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Due papà ansiosi dal barbiere ed una striscia led per la mente

Questo il post delle piccole ansie di un pap 🙂

striscia-led01

Il consueto appuntamento mensile dal barbiere Luigi per il taglio di capelli. Incontro Albino, entrambi abbiamo i figli della stessa et che frequentano il medesimo Liceo. Inevitabile i discorsi di scuola e problemi adolescenziali, primo tra tutti la difficolt nel trovare una passione o ampliare le proprie relazioni al di fuori della scuola.
Un’adolescente in casa insegna molte cose. Osservavo in queste serate, guardando mio figlio che studia, la modalit con cui al liceo vengono propinate le materie scientifiche: fisica, chimica, biologia… tutte categoricamente su carta, esercizi sui moti uniformemente accelerati, studio di molecole e composti organici solosu carta mannaggia… il laboratorio e luogo sconosciuto, per non parlare dellinformatica lasciamo perdere.
Non voglio incominciare il solito discorso disfattista e lamentoso su taglio delle ore dei laboratori e mancanza di denaro e se pur impegnato a scuola nel trovare soluzioni, incominciano a stancarmi i ragionamenti sui massimi sistemi e sulla funzione docente, sono pi concentrato sulle soluzioni e dare possibilit, nel limite delle mie forze, ai ragazzi che mostrano interesse.
Il carico di studio elevatissimo (che noto al liceo) e la quasi assenza di materie svolte in laboratorio fanno perdere nei ragazzi la percezione del senso degli argomenti che stanno studiando provocando disagio, a ci si aggiunge il periodo di scombussolamento ormonale che provoca stati danimo estremamente controversi sicuro che mi procurer lira dei colleghi del liceo ma poco importa.
Come genitore ci si interroga continuamente e si cercano strategie che possano favorire laccensione di quella fiammella di passione nei propri figli, attivando, si spera, il volano che porta al desiderio di scoperta insomma ansie da genitori.
Tutto ci per dire, che siano esperimenti di elettronica, osservazioni astronomiche con un telescopio, luso di un microscopio, importante insegnare a dare forma fisica ai propri progetti, potranno nascere da un copia ed incolla visto su internet, ma cos che si impara , se non ci si ferma al copia ed incolla ovviamente, comprendere, rielaborare.
Nella mente di mio figlio, ora piena di poemi Omerici, Epica Latina e tra poco anche dei Promessi Sposi, sto cercando di inserire anche la materia progetta e costruisci.
Con stampante 3D e tanta elettronica che gira per casa da qualche tempo abbiamo incominciato con Arduino, robotica ed automazione in genere e come per i miei studenti anche per questo, particolare studente 🙂 Arduino svolge egregiamente la funzione di facilitatore e mi sta rendendo la vita da padre un po pi serena.

Corsi su Arduino ovunque online a scuola e nei FabLab ora giunta lora di farli anche alla famiglia 🙂 la figlia pi piccola costruisce piccolo alberi di Natale con LED, il grande programmazione ed elettronica.

Con il licealesiamo giunti in queste serate alla realizzazione di un semplice controllo di una striscia RGB che abbiamo utilizzato per adornare la zona in cui collocato lalbero di Natale, poich lo sketch di interesse per alcuni miei allievi di 5, pubblico e lascio a chi vorr la possibilit di migliorarlo.

La spiegazione nei commenti dello sketch.

Nello sketch che lultima versione sviluppata dal giovane studente, trovate commentate alcune parti di codice che potrete attivare e che svolgono funzioni diverse.

1. Cambio colore graduale (in accensione ed in spegnimento) casuale nella scelta del colore:

  • solo bianco
  • solo rosso
  • solo verde
  • solo blu
  • variazione continua di tutti i colori

2. Variazione di una sola delle modalit del punto 1

Compiti per Natale:

3. inserimento di un sensore ad ultrasuoni che percepisce il passaggio di persone davanti allAlbero di Natale emettendo una luce intensa bianca
4. Controllo remoto con telecomando
5. Controllo remoto con cellulare (per questo per credo che ci penser il pap)

materiale sufficiente per fare qualcosa di creativo durante le prossime vacanze di Natale 🙂

Lista componenti:

  • Arduino UNO R3
  • N. 3 transistor BD 709 (quelli che avevo a disposizione)
  • N.3 resistori da 220 Ohm

Striscia LED alimentata a 12V.
Si utilizzato un alimentatore esterno a 12V per l’alimentazione della scheda e della striscia LED.
L’alimentazione a 12V della striscia LED presa direttamente dalla Vin della scheda.

strip-led-rgb

/* Pilotaggio striscia LED
 Mattia Maffucci
 ...con lo zampino di suo pap Michele
 20.12.14
 */

// pin a cui  collegata la striscia LED
#define pinRosso 5
#define pinVerde 6
#define pinBlu 3

// velocit tra un'intensit luminosa e la successiva.
// Per rallentare il fade aumentare il valore
int velocitaFadeBianco = 60;

// velocit tra un'intensit luminosa e la successiva.
// Per rallentare il fade aumentare il valore
int velocitaFadeRosso = 60;

// velocit tra un'intensit luminosa e la successiva.
// Per rallentare il fade aumentare il valore
int velocitaFadeVerde = 60;

// velocit tra un'intensit luminosa e la successiva.
// Per rallentare il fade aumentare il valore
int velocitaFadeBlu = 60;

// velocit tra un'intensit luminosa e la successiva.
// Per rallentare il fade aumentare il valore
int velocitaFadeContinuo = 60;

// attesa prima della partenza della successiva accensione
int attesaFinaleBianco = 2000;
int attesaFinaleRosso = 2000;
int attesaFinaleVerde = 2000;
int attesaFinaleBlu = 2000;
int attesaFinaleContinuo = 2000;

// intensit massima di bianco. Per 
// rallentare il fade aumentare il valore
int limiteBianco = 30;

// intensit massima di rosso. Per 
// rallentare il fade aumentare il valore
int limiteRosso = 30;

// intensit massima di verde. Per 
// rallentare il fade aumentare il valore
int limiteVerde = 30;

// intensit massima di blu. Per 
// rallentare il fade aumentare il valore
int limiteBlu = 30;

// intensit massima dei colori. Per 
// rallentare il fade aumentare il valore
// massimo 255
int limiteContinuo = 100;

// per rallentare il fade aumentare il valore
int limiteFadeRandom = 120;

// numero massimo di colori scelto in
// maniera casuale
int randomColor = 5;

void setup() {
  pinMode(pinRosso, OUTPUT);
  pinMode(pinVerde, OUTPUT);
  pinMode(pinBlu, OUTPUT);
}

void loop() {

  // --- accensione solo bianco alla massima luminosit ---

  /*
  analogWrite(pinRosso, 255);
   analogWrite(pinRossoDue, 255);
   analogWrite(pinVerde, 255);
   analogWrite(pinVerdeDue, 255);
   analogWrite(pinBlu, 255);
   analogWrite(pinBluDue, 255);
   */

  // ------------------------------------------------------   

  /*
// --- variazione luminosit bianco ---
   
   variazioneBianco();
   
   // ------------------------------------------------------
   */

  // --- casuale nella scelta del colore ---

  casuale();

  // ------------------------------------------------------ 

  /*
// --- variazione continua colori incluso il bianco ---
   
   variazioneContinua();
   
   // ------------------------------------------------------
   */

}

// funzioni esterne per la variazione continua del colore

// -- casuale

void casuale() {
  int sceltaSequenza=random(randomColor);
  switch (sceltaSequenza) {
  case 0:
    variazioneBianco(limiteBianco, velocitaFadeBianco, attesaFinaleBianco);
    break;
  case 1: 
    variazioneRosso(limiteRosso, velocitaFadeRosso, attesaFinaleRosso);
    break;
  case 2:
    variazioneVerde(limiteVerde, velocitaFadeVerde, attesaFinaleVerde);
    break;
  case 3:
    variazioneBlu(limiteBlu, velocitaFadeBlu, attesaFinaleBlu);
    break;
  case 4:
    variazioneContinua(limiteContinuo, velocitaFadeContinuo, attesaFinaleContinuo);
    break;
  default:
    {
      // nulla
    }
  }
}

// --- variazione contina del colore

void variazioneContinua(int limiteContinuo, int velocitaFadeContinuo, int attesaFinaleContinuo) {
  int rosso, verde, blu;
  // fade da blu a viola
  for (rosso = 0; rosso < limiteContinuo; rosso++) {      analogWrite(pinRosso, rosso);     delay(velocitaFadeContinuo);   }    // fade da viola a rosso   for (blu = limiteContinuo; blu > 0; blu--) { 
    analogWrite(pinBlu, blu);
    delay(velocitaFadeContinuo);
  } 
  // fade da rosso a giallo
  for (verde = 0; verde < limiteContinuo; verde++) {      analogWrite(pinVerde, verde);     delay(velocitaFadeContinuo);   }    // fade da giallo a verde   for (rosso = limiteContinuo; rosso > 0; rosso--) { 
    analogWrite(pinRosso, rosso);
    delay(velocitaFadeContinuo);
  } 
  // fade da verde a bianco
  for (blu = 0; blu < limiteContinuo; blu++) {      analogWrite(pinBlu, blu);     delay(velocitaFadeContinuo);   }    // fade da bianco a blu   for (verde = limiteContinuo; verde > 0; verde--) { 
    analogWrite(pinVerde, verde);
    delay(velocitaFadeContinuo);
  }
}

// --- variazione intensit luminosa del bianco ---

void variazioneBianco(int limiteBianco, int velocitaFadeBianco, int attesaFinaleBianco) {

  for (int fade = 0; fade < limiteBianco; fade++) {     analogWrite(pinRosso, fade);     analogWrite(pinVerde, fade);     analogWrite(pinBlu, fade);     delay(velocitaFadeBianco);   }   for (int fade = limiteRosso; fade >= 0; fade--) {
    analogWrite(pinRosso, fade);
    analogWrite(pinVerde, fade);
    analogWrite(pinBlu, fade); 
    delay(velocitaFadeBianco);
    delay(attesaFinaleBianco);
  }
}

// --- variazione luminosit del rosso

void variazioneRosso(int limiteRosso, int velocitaFadeRosso, int attesaFinaleRosso) {

  analogWrite(pinVerde, 0);
  analogWrite(pinBlu, 0);

  for (int fade = 0; fade < limiteRosso; fade++) {     analogWrite(pinRosso, fade);     delay(velocitaFadeRosso);   }   for (int fade = limiteRosso; fade >= 0; fade--) {
    analogWrite(pinRosso, fade);
    delay(velocitaFadeRosso);
    delay(attesaFinaleRosso);
  }
}

// --- variazione luminosit del verde

void variazioneVerde(int limiteVerde, int velocitaFadeVerde, int attesaFinaleVerde) {

  analogWrite(pinRosso, 0);
  analogWrite(pinBlu, 0);

  for (int fade = 0; fade < limiteVerde; fade++) {     analogWrite(pinVerde, fade);     delay(velocitaFadeVerde);   }   for (int fade = limiteVerde; fade >= 0; fade--) {
    analogWrite(pinVerde, fade);
    delay(velocitaFadeVerde);
    delay(attesaFinaleVerde);
  }
}

// --- variazione luminosit del blu

void variazioneBlu(int limiteBlu, int velocitaBlu, int attesaFinaleBlu) {

  analogWrite(pinRosso, 0);
  analogWrite(pinVerde, 0);

  for (int fade = 0; fade < limiteBlu; fade++) {     analogWrite(pinBlu, fade);     delay(velocitaFadeBlu);   }   for (int fade = limiteBlu; fade >= 0; fade--) {
    analogWrite(pinBlu, fade);
    delay(velocitaFadeBlu);
    delay(attesaFinaleBlu);
  }
}

EduRobot UNO – Come costruire il vostro primo Arduino Robot – Lezione 3

banner-edurobot-uno-lezione3 Diamo movimento al nostro robot Se siete arrivati fino a questo punto avete aggiunto alle vostre competenze l’uso dei servomotori e dei sensori ad ultrasuoni. Combiniamo queste due abilità sarete in grado di movimentare il vostro robot facendogli evitare ostacoli. Incominciamo con unire il codice per governare i servomotori e il sensore ad ultrasuoni che avete utilizzato:

#include <Servo.h>

// creazione degli oggetti servo
Servo MotoreSinistro;
Servo MotoreDestro;

const int periodoStampaSuSeriale = 250;       // stampa sulla Serial Monitor ogni 1/4 di secondo
unsigned long ritardoSuSeriale = 0;

const int periodoLoop = 20;          // un periodo di 20 ms = una frequenza di 50Hz
unsigned long ritardoLoop = 0;

// specifica i pin di trig e echo usati per il sensore ad ultrasuoni
const int TrigPin = 8;
const int EchoPin = 9;

int distanza;
int durata;

void setup()
{
  Serial.begin(9600);     // configurazione dei pin Arduino a cui colleghiamo il sensore
  pinMode(TrigPin, OUTPUT);
  pinMode(EchoPin, INPUT);

  MotoreSinistro.attach(11);
  MotoreDestro.attach(10);
}

void loop()
{
    printOutput(); // stampa un messaggio di debug sulla Serial Monitor
    if(millis() - ritardoLoop >= periodoLoop)
    {
        letturaSensoreUltrasuoni(); // legge e memorizza la distanza misurata
        ritardoLoop = millis();
    }
}

void letturaSensoreUltrasuoni()
{
    digitalWrite(TrigPin, HIGH);
    delayMicroseconds(10);                  // mantiene alto il trigger per almeno 10us
    digitalWrite(TrigPin, LOW);
    durata = pulseIn(EchoPin, HIGH);
    distanza = (durata/2)/29;
}

void printOutput()
{
    if((millis() - ritardoSuSeriale) > periodoStampaSuSeriale)
    {
        Serial.print("distanza: ");
        Serial.print(distanza);
        Serial.print("cm: ");
        Serial.println();
        ritardoSuSeriale = millis();
    }
}

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EduRobot UNO – Come costruire il vostro primo Arduino Robot – Lezione 2

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Collegamenti elettrici

Colleghiamo il sensore ad ultrasuoni sulla basetta

Inseriamo il sensore sulla breadboard in una posizione centrale sul fronte dell’EduRobot UNO. Collegate GND e Vcc come nell’immagine alle rispettive linee di alimentazioni sulla breadboard, da questi poi effettuate un collegamento al GND e a +5V sulla scheda Arduino.

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22-edurobot-uno

Collegate con altri due fili i punti Trig e Echo rispettivamente ai pin 8 e 9 di Arduino.

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Colleghiamo i motori

Utilizzando i 3 pin come mostrato nell’immagine che segue, spostate la parte plastica isolante a metà dei connettori metallici.

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Inserite i pin sulla breadboard e collegate ad essi i motori.

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I motori hanno ciascuno 3 file: GND (nero), segnale (bianco), Vcc (rosso). Il filo del segnale potrebbe presentarsi anche di altri colori (ad es. giallo).
Collegate GND e Vcc di ogni motore alle linee di alimentazioni presenti sulla breadboard.

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Collegate il segnale del motore sinistro al pin 11 e il segnale del motore destro al pin 10 entrambi pin di tipo PWM.

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EduRobot UNO – Come costruire il vostro primo Arduino Robot – Lezione 1

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La maniera migliore per applicare quanto si è appreso con Arduino è quella di realizzare un robot, in quanto in esso sono racchiuse moltissime delle funzionalità di cui avrete necessità per i vostri progetti futuri.
Se siete utenti esperti nell’uso di Arduino potrete ritrovare in questo breve corso iniziale concetti già conosciuti, ma per mia scelta desidero affrontare ogni passo in modo graduale, anche a costo di ripetere argomenti già conosciuti, in questo modo si avrà modo di perfezionare il proprio apprendimento e rivedere concetti di base anche da altri punti di vista.
Quindi i prerequisiti necessari sono quelli che avete ottenuto leggendo le mie prime quattro lezioni delle mie slide pubbliche oppure aver eseguito le lezioni su questo sito.

Questa lezione ha una durata di circa 4/5 ore in aula per utenti che hanno una conoscenza di base e quindi è da intendersi di primo livello nell’uso di Arduino e vuole essere un percorso alternativo per apprendere in maniera più coinvolgente (almeno spero) l’uso di Arduino, ponendo le basi per un percorso di robotica con Arduino di livelli via via crescenti.

All’interno di questa lezione troverete link a istruzioni e spiegazioni in modo che questa lezione possa essere un’ulteriore punto di accesso al mondo Arduino.

Faremo un piccolo passo in dietro ripetendo alcuni concetti di base e poi un balzo in avanti per imparare nuovi argomenti utilizzando le competenze ottenute nelle lezioni che avete fino a questo punto studiato, tutto in maniera graduale senza dare nulla per scontato.

Come sempre la mia speranza è che questa lezione possa essere utilizzata come approccio iniziale all’insegnamento dell’informatica e dell’elettronica.

Per rendere più agevole lo sviluppo dei propri progetti, ho realizzato una struttura in compensato su cui sono fissate: scheda Arduino UNO R3 e Breadboard. Una piccola stazione di lavoro, facilmente trasportabile, che si trasforma poi successivamente in un piccolo robot, il kit sviluppato ha il nome di EduRobot UNO, ad esso ho associato un’area sul mio sito, www.maffucci.it/edurobot ed un sito di riferimento che rimanda per ora alla medesima pagina: www.edurobot.cc, su cui inserirò i sorgenti grafici per realizzare la struttura, ma anche i primi sketch di programmazione con esercizi. L’idea quindi è quella di andare oltre e costruire una didattica della robotica con Arduino.

Il nome scelto non è casuale: EduRobot UNO

  • EduRobot perché il desiderio e che sia utilizzato per imparare;
  • UNO perché è il primo della famiglia, ad esso si sta aggiungendo il fratello maggiore EduRobot DUE costituito da una struttura più elaborata che consentirà di realizzare progetti più complessi, ma che potrà utilizzare fin da subito elementi già usati per la versione UNO.

Tutte le strutture robotiche che sto progettando sono pensate per non fare uso di collanti e quindi adatte per essere usate anche con giovani studenti, tutto compensato tagliato a laser, viti e bulloni, nulla di più, se poi desiderate, potrete voi apportare le migliorie  direttamente su quanto da me proposto.

E quindi non posso che augurarvi: buona sperimentazione! 🙂

Descritto l’idea di progetto partiamo con la classica lista dei componenti usati.

Se avete già acquistato un Arduino Starter Kit a questo dovrete aggiungere un paio di servomotori a rotazione continua (360°) ed un sensore ad ultrasuoni, ma se state seguendo uno dei miei corsi nessun problema, questi dispositivi fanno parte della dotazione che utilizzo per insegnare.

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Livelli logici TTL e CMOS – cosa si nasconde dietro un HIGH o LOW di una digitalWrite di Arduino?

ttl-cmos-atmega328-bannerSpesso, durante i miei corsi su Arduino ricorrono le domande sui livelli logici in elettronica digitale, il tutto nasce quando è indispensabile introdurre la differenza tra segnali analogici e digitali o quando si parla di livelli logici 1 o 0. Mi preme quindi fare un’estensione agli appunti che utilizzo durante le lezioni con un breve post, nulla di complicato, spiegato per chi si avvicina per la prima volta all’uso di Arduino. Vediamo di capire cosa si nasconde, dal punto di vista elettronico dietro le parole HIGH e LOW che si utilizzano sempre nei nostri sketch Arduino.

Viviamo in un mondo pieno di segnali analogici, si pensi ad esempio alla temperatura, alla pressione atmosferica al suono emessa da un flauto e mille di questi esempi si potrebbero fare. Come ben sapete in elettronica digitale vengono utilizzati due stati logici ON e OFF, ACCESO e SPENTO, o in altro modo 1 e 0. Con questi due livelli logici potete codificare e trasportare una grande quantità di informazioni e far colloquiare tra loro dispositivi elettronici.
Per fare un esempio per chi ha incominciato con il classico “Blink”, provate a pensare cosa si può fare con sequenze ACCESO e SPENTO di LED, potete comunicare ad esempio informazione con il codice morse.

Cos’è un livello logico

In estrema sintesi possiamo dire che un livello logico è una tensione specifica o uno stato in cui un segnale può esistere.
Spesso, come detto nell’introduzione di questo post, ci riferiamo a due stati logici ON e OFF dove traduciamo ON con il numero binario 1 e OFF si traduce in uno 0 binario. In Arduino noi identifichiamo lo 0 binario in LOW e 1 binario in HIGH.
I livelli di tensione elettrica che definiscono l’1 binario o lo 0 binario possono differire in funzione della tecnologia utilizzata per la costruzione dei dispositivi elettronici digitali.

Attivo alto e attivo basso

Dal punto di vista elettrico a cosa corrisponde un HIGH o un LOW?
Se avete incominciato a lavorare con circuiti integrati e microcontrollori è molto probabile che troverete pin che sono attivi bassi o attivi alti, ciò indica quando il pin è attivo. Spesso capita che un circuito integrato per poter funzionare o per abilitare alcune sue funzionalità necessita che su un pin prestabilito vi sia un livello logico basso o alto si dice quindi quindi che quel particolare pin è attivo basso o alto ovvero deve esserci un livello logico 1 (tensione di 5V o 3,3V) o un livello logico 0 (tensione di 0V o poco più).

Per fare un esempio è come se paragonassimo la vostra automobile ad un circuito integrato (vedi ad esempio il microcotrollore su Arduino) e la chiave di accensione ad un pin dell’integrato, allora diciamo che: “l’automobile si avvia se giriamo la chiave, il circuito integrato fa quello che desideriamo se su un particolare pin abbiamo un livello logico stabilito (alto o basso)”.

Ad esempio, per chi ha già fatto qualche sperimentazione con gli shift register avrà notato che questo integrato possiede un pin Enable identificato con CE. Se sul data datasheet notate che sulla lettere CE è presente una linea, vuol dire che il pin è attivo basso ovvero lo shift register può funzionare se su CE è presente una tensione di 0V, in altro modo il pin deve essere collegato a GND. Se invece sulle lettere CE non è presente una linea allora vuol dire che il pin CE è attivo alto e quindi l’integrato potrà funzionare solo se il pin è portato ad un livello logico 1 (5V o 3,3V).

I dispositivi elettronici digitali vengono suddivisi in famiglie logiche le quali differiscono le una dalle altre per la tecnologia usata per costruirli e per la tipologia di circuiti di base (componenti elettronici usati) su cui si basa il loro funzionamento.
Inoltre capita che nell’ambito di una stessa famiglia logica vi siano alcune serie di componenti che hanno caratteristiche migliori, ad esempio temperature limite di funzionamento.

Le famiglie logiche più utilizzate sono la TTL (Transistor Transistor Logic) e la CMOS (Complementary MOS).
La prima prende il nome da TTL in quanto sono costituiti da transito sia nello stadio di ingresso che di uscita. La seconda detta CMOS perché usa dei MOSFET (Transistor ad Effetto di Campo MOS, Metallo Ossido Semiconduttore).

Per chi affronta per la prima volta questo argomento consideri questi due acronimi, TTL e CMOS, come il nome per specificare la tecnologia usata per realizzare il dispositivo elettronico digitale, per fare un’analogia e come dire: “l’automobile ci serve per spostarci, ma l’automobile può essere a GASOLIO (ad es. TTL) o a BENZINA (ad es. CMOS) entrambe comunque ci consentiranno di spostarci”.
Sappiamo però che le auto a gasolio hanno certe problematiche/pregi e quelle a benzina allo stesso modo hanno problematiche/pregi è in funzione delle performance che ci interessano: consumi, potenza, velocità, ecc… si deciderà quale automobile acquistare.

Esistono alcune convenzioni che sarà utile conoscere per meglio districarsi ad esempio nella lettura dei manuali tecnici dei componenti elettronici digitali.

Per convenzione, le correnti e le tensioni di qualsiasi terminale di un dispositivo logico hanno due suffissi come pedice:

  • il primo indica se il terminale è di ingresso (I=input) o di uscita (O=output)
  • il secondo indica lo stato logico alto (H=high) o basso (L=low)

Inoltre ogni terminale di ciascuna porta logica assorbe o eroga corrente.

Logica TTL

I circuiti elettronici digitali della famiglia TTL sono alimentati (funzionano con…) con una Vcc=+5V. Come già accennato sono basati su circuiti costituiti da transistor bipolari utilizzati per ottenere variazioni (commutazioni di livelli) e mantenere stati logici (memorizzare), possiamo definirli come dei microinterruttori. Sono caratterizzati da una serie (numeri identificativi) che ha come cifra iniziali, 74, serie commerciale che funziona tra 0°C e 70 °C e la serie 54 che costituisce la serie militare che funziona tra -55°C e +125°C.

Esistono  sottofamiglie della TTL:

  • L – serie a basso consumo (L indica Low power), ormai obsoleta
  • S – serie che utilizza i transito veloci Schottly
  • LS – serie che riunisce le caratteristiche delle due precedenti
  • AS – serie S con prestazioni avanzate
  • ALS – serie LS con prestazioni avanzate

Ad ogni famiglia logica (TTL e CMOS) è associata una serie di tensioni che identificano quando si ha 0 logico e quando l’1 logico.

I livelli di tensione da applicare in ingresso sono:

  • VIL – compreso tra 0 e VILmax =+0,8V per il riconoscimento del livello logico basso (LOW), quindi una tensione tra 0V e +0,8V sarà identificata come un LOW
  • VIH – tensione compresa tra VIHmin=+2V e +5V per il riconoscimento del livello logico alto (HIGH), quindi una tensione tra +2V e +5V sarà identificata come un HIGH

I livelli di tensione che si ottengono in uscita sono:

  • VOL – compreso tra 0 e VOLmax =+0,4V purchè la corrente entrante sia IOL<16mA
  • VOH – compreso tra VOHmin=2,7V e circa 4V purché la corrente di ingresso sia IOH<400uA

Il disegno chiarisce meglio questi intervalli di tensione:

ttl-small

I valori di tensione compresi tra +0,8V e +2V individuano una zona di indeterminazione che non è da utilizzare.

Consideriamo ad esempio una porta NOT, l’intervallo dei segnali di input e output accettabili per avere un livello alto o basso sono quelli indicati in figura:

livelli-in-out-ttl

Logica CMOS

Tutti i circuiti integrati della famiglia logica CMOS utilizzano al loro interno MOSFET di tipo P o di tipo N e caratteristica principale di un CMOS è la ridottissima potenza dissipata e ampio intervallo di tensioni di alimentazione: da +3V a +15V.
Come per la famiglia TTL anche la CMOS ha delle sottofomiglie:

  • CD4000 ormai obsoleta
  • 74C compatibile, nella piedinatura (posizione funzionalità) ai corrispondenti integrati della famiglia TTL
  • 74HC e 74HCT come la serie precedenti, ma con tempi di propagazione (del segnale) ridotti e valori di tensione compresi tra +2V e +6V (HC) e +5V (HCT)
  • 74 AHC simile alla HC ma con prestazioni avanzate

Se si usano dispositivi in tecnologia CMOS bisogna tener conto di alcune regole:

  • la tensione applicata in ingresso deve essere compresa tra 0V e Vcc
  • a differenza della famiglia TTL tutti i piedini di ingresso devono essere utilizzati collegandoli a livello alto o basso
  • il terminale di uscita può essere collegato a massa o all’alimentazione senza pericolo di avarie
  • le tensioni di commutazioni di soglia (le tensioni che identificano il passaggio dallo 0 a 1 o viceversa) sono circa la metà della tensione di alimentazione applicata al dispositivo

Considerando dispositivi CMOS alimentati a tensione di +3,3V i livelli di tensione da considerare sono quelli rappresentati nel disegno che segue:

cmos-small

Si noti come, al fine di garantire la compatibilità generale, che la maggior parte dei livelli di tensione sono uguali ai dispositivi alimentati a +5V. Un dispositivo alimentato a +3,3V potrà in generale, con alcune cautele, essere interfacciato ad un dispositivo a +5V senza componenti aggiuntivi. Ad esempio, un 1 logico (HIGH) per un dispositivo a +3,3 V sarà almeno +2,4 V e tale tensione sarà ancora interpretato come un 1 logico (HIGH) in un sistema a+5V perché è sopra la VIG di 2 V.

Quando bisogna interfacciare (in senso opposto) un dispositivo a 5V con uno a 3,3V bisogna verificare che il dispositivo a 3,3V possa funzionare a 5V, cioè che la tensione massima di ingresso sia di 5V. Su alcuni dispositivi 3,3 V, tensioni superiori a 3,6 V causeranno danni permanenti al componente. Sarà sufficiente utilizzare un semplice partitore di tensione (ad esempio una resistenze da 1kOhm ed una da 2kOhm) per abbattere segnali da 5V a 3,3V.

Livelli logici in Arduino

Guardando il datasheet dell’ATMega328, (microcontrollore presente nell’Arduino UNO) i livelli di tensione sono leggermente diversi da quelli indicati per le famiglie TTL e CMOS:

atmega328-small

La differenza più evidente è che la regione di interdizione (da non usare) di tensioni è tra 1,5 V e 3,0 V. Il margine di rumore è maggiore sul Arduino ed ha una soglia più elevata per l’identificazione di una tensione che indica un segnale basso (LOW) ed una soglia minima per l’identificazione di un segnale alto (HIGH) più elevata. In altro modo i livelli di tensione massima di identificazione dello 0 logico e di tensione minima di identificazione dell’1 logico rientrano all’interno degli intervalli di diverse tipologie di famiglie logiche, sia TTL che CMOS, in questo modo la costruzione di interfacce risulta più semplice.

Paragonado i grafici dei livelli di tensione per TTL, CMOS e ATMega328 abbiamo:

ttl-cmos-atmega328