Costruiamo una utile Docking Station per ESPertino

Quante volte gli sviluppatori e i progettisti hanno dovuto collegare pulsanti, interruttori, diodi LED, potenziometri, termometri, sensori vari, lampade di potenza e altro alla propria scheda di sviluppo? Il più delle volte queste operazioni sono affette da vari problemi logistici: molti fili aggrovigliati, sensori o attuatori in quel momento irreperibili, contatti elettrici indesiderati tra le varie parti metalliche e collegamenti non proprio affidabili. Realizziamo assieme questa utile stazione tutto fare, dotata di tantissimi sensori e attuatori.

Sensori e attuatori a portata di mano

Letteralmente "stazione di attracco", la Docking Station è un'unica periferica che fornisce ulteriori funzionalità, in modo estremamente comodo e semplice, al dispositivo a cui viene collegata. Nel nostro progetto ha la funzione di demoboard. Pulsanti al momento non reperibili, potenziometri smarriti, diodi LED momentaneamente non disponibili, collegamenti elettrici confusi e non affidabili: sono questi i maggiori problemi che i progettisti si trovano davanti quando devono collaudare il proprio prototipo. Con la realizzazione che proponiamo in questo articolo, tutte le problematiche svaniranno in un solo colpo, fornendo una comoda base di appoggio per il test dei propri progetti. La stazione che andiamo a proporre è stata progettata per la scheda ESPertino ma, ovviamente, può essere utilizzata per qualsiasi altro sistema di sviluppo. Si tratta, infatti, di semplici e universali sensori e attuatori montati e collegati su una piastra affidabile, pronti a dare il loro professionale contributo in qualunque momento. Prima di proseguire nella realizzazione del progetto, vediamo un pò quali sono i vantaggi derivanti dall'uso di questa sorta di Docking Station per ESPertino:

  • praticità: essa offre, praticamente, la disponibilità immediata di molti sensori e attuatori, senza la necessità di andarli a cercare tra i propri cassetti. Inoltre, l'assemblaggio e il cablaggio degli stessi risultano estremamente semplici e immediati, in quanto si tratta di fissare solo gli appositi contatti nei pettini di collegamento dei vari embedded;
  • versatilità: la semplicità del dispositivo permette senz'altro la sua espansione. Il progettista che intendesse realizzare il progetto può liberamente modificarlo, secondo le sue esigenze, magari aggiungendo altri tipi di sensori non presenti nel prototipo originale;
  • comodità: al momento del collaudo dei propri progetti, è sufficiente prendere la Docking Station proposta nell'articolo e collegare solo le parti desiderate. Ciò consente un enorme risparmio di tempo e un test sicuro e affidabile, con tutte le parti coinvolte sotto il proprio controllo.

Il prototipo può essere proficuamente utilizzato anche dalle scuole per permettere il rapido e sicuro cablaggio dei dispositivi, non dimenticando di illustrare sempre ai ragazzi gli schemi elettrici completi, per comprendere perfettamente l'azione elettrica ed elettronica dei sensori e degli attuatori sul circuito elettrico.

La dotazione hardware onboard della Docking Station

Le soluzioni circuitali e le dotazioni hardware del progetto potrebbero essere infinite. Tuttavia, al fine di mantenere l'universalità del circuito e il suo minimo ingombro, prevediamo l'adozione e l'utilizzo delle seguenti periferiche di input e di output:

  • una serie di pulsanti n/a (per testare gli ingressi);
  • una serie di diodi LED (per testare le uscite);
  • un paio di lampade di potenza, comandate dai rispettivi Mosfet IRL540;
  • alcuni trimmer per simulare l'ADC;
  • un sensore di temperatura analogico LM35;
  • un display a 7 segmenti;
  • un piccolo altoparlante;
  • un buzzer piezo;
  • alcune resistenze di pull-up e di pull-down;
  • un display LCD 2x16;
  • alcuni contatti collegati direttamente a VCC 3.3 V, a VCC 5 V e a GND per facilitare le operazioni di cablaggio dei vari test;
  • una fotoresistenza.

Lo schema elettrico

Il dispositivo che andiamo a realizzare è del tipo non intelligente. Esso, infatti, non contiene a bordo alcun microcontrollore ma "si limita" a ospitare periferiche di controllo e di segnalazione che fanno capo, normalmente, a una scheda di sviluppo esterna. La dotazione è realmente notevole e soddisfa, in generale, tutte le esigenze dei progettisti, per ciò che riguarda i progetti di media applicazione e, in ogni caso, non specifici. La Figura 1 illustra lo schema elettrico.

Figura 1: lo schema elettrico della Docking Station per ESPertino

Figura 1: lo schema elettrico della Docking Station per ESPertino

Come si può notare, esso è composto da tanti blocchi logici, indipendenti tra loro. Solo la massa è comune a tutto il prototipo. Elenchiamo, di seguito, tali blocchi, fornendo alcune informazioni su di essi:

    • alimentazione della Docking Station: essa permette di alimentare la demo board. E' opportuno collegare sempre le due alimentazioni (3.3 V e 5 V) e, naturalmente, la massa. Questo per permettere anche il corretto funzionamento del display LCD e del termometro LM35;
    • pulsanti normalmente aperti: hanno lo scopo di provare gli ingressi di ESPertino. Costituiscono, a tutti gli effetti, dei sensori logici, che possono fornire una tensione di 3.3 V, quando il pulsante è premuto, e una tensione di 0 V a massa, quando il pulsante è rilasciato. Si notino le relative resistenze di pull-down che assicurano un potenziale nullo, in stato di riposo. Se si preferisce, si possono anche utilizzare 1, 2 o 3 interruttori da C.S., al posto dei rispettivi pulsanti;
    • lampade di potenza: si tratta di due carichi "robusti" con cui provare l'elettronica di potenza. Le due lampade sono pilotate da altrettanti Mosfet. Ovviamente non bisogna esagerare nell'assorbimento di tali attuatori. Se si prevede tale utilizzo si deve collegare una capiente batteria di 12 V all'apposito morsetto;
    • resistenze di pull-up: esse permettono un collegamento all'alimentazione di 3.3 V, attraverso delle resistenze di pull-up da 10 kohm;
    • collegamenti diretti a 3.3 V: tali contatti consentono l'accesso alla tensione di 3.3 V, in modo da avere a disposizione tante possibilità di cablaggio e non stare a elemosinare un introvabile morsetto di alimentazione;
    • collegamenti diretti a 5 V: tali contatti consentono l'accesso alla tensione di 5 V, in modo da avere a disposizione tante possibilità di cablaggio;
    • resistenze di pull-down: esse permettono un collegamento alla massa del circuito, attraverso delle resistenze di pull-down da 10 kohm;
    • collegamenti diretti a massa: tali contatti consentono il collegamento dei punti verso massa, in modo da avere facilmente a disposizione tante possibilità di cablaggio;
    • tensioni variabili per l'ADC: tramite due potenziometri è possibile ottenere due diverse tensioni variabili, comprese tra 0 V e 3.3 V, al fine di testare le possibilità dell'ADC di ESPertino;
    • diodi LED: la scheda dispone di alcuni diodi LED per eseguire dei test logici sulle porte di uscita digitali dell'embedded. Non è necessario collegare ulteriori resistenze di limitazione, in quanto esse sono già state calcolate e implementate nella scheda;
    • termometro LM35: attraverso tale morsetto l'embedded può ricevere e processare la tensione variabile analogica proveniente dal termometro LM35;
    • fotoresistenza: essa fa parte di un partitore resistivo. Il morsetto, collegato al nodo centrale, presenta una tensione variabile in dipendenza dell'illuminazione locale, compresa tra 0 V e 3.3 V;
    • altoparlante: tramite un piccolo altoparlante di 8 ohm, dal diametro non più grande di 5 cm, è possibile ascoltare, a basso volume, i segnali provenienti dall'embedded. Il riproduttore è preceduto da una resistenza di limitazione da 100 ohm;
    • buzzer: anche la presenza di un piccolo buzzer da 5 V contribuisce a sperimentare nel campo della segnalazione acustica. E' sufficiente fornire tensione al dispositivo per fargli emettere una nota acustica;
    • display a diodi LED a 7 segmenti: un morsetto a sette posti è collegato, tramite le opportune resistenze di limitazione, a un display a 7 segmenti. Per pilotarlo, ovviamente, si devono utilizzare altrettante porte di uscita di ESPertino;
    • display LCD: tramite un morsetto a sei posti è possibile collegare un display a cristalli liquidi. I pin che collegano il display all'embedded sono i seguenti: Rs, En, DB4, DB5, DB6, DB7.

Elenco dei componenti

I componenti elettronici, elencati nella tabella seguente, sono di facile reperibilità. Non sono per nulla critici.

Sigla del componente Quantità Descrizione
J3, J4, J14 3 Connettore femmina da C.S. a 2 posti, passo 2.54 mm
J1 1 Connettore femmina da C.S. a 3 posti, passo 2.54 mm
J8 1 Connettore femmina da C.S. a 4 posti, passo 2.54 mm
J13 1 Connettore femmina da C.S. a 6 posti, passo 2.54 mm
J6, J5, J9, J10, J11, J12 6 Connettore femmina da C.S. a 7 posti, passo 2.54 mm
J2, J7 2 Connettore femmina da C.S. a 8 posti, passo 2.54 mm
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R28, R29, R30, R31, R32, R33, R34 22 Resistenza da 10 kohm, 1/4 W
R9, R10 2 Resistenza da 1 kohm, 1/4 W
R18, R19, R20, R21, R22, R23, R24, R25, R35, R36, R37, R38, R39, R40, R41 15 Resistenza da 220 ohm, 1/4 W
R26 1 Resistenza da 100 ohm, 1/4 W
R27 1 Fotoresistenza da 2.2 kohm a luce ambientale
RV1, RV2 2 Trimmer piccoli da 1 kohm
RV3, RV4 2 Trimmer piccoli da 4.7 kohm
SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, SW6, SW7, SW8 8 Piccolo pulsante N/A da C.S.
LA1, LA2 2 Portalampada in miniatura con relativa lampadina a 12 V 0.25 W
Q1, Q2 2 IRL540 in contenitore TO-220-3
D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8 8 Diodo LED rosso 5 mm
U1 1 Termometro LM35 in TO-92
U2 1 Display LCD 16x2
BZ1 1 Buzzer piezo
LS1 1 Altoparlantino max. 5 cm
AFF1 1 Display a diodi LED a 7 segmenti a catodo comune

Il circuito stampato

Benché di semplice concezione, si è preferito optare per un circuito stampato a doppia faccia. Le piste, dalla larghezza di 1 mm, sono sufficienti per sopportare la bassa corrente richiesta per il funzionamento della scheda. Si consiglia di utilizzare la fotoincisione per la produzione del PCB. Dal momento che lo sbroglio è stato effettuato completamente a mano, non si è reso necessario l'utilizzo di alcun "via". La Figura 2 mostra la traccia di rame del "Bottom Side", ovviamente reso speculare, mentre in Figura 3 si può osservare la traccia di rame del "Top Side". Si ricorda che durante il processo di impressionamento della basetta, i due testi "Bottom" e "Top" si devono leggere normalmente. Se proprio si vuole evitare di realizzare il doppia faccia, si può creare solamente il PCB inferiore e, successivamente, collegare le piazzole mediante sette spezzoni di filo elettrico, secondo le direttive del tracciato del TOP. [...]

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Una risposta

  1. Filippo Casella Filippo Casella 19 Ottobre 2020

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