Entrare nel mondo dei maker grazie a uno starter kit Arduino intuitivo.

Sono centinaia le risorse dedicate ai "maker" che desiderano imparare come realizzare dispositivi che rilevano e reagiscono all'ambiente circostante. Questa offerta, rivolta sia agli ingegneri che agli utenti meno esperti, sta aprendo la strada a un microcosmo creativo per tutti coloro che vogliono imparare e dare un loro contributo al mondo dell'elettronica, dei sistemi di controllo, dei microcomputer, dei sensori e degli attuatori. Uno dei modi più semplici per entrare in questo mondo è farlo con uno starter kit del produttore iconico dei maker, Arduino.

Arduino produce schede a microcontroller, corredate dal relativo software, per la comunità hardware e software open-source. Queste schede elettroniche combinano microcontroller e memoria ad accesso casuale (RAM) di supporto, memoria di sola lettura (ROM) e circuiti integrati (CI) per realizzare piattaforme di prototipazione elettronica open-source con tutti i componenti richiesti per consentire ai maker di portare a termine una serie di progetti ben documentati.

Questo articolo presenta lo starter kit Arduino dal punto di vista dell'esperienza personale dell'autore (un ingegnere).

Lo starter kit Arduino

Lo starter kit Arduino comprende tutto ciò che serve per realizzare 15 progetti (Figura 1).

Figura 1: Lo starter kit Arduino combina una scheda a microcontroller Arduino UNO con una selezione di componenti elettronici e un "Libro di progetti Arduino" di 171 pagine per dischiudere a chiunque il mondo dell'elettronica interattiva. (Immagine per gentile concessione di Arduino)

Lo starter kit si serve della famosa scheda a microcontroller Arduino UNO che si basa sul CI a microcontroller ATmega328P di Microchip Technology (Figura 2).

Figura 2: La scheda Arduino UNO contiene tutti i componenti necessari per supportare il microcontroller ATmega328P. (Immagine per gentile concessione di Arduino, annotazioni di DigiKey)

La scheda UNO ha quattordici pin di ingresso/uscita digitali, sei dei quali supportano la modulazione della larghezza di impulso (PWM) per controllare la luminosità dei LED e il volume del suono. Sono presenti sei ingressi analogici supportati da un convertitore analogico/digitale (ADC) ad approssimazioni successive con risoluzione di 10 bit a una velocità di conversione di 15 kS/s alla massima risoluzione e un clock con un proprio cristallo di quarzo a 16 MHz. Per una facile connessione al computer è disponibile una porta USB. L'alimentazione può essere fornita dalla porta USB o, in alternativa, tramite una presa di alimentazione su scheda. La fonte di alimentazione viene selezionata automaticamente.

La scheda UNO integra un bootloader per la normale programmazione, che però può essere bypassato per programmare il microcontroller tramite una basetta di programmazione seriale in-circuit (ICSP). Da ultimo, la scheda UNO è dotata anche di un pulsante di reset che, in caso di necessità, facilita il ripristino delle condizioni predefinite.

Il processore ATmega328P è un microcontroller a basso consumo a 8 bit che utilizza un'architettura RISC potenziata (Figura 3). L'architettura RISC utilizza istruzioni che vengono eseguite in un unico ciclo di clock, con un conseguente throughput di esecuzione molto elevato.

Figura 3: Diagramma a blocchi funzionali del microcontroller ATmega328P a 8 bit utilizzato in Arduino UNO. Ha un'architettura basata su RISC con esecuzione veloce delle istruzioni su ciclo singolo. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

ATmega328P è dotato di memoria su scheda sotto forma di segmenti di memoria non volatile, inclusi 32 kB di memoria di programma flash, 1 kB di memoria di sola lettura programmabile e cancellabile elettricamente (EEPROM) e 2 kB di memoria statica ad accesso casuale (SRAM). ATmega328 di Arduino UNO è preprogrammato con un bootloader che permette all'utente di caricare nuovo codice senza bisogno di un programmatore hardware esterno. Il bootloader occupa 500 byte della memoria di programma flash. Il chip contiene molteplici interfacce dati seriali, tra cui un ricetrasmettitore asincrono universale (UART), un'interfaccia periferica seriale (SPI) e un'interfaccia bifilare nota anche come bus Inter Integrated Circuit (I²C).

Lo starter kit Arduino è disponibile in cinque lingue. Contiene la scheda a microcontroller Arduino UNO e tutti i componenti richiesti per realizzare 15 progetti diversi. Un Libro dei progetti Arduino di 171 pagine guida l'utente nella realizzazione di questi progetti. Il libro tratta sia gli elementi hardware che software per l'utilizzo di Arduino UNO come "cervello" per tutti i progetti.

Spiegazione chiara dei dispositivi e terminologia

Uno dei problemi in cui i principianti si imbattono spesso quando si addentrano per la prima volta nel mondo dell'elettronica e della programmazione è la scarsa familiarità con i dispositivi e la terminologia. Il Libro dei progetti Arduino elimina questo problema iniziando con una guida alle varie parti del kit, che comprende 134 componenti elettronici e la scheda Arduino UNO. In questa sezione, ogni tipo di componente è accompagnato da una figura e dalla descrizione della sua funzione. La sezione si conclude con il simbolo schematico di ogni parte.

Dato che i principianti potrebbero non avere dimestichezza con le schede di prototipazione elettronica o con le basette sperimentali, una sezione del manuale mostra come la basetta sperimentale inclusa permetta di assemblare tutti i componenti senza saldature. Offre schemi delle tracce conduttive sulla basetta sperimentale e spiega come sono instradati i bus di alimentazione. In questo modo, utilizzare per la prima volta la scheda di prototipazione del kit sarà molto più semplice.

La descrizione generale delle parti contenuta nel Libro dei progetti è seguita da una panoramica del layout della scheda UNO, focalizzata sulle connessioni, gli indicatori e gli interruttori interattivi della scheda. Questa sezione spiega i termini hardware che vengono utilizzati nelle sezioni successive.

La sezione successiva fornisce le istruzioni di base sulla configurazione del software Arduino su un sistema operativo Windows, Mac o Linux. Il software principale utilizzato è l'ambiente di sviluppo integrato (IDE) Arduino, scaricabile dal sito Web Arduino. L'IDE è l'ambiente software utilizzato per creare codice eseguibile che può essere caricato sulla scheda Arduino UNO.

Dare inizio ai progetti

Dopo che il software IDE è stato caricato, la guida illustra i passaggi per stabilire le comunicazioni tra il computer host e la scheda UNO tramite una connessione USB. Vengono forniti link di riferimento alla sezione Risoluzione dei problemi di Arduino e alla sezione di riferimento IDE, qualora si avessero delle difficoltà. A partire da questo momento, l'utente può mettersi a lavoro sui progetti.

Ogni progetto è accompagnato da istruzioni dettagliate su come selezionare i componenti richiesti (elencati con illustrazioni specifiche per ogni progetto come fossero gli "ingredienti" di una ricetta) e su come collegarli sulla scheda di prototipazione. Ad esempio, il Progetto 02 è chiamato "Spaceship Interface" e cabla un interruttore e tre LED per creare un "pannello di controllo" in modo che la pressione dell'interruttore determini un dato comportamento dei LED. Ogni introduzione al progetto nel manuale indica il tempo stimato per completarlo, in questo caso 45 minuti. L'elenco degli ingredienti del Progetto 02 comprende un interruttore a pulsante, tre LED, tre resistori da 220 Ω e un resistore da 10 kΩ. Il circuito è cablato sulla basetta sperimentale di prototipazione utilizzando fili per ponticelli pretagliati e spellati. Una pagina in questa sezione è dedicata a insegnare ai principianti come leggere i codici colore dei resistori per i loro futuri progetti.

Nella Figura 4 vengono mostrati il circuito cablato e le illustrazioni del Libro dei progetti. Il Libro dei progetti mostra il cablaggio in formato grafico e schematico. Il confronto tra le due immagini aiuta l'utente a imparare rapidamente come interpretare i simboli schematici e le interconnessioni dei componenti.

Figura 4: Le istruzioni di cablaggio riportate nel Libro dei progetti e il cablaggio effettivo del prototipo e delle schede UNO. Le istruzioni sono riportate in forma grafica e schematica. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La fase finale del processo riguarda la parte software del progetto. Microcontroller come ATmega328P su Arduino UNO utilizzano istruzioni di programmazione di livello molto basso, note come codice macchina. Questo codice è fondamentalmente una serie di numeri binari che controllano l'hardware interno. Non è richiesta alcuna codifica manuale nel linguaggio macchina. La programmazione avviene in un linguaggio di livello superiore che, tramite diversi passaggi, viene tradotto in comandi binari comprensibili al microcontroller. Questo semplifica notevolmente il processo di programmazione. Lo strumento da utilizzare in questo caso è l'IDE integrato di Arduino, ricordato in precedenza.

Il progetto 02 continua con le istruzioni sul codice software che Arduino chiama "sketch". Viene ripercorso ogni passo richiesto nello sketch e viene spiegato l'esito delle istruzioni codificate (Figura 5).

Figura 5: Immagine del programma o "sketch" per il Progetto 02 mostrato nell'editor di programma IDE di Arduino. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

L'utente può immettere il codice manualmente oppure può scaricarlo dal menu a tendina dei file (Figura 6).

Figura 6: Gli sketch per tutti i progetti sono disponibili all'interno dell'IDE di Arduino. L'utente può selezionarli o, se preferisce, può inserire manualmente il codice. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Una volta immesso tutto il codice, lo si può compilare usando la voce Verify/Compile nel menu a tendina Sketch nell'interfaccia IDE. Il compilatore controllerà la sintassi del codice e se sono presenti errori. L'interfaccia IDE indicherà quando la compilazione è completa e il codice è pronto per essere caricato nella memoria di programma flash della scheda UNO. La funzione di caricamento viene avviata anche dal menu a tendina Sketch. Una volta che la scheda UNO è stata programmata, il LED verde dovrebbe accendersi. Premendo l'interruttore a pulsante il LED verde si spegne e i LED rossi lampeggiano alternatamente.

Questi semplici passaggi nascondono la parte più "esoterica" della programmazione, come l'assemblaggio, il collegamento e il caricamento, traducendo i comandi di alto livello in codice binario eseguibile nel microcontroller. Il principiante acquisirà queste conoscenze con il tempo e con l'esperienza; ora non servono per iniziare a divertirsi.

A questo punto il Libro dei progetti pone all'utente un paio di domande su come poter cambiare il programma e lo invita a fare degli esperimenti con lo sketch. La complessità dei circuiti e dei programmi aumenta man mano che l'utente passa in successione agli altri progetti, ampliando la sua esperienza e le sue conoscenze.

Conclusione

Grazie alla sua piattaforma di prototipazione open-source, alla varietà di componenti elettronici e al software intuitivo, lo starter kit Arduino ha tutto l'occorrente per ingegneri e principianti per entrare nel mondo dei maker elettronici. Per ulteriori idee e suggerimenti di prototipazione, visitare Maker.io per trovare i progetti d'interesse.