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Arduino: controllo sequenziale uscite digitali

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Durante la progettazione di un sistema di automazione accade frequentemente di avere la necessità di ripetere, sequenzialmente e in modo continuo, l’attivazione di apparati (ad es. motori) oppure la lettura continua dei dati provenienti da più sensori. Come attività di ripasso per i miei studenti ho deciso di riprendere alcuni argomenti affrontati nelle scorse settimane con specifiche esperienze di laboratorio:

  • automi a stati finiti;
  • utilizzo degli array;
  • input valori interi da serial monitor;
  • marcia, arresto, pausa di sequenze;
  • controllo uscite digitali mediante ingressi analogici;
  • realizzazione di commutatori con pulsanti con uno o più pulsanti;
  • utilizzo corretto dei tipi di dati per risparmiare memoria;
  • e molto altro

Di seguito 9 sketch in cui vengono ripresi gli argomenti sopra elencati e che potranno essere utilizzati nei prossimi mesi per sviluppare ulteriori sperimentazioni.
Come sempre all’interno degli sketch proposti trovate le spiegazioni di ogni parte del codice ed in alcuni casi trovate link di approfondimento che rimandano a questo sito.

Per ripercorrere gli argomenti svolti partirò dal classico sketch che permette di realizza l’accensione sequenziale di LED, come quello che potete trovare nelle mie slice: Alfabeto Arduino – Lezione 2 a pagina 66.
I LED nel circuito identificano gli apparati da attivare sequenzialmente, realizzando così il classico effetto “super car” (i diversamente giovani 🙂 sanno perché si chiama così).
Circuito e sketch verranno poi modificati per rispondere alle specifiche indicate ad inizio di ogni esempio.

Sketch 01

Sequenza di accensione e spegnimento da destra e sinistra e viceversa di 8 LED con tempo di accensione di 100 millisecondi.

Video Player

 

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1/* Prof. Michele Maffucci
2   30.12.2020
3   Lezione di riferimento: https://wp.me/p4kwmk-4D3
4 
5   Versione 01
6   Sequenza di accensione e spegnimento alternato
7   da destra e sinistra e viceversa di 8 LED con
8   tempo di accensione di 100 millisecondi.
9    
10   Questo codice è di dominio pubblico
11 */
12 
13// creazione di un array di 8 pin a cui vanno collegati i LED
14// per ulteriori informazioni sull'uso degli array si consulti il seguente link:
15// http://wp.me/p4kwmk-26e
16 
17byte ledPin[] = {3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
18 
19// per approfondimenti sull'uso dei tipi di dati
20// si consultino i link:
21// https://wp.me/p4kwmk-4As
22// https://wp.me/p4kwmk-1zF
23 
24// intervallo di accensione/spegnimento
25byte ritardoLed = 100;
26 
27// indicatore di direzione di accensione
28byte direzione = 1;
29 
30// indice dell'array per l'accensione del LED
31byte ledCorrente = 0;
32 
33// variabile in cui memorizzare il tempo di accensione di Arduino
34// per ulteriori informazioni sui tipi unsigned long si consulti il seguente link:
35// http://wp.me/p4kwmk-1zF
36 
37unsigned long tempoTrascorso;
38 
39void setup() {               
40  // impostiamo tutti i pin ad output
41  for (byte x=0; x<8; x++) {
42    pinMode(ledPin[x], OUTPUT);
43  }
44     
45  // Memorizzazione del tempo trascorso
46  // dal momento in cui avviamo Arduino
47  // Per ulteriori informazioni sull'uso di millis() si consulti il seguente link:
48  // http://wp.me/p4kwmk-1QG
49   
50  tempoTrascorso = millis();
51}
52 
53void loop() {
54  // Se sono passati "ritardoLed" millisecondi dall'ultimo cambiamento
55  if ((millis() - tempoTrascorso) > ritardoLed) {
56    cambiaStatoLed();
57    tempoTrascorso = millis();
58  }
59}
60 
61// la funzione cambiaStatoLed() permette di controllare
62// la sequenza di accensione dei LED
63 
64void cambiaStatoLed() {
65  // spegne tutti i LED
66  for (byte x=0; x<8; x++) {
67    digitalWrite(ledPin[x], LOW);
68  }
69  // accende il LED corrente
70  digitalWrite(ledPin[ledCorrente], HIGH);
71  // incrementa la variabile direzione
72  ledCorrente += direzione;
73  // cambia la direzione se si arriva alla fine
74  if (ledCorrente == 7) {
75    direzione = -1;
76  }
77  if (ledCorrente == 0) {
78    direzione = 1;
79  }
80}

Sketch 02

Sequenza di accensione e spegnimento da destra e sinistra e viceversa di 8 LED. Con un trimmer è possibile variare il tempo di accensione nell’intervallo da 50 millisecondi a 1000 millisecondi (1 secondo).

Video Player

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3   Lezione di riferimento: https://wp.me/p4kwmk-4D3
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5   Versione 02
6   Sequenza di accensione e spegnimento alternato
7   da destra e sinistra e viceversa di 8 LED controllato
8   da un trimmer che permetterà di variare il tempo di accensione
9   da 50 millisecondi a 1000 millisecondi (1 secondo).
10    
11   Questo codice è di dominio pubblico
12 */
13 
14// creazione di un array di 8 pin a cui vanno collegati i LED
15// per ulteriori informazioni sull'uso degli array si consulti il seguente link:
16// http://wp.me/p4kwmk-26e
17 
18byte ledPin[] = {3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
19 
20// per approfondimenti sull'uso dei tipi di dati
21// si consultino i link:
22// https://wp.me/p4kwmk-4As
23// https://wp.me/p4kwmk-1zF
24 
25// intervallo di accensione/spegnimento
26int ritardoLed;
27 
28// variabile in cui memorizzare il valore restituito dall'analogRead
29int val = 0;
30 
31// indicatore di direzione di accensione
32byte direzione = 1;
33 
34// indice dell'array per l'accensione del LED
35byte ledCorrente = 0;
36 
37// variabile in cui memorizzare il tempo di accensione di Arduino
38// per ulteriori informazioni sui tipi unsigned long si consulti il seguente link:
39// http://wp.me/p4kwmk-1zF
40 
41unsigned long tempoTrascorso;
42 
43void setup() {
44  Serial.begin(9600);           
45  // impostiamo tutti i pin ad output
46  for (byte x=0; x<8; x++) {
47    pinMode(ledPin[x], OUTPUT);
48  }
49     
50  // Memorizzazione del tempo trascorso
51  // dal momento in cui avviamo Arduino
52  // Per ulteriori informazioni sull'uso di millis() si consulti il seguente link:
53  // http://wp.me/p4kwmk-1QG
54   
55  tempoTrascorso = millis();
56}
57 
58void loop() {
59 
60  // valore analogico letto su A0 inserito con il trimmer
61  val = analogRead(A0);
62 
63// Togliere il commento per valutare
64// valore massimo/minimo del valore restituito
65// dall'analogRead in questo modo si potranno
66// inserire nella map i valori massimi e minimi
67// dell'intervallo di partenza
68 
69// Serial.println(val);
70// delay(1000);
71 
72  // ValMax = 285, ValMin = 719
73  // riconvertiti nell'intervallo 50, 1000
74   
75  ritardoLed = map(val, 285, 719, 50, 1000);
76   
77  // Se sono passati "ritardoLed" millisecondi dall'ultimo cambiamento
78  if ((millis() - tempoTrascorso) > ritardoLed) {
79    cambiaStatoLed();
80    tempoTrascorso = millis();
81  }
82}
83 
84// la funzione cambiaStatoLed() permette di controllare
85// la sequenza di accensione dei LED
86 
87void cambiaStatoLed() {
88  // spegne tutti i LED
89  for (byte x=0; x<8; x++) {
90    digitalWrite(ledPin[x], LOW);
91  }
92  // accende il LED corrente
93  digitalWrite(ledPin[ledCorrente], HIGH);
94  // incrementa la variabile direzione
95  ledCorrente += direzione;
96  // cambia la direzione se si arriva alla fine
97  if (ledCorrente == 7) {
98    direzione = -1;
99  }
100  if (ledCorrente == 0) {
101    direzione = 1;
102  }
103}

Sketch 03

Sequenza di accensione e spegnimento alternato da destra e sinistra e viceversa di 8 LED. L’accensione di ogni LED è fissato in partenza a 100 millisecondi. Con un messaggio sulle Serial Monitor viene richiesto di inserire un nuovo tempo di accensione e spegnimento di ogni LED (delay), tempo che può essere scelto a piacimento.

Video Player

Lo schema di collegamento è analogo a quello utilizzato per lo sketch 01.

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2   30.12.2020
3   Lezione di riferimento: https://wp.me/p4kwmk-4D3
4 
5   Versione 03
6   Sequenza di accensione e spegnimento alternato
7   da destra e sinistra e viceversa di 8 LED.
8 
9   Partenza sequenza con 100 millisecondi e messaggio sulla
10   Serial Monitor per modificare il tempo di
11   accensione e spegnimento del singolo LED (delay)
12    
13   Questo codice è di dominio pubblico
14 */
15 
16// creazione di un array di 8 pin a cui vanno collegati i LED
17// per ulteriori informazioni sull'uso degli array si consulti il seguente link:
18// http://wp.me/p4kwmk-26e
19 
20byte ledPin[] = {3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
21 
22// per approfondimenti sull'uso dei tipi di dati
23// si consultino i link:
24// https://wp.me/p4kwmk-4As
25// https://wp.me/p4kwmk-1zF
26 
27// intervallo di accensione/spegnimento
28int ritardoLed = 100;
29 
30// indicatore di direzione di accensione
31byte direzione = 1;
32 
33// indice dell'array per l'accensione del LED
34byte ledCorrente = 0;
35 
36// variabile in cui memorizzare il tempo di accensione di Arduino
37// per ulteriori informazioni sui tipi unsigned long si consulti il seguente link:
38// http://wp.me/p4kwmk-1zF
39 
40unsigned long tempoTrascorso;
41 
42// per stampare una sola volta il messaggio sulla Serial Monitor 
43bool abilitaMessaggio = 0;
44 
45void setup() {
46  // inizializzazione della serial monitor
47  Serial.begin(9600);
48                
49  // impostiamo tutti i pin ad output
50  for (byte x=0; x<8; x++) {
51    pinMode(ledPin[x], OUTPUT);
52  }
53 
54  // Memorizzazione del tempo trascorso
55  // dal momento in cui avviamo Arduino
56  // Per ulteriori informazioni sull'uso di millis() si consulti il seguente link:
57  // http://wp.me/p4kwmk-1QG
58  tempoTrascorso = millis();
59}
60 
61void loop() {
62  // consente di visualizzare sulla Serial Monitor
63  // una sola stampa delle stringa
64  if (abilitaMessaggio == 0) {
65    // ritardo che evita la doppia stampa del messaggio
66    delay(200);
67    Serial.print("Inserisci il ritardo in millisecondi: ");
68    abilitaMessaggio = 1;
69  }
70 
71  // Controlla se è disponibile almeno un carattere sulla seriale
72  // La Serial.available() restituisce
73  // 1 se presente un cattere,
74  // 0 se non è presente un carattere
75 
76  // per maggior informazioni sull'uso di parseInt() consultare il link:
77  // https://wp.me/p4kwmk-4Ah
78 
79  if (Serial.available())
80  {
81    // in r viene memorizzato il valore inserito
82    // attraverso la Serial Monitor
83    int r = Serial.parseInt();
84    if (r != 0) {
85      ritardoLed = r;
86      Serial.println(ritardoLed);
87 
88      // abilita alla stampa di una nuova stringa:
89      // "Inserisci il ritardo in millisecondi: "
90      abilitaMessaggio = 0;
91    }
92  }
93   
94  // funzione che fa lampeggiare il LED su Arduino
95  lampeggio();
96}
97 
98void lampeggio() {
99  // Se sono passati "ritardoLed" millisecondi dall'ultimo cambiamento
100  if ((millis() - tempoTrascorso) > ritardoLed) {
101    cambiaStatoLed();
102    tempoTrascorso = millis();
103  }
104}
105 
106// la funzione cambiaStatoLed() permette di controllare
107// la sequenza di accensione dei LED
108 
109void cambiaStatoLed() {
110  // spegne tutti i LED
111  for (byte x = 0; x < 8; x++) {
112    digitalWrite(ledPin[x], LOW);
113  }
114  // accende il LED corrente
115  digitalWrite(ledPin[ledCorrente], HIGH);
116  // incrementa la variabile direzione
117  ledCorrente += direzione;
118  // cambia la direzione se si arriva alla fine
119  if (ledCorrente == 7) {
120    direzione = -1;
121  }
122  if (ledCorrente == 0) {
123    direzione = 1;
124  }
125}

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Arduino: tipi di dati – ripasso

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Noto che durante le sperimentazioni condotte dagli allievi, l’uso dei tipi di dati provoca alcune incertezze, pertanto ho pensato di aggiungere a quanto già pubblicato in passato, una tabella riepilogativa da prendere come riferimento durante le eseritazioni aggiungendo inoltre qualche precisazione. Noto che nella dichiarazione di variabili la scelta più comune del tipo di dato utilizzato è l’int (intero), però molto spesso può essere non necessario o addirittura può aggiungere imprecisioni o errori.

Sebbene il tipo di dati int (abbreviazione di intero) sia la scelta più comune per valori numerici incontrati nelle applicazioni Arduino, è possibile utilizzare le tabelle che segue per determinare il tipo di dati più opportuno, che si adatta all’intervallo di valori previsto dal vostro programma. La tabella mostra i tipi di dati per le schede a 8 bit come Arduino UNO R3.

Tipo di dato

Byte

Intervallo

Uso
int 2 –32768 a 32767 Rappresenta valori interi positivi e negativi.
unsigned int 2 0 a 65535 Rappresenta solo valori interi positivi.
long 4 –2147483648 a 2147483647 Rappresenta un intervallo di interi negativi e positivi molto più estesa rispetto agli int.
unsigned long 4 0 a 4294967295 Rappresenta solo valori interi positivi con intervallo più ampio degli unsigned int.
float 4 3.4028235E+38 a –3.4028235E+38 Rappresenta numeri con la virgola, da utilizzare per rappresentare e approssimare valori che giungono dal mondo reale.
double 4 Come i float In Arduino, double ha lo stesso utilizzo e significato di float, un sinonimo (ciò non è vero per schede a 32 bit).
bool 1 TRUE (1) o FALSE (0) Rappresenta valori veri o falsi.
char 1 –128 a 127 Rappresenta un singolo carattere. Può anche rappresentare un intero con segno compreso tra –128 e 127.
byte 1 0 a 255 Simile al tipo char, ma per valori senza segno.
String Rappresenta una sequenza di caratteri tipicamente utilizzata per contenere il una stringa di testo.
void Utilizzato solo nelle dichiarazioni di funzione in cui non viene restituito alcun valore.

In generale, come potete vedere anche negli sketch di esempio presenti nell’IDE di Arduino, gran parte delle variabli utilizzate è di tipo int, inoltre se non è richiesta la massima efficienza della memoria di Arduino l’uso di int non è un errore, ma ovviamente il tipo int può essere utilizzato solo se i valori che state gestendo non superano l’intervallo degli int e non è necessario lavorare con numeri decimali.

Certamente molto spesso è necessario utilizzare un tipo di dato specifico per la propria applicazione, ciò accade quando ad esempio utilizziamo specifiche funzioni di libreria che restituiscono valori che non appartengono all’intervallo del tipo int.

A scopo di esempio considerate la funzione millis che restituisce il numero di millisecondi trascorsi dall’avvio del programma.

vedi sorgente
stampa?
1unsigned long ora;
2 
3void setup() {
4  // inizializzazione della erial Monitor
5  Serial.begin(9600);
6}
7void loop() {
8  Serial.print("Ora: ");
9  ora = millis();
10 
11  Serial.println(ora); // stampa l'ora (in millisecondi) dall'avvio dello sketch
12  delay(1000);         // attesa di un secono, viene utilizzato per non stampare
13                       // velocemente una grande quantità di valori sulla Serial Monitor
14}

Il tipo di valore restituito, come indicato nel reference, è un unsigned long valori compresi tra 0 e 4294967295.

Se usate un tipo int su una scheda a 8 bit per memorizzare un valore restituito da millis() non riceverete un messaggio di errore dal compilatore, ma verranno restituiti valori numerici sbagliati perché un int non è abbastanza grande da contenere il valore massimo di un unsigned long. Se provate a cambiare tipo nello sketch indicato sopra vedrete che dopo aver raggiunto il valore 32.767, il conteggio passerà a -32768.

Se invece provate a sostituire un long, –2147483648 a 2147483647 con un
unsigned int (intero senza segno) 0 a 65535, tornerete a zero dopo aver superato il massimo massimo (65535).

Alcune precisazioni

  • Durante le vostre sperimentazioni avrete bisogno a volte di valori con segno e a volte no, ecco perché sono stati resi disponibili tipi di dati con segno (signed) e senza segno (unsigned). I valori senza segno sono sempre positivi;
  • tutti i tipi che NON recano davanti la parola: unsigned possono assumere valori negativi e positivi;
  • una variabile senza segno (unsigned) può memorizzare il doppio dei valori numerici di una variabile con segno (signed);
  • nella notazione è esplicitato sempre quando la variabile è di tipo unsigned perché in questo modo viene reso evdente che quella variabile non assume valori negativi.

Dalla tabella si può notare che i tipi bool (booleani) hanno due possibili valori: vero o falso. Questo tipo di dato viene utilizzato in genere per memorizzare valori che rappresentano una condizione ON/OFF oppure in altro modo SI/NO.

Potresete vedere tipi booleani utilizzati al posto delle costanti HIGH e LOW utilizzati all’interno ad esempio di una digitalWrite() per impostare l’uscita di un pin digitale, qundi le scritture:

vedi sorgente
stampa?
1digitalWrite(pinLed,HIGH);
2e
3digitalWrite(pinLed,1);
4 
5digitalWrite(pinLed,LOW);
6e
7digitalWrite(pinLed,0);

Indicano la stessa cosa.

La stessa cosa accade per una digitalRead() nel caso in cui noi si debba leggere lo stato di un pin digitale. Potete qundi utilizzare true o false al posto di HIGH e LOW o ancora 1 o 0.

Esercizi per i miei studenti

Esercizio 1
Partendo dall’esempio indicato in questa lezione sulla stampa del valore restituito dalla funzione millis(), realizzare un programma che restituisca i valori di millis() memorizzati in tre variabili di tipo diverso:

vedi sorgente
stampa?
1unsigned long ora1;
2int ora2;
3unsigned int ora3;

stampare il valore delle tre variabili sulla Serial Monitor per dimostrare quanto affermato in questa lezione.

Esercizio 2
Realizzare le stese funzionalità dell’esercizio precedete aggiungendo un pulsante che se premuto azzera le tre variabili e fa ripartire (partendo da zero) la stampa sulla Serial Monitor.

Esercizio 3
Realizzare le stesse funzionalità dell’eserizio 2 aggiungendo 3 LED, ciascuno indicherà per un tempo di accensione di 10 secondi il superamento del limite del range del tipo di variabile a cui si riferisce es.:

LED1 -> ora1
LED2 -> ora2
LED3 -> ora3

Buon Making a tutti 🙂

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Aggiornamento lezione – Appunti di programmazione su Arduino: tipi di dati

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Nella lezione è stato aggiunto l’approfondimento sui possibili problemi a cui si può incorrere quando si confrontano valori in virgola mobile mostrando una possibile soluzione.

Vai alla lezione.

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