libreria o classe per gestirlo bene. E infatti sufficiente utilizzare la libreria Si trova nella pagina Ufficiale Arduino: NewPing. (link attivo) PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO I pin che devono essere connessi ad Arduino sono 4: VCC -> Connesso al 5V di Arduino GND -> Connesso alla MASSA di Arduino TRIG -> Connesso ad un PIN output digitale qualsiasi di Arduino ECHO -> Connesos ad un PIN digitale qualsiasi di Arduino IIS Aldini Valeriani Sirani - ROBOTS project Scheda 3 # 4 Materiale didattico

5 SCHEMA DI COLLEGAMENTO 1 Acquisizione della misura della distanza con HC-SR04 La prima versione di codice, che utilizza la libreria NewPing, potrebbe essere il seguente: #include <NewPing.h> #define TRIGGER_PIN 9 #define ECHO_PIN 10 #define MAX_DISTANCE 200 // Configura sonar con i dati di montaggio del circuito NewPing sonar(trigger_pin, ECHO_PIN, MAX_DISTANCE); void setup() { Serial.begin(9600); void loop() { int distanza = sonar.ping_cm(); // richiamo metodo libreria Serial.print ("Ping (cm): "); Serila.println (distanza); delay(1000); Varianti: Accendere un LED rosso se la distanza è inferiore ad una certa soglia (es. 20 cm.) Calcolare la velocità di avvicinamento di un oggetto catturando la distanza a distanza di un secondo. Il programma esegue il ciclo IDLE, quando si preme un bottone esegue la memorizzazione della distanza rilevata ponendole in un vettore. Quando si preme una seconda volta il bottone, il programma ritorna nel ciclo di IDLE e a console viene stampata la distanza media rilevata. IIS Aldini Valeriani Sirani - ROBOTS project Scheda 3 # 5 Materiale didattico

6 FUNZIONAMENTO SENZA LA LIBRERIA Bisogna inviare un impulso di 10 microsecondi al sensore sul pin trig; Il sensore genera 8 impulsi di ultrasuoni ad una frequenza di 40 Hz; Bisogna calcolare il tempo da quando si è mandato il primo impulso fino a quando riceve un impulso sul pin echo. Per fare il calcolo della distanza la formula base è: distanza = tempo vel. suono 2 La formula divide per 2 perché il suono esegue un andata e ritorno, quindi la distanza è doppia. Supponendo di semplificare per temperature attorno ai 20 gradi, con velocità del suono circa 344 m/s, e volendo il risultato espresso in cm, si ottiene distanza = tempo 0, 0172 NOTA DI APPROFONDIMENTO In genere si può semplificare il calcolo del TOF (Time Of Fly) supponendo la velocità del suono costante a 350m/s, che corrisponde alla velocità di propagazione del suono a circa 30 C. Esiste però un legame tra velocità di propagazione del suono in aria e temperatura dell aria. Se si necessitano precisioni elevate potrebbe valere la pena tenerne conto. L approssimazione lineare che descrive l andamento della velocità di propagazione in funzione della temperatura è la seguente: V(T) = (331,45 + (0,62 * T)) m/s In pratica si ottiene: TEMP VEL , , , , , ,1 Il tempo di volo (spesso indicato con TOF, dall'inglese Time Of Flight) indica la misura del tempo impiegato da un oggetto, una particella o un'onda (acustica, elettromagnetica o di altro tipo) per percorrere una certa distanza in un mezzo determinato. IIS Aldini Valeriani Sirani - ROBOTS project Scheda 3 # 6 Materiale didattico

7 Sorgente per utilizzare il sensore HC-SR04 senza libreria NewPing // // Per HC-SR04 // Temperatura di 20 *C // TRIG del sensore connesso al pin digitale 9 // ECHO del sensore connesso al pin digitale 10 // #define TRIG_PIN = 12 #define ECHO_PIN = 13 void setup() { // Inizializza la comunicazione seriale: Serial.begin(9600); pinmode(trig_pin,output); pinmode(echo_pin,input); void loop() { long durata, distanza; // Dare un corto segnale basso per poi dare un segnale alto puro: digitalwrite(trig_pin, LOW); delaymicroseconds(2); digitalwrite(trig_pin, HIGH); delaymicroseconds(10); digitalwrite(trig_pin, LOW); durata = pulsein(echo_pin,high); // Converti il tempo in distanza: distanza = durata / 29.1 / 2 ; if (distanza <= 0) { Serial.println("Out of range"); else { Serial.print(distanza); Serial.println("cm"); delay(1000); Reference Arduino: funzione pulsein IIS Aldini Valeriani Sirani - ROBOTS project Scheda 3 # 7 Materiale didattico

8 SENSORE DI MOVIMENTO Utilizzeremo il sensore PIR della Parallax ( CARATTERISTICHE Questo sensore, secondo le specifiche rilasciate dal produttore, è in grado di rilevare un oggetto in movimento in una stanza fino ad una distanza di 7 metri e con un angolo di incidenza di 110. Per alimentarlo basta Arduino con i suoi 5v in quanto il suo assorbimento è di 50μA. Il sensore presenta una cupola in plastica, removibile, sfaccettata in modo da permettergli la copertura dei 110 indicati: tolta la cupola che fa da diffusore del raggio IR il sensore si presenta come nella figura a destra. Dal sensore fuoriescono 3 cavi di collegamento, da sinistra a destra: GND o massa ( polo negativo di alimentazione ) 5V ( polo positivo di alimentazione ) segnale digitale MONTAGGIO Nello schema il pin del segnale di output del sensore PIR (ver A) è collegato al pin 2 di Arduino. Attenzione alla polarità dell alimentazione Vcc e GND. // // SKETCH: PIR-A // sensore di movimento // int pirpin = 2; void setup() { pinmode(pirpin, INPUT); Serial.begin(9600); void loop() { if (digitalread(pirpin) == HIGH) { Serial.println("MOVEMENT"); else { Serial.println("Too soon"); delay(500); Modifiche e varianti al programma: Aggiungere un led ROSSO e uno VERDE che indichino lo stato del sistema Il sensore di movimento potrebbe essere falsato da micro movimenti come il passaggio di un insetto. Come si potrebbe progettare un modo per eliminare tali disturbi? IIS Aldini Valeriani Sirani - ROBOTS project Scheda 3 # 8 Materiale didattico